机械毕业设计（论文）-基于二次调节的减速器加载试验台设计【全套图纸】

目录 前言.1 1 绪论.2 1.1 课题研究目的和意义2 1.2 国内外二次调节技术的研究发展概况2 1.3 二次调节技术的应用及特点3 1.3.1 二次调节技术的的应用3 1.3.2 二次调节技术的特点4 1.4 二次调节加载系统原理5 1.5 减速器加载系统概述6 1.5.1 开放式加载系统6 1.5.2 封闭式加载系统7 1.6 论文主要研究内容9 2 减速器模拟加载系统数学模型.10 2.1 概述10 2.2 减速器模拟加载试验台组成与原理10 2.2.1 试验台各部分组成及其功用10 2.2.2 模拟加载系统原理10 2.3 模拟加载系统的方块图模型12 2.3.1 二次元件阀控缸的方块图模型12 2.3.2 驱动单元转速控制的方块图模型15 2.3.3 加载单元转矩控制的方块图模型19 2.3.4 整个模拟加载系统的方块图模型22 2.4 本章小结23 3 减速器模拟加载系统特性分析.24 3.1 概述24 3.2 驱动单元转速控制系统刚度特性分析24 3.3 本章小结27 4 减速器加载试验台驱动变速箱的设计.28 4.1 概述28 4.2 驱动变速箱的参数计算28 4.2.1 传动方案的确定29 4.2.2 最大扭矩的计算29 4.2.3 最大转速的计算29 4.3 齿轮的设计30 4.3.1 选择齿轮材料30 4.3.2 确定齿轮传动精度等级30 4.3.3 齿轮传动几何尺寸计算31 4.3.4 各轴齿轮中心距的计算35 4.3.5 齿轮齿宽的计算35 4.3.6 齿根弯曲疲劳强度校核36 4.4 轴的设计39 4.4.1 轴的设计39 4.4.2 轴的设计41 4.4.3 轴的设计42 4.4.4 轴的设计43 4.4.5 轴的设计44 4.4.6 轴的设计45 4.4.7 轴的设计45 4.5 轴的强度校核47 4.5.1 轴的校核47 4.5.2 轴的校核48 4.6 本章小结50 5 结论.51 致谢.52 参考文献.53 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 摘 要 静液驱动二次调节技术是一项新型的液压传动技术。它具有控制方便、容易组成类 似于电气系统的网络执行机构以及液压能回收与重新利用,甚至比电气系统更为简便等一 系列突出的优点。二次调节技术的研究将极大地提高液压传动技术的应用范围和产品的 竞争力。本文对基于二次调节的减速器加载系统进行深入的理论分析，建立减速器加载 系统的数学模型，并绘制方框图，由所建立的模型可以看出，该减速器模拟加载系统为 单输入单输出系统，包括驱动单元转速控制系统、二次输出加载转矩控制系统；本文还 对驱动单元转速控制系统进行刚度特性分析。详细介绍了减速器模拟加载试验台驱动变 速箱及其变速器的轴和传动零部件的设计及校核。试验结果表明，该模拟加载系统具有 良好的转速、转矩调节功能，轴和齿轮具有较好的承受载荷能力，能满足减速器模拟加 载要求，得出许多有参考价值的结论，为进一步完善和提高二次调节加载技术提供了依 据。 关键词：静液驱动；二次调节；加载；数学模型。 Abstract Static fluid-driven second- regulation technology is a new fluid drive technology. It has a lot of advantages, such as convenient control, network perform institution which can be easily formed like electrical system and recovery or reuse of the hydraulic pressure energy, especially much more convenience than electrical system. The research on second-regulation technology can greatly advance the application of the fluid drive technology and the competition of the product. This text bases on reducer load system of the second- regulation to make deep theoretic analyze, found mathematical model of the reducer load system, protract pane chart. We can see from the model founded, this reducer simulated load system is single input and single output system, including driven module rotational speed control module system, second export load torque control system,; the text also analyze the rigidity characteristics of the driven module rotational speed control module system., and also design or Check the drive gear-box, shift organ saxes and drive parts of the reducer simulate load test bed. The result of the text indicate that this simulate system has good function at rotate speed and torque regulation, the axes has good ability of enduring load, and it can achieve certain shift gears ability. This system has good efficiency, it can also satisfy the need of the reducer simulate load. We educe several conclusions with reference value. This text also provide there under about how to improve or advance second-regulation load technology. Keywords: Static fluid-driven; second- regulation; load; Mathematical model. 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，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。 1 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 国内外二次调节技术的研究发展概况1 德国汉堡国防工业大学的 H.W.Nikolaus2教授于 1977 年首先提出了二次调节静液传 动的概念。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液传动和控制实 验室（LHAS） 、亚琛工业大学流体传动与控制研究所（RWTH）和曼内斯曼力士乐有限公司 （Mannesm ann Rexroth GmbH） 。 1980 年 W.Backe 和 H.Murrenhoff 教授进行了液压直接转速控制的二次调节静液传动 系统的研究，他们用的二次元件的变量油缸单出杆活塞缸。 1981 年至 1987 年间，R.Kordark、W.Backe、H.Murrenhoff、W.Nikolaus 和 F.Metzner 等人先后提出了液压直接控制系统、液压先导控制调速系统和机液调速系统。 但这些调速系统的控制性能不太理想，结构复杂，实现较困难。 1982 年至 1987 年间，H.Murrenhoff、Backe 和 H.J.Haas 等人为提高系统的控制性 能，对二次调节电液转速控制系统和电液转角控制系统进行了研究。这种系统可以是单 反馈控制回路，但其阻尼比较小，控制性能不太好。为提高系统的阻尼，改善系统的控 制性能，引入二次元件变量油缸位移反馈，组成双反馈回路电液转速控制系统。 1987 年 F.Metzner 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，控制算法采用数字 PID 控制，它能实现二次元件的转速、转 角、转矩和功率控制。 1988 年 W.Holz 先生发表文章介绍此系统，并给出其应用的可能性。 1993 年 W.Backe 教授和 Ch.Koegl 又研究了转速和转矩控制的二次调节静液传动问题， 其中包括对这两个系统中参数的解耦问题研究。1994 年 R.Kodak 研究了具有高动态特性 的电液转矩控制系统。 近年来，德国汉堡国防工业大学与力士乐公司合作进行了实用性研究，把二次调节 静液传动技术应用到多种机械设备的液压系统中，取得了显著的节能效果。 我国从 80 年代末开始从事二次调节技术的研究。哈尔滨工业大学、浙江大学、中国 农机研究院以及同济大学等单位都对该技术进行了不同形式的研究。 1990 年哈尔滨工业大学谢卓伟等用单片机组成数字闭环控制系统，并用变结构 PID 控制算法来控制二次元件的输出转速；中国农机研究所阎雨良等进行过二次元件调速特 性的实验研究；同济大学范基等进行过二次调节系统的节能液压实验系统研制。 1.3 二次调节技术的应用及特点 1.3.1 二次调节技术的的应用 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。系统的损失由液压泵来补偿。 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，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 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。 1.3.2 二次调节技术的特点3 1）同传统的加载系统相比，二次调节加载系统有如下一些特点： （1）通过改变二次元件的排量来改变输出转矩的大小，进而实现对转速、位置、转 矩和功率的控制。通过改变二次元件斜盘摆角的方向（过零点）来改变二次元件的转向； （2）由于二次调节系统是压力耦联系统，所以二次元件的流量与其转速和转矩的乘 积成比例； （3）它是压力耦联系统，系统中的压力基本保持不变。二次元件直接与恒压油源相 连，因此在系统中没有原理性节流损失，提高了系统效率； （4）二次元件（液压马达/泵）可在四个象限内运行工作，既可以工作在液压马达 工况，也可以工作在液压泵工况，为能量的回收和重新利用创造了条件； （5）蓄能器回收的液压能可满足间歇性大功率的需要，在设备的启动过程中能利用 蓄能器释放出的能量来加速启动过程，由此来提高系统的工作效率； （6）由于蓄能器的存在使系统中不会形成压力尖峰，可减少压力限制元件的发热， 从而降低用于系统冷却的功率消耗； （7）与电力系统相似，二次元件工作于恒压网络，在这个恒压网络中可以并联多个 互不相关的负载，并可实现互不相关的控制规律，而液压泵站只需按负载的平均功率之 和进行设计安装； （8）二次调节系统提供了新的控制规律和控制结构。 2）与电传动相比： （1）闭环控制动态响应快； （2）高功率密度，重量轻，安装空间小； （3）安装功率小。 1.4 二次调节加载系统原理4 二次调节静液传动系统（简称为二次调节系统）一般由恒压油源、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、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，由控制器 11 和 14 分别向 电 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 E E 1 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 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 的最终控制是实现对变量液压缸位置控制。 1.5 减速器加载系统概述5 减速器的种类很多、应用范围广，用以满足各种机械传动的不同要求。因此，减速 器加载试验台系统应具备扭矩、转速可变化的条件，且其扭矩、转速的变化应是可单独 调节的。减速器试验加载系统主要分为开放式和封闭式两大类。 1.5.1 开放式加载系统 开放式加载系统原理如图 1-3 所示。驱动单元由电动机(或内燃机、液压马达等)、及 附属装置组成，它负责向系统提供动力(功率)，驱动转速的调节由电机调速来实现；试验 单元主要由被测装置、减速器、转矩转速测量装置以及其它一些测量装置组成；负载模 拟单元主要由测功机(或液压加载器、磁粉制动器等)及附属装置组成，加载转矩由测功机 (或液压加载器、磁粉制动器)调定。 功率 输入 试验 单元 负载模 拟单元 功率 消耗 驱动 单元 图 1-3 开放式加载系统原理示意图 Fig.1-3 Principle diagram of open type loading system 开放式加载系统的工作原理及工作过程比较简单，整套设备的技术含量低，制造成 本相对较低，但它的致命弱点是需要大功率动力，能量无法回收利用，效率低，因此其 试验成本相对于后面所述的封闭式加载系统来说较高。 1.5.2 封闭式加载系统 封闭式加载系统又分为电力封闭式、机械封闭式和液压封闭式几种。 1）电力封闭式加载系统 这种加载系统的原理如图 1-4 所示。驱动单元由交流（或 直流）电动机及附属装置组成，驱动转速的调节由电机调速来实现；试验单元与开放式 相同；负载模拟单元由交流（或直流）发电机及附属装置组成，负载转矩由发电机形成。 负载发电机产生的电能通过电网加以回收并反馈给驱动电机，形成封闭的功率流， 从而降低试验能耗，系统效率高。但由于功率回收技术是一项专业性非常强的技术，整 套装置的成本非常高，又由于回收过程的回收效率受加载负荷的影响较大，而且对于大 功率加载系统来说，试验台及电动机体积庞大，试验不同型号减速器时调整困难。另外， 在系统动载变化较大时，可能对电网造成较大的冲击。 2）机械封闭式加载系统 这种加载系统的原理图如图 1-5 所示。它将原来单纯由电 机提供功率（转矩、转速） ，分解为由两套装置分别向系统提供转矩和转速，由转速提供 装置(电动机)向系统提供所需要的转速，同时由转矩施加装置（液压加载器）向系统提供 试验所需要的转矩。在这个过程中，转矩被封闭在一个由两个变速传动装置、两个转矩 转速测量装置、一个转矩施加装置、被试件和陪试件所组成的封闭机械系统中，它不再 对转速提供装置(电动机)产生影响，电动机所提供的动力，仅仅是用来平衡系统运动过程 中产生的机械损耗，从而降低了电动机的功率消耗。这种加载系统的转速通过电机调速 进行调节，转矩通过调节液压加载器油源系统溢流阀的开启压力来设定，不易实现自动 控制。因此，这种加载系统不适用于动态模拟加载试验。 功率补偿驱动单元试验单元 负载模拟 单元 电功率回 收 图 1-4 电力封闭式加载系统原理示意图 Fig.1-4 Principle diagram of closed type electric loading system 转速提供 装置(电 动机、变 频器) 变 速 传 动 装 置 转矩转速 测量装置 被试件 转矩转速 测量装置 转 矩 施 加 装 置 (液压加载器) 陪试件 变 速 传 动 装 置 图 1-5 机械封闭式加载系统原理示意图 Fig.1-5 Principle diagram of closed type mechanical loading system 3）液压封闭式加载系统 这种加载系统的原理如图 1-6 所示。驱动单元由油源、液 压马达及相关液压元件组成，它负责向系统提供动力(功率)，通过对液压马达流量和斜盘 摆角的调节，来满足对不同驱动转速的要求；试验单元与前述系统相同；负载模拟单元 由液压泵及相关液压元件等组成，通过控制液压泵的斜盘摆角，可模拟各种工况下的负 载转矩。负载模拟单元产生的液压能通过液压网络加以回收，并直接反馈给驱动单元， 形成封闭的功率流，从而降低试验能耗，系统效率高。系统加载过程中所形成的动载影 响，基本被限制在液压系统内部，对电网的冲击很小。 如果将图 1-6 中的液压马达和液压泵换成二次元件，就构成了二次调节加载系统。由 于二次调节加载系统可充分利用计算机控制的优越性，使加载参数（转矩和转速）的调 节非常灵活方便，所以系统的静、动态性能好，可对各种复杂工况进行模拟。因此，将 这种二次调节式加载系统用于减速器加载试验，是十分理想的。 功率补偿驱动单元试验单元 负载模拟 单元 液压功率 回收 图 1-6 液压封闭式加载系统原理示意图 Fig.1-6 Principle diagram of closed type hydraulic loading system 1.6 论文主要研究内容 1）对基于二次调节的减速器加载系统进行深入的理论分析，建立减速器加载系统的 数学模型，并绘制方框图； 2）对对驱动单元转速控制系统进行刚度特性分析； 3）对驱动变速箱的轴及齿轮等传动零部件进行详细的设计，并对其作校核。 2 减速器模拟加载系统数学模型 2.1 概述 减速器加载试验按减速器的重要性分为型式检验、出厂检验、温升检验等几种检验 方式。型式检验主要针对最新研制的减速器的一种检验方式，包括装配及连接尺寸检验， 空载试验，效率试验，温升试验，噪声试验，超载试验，耐久试验；出厂检验针对现有 成熟减速器进行的出厂前检验，包括装配及连接尺寸检验，出厂空载试验，出厂温升试 验，出厂噪声试验；温声试验主要针对检修完毕的减速器进行的性能测试。 本章针对减速器模拟加载系统，建立较为精确的数学模型。数学模型包括有微分方 程、状态方程及变量图、传递函数及方块图等。 2.2 减速器模拟加载试验台组成与原理 2.2.1 试验台各部分组成及其功用 减速器加载试验台如图 2-1 所示，由恒压油源及管路系统、模拟加载系统、控制系统、 机械台架四部分组成。恒压油源为整个模拟加载单元提供恒定压力，同各种液压元件及 管路一起构成恒压网络。恒压油源主要由两台 Rexroth公司的 A4VSO180DP 型轴向柱 塞式恒压变量泵和一台双联叶片式定量泵组成，柱塞泵为系统提供恒定的高压油源，叶 片泵为二次元件及主泵提供背压，并通过给系统补充冷油的方式来实现系统的冷却。当 然，油源部分还包括高低压溢流阀、卸荷阀、蓄能器、油液过滤器及风冷却器等。模拟 加载系统实现对试验对象减速器的驱动和加载的模拟，它包括驱动单元、二次输出加载 单元。驱动单元主要由两个 Rexroth 公司的 A4VSO250 型轴向柱塞元件串联而成的双联二 次元件、两个弹性联轴器、转矩转速传感器组成，该单元用来模拟减速器的驱动。二次 输出加载单元主要由双联二次元件、两个弹性联轴器、转矩转速传感器组成，该单元用 来模拟传感器二次输出端的负载。控制系统由 PC 计算机、工业控制计算机、数据采集卡、 数字显示仪和用来控制油源启停的 PLC 控制器等组成，该部分主要完成整个系统的连续 量和开关量的控制、数据采集、系统状态监测、系统状态超限保护等。机械支架和试验 平台提供加载试验对象减速器、联轴器及加载二次元件的支撑和连接。其中模拟加载系 统为整个试验台的核心部分，也是本课题的研究对象。 2.2.2 模拟加载系统原理 由图 2-2 可见，二套二次元件的液压端口共同并联于恒压网络上，机械端口通过各转 1 2 3 二次元件 双联 二次元件 双联 变速器 驱动 变速器 二次输出 减 速 器 恒压油源 驱动模拟单元二次输出加载单元 低压恒压网络 高压恒压网络 564 1-PC 机（上位机） 2-工控机（下位机） 3-采集卡 4-弹性联轴器（4 个） 5-转矩转速传感器（2 个） 6-齿轮联轴器（2 个） 图 2-1 减速器加载实验台组成 Fig. 2-1 The reducer gear experiments composition 速转矩传感器、弹性联轴器、变速器、加载试件等连接在一起。二次元件 1 工作于马达 工况，用来模拟减速器发动机驱动轴动力，它同转速传感器、控制器 1 等构成驱动转速 控制系统；二次元件 2 工作于泵工况，用来对减速器二次输出端加载，为转矩控制方式， 它同相应的转矩传感器 2、控制器 2，构成二次输出加载转矩控制系统。在转速控制系统 和转矩控制系统中，都包含有内环和外环两种控制回路，由对应于各二次元件的电液伺 服阀、变量液压缸、位移传感器 LVDT 构成阀控缸回路（内环） ，再加上相应的二次元件、 转速感器或转矩传感器，就构成了转速控制回路或转矩控制回路（外环） 。 当系统进行工作时，二次元件 1（马达）由恒压网络获取液压能，并将其转换成机械 能来驱动加载试件和二次元件 2（泵） ，实现模拟加载。同时，二次元件 2（泵）将机械 能转换成液压能后又直接回馈给恒压网络，重新用来驱动二次元件 1（马达） ，在二次元 件 1（马达）和二次元件 2（泵）之间，功率流形成闭式循环。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，而驱动二次元件 1（马达）所需的大部 分能量都来自二次元件 2（泵） 。因此，该加载系统实现了能量回收与利用，系统效率高。 由于二套二次调节系统同样设置有转速传感器和转矩传感器，可以任意将其调整为 转速控制状态（作为驱动单元）和转矩控制状态（作为加载单元），因此可以按被试件 的要求，设置其中一套二次调节系统作为驱动单元，另外 1 套作为加载单元。 二次 元件2 驱动 变速器 转速 传感器 二次输出变 速器 转矩 传感器 U S U S 电液伺服阀2电液伺服阀1 恒压网络 恒压 变量泵 蓄能器 控制 器1 二次 元件1 控制 器2 变量液 压缸2 变量液 压缸1 LVDT1LVDT2 减速器 图 2-2 模拟加载系统原理图 Fig.2-2 Principle diagram of simulation loading system 2.3 模拟加载系统的方块图模型 2.3.1 二次元件阀控缸的方块图模型 减速器模拟加载系统所用核心部件为 Rexroth 公司的 A4VS0250 DS 型二次元件，其 原理如图 2-3 所示。它由可逆式轴向柱塞泵，马达单元、电液伺服阀、变量油缸、安全保 护阀、位移传感器(LVDT)、滤油器以及防气蚀单向阀等组成。它具有快速的响应特性， 能工作在四个象限，既可用做马达也可用做泵，具有很好的转速、转矩控制特性，没有 节流损失，功率损失小。 B 8 S 5 4 7 6 3 2 1 9 1-轴向柱塞单元 2-变量液压缸 3-电液伺服阀 4-安全保护阀 5-滤油器 6-位移传感器 7-码盘 8-防气蚀单向阀 9-二位三通电磁阀 B-高压油口 S-低压油口 图 2-3 A4VSO250DS 型二次元件原理图 Fig.2-3 Picture and principle diagram of A4VSO250DS type secondary unit 由上所说，二次元件用作马达时，其控制方式为转速控制；用作泵时，其控制方式 为转矩控制，但两种控制方式的阀控缸(内环)是相同的，都是由电液伺服阀、变量液压缸、 位移传感器 LVDT 构成的。由图 2-3 可见，阀控缸回路就是对称伺服阀控制对称液压缸 回路，下面分别列写出该回路各元件的数学模型5。 1）电液伺服阀 电液伺服阀的传递函数通常用二阶振荡环节表示，即 (2-1) 2 2 ( ) ( ) 2( ) 1 didi di didi didi QsK Es sVs s 如果系统的频宽较低时，伺服阀的传递函数可用一阶惯性环节表示，即 (2-2)( ) 1 di di di K Es T s 当系统的频宽远小于伺服阀的固有频率时，伺服阀的传递函数可近似为比例环节，即 (2-3)( ) didi EsK 式中 第 个二次元件电液伺服阀的输出流量（m /s） ；( ) di Qsi 3 第 个二次元件电液伺服阀的输入电压(v)；( ) di Vsi 第 个二次元件电液伺服阀的固有频率(rads)； di i 第 个二次元件电液伺服阀的阻尼比(无因次)； di i 第 个二次元件电液伺服阀的流量增益（m s）v） ； di Ki 3 第 个二次元件电液伺服阀的时问常数（s） ； di Ti 二次元件序号， =1，2，分别对应于驱动、二次输出加载二次元件。ii 2）变量液压缸 变量液压缸的流量连续性方程为 (2-4) 4 ibibi dibibibi e dyVd P qACP dtdt : : 式中 变量液压缸的流量（m s） ； di q 3 变量液压缸活塞的位移（m） ； i y 变量液压缸的有效作用面积（m ） ； bi A 2 变量液压缸的泄漏系数(m /s)/ Pa)； bi C 3 变量液压缸两腔的总容积（m ） ； bi V 3 液压油的体积弹性模量(N/m2)； e 第 i 个变量液压缸的进出口压差（bar） 。 bi P: 变量液压缸的力平衡方程为 (2-5) 2 2 ii bibiibiiii d ydy APmBK yF dtdt : 式中 变量液压缸活塞与斜盘的等效质量（kg） ； i m 变量液压缸的阻尼系数(N/（m/s）)； bi B 作用于变量液压缸活塞上的外负载力（N） ； i F 负载的弹簧刚度（N/m） ，没有弹性负载时，=0； i K i K 第 i 个变量液压缸的进出口压差（bar） 。 bi P: 3）位移传感器 位移传感器视为比例环节，其传递函数为 (2-6)( ) wi G sK 式中 位移传感器的变换系数（V/m） ； wi K 对式(2-4)、式（2-5）进行拉式变换得 (2-7)( ) 4 bi dibiibibibi e V QsA sYC Ps P : (2-8) 2 bibiiibiiiii APm s YB sYK YF: 由式(2-1)、式(2-6)、式(2-7)和式(2-8)，可画出阀控缸的传递函数方块图，如图 2-4 所示，输入的是电