国内外对液压变压器研究现状：最新综述

自20世纪90年代以来，荷兰、瑞典、日本等发达国家对液压变压器投入了大量的人力、物力，如荷兰InnasBV公司、瑞典林雪平大学、日本上智大学正在对该课题进行研究。目前国内主要由浙江大学流体传动及控制国家重点实验室、哈尔滨工业大学等科研单位开展液压变压器的研究工作。

图3-57 液压缸式液压变压器原理图^[27]

1.传统液压变压器

1965年，美国专利就对液压变压器进行了论述。如图3-57所示，这种类型的液压变压器是由两个单杆液压缸将活塞杆刚性地连接在一起，由于两侧活塞的有效作用面积不同，从而使两侧油腔内的压力不同，即实现了变压。该类型的变压器只能实现单向变压，且泄漏和能量损耗较大。

1971年，HKHebrert发展了一种双向液压变压器，可在两个分离的液压控制回路间互相传递能量。这种变压器由两个轴向柱塞泵/马达构成，泵和马达的转子形成机械连接，根据系统的运行情况，泵/马达分别变换自己的角色来作为泵或马达使用，进行双向变压。图3-58为液压马达/液压泵式液压变压器结构示意图，通常所说的传统液压变压器即为该类型的变压器。

图3-58 液压马达/液压泵式液压变压器结构示意图^[28]

20世纪80年代，国外学者对液压变压器进行了多方面的研究，如德国、瑞典、荷兰等都有显著的研究成果。此前对传统液压变压器的研究侧重于应用研究，日本的上智大学将原始液压变压器与液压缸进行了连接，显著提高了液压变压器的效率；德国力士乐公司将该类型的液压变压器成功应用到挖掘机上，提高了系统效率和运行性能。

图3-59 传统液压变压器实验样机

国内从事传统型液压变压器的研究机构主要是哈尔滨工业大学和浙江大学。哈尔滨工业大学的董宏林在实验室搭建了一个基于二次调节静液传动技术的模拟提升机实验系统，已经初步地验证了液压变压器的变压原理，实验样机如图3-59所示。随后，哈尔滨工业大学的张维官等对传统型液压变压器进行了性能测试与节能效果分析。理论分析和实验研究表明，垂直负载下行过程中液压恒压网络系统可以通过液压变压器回收负载的重力势能，达到一定的节能效果。

2003年，浙江大学欧阳小平等基于传统液压变压器的工作原理，将其应用于液压电梯的节能控制中，这种节能系统的装机功率仅为普通系统装机功率的1/3左右^[29]。

2.新型液压变压器

1997年，荷兰Innas公司制造出了第一台新型液压变压器的样机，如图3-60和图3-61所示。该液压变压器在结构上相对于传统型液压变压器有了较大的突破，将液压泵和液压马达的功能集为一体。

图3-60 第一台新型液压变压器样机外形(www.xing528.com)

图3-61 新型液压变压器样机结构示意图

1998年，PeterAchten推导了新型液压变压器各个端口的流量和转矩的理论公式，为随后新型液压变压器的特性分析奠定了基础。同时，德国力士乐公司对新型液压变压器的结构进行了研究，提出了一种利用伺服液压缸控制斜盘倾角的液压变压器，该方案便于实现变压器的自动控制。2000年，Achten和ZhaoFu对液压变压器的配流槽结构进行了优化设计，改善了配流槽的受力分布和控制特性。由于三个配流槽的分布问题使得液压变压器的流量脉动大，从而产生较大的噪声。2001年，针对液压变压器的噪声问题，Achten等人提出了“梭”技术来消除液压变压器的噪声，如图3-62所示，通过在两个相邻柱塞间引入“梭”来减少压力峰值。该技术取得了一定的效果，但该结构形式的的缸体加工困难。

2002年，Achten博士将液压变压器由原来的七个柱塞改为18个柱塞，将集成式缸体结构改为可以自由移动的浮杯式结构，同时将缸体由一个变成两个，如图3-63所示。经过这样的改进，不仅减小了柱塞和缸体间的摩擦损耗，而且还减小了起动转矩。但该类型的液压变压器的节能效果以及运行特性有待进一步考证。

国内浙江大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、太原科技大学和中国船舰研究院等对新型液压变压器的特性进行了大量研究，但在结构上没有较大的突破。

图3-62 引入“梭”的新型液压变压器^[30]

图3-63 浮杯结构的新型液压变压器^[31]

浙江大学欧阳小平等人对液压变压器的三个配流副（配流盘-后端盖，配流盘-缸体，缸体-柱塞）的流场进行了仿真分析，建立并分析了液压变压器的平均流量、瞬时流量、瞬时驱动转矩、变压比等参数，得出了高噪声和转矩脉动的原因所在^[32]。浙江大学徐兵等利用新建立的新型液压变压器排量计算数学模型对其排量特性进行了仿真研究，验证了液压变压器的排量是配流盘控制角度的函数，而与负载大小以及液压变压器的转速无关；同时分析了液压变压器瞬时流量特性，建立了不同配流盘控制角度下的流量数学模型，得出流量脉动率高是造成变压器高噪声的主要原因，为改善液压变压器的性能提供了重要的理论依据。

图3-64 液压变压器配流盘^[33]

a）有三角槽的配流盘 b）无三角槽的配流盘

哈尔滨工业大学姜继海等人对液压变压器进行了深入的研究，其中刘成强等对变压器的配流盘缓冲槽进行了仿真和实验研究，结果表明，带有三角槽缓冲结构的配流盘能有效降低噪声，特别是在低速运行阶段，降低了变压器的转动脉动率。液压变压器配流盘如图3-64所示。同时建立了电液伺服斜盘柱塞式液压变压器瞬时流量特性、瞬时转矩特性的数学模型，从液压变压器的控制角为零的情况推广到控制角为全区间的情况。仿真结果表明液压变压器的流量脉动率、转矩脉动率在全区间范围内很大，并对不同柱塞数下的流量脉动率进行了对比研究。

哈尔滨工业大学卢红影等提出了液压变压器的电液伺服控制系统，并对不同柱塞数下的流量脉动率进行了对比研究，根据实验测试，验证了控制策略的正确性和有效性。

中国船舰研究院黄亚农等提出了采用摆动液压缸控制的三槽配流型液压变压器新结构，同时提出了通轴型负载敏感液压变压器集成方案，并对其响应特性进行了研究。研究结果表明，该负载敏感型液压变压器的稳定性和精度良好，能够根据负载的变化自适应调节输出压力。