双作用叶片式二次元件的节能分析

资源类型:pdf 资源大小:575.00KB 文档分类:工业技术 上传者:薛虹
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文档信息

【作者】 臧发业 

【关键词】双作用 叶片 二次元件 节能 

【出版日期】2005-02-15

【摘要】本文介绍了双作用叶片式二次元件的结构和工作原理,分析了其节能原理和特点。

【刊名】液压气动与密封

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在静液传动系统中,把机械能转化成液压能的元件(如液压泵)称为一次元件;将液压能和机械能相互转换的元件(如液压马达/泵)称为二次元件[1]。二次元件一般工作在恒压网络中,通过改变二次元件的排量,实现对负载转矩或转速变化的调节;通过改变二次元件油流方向(过零点),二次元件可以工作于由输出转矩和转速构成的直角坐标系中的四个象限,既有“液压马达”工况,又有“液压泵”工况。1结构与工作原理如图1所示,双作用叶片式二次元件主要由转子4、定子2、叶片3、变量缸10、壳体1和配流盘(图中未画出)等组成,变量缸10由变量杆6、变量活塞8、变量缸体9等构成。变量杆6的球形头端与变量活塞8的凹槽连接,变量杆6的另一端固定在定子2的长半径圆弧中心线处或短半径圆弧中心线处,变量杆6的另一端固定在定子2长半径圆弧中心线处的外表面上。二次元件的进、出油口大小相同,叶片3沿转子4径向安置(即安放角为零),转子4和定子2的中心是固定的,定子2在变量活塞8的带动下可绕中心旋转。二次元件不工作时,定子长半径圆弧中心线与一组配油窗口中心线重合,此时,定子的转角为零度,即为定子的初始旋转位置(零点)。定子在初始位置时,二次元件的排量为零。假定对着二次元件传动轴的方向,定子顺时针方向旋转角为正,逆时针方向旋转角为负。当定子顺时针或逆时针旋转时,随着定子转角正向或负向增大,二次元件的排量也正向或负向增大,当转角达到45°时,二次元件排量正向最大[2],当转角为-45°时,二次元件排量负向最大,因此,定子可在-45° ̄45°转角范围内旋转,且使二次元件的排量不断变化。图1双作用叶片式二次元件的机构示意图1—壳体2—定子3—叶片4—转子5—传动轴6—变量杆7—缸盖8—变量活塞9—变量缸体10—变量缸工作时,在变量缸的作用下,对着二次元件传动轴的方向,通过变量杆使定子绕中心顺时针转动一个正角度。当二次元件上油口进油,下油口回油时,在图2a中,与二次元件上油口连通的左、右两个配油窗口处,由转子、定子、两相邻叶片及两侧配流盘组成的两个对称封闭区域中,由于叶片h、n的受压面积大于叶片mf的受压面积,在压力差的作用下,转子及传动轴以顺时针方向旋转,二次元件以“液压马达”工况工作,消耗液压系统的能量,驱动负载工作。若停止给二次元件供油,在负载惯性动能的作用下,转子及传动轴将继续以顺时针方向旋转,此时,通过变量缸的作用,使定子逆时针方向旋转一个负角度(过零点)。在图2b中,与二次元件下油口连通的上、两个配油窗口处,由转子、定子、两相邻叶片及两侧配流盘组成的两个对称封闭区域容积不断增大,产生真空,吸入油液,下油口就成为吸油口;上油口处由转子定子、两相邻叶片及两侧配流盘组成的两个对称封闭区域容积不断减小,油液经上油口被压出进入液压系统中,以“液压泵”工况工作,向液压系统回馈能量,起制动作用。若定子继续处在负角度位置,给二次元件上油口通压力油,下油口回油时,在图2c中,与二次元件上油口连通的左、右两个配油窗口处,由转子、定子、两相邻叶片及两侧配流盘组成的两个对称封闭区域中,由于叶片u、r的受压面积大于叶片s、v的受压面积,在压力差的作用下,转子及传动轴以逆时针方向旋转,二次元件又以“液压马达”工况工作,消耗液压系统的能量,动负载工作。图2双作用叶片式二次元件的工作原理图通过变量缸的作用,旋转定子过零点处于一个正角度,并停止给二次元件供油,若转子及传动轴仍以逆时针方向旋转,此时,在图2d中,与二次元件下油口连通的上、下两个配油窗口处,由转子、定子、两相邻叶片及两侧配流盘组成的两个对称封闭区域容积不断增大,产生真空,吸入油液,下油口就成为吸油口;上油口处由转子、定子、两相邻叶片及两侧配流盘组成的两个对称封闭区域容积不断减小,油液经上油口被压出进HydraulicsPneumatics&Seals/No.12005入液压系统中,以“液压泵”工况工作,向液压系统回馈能量,并起制动作用。由变量缸旋转二次元件的定子来改变配流盘和定子之间的位置关系,从而改变进、排油窗口的大小和位置,实现流量大小和油流方向的改变,定子旋转角度的大小和方向由变量活塞的位移决定,变量活塞的位移可由电液伺服(比例)阀和位置传感器控制(如图3所示)。工作中,由位置传感器检测变量杆的转角,反馈给控制器,由控制器发出指令给电液伺服(比例)阀,调节变量活塞的位移(大小和方向)。图3二次调节静液传动系统原理图1—变量泵2—液压蓄能器3—安全阀4—变量缸5—转速传感器6—二次元件7—负载8—电液伺服(比例)阀9—控制器2节能机理二次元件可以工作于由输出转矩和转速构成的直角坐标系(如图4所示)中的四个象限,当二次元件从“拖动负载”工况过渡到“负载拖动”工况时,它就由“液压马达”工况过渡到“液压泵”工况,即由消耗能量工况转变为回收能量工况[3]。图4二次元件四象限工作方式图当二次元件工作于第I象限时,为液压马达工况。若取二次元件由恒压网络流入液压马达的流量q为正,并定义二次元件作为液压马达工作时的排量V为正,于是二次元件输出转矩T和角速度也为正。由棕P=pq得功率P的值为正,这时表示二次元件消耗功率。由此可知在该象限中,q>0;V>0;T>0;棕>0;P>0。流量q与角速度棕的函数关系可表示为:q=V棕。当二次元件工作于第II象限时,为液压泵工况。这时二次元件的定子将越过零点旋转到另一侧,二次元件流量q的方向将随之改变,由二次元件流入恒压网络,故取为负;并定义二次元件作为液压泵工作时的排量V为负,其扭矩T(二次元件的输入转矩)也为负,角速度棕的方向与第I象限的方向相同,因此棕也为正。于是有功率P为负,表示为向恒压网络回馈功率。于是在该象限中,q<0;T<0;V<0;棕>0;P<0。当二次元件工作于第III象限时,为液压马达工况。这时二次元件的定子位置与工作于第II象限时相同,流量q由恒压网络流入二次元件,故其符号为正。根据定义,二次元件的排量V为负,其输出转矩T也为负,角速度为负。由此可得,功率P为正,表示二次元棕件消耗功率。于是在该象限中,有q>0;V<0;T<0;棕<0;P>0。当二次元件工作于第IV象限时,为液压泵工况。这时二次元件的定子位置与工作于第I象限时的方向相同,二次元件流量q的方向同第II象限,由二次元件流向恒压网络,故取为负;根据定义这时二次元件的排量V为正,其输入转矩T也为正,角速度棕的方向同第III象限为负方向,于是其功率P为负,表示为向恒压网络回馈功率,。因此在该象限中,;T>0;V>0;q<0棕<0;P<0。由上述分析可知,当二次元件作为液压马达工作时,从系统中取得能量驱动负载;而当二次元件作为液压泵工作时,在起制动作用的同时,向系统回馈能量,供其它装置使用或储存起来供加速时使用。因此,二次元件通过在液压马达和液压泵之间的工况转换,二次调节系统就实现了能量的回收和再利用。3主要技术参数及节能特点3.1主要技术参数该二次元件的主要技术参数为:公称压力16MPa,最高压力20MPa,最大排量35×10-4m/r,最高转速32500r/min,定子最大转角±45°。3.2节能特点()在二次调节静液传动系统中,压力基本上保持1不变,二次元件的输出功率P=pq=pV棕。式中,p为二次元件的工作压力,为流量,为二次元件的排量,棕qV为角速度。因此,需要通过改变二次元件的排量V来进行负载匹配。这时,应组成闭环控制系统,要有相应的传感器测出实际被控信号,以便得出实际信号与给定信号之差来作为控制双作用叶片式二次元件定子旋转角度(大小和方向)的信号。(2)二次元件的输出功率还可表述为p=M棕,在已知转矩M和转速棕的情况下,可以建立起与之相适应的功率。二次元件的输出转矩为M=pV/2仔,可以通过改变二次元件排量V的大小和方向,改变其输出转矩M的大小和方向,并建立起与之相适应的转速棕。因此,通过改变二次元件排量V来改变其输出转矩M的大小,进而得到与之相适应的转角、转速和功率,通过改变双作用叶片式二次元件定子旋转方向来改变二次元件的转向,从而来实现各种控制目的。(3)由于采用的是完全可逆的二次元件,所以,二次元件可在四个象限内工作。(4)二次元件是在恒压网络中传递能量的,压力油直接与二次元件相连,可以无损耗地从系统中取得能量。在这种液压系统中可以接上多个互不相关的负载,在每个负载上分别调节输出位置、转速、转矩及功率,实现互不相关的控制规律。4结束语由于二次元件显著的节能特性,使其具有广阔的应用前景,目前二次调节静液传动技术已经应用于大型实验台、车辆传动、造船工业、冶金工业等许多领域。如应用于无人驾驶集装箱转运车之中,实现准确定位;应用于近海起重机的驱动;应用于海上浮油和化学品清污船中,使预选的撇沫泵和传输设备的转速保持恒定,且不受传递介质粘度变化引起的转矩负载变化的影响;应用于公共汽车和液压抽油机的驱动装置中来实现能量的回收利用;应用于四轮驱动全地貌勘探车辆的驱动系统之中;应用于多种实验台中,实现节能、加载及控制上的要求;应用于液压传动的卷扬机械中实现回收重力能等。在能源日益紧张的今天,对基于能量回收与重新利用而提出的二次调节静液传动技术的深入研究和推广应用,具有重要的现实意义。双作用叶片式二次元件的节能分析@臧发业$山东交通学院!山东济南250023双作用;;叶片;;二次元件;;节能本文介绍了双作用叶片式二次元件的结构和工作原理,分析了其节能原理和特点。[1]  蒋晓夏,刘庆和.具有能量回收与重新利用功能的二次调节传动系统[J].工程机械,1992(8):27-30. [2]  郑澈. 变量双作用叶片泵研究[J].液压与气动,2002(6):35-37. [3]  刘宇辉.二次调节静液传动系统的双闭环控制和节能特性的研究[D ].      哈尔滨:哈尔滨工业大学,1998.

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