【正文】 是工作于恒壓網(wǎng)絡的壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，能在四個象限內(nèi)工作，回收與重新利用系統(tǒng)的制動動能和重物勢能；在系統(tǒng)中二次元件能無損地從恒壓網(wǎng)絡取得能量，因而大大地提高了系統(tǒng)效率；系統(tǒng)中可以同時并聯(lián)多個負載，在各負載端可分別實現(xiàn)互不相關的控制規(guī)律；擴大了系統(tǒng)的工作區(qū)域，改善了系統(tǒng)的控制特性，減少了設備總投資，降低了工作過程中的能耗，節(jié)約冷卻費用。 國外從 70 年代末開始此項技術的研究，現(xiàn)已將它應用 于造船工業(yè) 、 車輛傳動 、 大型試驗臺等領域，取得了顯著的節(jié)能效果。本文簡要回顧了這一領域的發(fā)展過程及最新成就，并對基于二次調(diào)節(jié)的減速器加載試驗臺驅(qū)動單元進行了詳細地設計，并對 驅(qū)動單元的系統(tǒng)剛度特性進行了分析。 2 1 緒論 課題研究目的和意義 世界在發(fā)展，科技在進步。減速器是用于原動機和工作機之間的獨立的封閉傳動裝置。以往對較簡單的單項試驗如疲勞壽命試驗等，可在傳統(tǒng)的液壓式加載試驗臺上進行，但其功率消耗很大，效率很低。這也成 為了我們的主要任務。這種加載系統(tǒng)與傳統(tǒng)的變量泵 定量馬達系統(tǒng)不同，它采用帶有儲能器的恒壓中心油源（一次元件）實現(xiàn)與各個單獨調(diào)節(jié)回路（二次元件）之間的壓力藕聯(lián)，該系統(tǒng)具有能量可回收利用，效率高，可以多用戶并行工作，遠離動力源，沖擊小，噪聲底，系統(tǒng)控制性能好等優(yōu)點，因此被認為是液壓領域的重大突破。所以對此的研究有一定的實用和經(jīng)濟價值。在系統(tǒng)中二次元件能無損耗地從恒壓網(wǎng)絡取 得能量，因而大大地提高了系統(tǒng)效率 。擴大了系統(tǒng)的工作區(qū)域，改善了系統(tǒng)的控制特性，減少了設備總投資，降低了工作過程中的能耗，節(jié)約冷卻費用 .在能源日益緊缺的今天，基 3 于能量回收與重新利用而提出的二次調(diào)節(jié)技術具有重要的理論研究意義和實際應用價值，國外從 70 年代末開始此項技術的研究，現(xiàn)己將它應用于造船工業(yè)、車輛傳動、大型試驗臺等領域，取得了顯著的節(jié)能效果 .由于這項技術的成功利用，使得液壓技術向前推進了一大步。目前國外從事這方面研究的單位主要有德國漢堡國防工業(yè)大學靜液傳動和控制實驗室 LHAS、亞深工業(yè)大學流體傳動與控制研究所 RWTH 和博士力士樂有限公司 ((Bosch Rexroth GmbH)。 1977 年， H. 教授 [2] 首先提出二次調(diào)節(jié)靜液傳動 [2] 的概念。 1981 年， H. 教授采用雙出桿變量油缸的二次元件進行液壓直接轉(zhuǎn)速控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究。由于測速泵的最小感知轉(zhuǎn)速較高，當所要求的轉(zhuǎn)速低于最小感知轉(zhuǎn)速時，不能真實地檢 。 1982 年開始研究液壓先導控制二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中有機液位移反饋調(diào)速和機液力反饋調(diào)速兩種調(diào)速形式。此后又有一系列關于對二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究，其中有對單反饋和雙反饋電液轉(zhuǎn)速控制二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究等 。 1993 年， 和 又研究了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制的二次調(diào)節(jié)問題，其中包括對這種系統(tǒng)中兩個參數(shù)的解禍問題的研究。 1995 年，德國力士樂公司為德累斯頓工業(yè)大學內(nèi)燃機和汽車研究所研制了大功率、用于旋轉(zhuǎn)試件并接近于實際運行條件的二次調(diào)節(jié)反饋控制試驗臺。目 前在德國，這項技術已進入實用階段，在許多與液壓相關的領域獲得了成功利用。 二次調(diào)節(jié)技術的應用 由于二次調(diào)節(jié)技術具有諸多優(yōu)點，使它在很多領域得到廣泛應用。該系統(tǒng)可以使預選的撇沫泵和傳輸泵設備的轉(zhuǎn)速保持恒定，并使之 不受由于傳輸介質(zhì)黏度的變化而引起的外加轉(zhuǎn)矩變化的影響；德累斯頓工業(yè)大學通用試驗臺應用了二次調(diào)節(jié)反饋控制的四象限運轉(zhuǎn) 、 能量回收及高反饋控制精度等特點。它還被用于近海起重機的驅(qū)動 、 油田用抽油機和精軋機組的液壓系統(tǒng)中。如圖 11 所示，改造后的市區(qū)公共汽車由恒壓變量泵 2 和二次元件 4 組成的軸向柱塞單元驅(qū)動。而發(fā)動機 1 的功率卻只有 30Kw，其中 150Kw 的差值是從液壓蓄能器 3 中獲得的。系統(tǒng)的損失由液 1. 發(fā)動機 2. 恒壓變量泵 3. 蓄能器 4. 二次元件 5. 汽車后橋 圖 11 二次調(diào)節(jié)靜液傳動系統(tǒng)在公共汽車中應用原理圖 secondquiet fluid drivetrain system in the application of principles of the bus 綜上所述，二次調(diào)節(jié)技術可實現(xiàn)能量回收和重新利用，其主要應用在以下幾個 方面： 1) 位能回收 如液壓驅(qū)動的卷揚起重機械。它可用于起重機械和礦井提升機械，纜索機械的索道傳動，船用甲板機械等； 5 2) 慣性能回收 如液壓驅(qū)動擺動機械和實驗裝置。對于多臺周期性工作設備可共用一個動力能源 ,這樣既節(jié)省了費用 ,又節(jié)約了能源 ,這在流水作業(yè)的機械和液壓實驗裝置中十分常見。二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是工作于恒壓網(wǎng)絡的壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，其工作原理是：在恒壓網(wǎng)絡中，通過調(diào)節(jié)二次元件斜盤傾角來改變二次元件排量，以適應負載 （ 工作機構 ） 轉(zhuǎn)矩的變化，從而使負載按設定的規(guī)律變化。可逆式泵 /馬達元件與電液伺服閥 、 變量液壓缸 、 2356 789101112131415161718E14轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 1─電動機 2─恒壓變量泵 3─蓄能器 4─安全閥 5─油箱 6,18─位移傳感器 7,16─變量液壓缸 8,17─電液伺服閥 9,15─可逆式泵 /馬達元件 10─轉(zhuǎn)速傳感器 11,14─控制器 12─加載對象 13─轉(zhuǎn)矩傳感器 圖 12 二次調(diào)節(jié) 加載 系統(tǒng)原理 Principle diagram of loading system with secondary regulation 位移傳感器等組合在一起，統(tǒng)稱為二次元件。兩個可逆式泵 /馬達元件以壓力耦聯(lián)方式并聯(lián)于恒壓網(wǎng)絡上，兩元件機械端口之間通過轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器以及加載對象剛性地連接在一起。系統(tǒng)工作時，由控制器 11 和 14 分別向電液伺服閥 8 和 17 發(fā)出電信號，通過閥控缸 機構（前置級排量控制）改變兩個可逆式泵 /馬達元件的斜盤擺角，從而使其排量發(fā)生變化，以適應外負載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化。這樣，恒壓油源所提供的液壓能只是用來補償系統(tǒng)的容積損失和機械損失，而驅(qū)動元件 9（馬達）所需的大部分能量都來自元件 15（泵）。由此可見，該加載系統(tǒng)在工作中不僅減少系統(tǒng)發(fā)熱，而且還可以達到節(jié)能目的。因此，二次調(diào)節(jié)的最終控制是實現(xiàn)對變量液壓缸位置控制。通過改變二次元件斜盤擺角的方向 （ 過零點 ） 來改變二次元件的轉(zhuǎn)向 ； b 由于二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)是壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，所以二次元件的流量與其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的乘積成比例； c 它是壓力耦聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的壓力基本保持不變。 2）與電傳動相比： a 閉環(huán)控制動態(tài)響應快； b 高功率密度，重量輕，安裝空間?。? c 安裝功率小。因此，減速器加載試驗臺系統(tǒng)應具備扭矩、轉(zhuǎn)速可變化的條件，且其扭矩、轉(zhuǎn)速的變化應是可單獨調(diào)節(jié)的。 開放式加載系統(tǒng) 開放式加載系統(tǒng)原理如圖 11 所示。試驗單元主要由被測裝置、減速器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量裝置以及其它一些測量裝置組成 。 開放式加載系統(tǒng)的工作原理及工作過程比較簡單，整套設備的技術含量低，制造成本相對較低，但它的致命弱點是需要大功率動力，能量無法回收利用，效率低，因此其試驗成本相對于后面所述的封閉式加載系統(tǒng)來說較高。 1) 電力封閉式加載系統(tǒng)這種加載系統(tǒng)的原理如圖 12 所示。試驗單元與開放式相同 。 8 圖 14 電力封閉式加載系統(tǒng)原理示意圖 Principle diagram of closed type electric loading system 負載發(fā)電機產(chǎn)生的電能通過電網(wǎng)加以回收并反饋給驅(qū)動電機，形成封閉的功率流，從而降低試驗能耗，系統(tǒng)效 率高。 2) 液壓封閉式加載系統(tǒng)這種加載系統(tǒng)的原理如圖 13 所示。負載模擬單元由液壓泵及相關液壓元件等組成，通過控制液壓泵的斜盤擺角，可模擬各種工況下的負載 轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)加載過程中所形成的動載影響，基本被限制在液壓系統(tǒng)內(nèi)部，對電網(wǎng)的沖擊很小。由于二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)可充分利用計算機控制的優(yōu)越性，使加載參數(shù) (轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 )的調(diào)節(jié)非常靈 活方便，所以系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能好，可對各種復雜工況進行模擬。 論文主要研究內(nèi)容 1）對基于二次調(diào)節(jié)的減速器加載系統(tǒng)進行深入的理論分析，建立減速器加載系統(tǒng)的數(shù)學模型，并繪制方框圖； 9 2）對驅(qū)動變速箱的軸及齒輪等傳動零部件進行詳細的設計，并對其作校核 。型式檢驗主要針對最新研制的減速器的一種檢驗方式，包括裝配及連接尺寸檢驗，空載試驗，效率試驗，溫升試驗，噪聲試驗，超載試驗，耐久試驗；出廠檢驗針對現(xiàn)有成熟減速器進行的出廠前檢驗，包括裝配及連接尺寸檢驗，出廠空載試驗，出廠溫升試驗，出廠噪聲試驗；溫聲試驗主要針對檢修完畢的減速器進行的性能測試。數(shù)學模型包括有微分方程、狀態(tài)方程及變量圖、傳遞函數(shù)及方塊圖等。恒壓油源為整個模擬加載單元提供恒定壓力，同各種液壓元件及管路一起構成恒壓網(wǎng)絡。當然，油源部分還包括高低壓溢流閥、卸荷閥、蓄能器、油液過濾器及風冷卻器等。驅(qū)動單元主要 由兩個 Rexroth 公司的 A4VSO250 型軸向柱塞元件串聯(lián)而成的雙聯(lián)二次元件、兩個彈性聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器組成，該單元用來模擬減速器的驅(qū)動。控制系統(tǒng)由 PC 計算機、工業(yè)控制計算機、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字顯示儀和用來 控制油源啟停的 PLC 控制器等組成，該部分主要完成整個系統(tǒng)的連續(xù)量和開關量的控制、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測 、 系統(tǒng)狀態(tài)超限保護等。其中模擬加載系統(tǒng)為整個試驗臺的核心部分，也是本課題的研究對象。二次元件 1 工作于馬達工況，用來模擬減速器發(fā)動機驅(qū)動軸動力，它同轉(zhuǎn)速傳感器、控制器 1 等構成驅(qū)動轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；二次元件 2 工作于泵工況，用來對減速器二次輸出端加載，為轉(zhuǎn)矩控制方式，它同相應的轉(zhuǎn)矩傳感器 控制器 2，構成二次輸出 加載 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 當系統(tǒng)進行工作時，二次元件 1（馬達）由恒壓網(wǎng)絡獲取液壓能，并將其轉(zhuǎn)換成機械能來驅(qū)動加載試件和二次元件 2（泵），實現(xiàn)模擬加載。這樣，恒壓油源所提供的液壓能只是用來補償系統(tǒng)的容積損失和機械損失，而驅(qū)動二次元件 1（馬達）所需的大部分能量都來自二次元件 2（泵）。 12 由于二套二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)同樣設置有轉(zhuǎn)速傳感 器和轉(zhuǎn)矩傳感器，可以任意將其調(diào)整為轉(zhuǎn)速控制狀態(tài)（作為驅(qū)動單元）和轉(zhuǎn)矩控制狀態(tài) （ 作為加載單元），因此可以按被試件的要求，設置其中一套二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為驅(qū)動單元，另外 1 套作為加載單元。驅(qū)動單元和加載單元是該平臺的核心部分，對于液壓加載試驗臺來說，加載單元只有德國力士樂公司的產(chǎn)品符合要求，其它的產(chǎn)品均不能達到令人滿意的程度。 驅(qū)動變速箱的參數(shù)計算 [6] 圖 31 是驅(qū)動變速箱傳動系統(tǒng)圖 [7] ，從圖中可以看出 Ⅰ 軸 、 Ⅳ 軸分別有滑移齒輪。 ⅦⅥⅤ ⅣⅢ Ⅱ Ⅰm = 6 Z = 2 3m = 6 Z = 33m = 6 Z = 4 4m = 6 Z = 3 4m = 8 Z = 2 0m = 8 Z = 2 8m = 8 Z = 3 0m = 8 Z = 2 6m = 8 Z = 3 9m = 8 Z = 4 2m = 8 Z = 2 7m = 8 Z = 4 0m = 8 Z = 4 2m = 8 Z = 3 7i = 1 . 91i = 1 . 0 3i = 1 . 4i = 1 . 0 7i = 1 . 5 38i = 0 . 6 9 2i = 1 圖 31 驅(qū)動變速箱傳動系統(tǒng)圖 Fig. 31 driven transmissions drivetrain system 14 傳動方案的確定 如何分配各級傳動比，是傳動裝置設計中又一個重要問題。圖 32 為變速箱傳動比的分配。 15 12 =i834285402381=41i2381=41i3461=39i3461=39i45 =i45 =i77537753745674565687=77i5687=77i5687=77i5687=77i 圖 32 驅(qū)動變速箱傳動比分配圖 Fig. 32 driven transmissions transmission than distribution maps 齒輪的設計 [8] 選擇齒輪材料 [9] 小齒輪選用 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理， 1 2 1 7 2 5 5H BS H BS? ～ ；大齒輪選用 45 號鋼 ，正火處理， 2 1 6 2 2 1 7H BS H BS? ～ ； 按國家標準，分度圓上的壓力角 =20o? ；對于正常齒，齒頂高系數(shù) =1ah? ，頂隙系數(shù) =? 。 各軸齒輪精度均為第 Ⅱ 公差組， Ⅰ 軸的齒輪精度等級為 5， Ⅱ 軸、 Ⅲ 軸的 齒輪精度等級為 7， Ⅳ 軸、 Ⅴ 軸的齒輪精度等級為 8， Ⅵ 軸的齒輪精度等 級為 9。 取 ? ? ， 齒寬系數(shù)： 1 2 .1 5 10 .3 5 0 .5 522da u?? ??? ? ? ? ? (36) 查表得