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1、外文翻译设（论文）题目 基于高速开关阀的液压增压系统 学院名称 机械与汽车工程学院 专 业 （班 级） 机械设计制造及其自动化12-4班 姓 名 （学 号） 邓矗岭 2012210393 指 导 教 师 赵小勇 系（教研室）负责人 一种基于高速开关阀的液压增压系统摘要：本文将研究一种新型的利用高速开关阀的液压增压系统。这种液压增压系统类似于 电力电子学中的升压转换器。 高压是通过高速开关阀来制动一个带有惯性飞轮的液压马达来获得的，并通过马达输出端的一个液压电容器组来稳定。这种增压系统的稳态和波动特点正处于研究中。研究表明：输出压力总会高于系统压力，并且会随着供应到高速开关阀的脉冲宽频调制的占空
2、率增长而增长。研究同时表明：输出压力的波动情况很大部分受到脉冲宽频调制信号的频率和油室体积的影响。这一液压增压系统已经经过构建和测试了。在脉冲宽频信号占空率为0.7的情况下，它成功的将系统压力从50bar增到116bar。这一实验的成功带来了一种新的增压方式。索引词：液压增压系统、液压转换器、高速开关阀、转换液压系统 引言：由于它们的大功率密度、高密实度和易于控制的特点，液压系统广泛地运用于建筑和农业机械中。液压系统的大功率密度来源于它的高压，相对于电力系统这意味着它可以以一种相对较小的驱动器来产生高的能量或者转矩。在某些情况下，增加系统压力宜用来进行重型工作。但是，原动机功率或者泵的压力等级
3、会限制系统压力。因此，这种液压增压器就应运而生了。一个液压增压器或者一个压力增强器是一种增大系统可用压力来执行要求更高压力工作的设备。它可以产生币系统压力更高的输出压强但是不能增大功率。除了杆没有延伸到外部以外，一个简单的液压增压器是一个有着同样内部结构的液压气缸。由于活塞的力平衡，可以通过使用一种更小的活动区域来获得更高的输出压力。这种增压器在一些应用方面如夹紧工具、注塑机、液压站等已经商业化。但是，由于活塞区域是固定的，这种压力转换率（被定义为进出口压力之间的比率）是恒定的。另一种液压增压器是液压转换器。一个传统的液压转换器包含了机械耦合在一起的一个固定的和一个可变的位移单元，固定单元接在
4、轨道处，可变单元接在负载处。这两个单元要么处于泵模式要么处于马达模式。由于轴转矩平衡，负载压力可以通过改变可变单元的位移来调节。比轨压更高的负载压力可以通过使用一个更小的可变单元和一个更大的固定单元来获得。这种液压转换器的压力转换率可以持续地调节。一种新的液压转换器最近已经被荷兰公司InnasBV研制出来，被叫做innas液压转换器-（IHT）IHT的原理与传统的液压转换器相同，但是结构却相差很大。它仅有一个活塞单元但是却有三个分别连接在油路、油箱和负载处的出口。它更为简单而轻便。IHT和标准活塞单元之间的差别在于配流盘的设计。这种压力转换率可以通过在一个有限的角度内旋转配流盘调节。另一种增压
5、方式是使用基于转换技术的高速开关阀，由于它已经被运用在气动系统多年但是直到最近才运用到液压系统上来，Scheudl提出了两种液压开关转换器，一种是波形变换器，一种是谐振变换器。波行变换器是一种降压变换器，而谐振变换器则是一种包含一个开关阀、一个弹簧加载的气缸和一个蓄能器的增压变换器。汽缸内腔交替连接到压力油、油箱和消耗路上。谐振变换器控制着流至基本不依赖于压强的油路的平均流量。它能产生超过供应压强的压强。在Scheidl的液压转换器中，输油管中液体的惯性被用作液压电感。在转换器中采用液压马达作为电感器是由Dantlgraber首次提出的。GU提出了一种开关式液压电源供应的方式，它模仿了电路中开
6、关式电源的原理。它使用了一种带有飞轮的液压马达作为电感元件。使用液压元件来替代开关式电源供应中的电路元件，有两种开关式液压电源供应方式:一种是降压式液压电源供应，一种是增压式电源供应。本文研究的液压增压式系统是一种增压式增压开关式电源供应。在两个方面它不同于Scheidl的谐振转换器。在谐振转换器中，采用一种弹簧负载的气缸来产生高的压强，通常使用强度较高的弹簧，尽管在液压增压系统中，高的压强是通过制动一个带有飞轮的液压马达。而且，在谐振转换器中，并没有采用蓄能器，而是用一个油箱来维持液压增压系统中的高压。使用油箱作为液压容器的好处在于油箱的容积是有油箱的体积所决定的，并且不会随着工作压力而变化
7、。尽管蓄能器的容量是随工作压力所决定的。液压增压转换器和减压转换器为常见的油路系统提供了一个很有前景的解决方案。比如液压变压器。在CPR系统中，所有的制动器被接到CPR中，并且通过这样一种方式空着液压电源供应，那么油路压力可以保持恒定。由于在油轨和每一个制动器之间存在着增压和减压转换器，油轨压力可以单独地根据所需负载压强而转变。由于压力转换器是基于高速开关阀的，那么在节流系统中就不会有严重的节流损耗了。不像是在负载感应系统，在这种系统中，只有最高的负载压力才会被感应到，并且系统压力只会稍微的高于最高负载压力。压力转换器可以将系统压力转变成每个制动器所需的压强。者减少了负载感应系统中经过节流阀或
8、者是流量控制阀中的节流损失。液压增压系统A. 系统概述开关式增压转换器的原理图如下，它包含了一个高速开关、电感器、二极管、电容器和电阻。随着开关迅速开启，可以获得比源电压更高的输出电压，此时高输出电压便由电容器维持。用单向阀来代替电容元件。Fig. 1. 开关式增压系统的原理图(Vi电源Vo 输出电压, L电感, S开关, D二极管, C电容器基于高速开关阀的液压增压系统与开关式增压转换器相似。使用高速开关阀来替代开关，用带有飞轮的液压马达来替代电感器。用单向阀来代替二极管，油箱来替代电容器，液压增压系统如Fig2图所示。节流阀使用在系统负载中。高速开关阀由可调节占空比和频率的脉宽调制信号所控
9、制。Fig. 2. 基于高速阀的液压增压系统(1压力线, 2槽路传输线, 3液压马达 4飞轮, 5高速开关阀, 6单向阀, 7油箱r, 8节流阀).比如说电感器，它储存的是由电流通过它时产生的磁场中的能量。带有飞轮的液压马达是一中液压电感器，他储存的是飞轮通过马达产生的能量。而不是使用蓄能器，油箱是用来作为液压电容器。由于油箱的容量不会随着工作点而变化，但是蓄能器却会随着变化。根据马达状态，在一个脉宽调制时间段内，液压增压系统的工作过程可以分为两步：储能阶段和制动阶段，如FIg.3所示。开关室是在液压马达、高速开关阀、单向阀间的油室。Fig. 3. 液压增压系统的工作过程 (a) 储能阶段 (
10、b) 制动阶段在储能阶段，高速开关阀在频宽脉冲信号的控制下打开。开关室压力快速下降到油室压强。马达在系统压力下启动。液压能将通过马达转换成机械能，并储存在飞轮中。同时，当负载压力高于高于油室压力时，单向阀将关闭。所有通过马达的油都将流回油室，但不会流过单向阀。负载油将由油室供应，在这一阶段，油室将处于放油状态，放油后，负载压强将降低。在制动阶段，在PWM信号的控制下，高速开关阀将关闭。由于飞轮惯性，马达旋转速度和流量将不会有显著改变。此时，储存在飞轮中的能量将通过马达释放到油路中。所有通过马达的油都将流向单向阀，然后被分配到节流阀和油室中。油室受压负载压力将升高。B.稳态特征在Fig.2图所示
11、的增压系统中，开关室在系统设计中扮演了一个非常重要的角色。通过减小油室体积，开关室中的压强转换时间可以被缩短。当高速开关阀开启时，开关室压强将会降到油室压强。总的转换时间包括了阀门开关时间和油室压强转换时间。阀门开关时间由阀门自身特点所决定，而油室压强转换时间则由油室体积所决定。油室应当设计得尽可能小，从而使得油室压强在开关时转变足够的快。在增压系统的实验台上，阀门开关时间只要4毫秒。假设流经油室的流量为4.5L每分钟，那么油体积的弹性模量就是17000bar，开关室的体积就是15.7毫升，油室压强从80降至0bar的压强转换时间就只要1毫秒。因此，总共的转换时间就是5毫秒。当PWM信号的平路
12、是10赫兹，占空比是百分之五十时，储能时间就是50毫秒，这比总的转换时间长了很多。因此，在下面的分析中，开关室中总的转换时间就可以忽略不计，这意味着在稳态分析中，阀和油室动力都被忽略不计了。波的传播对采用流体惯性作为电感器的液压开关转换器有很大的影响。但是，在本文研究的增压系统中，液压感应器来自飞轮的惯性。管道应当设计得足够的短从而能够最大限度的减少管道的影响。由于流体惯性产生的电感因此比飞轮的更小。因此流体惯性在分析中可以忽略不计。忽略掉经过开关阀和单向阀的压降，假设油箱压强为0，一个PWM时间段内的开关室压强可以通过如下表达：在上式中，pc是开关室压强，pl是负载压强，T是PWM信号周期，
13、D是PWM信号占空比。开关室压强被设定为典型PWM信号，只有当马达在整个开关时间段内持续旋转并且在此之间不停歇才是真实的。在一个有着小的马达惯性，低的占空比和低的开关频率的液压增压系统中，在开关期间，马达也许会停止，由于惯性小、负载压强高，它会减速的更快。较长的减速时间可以使马达逐渐停止。但是，这种操作模式电路系统中并不会发生，因为使用了一个大惯性飞轮，马达将会以一个小的速度波动继续旋转。这就是为什么可以在分析中采取假设的原因。开关室压强会随着PWM信号在相同时间段内改变：开关室压强的拉普拉斯转换式为：根据终值定理：当s趋向于0时，（4）式中的指数形式就是线性形式的：因此，（4)式可以简化为：
14、则等价的开关室压强为：式中pc就是等价的开关室压强。 由于在阀门开关时，大多数变量都会发生波动，因此下列所有变量表示的都是它们的平均值。 通过马达时的压降是为了克服粘性摩擦，将马达的机械效率考虑进去的话，马达的稳态方程为：上式中PS是系统压强，Dm是马达排量，Bm是粘性摩擦系数，Wm是马达旋转速度，Nm是一个在一个脉宽屏信号时间内的马达机械效率。 根据上面所提及的式子，因此负载压强可以表示为：等式（10）中稳态方程是液压增压系统的。它表明不同的负载压强可以通过改变供应到高速开关阀中的PWM信号的占空比来实现。为了估计负载压强，（10）式做了简化，当马达粘性摩擦系数相对较低时，与系统压力相比，通过马达时的压降就可以忽略不计。 因此负载压强的估计值为： 上式表明，当系统占空比低于100%时，负载压强总是高于系统压强，这意味着，系统压强得到了增高。负载压强会随着PWM信号的占空比而增加但是是非线性化的关系。由于马达粘性摩擦在（12）式中忽略不计，所以（12）式中估计的负载值就会高于（10）式所计算的值。C.波动特性 由于油箱中的进油与出油，负载压强就会存在波动。由于马达定期的加速与减速，马大速度也会存在波动。波动特性是开关室液压系统中的一个内在特性。 （1）负载压强波动：油箱中油的压缩与扩
