雙定子多作用力偶液壓馬達(dá)的原理分析

聞德生,周瑞彬,高俊峰,劉忠迅,劉巧燕,呂建森

(燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 066004, 河北秦皇島)

雙定子多作用力偶液壓馬達(dá)的原理分析

聞德生,周瑞彬,高俊峰,劉忠迅,劉巧燕,呂建森

(燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 066004, 河北秦皇島)

針對(duì)液壓馬達(dá)徑向受力不平衡的問題,提出了一種多工況下雙定子多作用力偶液壓馬達(dá),并采用高次曲線設(shè)計(jì)了四作用力偶液壓馬達(dá)內(nèi)、外定子的輪廓線。單作用的定子輪廓線由大、小兩段圓弧和兩段過渡曲線組成;多作用力偶液壓馬達(dá)的內(nèi)、外定子輪廓線由多個(gè)等寬、相似的單作用定子輪廓線組成,該輪廓線光滑且完全封閉。通過液壓馬達(dá)排量的計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn):多作用力偶液壓馬達(dá)的排量主要取決于內(nèi)、外定子輪廓線的半徑,定子環(huán)的有效寬度,滾柱連桿組的數(shù)目,連桿的厚度和馬達(dá)在一個(gè)工作周期內(nèi)密閉容積吸油及排油的次數(shù)。在輸入流量不變的情況下,通過改變液壓馬達(dá)的連接方式可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)馬達(dá)單獨(dú)工作,外馬達(dá)單獨(dú)工作,內(nèi)、外馬達(dá)同時(shí)工作,以及內(nèi)、外馬達(dá)差動(dòng)工作。

力偶液壓馬達(dá);雙定子;多作用;定子曲線

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的液壓馬達(dá)是把由液壓泵提供的液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置,其在工作介質(zhì)的作用下輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)階段的液壓馬達(dá)工作主要是通過高壓油液區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的液壓力與轉(zhuǎn)子中心力矩的不平衡實(shí)現(xiàn)的[1]。隨著液壓傳動(dòng)逐步向高壓化發(fā)展,液壓馬達(dá)的徑向受力不平衡將造成液壓馬達(dá)軸承徑向受力非常大,致使軸承的實(shí)際使用壽命縮短,從而導(dǎo)致液壓馬達(dá)使用壽命受到影響。本文以轉(zhuǎn)子受力主失為0,結(jié)合等寬曲線雙定子多速液壓馬達(dá)[2],設(shè)計(jì)出雙定子多作用力偶液壓馬達(dá)。

1 力偶液壓馬達(dá)的定義

等寬雙定子液壓馬達(dá)在一個(gè)工作周期內(nèi)密閉容積吸油及排油的次數(shù)(簡(jiǎn)稱作用數(shù))可以是多次,當(dāng)作用數(shù)為偶數(shù)時(shí),進(jìn)油口中心對(duì)稱布置,在內(nèi)、外馬達(dá)單獨(dú)工作(工況1、2),內(nèi)、外馬達(dá)同時(shí)工作(工況3)和差動(dòng)連接工作(工況4)這4種工況下[3],內(nèi)馬達(dá)或外馬達(dá)的所有進(jìn)油口同時(shí)輸入高壓油,此時(shí)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子受到的液壓力如圖1所示。外馬達(dá)單獨(dú)工作時(shí),轉(zhuǎn)子受到的徑向力方向指向圓心,且以油口為中心對(duì)稱分布,相同直徑下徑向力大小相等、方向相反、合力為0(見圖1a),其他3種工況下,轉(zhuǎn)子的徑向合力為0(見圖1b～1d)。

(a)外馬達(dá)單獨(dú)工作 (b)內(nèi)馬達(dá)單獨(dú)工作

(c)內(nèi)、外馬達(dá)同時(shí)工作 (d)內(nèi)、外馬達(dá)差動(dòng)連接工作

在液壓馬達(dá)的高壓腔中,滾柱連桿伸出的長(zhǎng)度不同,高壓油液對(duì)滾柱連桿組的液壓力有所不同。外馬達(dá)單獨(dú)工作時(shí)高壓油液對(duì)滾柱連桿組的作用力如圖2所示。高壓油液對(duì)滾柱連桿組的液壓力方向與轉(zhuǎn)子直徑垂直,以圓心呈中心對(duì)稱分布,每一對(duì)作用力大小相等、方向相反,且不在一條直線上,從而形成力偶。在力偶的作用下,轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。同理,內(nèi)馬達(dá)單獨(dú)工作,內(nèi)、外馬達(dá)同時(shí)工作和差動(dòng)連接工作時(shí),也是力偶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 作用數(shù)為偶數(shù)時(shí)液壓馬達(dá)滾柱連桿組受力圖

當(dāng)液壓馬達(dá)的作用數(shù)為奇數(shù)時(shí),雖然不會(huì)形成成對(duì)的力偶,但高壓油液對(duì)轉(zhuǎn)子的作用力的主矢為0,主力矩不為0,則轉(zhuǎn)子中心可以簡(jiǎn)化為一個(gè)等效力偶。

通過以上分析,力偶液壓馬達(dá)可定義為:當(dāng)液壓馬達(dá)工作時(shí),在垂直于轉(zhuǎn)子軸向方向上的任意平面內(nèi),轉(zhuǎn)子受到的合力主矢為0,主力矩不為0,稱為合力偶。由合力偶驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn),這樣的液壓馬達(dá)稱為力偶液壓馬達(dá)。

2 雙定子多作用力偶液壓馬達(dá)的工作原理

四作用力偶液壓馬達(dá)的工作原理簡(jiǎn)圖如圖3所示。殼體上裝配一個(gè)轉(zhuǎn)子、一個(gè)外定子和一個(gè)內(nèi)定子。由外定子、轉(zhuǎn)子、滾柱、連桿及兩邊側(cè)板組成密閉容積,高壓油液由進(jìn)油口B通入,再通過殼體內(nèi)的通道和配流窗口進(jìn)入封閉容積,被分隔在高壓油腔和低壓油腔的滾柱連桿組的兩側(cè),分別稱高壓油和低壓油。由于滾柱連桿組伸出的長(zhǎng)度不同,所以其受力面積不同,有此產(chǎn)生的壓力差使得滾柱連桿組帶動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn),形成外馬達(dá)。同理,由內(nèi)定子環(huán)、轉(zhuǎn)子、滾柱、連桿及兩邊側(cè)板組成密閉容積,高壓油液由進(jìn)油口C通入,再通過配流軸上的通道進(jìn)入密閉容積。這樣,壓力差使得轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn),形成內(nèi)馬達(dá)。

1:外定子;2:轉(zhuǎn)子;3:內(nèi)定子;4:配流軸;5:殼體;6:連桿;7:滾柱;8:連接螺栓;A～C:進(jìn)油口

無論是內(nèi)、外馬達(dá)單獨(dú)工作,還是內(nèi)、外馬達(dá)同時(shí)工作或差動(dòng)連接工作,轉(zhuǎn)子受到的液壓力合力主矢為0,主力矩不為0。

3 四作用力偶液壓馬達(dá)內(nèi)、外定子輪廓線的選取

多作用力偶液壓馬達(dá)的內(nèi)、外定子輪廓線是等寬相似曲線,一個(gè)作用的定子曲線是由一段大圓弧、一段小圓弧和兩段過渡曲線組成,多作用力偶液壓馬達(dá)的內(nèi)、外定子輪廓曲線是由多個(gè)完全相同的一個(gè)作用的定子曲線組成的光滑、完全封閉的曲線。多作用力偶液壓馬達(dá)高壓油腔和低壓油腔相互隔離,形成壓力差,驅(qū)動(dòng)力偶液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。2個(gè)滾柱連桿組之間形成了密閉容積,為了避免該容積在液壓力作用下發(fā)生急劇變化,以及由此導(dǎo)致壓力沖擊和氣蝕,定子曲線應(yīng)該光滑連續(xù),徑向速度和加速度、加速度變化率盡量小或不存在突變點(diǎn)。

在分析液壓馬達(dá)各種輪廓曲線[4-9]時(shí)發(fā)現(xiàn),低噪聲7次輪廓曲線適用于高性能液壓馬達(dá),該輪廓線方程為

ρ(φ)=e7φ7+e6φ6+e5φ5+e4φ4+e3φ3+

e2φ2+e1φ1+e0

(1)

式中:ρ為外定子曲線上任意一點(diǎn)到定子中心的矢徑,mm;φ為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角,rad;ei為待定系數(shù)。

為了緩解壓力沖擊,在過渡曲線和大、小圓弧接觸處添加一段修正的過渡曲線幅角Δα,且滿足邊界條件

ρ(φ)=r1+(R1-r1)[-20(φ/θ)7+

70(φ/θ)6-84(φ/θ)5+35(φ/θ)4]

(2)

式中:θ=α+Δα,α為過渡曲線幅角。

為使液壓馬達(dá)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中閉死容積不變,大、小圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角均為兩相鄰連桿組的夾角β。如圖4,在N個(gè)作用力偶液壓馬達(dá)的定子輪廓線中,從小(或大)圓弧的中點(diǎn)到大(或小)圓弧的中點(diǎn)的曲線所對(duì)應(yīng)的圓心角為γ,γ=π/N=α+β。

如圖5所示,四作用力偶液壓馬達(dá)中馬達(dá)輪廓曲線由4段大圓弧(如a1a2)、4段小圓弧(如b2b1)和8段過渡曲線(如b1a1或a2b2)連接。8段過渡曲線分別對(duì)應(yīng)4個(gè)高壓油腔和4個(gè)低壓油腔。

圖4 液壓馬達(dá)輪廓線的角度分布

圖5 四作用力偶液壓馬達(dá)輪廓線的角度分布

圖5中心點(diǎn)o為極點(diǎn),o點(diǎn)與連桿組連線為極軸,逆時(shí)針方向角度為正。定子的輪廓曲線方程為

(3)

式中:r為小圓弧半徑,mm;R為大圓弧半徑,mm。

4 雙定子多作用力偶液壓馬達(dá)的排量和瞬時(shí)流量

在雙定子多作用力偶液壓馬達(dá)中實(shí)現(xiàn)了4種工況,根據(jù)內(nèi)、外馬達(dá)結(jié)構(gòu)具有類似性,其各自單獨(dú)工作時(shí)排量

V=πΦN(R2-r2)-NsΦz(mì)(R-r)

(4)

式中:V為液壓馬達(dá)的排量,mL/rad;Φ為定子環(huán)的有效寬度,mm;N為液壓馬達(dá)作用數(shù);s為滾柱連桿組的厚度,mm;z為滾柱連桿組的個(gè)數(shù)。

當(dāng)外馬達(dá)單獨(dú)工作時(shí),排量和瞬時(shí)流量分別為

(5)

(6)

式中:m為在壓油腔過渡曲線上滾柱連桿組的個(gè)數(shù);ω為轉(zhuǎn)子的角速度,rad/s。

內(nèi)馬達(dá)單獨(dú)工作時(shí)排量

(7)

(8)

內(nèi)、外馬達(dá)同時(shí)工作時(shí)排量

V3=V1+V2

(9)

內(nèi)、外馬達(dá)差動(dòng)連接工作時(shí)排量

V4=V1-V2

(10)

多作用力偶液壓馬達(dá)的排量主要取決于內(nèi)、外定子曲線半徑,定子環(huán)的有效寬度,滾珠連桿組的個(gè)數(shù)、厚度和馬達(dá)的作用數(shù)。同時(shí)工作方式的多樣性會(huì)增加液壓馬達(dá)排量的輸出。

內(nèi)、外馬達(dá)的初始相位角度和管道安裝均會(huì)影響內(nèi)、外馬達(dá)同時(shí)工作或二者差動(dòng)工作時(shí)的輸出特性。

5 雙定子四作用力偶液壓馬達(dá)實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證多作用力偶液壓馬達(dá)原理的正確性和液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)的合理性,本文搭建了多作用力偶液壓馬達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)量了多作用力偶液壓馬達(dá)在4種工況下的空載排量。液壓馬達(dá)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6所示,液壓馬達(dá)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)原理圖如圖7所示[10]。

圖6 液壓馬達(dá)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于液壓泵、液壓馬達(dá)空載排量的測(cè)定方法中規(guī)定,測(cè)量參數(shù)顯示值的穩(wěn)態(tài)條件應(yīng)滿足表1條件,不同工況下空載流量測(cè)定結(jié)果如表2～5所示,空載排量計(jì)算值如表6所示。

1:變量泵;2:電動(dòng)機(jī);3:比例調(diào)速閥;4:安全閥;5、6:電磁換向閥;7:被測(cè)液壓馬達(dá);8:轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)試儀;9:濾油器;10:油箱;11:流量計(jì);12:負(fù)載泵;13:溢流閥

表1 測(cè)量參數(shù)顯示值的穩(wěn)定條件

表2 工況1下液壓馬達(dá)空載流量測(cè)定結(jié)果

受加工精度和人工操作的影響,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的空載排量與多作用力偶液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)結(jié)果略有誤差,誤差率在5%以內(nèi),從而驗(yàn)證了本文液壓馬達(dá)的原理是正確的。外馬達(dá)的排量大于力偶液壓內(nèi)馬達(dá)的排量,內(nèi)、外馬達(dá)的排量比與定子曲線有關(guān)。當(dāng)內(nèi)、外馬達(dá)同時(shí)工作時(shí),力偶液壓馬達(dá)可以輸出大扭矩和低轉(zhuǎn)速,力偶液壓馬達(dá)差動(dòng)連接工作時(shí)又可以輸出相對(duì)較高的轉(zhuǎn)速。

表3 工況2下液壓馬達(dá)空載流量測(cè)定結(jié)果

表4 工況3下液壓馬達(dá)空載流量測(cè)定結(jié)果

表5 工況4下液壓馬達(dá)空載流量測(cè)定結(jié)果

表6 液壓馬達(dá)空載排量

6 結(jié) 論

(1)在雙定子多作用力偶液壓馬達(dá)工作過程中,轉(zhuǎn)子所受合力主失為0,主矩不為0。

(2)雙定子多作用力偶液壓馬達(dá)存在內(nèi)馬達(dá)單獨(dú)工作,外馬達(dá)單獨(dú)工作,內(nèi)、外馬達(dá)同時(shí)工作或差動(dòng)連接工作這4種工作方式。

(3)內(nèi)、外定子曲線半徑,定子環(huán)的有效寬度,滾珠連桿組的個(gè)數(shù)、厚度和馬達(dá)的作用數(shù)決定著馬達(dá)的排量,工作方式的多樣性可增加液壓馬達(dá)的排量。

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(編輯 苗凌)

PrincipleofDouble-StatorMulti-ActingCoupleHydraulicMotor

WEN Desheng,ZHOU Ruibin,GAO Junfeng,LIU Zhongxun,LIU Qiaoyan,Lü Jiansen

(College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004, China)

Aiming at unbalanced radial force of hydraulic motor, a double-stator multi-acting couple hydraulic motor under various operating conditions is proposed, and the inner and outer stator contours of a four-acting couple hydraulic motor are designed with higher order curves. The stator contour of a single-acting contains long and short circular arcs and two transition curves, and the inner and outer stator contours of a double-stator multi-acting couple hydraulic motor are made up by several similar single-role stator contour lines, which are smooth and completely closed. It is found that the calculated displacement of the double-stator multi-acting couple hydraulic motor usually depends on the inner and outer contour radius, effective width of stator ring, number of roller group, thickness of connecting rod and times of closed volume oil suction/discharge during operating period. For unchanged input flow, the inner motor and outer motor can operate separately, simultaneously or differently by adjusting the connecting modes.

couple hydraulic motor; double-stator; multi-acting; stator curve

10.7652/xjtuxb201405012

2013-09-03。 作者簡(jiǎn)介: 聞德生(1954—),男,教授。 基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975246)。

時(shí)間: 2014-02-26 網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140226.1159.019.html

TH137

:A

:0253-987X(2014)05-0067-05