比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)設計與試驗

聞德生 商旭東 馬光磊 石滋洲 潘為圓 顧 攀

(燕山大學機械工程學院， 秦皇島 066004)

比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)設計與試驗

聞德生 商旭東 馬光磊 石滋洲 潘為圓 顧 攀

(燕山大學機械工程學院， 秦皇島 066004)

為了解決目前廣泛應用的液壓傳動輸出特性單一等問題，基于比例型多泵和多速馬達提出了比例型多泵多速馬達傳動理論。在闡述比例型多泵/多速馬達結構和工作原理的基礎上，設計了2種比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)，并對其在不同工作方式下的輸出特性進行了理論分析，且進一步探討了多泵和多速馬達排量比例系數對傳動系統(tǒng)的影響。通過對比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)的輸出特性的理論拓展，得到該液壓傳動系統(tǒng)在不同工作方式下輸出轉速和轉矩的一般公式，并搭建比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)試驗平臺。試驗結果表明：比例型多泵多速馬達通過切換多泵和多速馬達的工作方式，可輸出多級定轉速和定轉矩，且各級轉速和轉矩與排量比例系數相關。該研究為比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)的設計和應用奠定了基礎。

多泵多速馬達； 比例型； 傳動系統(tǒng)； 轉矩轉速特性； 排量比例系數

引言

液壓傳動以其傳動平穩(wěn)、體積小、質量輕、調速方便等優(yōu)點，廣泛應用于工程機械、壓力機械和航空工業(yè)等領域[1-5]。液壓泵和液壓馬達作為液壓傳動系統(tǒng)中的動力元件和執(zhí)行元件，是其重要的組成部分，而目前各行業(yè)廣泛應用的液壓傳動系統(tǒng)均由單泵和單馬達組成[6-8]。隨著社會的發(fā)展，實際工況日益復雜，這種傳動系統(tǒng)在實際應用中存在一定的不足：一個系統(tǒng)需要多級定流量時，一個定量泵無法實現；在不使用減壓閥前提下，同一泵無法向多個不同壓力系統(tǒng)供油；單泵難以實現多個執(zhí)行元件在不同壓力、流量下同步；一個定量馬達難以輸出多級定轉速和定轉矩。

為解決傳統(tǒng)液壓傳動系統(tǒng)在實際應用中存在的不足，本文在比例型多泵和多速馬達[9-13]基礎上，設計比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)，并對該傳動系統(tǒng)的輸出特性進行理論分析和試驗研究，以期為比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)的研究和應用奠定基礎。

1 比例型多泵/多速馬達工作原理

比例型多泵/多速馬達是指一個轉子對應多個定子或一個定子對應多個轉子，在一個殼體內形成多組不同排量且相互獨立的子泵(馬達)，實現一體多泵和多速馬達目的。

比例型多泵如圖1所示，該液壓泵是集內嚙合齒輪泵(簡稱內泵)和外嚙合齒輪泵(簡稱外泵)于一體，其中大齒輪和3個共齒輪、殼體、側板形成3個排量相同的外泵；3個小齒輪與月牙板、共齒輪、側板形成3個排量相同的內泵。因每個子泵有單獨的進出油口，則每個子泵都是相互獨立的。

圖1 比例型多泵原理圖Fig.1 Principle diagram of proportional multi-pump1.內泵進出油口 2.外泵進出油口 3.大齒輪 4.共齒輪 5.小齒輪 6.月牙板

比例型多速馬達如圖2所示，該液壓馬達在一個殼體內設計了1個轉子、2個定子(內定子和外定子)，由轉子、外定子、外滾柱連桿組(外滾柱和連桿)、配流裝置等組成一組外馬達；由轉子與內定子、內滾柱連桿組(內滾柱和連桿)、配流裝置等組成一組內馬達，且每組馬達數量分別與作用數相同。則當改變內、外定子的曲線形狀時，可形成不同作用數的比例型多速馬達。

圖2 比例型多速馬達原理圖Fig.2 Principle diagram of proportional multi-speed motor1.外馬達變化容腔 2.外滾柱 3.連桿 4.內滾柱 5.內馬達變化容腔 6.轉子 7.內定子 8.外定子

2 比例型多泵/多速馬達符號規(guī)定及連接方式

2.1 比例型多泵/多速馬達符號規(guī)定

為設計比例型多泵多速馬達傳統(tǒng)系統(tǒng)圖，對比例型多泵/多速馬達的名稱和符號做出如下規(guī)定[14-16]：

(1)由R種排量子泵(馬達)組成的比例型多泵/多速馬達，稱為T1-T2-…-TR比例型多泵/多速馬達(簡稱T1-T2-…-TR型多泵/多速馬達)，其中Tl(l=1,2,…,R)為第l種排量子泵(馬達)的數量，且子泵排量隨l的增大而增大。

(2)比例型多泵/多速馬達采用雙圓圈區(qū)別不同排量的單泵，并用同軸符號將其連接。

則按照上述對比例型多泵/多速馬達名稱和符號的規(guī)定，圖1中比例型多泵稱為3-3比例型多泵(簡稱3-3型多泵)，其符號如圖3a所示；而圖2中比例型多速馬達稱為2-2比例型多速馬達(簡稱2-2型多速馬達)，其符號如圖3b所示。

圖3 比例型多泵/多速馬達符號Fig.3 Symbol diagrams of proportional multi-pump and multi-speed motor

2.2 比例型多泵/多速馬達連接方式

由于比例型多泵/多速馬達特殊的結構形式，則通過切換不同的連接方式，可以實現液壓泵的多輸出和液壓馬達的多輸入，適應不同的工況需求。比例型多泵/多速馬達的部分連接方式如圖4所示。

圖4 比例型多泵/多速馬達連接方法Fig.4 Connections methods of proportional multi-pump and multi-speed motor

3 1-1型多泵與1-1型多速馬達傳動系統(tǒng)的設計與分析

比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)就是將比例型多泵和多速馬達組合所形成的傳動系統(tǒng)。首先以1-1型多泵和1-1型多速馬達組成的1-1型多泵—1-1型多速馬達傳動系統(tǒng)為例，對該比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)進行設計與分析。

3.1 多泵多速馬達傳動系統(tǒng)工作原理

圖5為1-1型多泵—1-1型多速馬達傳動系統(tǒng)原理圖。在該液壓傳動系統(tǒng)中，通過切換二位二通換向閥6、9、10可使1-1型多泵3實現內泵單獨工作、外泵單獨工作、內外泵同時工作3種工作方式，而安全閥2、4、5分別起到限制1-1型多泵在上述3種工作方式下系統(tǒng)的最高壓力。三位四通換向閥11和12分別控制1-1型多速馬達13中內、外馬達的工作情況，則該系統(tǒng)可通過切換換向閥實現多種工作方式，具體情況如表1所示。

圖5 1-1型多泵—1-1型多速馬達傳統(tǒng)系統(tǒng)原理圖Fig.5 Principle diagram of 1-1 multi-pump and 1-1 multi-speed motor driving system1.油箱 2、4、5.安全閥 3.1-1型多泵 6、9、10.二位二通換向閥 7、8.單向閥 11、12.三位四通換向閥 13.1-1型多速馬達

3.2 多泵多速馬達傳動系統(tǒng)輸出特性分析

由圖5可知，在該傳動系統(tǒng)中，1-1型多泵可輸出3級定流量，設1-1型多泵中內泵排量為Vpn，外泵排量為Vpw，則多泵中外泵與內泵的排量比例系數為k=Vpw/Vpn，若內、外泵輸出流量分別為qpn和qpw，則有

qpw=kqpn

(1)

當內、外泵同時工作時多泵輸出流量qpt為

qpt=qpw+qpn=(k+1)qpn

(2)

設多速馬達中內馬達理論排量為Vmn，外馬達理論排量Vmw，則多速馬達外馬達與內馬達的排量比例系數為c=Vmw/Vmn。當內、外馬達同時工作時多速馬達的理論排量Vmt為

Vmt=Vmw+Vmn=(c+1)Vmn

(3)

因比例型多速馬達內、外馬達排量不同，當內、外馬達同時反向通入高壓油時，比例型多速馬達可實現馬達的差動工作[17-19]。則當內、外馬達差動工作時多速馬達的理論排量為

Vmc=Vmw-Vmn=(c-1)Vmn

(4)

比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)在不同的工作方式下有不同的輸出特性。若不計流量及壓力損失，令該系統(tǒng)輸出轉速為Nxy，輸出轉矩為Txy(x和y分別表示比例型多泵和多速馬達的工作方式)，系統(tǒng)壓力為px，則系統(tǒng)輸出轉速和轉矩為

(5)

則該系統(tǒng)在不同的工作方式下的輸出特性如表1所示。

由表1可知，1-1型多泵—1-1型多速馬達傳動系統(tǒng)輸出轉速和轉矩與比例型多泵和多速馬達的排量比例系數k和c呈一定比例關系。該系統(tǒng)通過切換多泵和多速馬達的工作方式，可輸出12級定轉速和定轉矩。

3.3 系統(tǒng)功率特性分析

(1)恒功率工況下系統(tǒng)輸出特性分析

在不計流量及壓力損失的情況下，1-1型多泵—1-1型多速馬達傳動系統(tǒng)在不同工作方式下的輸出功率Pxy為

(6)

由表1和式(6)可知，當比例型多泵的工作方式不變時，系統(tǒng)輸出功率恒定。如當1-1型多泵內泵單獨工作時，系統(tǒng)輸出功率P1y為

(7)

同理，當外泵單獨工作時和內外泵同時工作時，系統(tǒng)輸出功率P2y和P3y分別為

(8)

該液壓傳動系統(tǒng)通過調節(jié)1-1型多泵的工作方式，可實現3級恒功率輸出，且在每種恒功率工況下通過調節(jié)1-1型多速馬達的工作方式可對外輸出高速小轉矩、中速中轉矩和低速大轉矩，來滿足實際工況的需求。

表1 系統(tǒng)的工作方式和輸出特性Tab.1 Working ways and output characteristics of system

注:表中只給出了比例型多速馬達正轉時電磁鐵的電情況。

(2)恒轉矩工況下系統(tǒng)輸出特性分析

當該系統(tǒng)在不同的工作方式下系統(tǒng)壓力恒定時，即px一定時，系統(tǒng)輸出轉矩和多速馬達的工作方式有關。當系統(tǒng)中多速馬達的工作方式一定時，在多泵不同的供油方式下，系統(tǒng)輸出轉矩相同，即

Txy=T1y=T2y=T3y=dT11

(9)

式中d——轉矩系數

轉矩系數與比例型多速馬達的工作方式有關，比例型多速馬達在內、外馬達分別單獨工作、內外馬達同時工作和內外馬達差動工作4種工作方式下，d的取值分別為1、c、c+1、c-1。

對上述2種工況下系統(tǒng)輸出特性的分析可知，系統(tǒng)輸出功率和輸出轉矩分別與多泵和多速馬達的工作方式有關。圖6為系統(tǒng)在不同工作方式下輸出轉速轉矩特性曲線，由圖6可知，系統(tǒng)輸出轉速和轉矩隨多速馬達排量比例系數c變化而變化，當排量比例系數c取某些特殊值時，系統(tǒng)在不同方式下輸出轉速曲線相交，則轉速曲線交點就代表著系統(tǒng)不同工作方式下輸出轉速相同，即轉速的重復輸出。

圖6 系統(tǒng)輸出轉速轉矩曲線Fig.6 Curves of driving system output speed and torque

4 2-2型多泵與2-2型多速馬達傳動系統(tǒng)的設計與分析

4.1 多泵多速馬達傳動系統(tǒng)工作原理

圖7為2-2型多泵—2-2型多速馬達傳動系統(tǒng)原理圖，在該系統(tǒng)中，2-2型多泵可通過切換二位二通換向閥實現多種工作方式，而三位四通換向閥分別控制2-2型多速馬達中每個子馬達的工作情況。則該系統(tǒng)通過換向閥可實現多種工作方式，從而輸出多級定轉速和定轉矩。

圖7 2-2型多泵—2-2型多速馬達傳統(tǒng)系統(tǒng)原理圖Fig.7 Principle diagram of 2-2 multi-pump and 2-2 multi-speed motor driving system1.油箱 2、8、10、12、13.二位二通換向閥 3、4、6、7、9.安全閥 5. 2-2型多泵 11.單向閥 14、15、16、17.三位四通換向閥 18.2-2型多速馬達

4.2 多泵多速馬達傳動系統(tǒng)輸出特性分析

若不計流量及壓力損失，當2-2型多泵—2-2型多速馬達傳動系統(tǒng)中只有1個內泵和1個外泵工作時，當該系統(tǒng)在不同工作方式下壓力恒為p0時，則該系統(tǒng)輸出轉速和轉矩為

(10)

式中qn——2-2型多泵中1個內泵的理論流量Vn——2-2型多速馬達中1個內馬達理論排量

則2-2型多泵—2-2型多速馬達傳動系統(tǒng)在不同工作方式下輸出轉速和轉矩為

(11)

式中i1、i2——2-2型多泵中內、外泵工作數，i1、i2=0、1、2

j1、j2——2-2型多速馬達中內、外馬達工作數，因內、外馬達均可反向連接，則j1、j2=-2，-1，0，1，2

由式(11)可知，當系統(tǒng)壓力恒定時，系統(tǒng)輸出轉矩僅與比例型多速馬達的工作方式有關，而與比例型多泵工作方式無關。

4.3 排量比例系數對系統(tǒng)輸出特性的影響

比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)在某些情況下，可能會出現重復輸出、死點及差動反向現象。

(1)系統(tǒng)的重復輸出

當系統(tǒng)中多泵和多速馬達在一定的工作方式下，系統(tǒng)的輸出轉速或輸出轉矩相同，且與排量比例系數k和c取值無關，稱之為定重復；而當排量比例系數k和c取某些特殊值時，系統(tǒng)在不同工作方式下輸出轉速或輸出轉矩相同，稱為變重復。例如2-2型多泵—2-2型多速馬達傳動系統(tǒng)有12組輸出轉速定重復，因2-2型多泵有8種工作方式，2-2型多速馬達有12種工作方式，則若不考慮排量比例系數的影響，該系統(tǒng)可輸出84種轉速。

(2)系統(tǒng)的死點和差動反向

當系統(tǒng)中比例型多速馬達的排量比例系數c取某些特殊值時，系統(tǒng)將會出現死點和差動反向現象。因該傳動系統(tǒng)在不同工作方式下系統(tǒng)壓力恒定，則系統(tǒng)輸出轉矩僅與比例型多速馬達的工作方式有關。

當系統(tǒng)的轉矩系數j1+j2c=0時，正反兩方向輸入到多速馬達的高壓油使其產生的轉矩相互抵消，將出現死點。當系統(tǒng)的轉矩系數j1+j2c<0時，系統(tǒng)將輸出反方向的轉速和轉矩，即為差動反向，其與輸入到多速馬達中高壓油方向有關。則為避免出現死點及差動反向現象，系統(tǒng)的轉矩系數應滿足j1+j2c>0。

4.4 T1-T2-…-TR型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)分析

因比例型多泵/多速馬達理論上可實現在一個殼體內形成R種排量子泵(馬達)，則由T1-T2-…-TR型多泵/多速馬達組成的比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)可通過切換多泵和多速馬達的連接方式輸出多級定轉速和定轉矩。對于T1-T2-…-TR型多泵/多速馬達，令比例型多泵中排量最小的子泵輸出流量為q1，比例型多速馬達中子馬達的最小排量為V1，則比例型多泵在不同工作方式下的輸出流量為

(12)

其中

kl=ql/q1k1=1

式中il——參與工作的不同排量子泵數量，il=[0，Tl]，il∈Z

kl——不同排量子泵的排量比例系數

比例型多速馬達不同工作方式下的理論排量為

(13)

其中

cs=Vs/V1c1=1

式中js——參與工作的不同排量子馬達數量，js=[-Ts，Ts]，js∈Z

cs——不同排量子馬達的排量比例系數

當比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)在不同工作方式下系統(tǒng)壓力p恒定時，該系統(tǒng)輸出轉速和轉矩為

(14)

為避免系統(tǒng)出現死點或差動反向現象，系統(tǒng)轉矩系數應滿足

(15)

在比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)中比例型多泵的工作方式數為

(16)

比例型多速馬達的工作方式數為

(17)

則該液壓傳動系統(tǒng)的工作方式數為

(18)

則在不考慮比例型多泵/多速馬達排量比例系數的取值等因素可能導致出現死點和重復輸出的情況時，比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)可輸出Z種轉速和轉矩。

5 試驗

比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)有多種形式，為簡化試驗，本文選取1-1型多泵—1-1型多速馬達傳動系統(tǒng)進行了原理性試驗，試驗系統(tǒng)如圖8所示。本試驗用已加工出的1-1型多泵和1-1型多速馬達原理樣機搭建了試驗測試平臺[20]。該試驗系統(tǒng)可分為被測系統(tǒng)(比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng))和加載系統(tǒng)，其中加載系統(tǒng)是通過調節(jié)加載溢流閥的開啟壓力來改變加載泵出油口處壓力，從而模擬出大小不同的負載。轉速轉矩測量儀采用的是JN338型(準確度等級為0.5級)，其用來測量被測系統(tǒng)的輸出轉速和轉矩。試驗采用的1-1型多泵內泵理論排量為29 mL/r，外泵理論排量為43 mL/r，則多泵的排量比例系數k為1.48；1-1型多速馬達內馬達理論排量為30 mL/r，外馬達理論排量為65 mL/r，多速馬達的排量比例系數c為2.17；電動機轉速為960 r/min，加載泵理論排量為85 mL/r，加載溢流閥最大開啟壓力為13 MPa。

圖8 1-1型多泵—1-1型多速馬達傳動系統(tǒng)試驗平臺Fig.8 Experiment of proportional type multi-pump and multi-speed motor driving 1.油箱 2.過濾器 3.液位計 4.溫度計 5.溢流閥 6.電動機 7、17.1-1型多泵 8、11.電磁換向閥 9.單向閥 10.流量計 12.壓力表 13、19.1-1型多速馬達 14、20.轉速轉矩測量儀 15、21.加載泵 16.加載溢流閥 18.被測系統(tǒng) 22.加載系統(tǒng)

該系統(tǒng)在不同工況下輸出特性如表2所示，并根據試驗數據繪制出當內、外泵同時供油時多速馬達不同工作方式下輸出轉矩曲線，如圖9所示。

由表2可知，該比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)通過切換多泵和多速馬達的工作方式，可實現多級定轉速和定轉矩的輸出，當電動機轉速為960 r/min時，該系統(tǒng)輸出最低轉速為238 r/min，最高轉速為2 246 r/min。當多速馬達進出口壓差相同時，系統(tǒng)在不同工作方式下輸出轉速(轉矩)的比值與理論轉速(轉矩)系數的比值接近。當系統(tǒng)中多速馬達進出口壓差和工作方式一定時，在多泵不同的工作方式下，多速馬達輸出轉矩近似相等。在同一系統(tǒng)工作方式下，多速馬達輸出轉速隨其進出口壓差的增大而降低，分析主要原因在于系統(tǒng)中多泵和多速馬達等液壓元件的容積效率隨壓力的增大而減小，從而導致輸出轉速的降低。由于樣機加工精度、人工操作及容積和摩擦損失等因素，試驗結果和理論分析存在一定誤差，但基本一致，驗證了理論分析的正確性。

6 結論

(1)比例型多泵/多速馬達是集多組不同排量且相互獨立的子泵(馬達)于一個殼體內，實現了一體多泵和多速馬達的目的。

(2)比例型多泵可向一個系統(tǒng)輸出多級定流量，也可不用減壓閥為多個壓力系統(tǒng)供油，比例型多速馬達可輸出多級定轉速和定轉矩，也可實現馬達的差動連接。

表2 系統(tǒng)不同工作方式下的試驗數據Tab.2 Experimental data of driving system under different conditions

圖9 內、外泵同時工作時多速馬達輸出轉矩曲線Fig.9 Output torque curves of multi-speed motor when inner and outer pump working together

(3)比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)是將多泵和多速馬達的聯(lián)合使用，進一步增加了多速馬達轉速和轉矩的調節(jié)范圍，且多速馬達輸出轉速和轉矩的大小取決于多泵和多速馬達的工作方式和排量比例系數。

(4)比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)的輸出品質很大程度上取決于多泵和多速馬達的排量比例系數，若選取不當會使系統(tǒng)出現重復、死點和差動反向現象，因此排量比例系數是比例型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)設計和應用時需要注意的一個重要參數。

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DesignandExperimentofProportionalTypeMulti-pumpandMulti-speedMotorDrivingSystem

WEN Desheng SHANG Xudong MA Guanglei SHI Zizhou PAN Weiyuan GU Pan

(CollegeofMechanicalEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

In order to solve the problem that the widely used hydraulic driving system only can output one characteristic, a theory of proportional type multi-pump and multi-speed motor driving system was presented based on proportional type of multi-pump and multi-speed motor. Multi-pump can output multi flows, to work in different pressures without a reducing valve, and multi-speed motor can output multi speeds and torques. Two proportional type multi-pump and multi-speed motor driving systems were designed based on describing the structure and working principle of the multi-pump and multi-speed motor, and the features of the two new driving system were introduced, the output characteristics of the two driving system in different working ways were analyzed theoretically, the effects of the displacement coefficient on the driving system were also discussed. The outputting speeds and torques of the new hydraulic driving system in different working ways were obtained through expanding the output characteristic of this system. The experimental platform of proportional type multi-pump and multi-speed motor driving system was built. The result showed that this driving system can output multi speeds and torques through controlling the working ways of the multi-pump and multi-speed motor, and each level of speeds and torques was related to the displacement coefficient. The research on the proportional type multi-pump and multi-speed motor driving system established a basis for its design and application.

multi-pump and multi-speed motor; proportional type; driving system; torque and speed characteristics; displacement ratio coefficient

TH137

A

1000-1298(2017)09-0421-08

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.053

2016-12-30

2017-01-25

國家自然科學基金項目(50975246)

聞德生(1954—)，男，教授，主要從事液壓元件和液壓傳動研究，E-mail： wendesheng@ysu.edu.cn