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1、1前言静液传动由于具有功率大、密度大、易于实现工作过程的自动化等优点而被广泛地应用在工程领域中。但由于静液传动存在着漏油、噪声大和效率低等缺点，以及来自于机械传动、电器传动和交流伺服技术快速发展的竞争等原因，进入 20 世纪 90 年代以来，其增长速度明显减慢。因此，如何在发挥其自身优势的基础上，借鉴于其他传动技术的优点、克服自身的不足，从而设计出新型的静液传动系统，并不断地使其获得进一步地发展，已经成为当前急需解决的关键问题。二次调节静液传动系统是近年新发展起来的节能系统。它具有一系列的独特特点，越来越引起了人们的重视。二次调节静液传动系统是工作于恒压网络的压力耦联系统，能在四个象限内工作，
2、回收与重新利用系统的制动动能和重物势能；在系统中二次元件能无损地从恒压网络取得能量，因而大大地提高了系统效率；系统中可以同时并联多个负载，在各负载端可分别实现互不相关的控制规律；扩大了系统的工作区域，改善了系统的控制特性，减少了设备总投资，降低了工作过程中的能耗，节约冷却费用。在能源日益紧缺的今天，基于能量回收与重新利用而提出的二次调节技术具有重要的理论研究意义和实际应用价值。国外从 70 年代末开始此项技术的研究，现已将它应用于造船工业、车辆传动、大型试验台等领域，取得了显著的节能效果。我国从 80 年代末从事二次调节技术的研究，目前尚处于实验室研究阶段。本文简要回顾了这一领域的发展过程及最
3、新成就，并对基于二次调节的减速器加载试验台驱动单元进行了详细地设计，并对驱动单元的系统刚度特性进行了分析。不当之处希望得到老师的批评指正。21 绪论1.1 课题研究目的和意义世界在发展，科技在进步。对于新设计制造的减速器，需要利用专门的固定试验台对其进行加载试验，检测各项工作性能和可靠性指标是否满足要求。减速器是用于原动机和工作机之间的独立的封闭传动装置。由于减速器具有结构紧凑、传动效率高、传动准确可靠、使用维护方便等特点，故在各种机械设备中应用甚广。以往对较简单的单项试验如疲劳寿命试验等，可在传统的液压式加载试验台上进行，但其功率消耗很大，效率很低。对稍复杂一些的综合性能试验，可在电封闭加载
4、试验台上进行，但在相同加载功率下，所用电器设备庞大复杂，另外虽然可实现功率回收，提高了效率，可由于其回收功率以电能形式回馈给电网，因而在动载变化较大时，对电网的冲击较大，某些电器元件被烧坏的情况时有发生，所以我们要尽量避免它的发生。这也成为了我们的主要任务。由于近年来加载试验台技术的不断发展，使得许多试验都可以在具有高动态性能的固定试验台上完成，而利用二次调节技术的液压伺服加载试验台就是近年来为人们所重视的一类加载试验台。这种加载系统与传统的变量泵-定量马达系统不同，它采用带有储能器的恒压中心油源（一次元件）实现与各个单独调节回路（二次元件）之间的压力藕联，该系统具有能量可回收利用，效率高，可
5、以多用户并行工作，远离动力源，冲击小，噪声底，系统控制性能好等优点，因此被认为是液压领域的重大突破。近年来我国开始利用二次调节技术研制新型加载试验设备，在这种二次调节加载技术的理论与应用方面，取得了一定成果和进展，但还存在许多需要进一步解决的问题。所以对此的研究有一定的实用和经济价值。1.2 二次调节技术的研究发展与应用 11.2.1 二次调节技术的研究发展概况二次调节静液传动系统是近年新发展起来的节能系统.它具有一系列的独特优点，因而越来越受到人们的重视，二次调节静液传动系统是工作于恒压网络的压力祸联系统，能在四个象限内工作，回收与重新利用系统的制动动能和重物势能;在系统中二次元件能无损耗地
6、从恒压网络取得能量，因而大大地提高了系统效率;系统中可以同时并联多个负载，在各负载端可分别实现互不相关的控制规律;扩大了系统的工作区域，改善了系统的控制特性，减少了设备总投资，降低了工作过程中的能耗，节约冷却费用.在能源日益紧3缺的今天，基于能量回收与重新利用而提出的二次调节技术具有重要的理论研究意义和实际应用价值，国外从 70 年代末开始此项技术的研究，现己将它应用于造船工业、车辆传动、大型试验台等领域，取得了显著的节能效果.由于这项技术的成功利用，使得液压技术向前推进了一大步。二次调节技术起源于德国，从事这项技术的研究也主要限于德国。目前国外从事这方面研究的单位主要有德国汉堡国防工业大学静
7、液传动和控制实验室 LHAS、亚深工业大学流体传动与控制研究所 RWTH 和博士力士乐有限公司(Bosch Rexroth GmbH)。国外该研究方向的代表人物主要有德国汉堡国防工业大学的H.W.Nikolaus 教授、亚深工业大学的 W.Backe 教授以及力士乐公司的 R.Kodak 先生等。1977 年，H. W.Nikolaus 教授 首先提出二次调节静液传动 的概念。1980 年2 2W.Backe 教授和 H.Murrenhoff 先生开始利用单出杆变量油缸的二次元件进行液压直接转速控制的二次调节系统的研究。 1981 年，H. W.Nikolaus 教授采用双出杆变量油缸的二次元
8、件进行液压直接转速控制的二次调节系统的研究。在这种液压直接转速控制的二次调节系统中，用测速泵来作为二次元件输出转速的检测和反馈元件。由于测速泵的最小感知转速较高，当所要求的转速低于最小感知转速时，不能真实地检。测转速值；因此，这种系统的调速范围比较小，最低工作转速也比较高。1982 年开始研究液压先导控制二次调节系统，其中有机液位移反馈调速和机液力反馈调速两种调速形式。从 1983 年开始研究电液转速控制的二次调节系统和电液转角控制的二次调节系统.在电液控制系统中，用测速电机作为二次元件输出转速的检测和反馈元件，它的最小感知转速低，系统的调速范围大，消耗的能量少，系统的效率高。此后又有一系列关
9、于对二次调节系统的研究，其中有对单反馈和双反馈电液转速控制二次调节系统的研究等。1987 年，F.Metzner 为提高系统的控制性能，提出了数字模拟混合转角控制系统，将经过电液力反馈转速控制的二次元件作为被控对象，用数字 PID 控制方法，实现位置(转角)、转速、转矩和功率控制。1993 年，W.Backe 和 Ch.Koegl 又研究了转速和转矩控制的二次调节问题，其中包括对这种系统中两个参数的解祸问题的研究。1994 年，R.Kodak先生研究了具有高动态特性的电液转矩控制二次调节系统，并在四轮驱动车上进行了实物试验。1995 年，德国力士乐公司为德累斯顿工业大学内燃机和汽车研究所研制了
10、大功率、用于旋转试件并接近于实际运行条件的二次调节反馈控制试验台。从此，这一技术开始逐渐应用到生产实际中，并不断地扩大应用范围。目前在德国，这项技术已进入实用阶段，在许多与液压相关的领域获得了成功利用。以力士乐公司为代表，在二次调节4技术方面，具有多项专利技术，用于二次调节的二次元件和控制器等也有多种系列产品。1.2.2 二次调节技术的应用由于二次调节技术具有诸多优点，使它在很多领域得到广泛应用。第一套配备有二次调节闭环控制的产品是建在鹿特丹欧洲联运码头（ECT）的无人驾驶集装箱转运车CT40；德国的科那西山特号海上浮油及化学品清污船的液压传动设备配备有二次调节反馈控制系统。该系统可以使预选的
11、撇沫泵和传输泵设备的转速保持恒定，并使之不受由于传输介质黏度的变化而引起的外加转矩变化的影响；德累斯顿工业大学通用试验台应用了二次调节反馈控制的四象限运转、能量回收及高反馈控制精度等特点。该试验台能满足实际中的严格要求；奔驰汽车公司也将二次调节技术应用于行驶模拟试验台、以及在无人驾驶运输系统的行驶驱动。它还被用于近海起重机的驱动、油田用抽油机和精轧机组的液压系统中。德国在市区公共汽车上配备二次调节传动系统后取得显著的节能效果。如图 1-1 所示，改造后的市区公共汽车由恒压变量泵 2 和二次元件 4 组成的轴向柱塞单元驱动。它在满载启动时能给出大约 180Kw 的功率，由此可使汽车在 20s 内
12、加速到它的最大速度 50km/h。而发动机 1 的功率却只有 30Kw，其中 150Kw 的差值是从液压蓄能器 3 中获得的。液压蓄能器的充压是在制动过程中进行的，在这个过程中二次元件作为泵来工作，而液压蓄能器为下次的加速过程充压。系统的损失由液1. 发动机 2. 恒压变量泵 3. 蓄能器 4. 二次元件 5. 汽车后桥图 1-1 二次调节静液传动系统在公共汽车中应用原理图Fig.1-1 second-quiet fluid drivetrain system in the application of principles of the bus综上所述，二次调节技术可实现能量回收和重新利用，
13、其主要应用在以下几个方面：1) 位能回收 如液压驱动的卷扬起重机械。由于卷扬机械中有位能变化，采用二次5调节传动技术可以回收其位能。它可用于起重机械和矿井提升机械，缆索机械的索道传动，船用甲板机械等；2) 惯性能回收 如液压驱动摆动机械和实验装置。应用二次调节技术可对摆动机械在频繁起动、制动过程中产生的惯性能进行回收和再利用；3) 综合节能 群控作业机械和实验装置。对于多台周期性工作设备可共用一个动力能源,这样既节省了费用,又节约了能源,这在流水作业的机械和液压实验装置中十分常见。1.3 二次调节加载系统原理与特点1.3.1 二次调节加载系统原理 3二次调节静液传动系统（简称为二次调节系统）一
14、般由恒压油源、二次元件（液压泵/马达） 、工作机构和控制调节机构等组成。二次调节系统是工作于恒压网络的压力耦联系统，其工作原理是：在恒压网络中，通过调节二次元件斜盘倾角来改变二次元件排量，以适应负载（工作机构）转矩的变化，从而使负载按设定的规律变化。二次调节加载系统原理如图 1-2 所示。可逆式泵/马达元件与电液伺服阀、变量液压缸、 23567891011213145161718E1 4转 速 控 制 系 统 转 矩 控 制 系 统1电动机 2恒压变量泵 3蓄能器 4安全阀 5油箱 6,18位移传感器7,16变量液压缸 8,17电液伺服阀 9,15可逆式泵/马达元件 10转速传感器11,14控
15、制器 12加载对象 13转矩传感器图 1-2 二次调节加载系统原理Fig.1-2 Principle diagram of loading system with secondary regulation位移传感器等组合在一起，统称为二次元件。电动机、恒压变量泵、蓄能器、安全阀及6相应的管路等元件构成恒压网络，为整个加载系统提供稳定的恒压动力源。两个可逆式泵/马达元件以压力耦联方式并联于恒压网络上，两元件机械端口之间通过转速传感器和转矩传感器以及加载对象刚性地连接在一起。转速控制系统和转矩控制系统为典型的电液伺服系统二者相互独立，可分别进行调节，以满足加载系统对转速和转矩的不同要求。系统工作时
16、，由控制器 11 和 14 分别向电液伺服阀 8 和 17 发出电信号，通过阀控缸机构（前置级排量控制）改变两个可逆式泵/马达元件的斜盘摆角，从而使其排量发生变化，以适应外负载转速和转矩的变化。另外，当系统进行工作时，元件 9（马达）由恒压网络获取液压能，并将其转换成机械能来驱动加载对象和元件 15（泵） ，实现加载，元件15（泵）将机械能转换成液压能后又直接回馈给恒压网络，重新用来驱动元件 9（马达） ，在两个可逆式泵/马达元件之间形成闭式循环。这样，恒压油源所提供的液压能只是用来补偿系统的容积损失和机械损失，而驱动元件 9（马达）所需的大部分能量都来自元件15（泵） 。此外，在该加载系统中，没有节流元件，因而避免了节流损失。由此可见，该加载系统在工作中不仅减少系统发热，而且还可以达到节能目的。从以上分析可以得出，实现各种控制目的的最终控制量是作用在变量液压缸上，变量液压缸不同的位置使二次元件有不同的斜盘倾角，即有不同的排量。因此，二次调节的最
