靜液壓傳動裝置的設計與研究

戚順平 梁松千 唐玉芝

（南通愛慕希機械股份有限公司，南通 226000）

通過市場調(diào)研、技術引進等方式，本公司自主研發(fā)了一種可用于農(nóng)業(yè)機械插秧機的靜液壓傳動裝置，彌補了國內(nèi)在該應用領域的技術空白[1]。靜液壓傳動裝置是無級變速器設備的關鍵部件。針對靜液壓傳動裝置的布局緊湊、可雙向調(diào)節(jié)、耐中高壓等性能需求以及較惡劣的使用環(huán)境，本研究的主要內(nèi)容包括：液壓傳動裝置及殼體的設計、封閉液壓回路系統(tǒng)設計以及軸向柱塞泵設計。

1 關鍵技術分析與實現(xiàn)

1.1 靜液壓傳動裝置設計

靜液壓傳動裝置是由一個變量柱塞泵和一個定量柱塞馬達組成的閉式回路。變量泵的斜盤角度受與之相連的軸控制器直接控制，斜盤擺過0°時，泵出口液壓油流向改變進而改變與之相連的馬達輸出軸旋向。

該裝置工作的液壓油來自外部油箱，經(jīng)過過濾器后液壓油通過補油泵進入泵-馬達閉式工作回路。補油回路中過量的液壓油經(jīng)過補油溢流閥回油箱。

當斜盤傾角由正值變?yōu)樨撝祷蛘哂韶撝底優(yōu)檎禃r，泵的流量方向發(fā)生改變。當馬達卸荷時，斜盤角回到0°的位置，這時泵不再為馬達提供液壓油，馬達將要停止轉動。當斜盤傾角處于正向15°或負向15°時，泵的出油壓力最高，當其峰值超過標定最高值時，雙向溢流閥在峰值壓力的作用下自動開啟泄壓，保持進入油馬達正反轉時的壓力油壓穩(wěn)定在標定值的范圍內(nèi)，雙向溢流閥溢出的液壓油回流油箱。具體如圖1所示。

1.2 靜液壓傳動裝置殼體的設計

在工程機械領域，需求的驅動裝置往往具有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定等指標，而靜液壓傳動裝置具有上述特性[2]。本研究就需要設計一種結構緊湊、布局合理的整體式靜液壓傳動裝置，可使用于諸如割草機、叉車、插秧機等設備。其中裝置的殼體設計是關鍵問題之一。

1.2.1 靜液壓傳動裝置殼體設計

根據(jù)靜液壓傳動裝置的原理圖，本研究需設計一種結構緊湊的靜液壓傳動裝置。為此，人們將柱塞泵和柱塞馬達平行放置在殼體內(nèi)，將單向補油閥、雙向溢流閥等放置在端蓋內(nèi)，將柱塞泵和柱塞馬達的缸體、配流盤等部件平行放置在殼體內(nèi)部。

圖1 系統(tǒng)原理

通過比較研究，人們將殼體的形狀設計為矩形，殼體材料使用壓鑄鋁合金；在殼體內(nèi)部，先確定缸體、柱塞、滑靴和斜盤等的相互位置，再確定泵、馬達主軸以及斜盤的支撐位置；斜盤操作曲軸設計在殼體外部，殼體外部設有散熱片。整體布置既顧及了各零件的壓鑄工藝性又可方便地操作各連接件，外形合理、美觀。殼體內(nèi)部裝配如圖2所示。

圖2 殼體剖面及內(nèi)部裝配體實物圖

1.2.2 集成式液壓回路結構設計

在確定了缸體、配流盤及主流通道位置后，就需要設計端蓋部分。與一般的敞開式系統(tǒng)不同，在殼體的端蓋設計中，人們采用了封閉式液壓回路。作為輸入元件的主液壓泵油口通過殼體封閉式油路與作為執(zhí)行元件的定量液壓馬達的進出油口相連，由此構成一個對稱的封閉油路。

該油路可實現(xiàn)如下功能：根據(jù)閉式液壓回路變量泵具有的調(diào)節(jié)流量和改變流向的雙重功能，可實現(xiàn)液壓馬達輸出軸轉速在-3000～+3000r/min范圍內(nèi)的轉換與調(diào)速；通過端蓋對稱閉式液壓回路的設計，在輸出正轉矩驅動的同時還能吸收負轉矩能量，從而實現(xiàn)動力制動；主回路中工作介質(zhì)始終在等于或高于補油壓力的正壓狀態(tài)下運行。補油系統(tǒng)既可以作為主回路的專職壓力控制系統(tǒng)，也可以為其他液壓系統(tǒng)提供控制壓力油。

對于完全封閉的回路系統(tǒng)，為了避免設計一套比較復雜的附加沖洗系統(tǒng)，在設計此封閉式殼體液壓回路時，人們采用了在端蓋表面設有油孔的結構。這樣在獲得封閉式液壓回路特性的同時又避免了腔體積油。端蓋結構如圖3所示。

圖3 集成式半閉式液壓回路的端蓋設計

1.3 基于單向閥的封閉液壓回路系統(tǒng)設計

軸向柱塞泵的配流方式采用單向閥，該方式具有結構簡單、制造容易、能夠承受高壓的特點，承受壓力通?？蛇_30～40MPa，甚至可達到70MPa，是各類泵中工作壓力最高的一種[3]。但該配流方式在實際使用過程中，經(jīng)常存在吸油不足和機械噪聲大等問題。為此，人們通過合理地設計單向閥的彈簧剛度、彈簧預緊力、閥口通徑及柱塞行程等參數(shù)關系，獲得了單向閥的最佳工作性能。

蓋板內(nèi)組成的封閉液壓循環(huán)油路如圖4所示，其中1、2均為單向閥，3～6為腰型油道。當變量泵柱塞腔中高壓油從配油板出油槽進入腰型油道4時，則4-3為高壓油道，高壓油經(jīng)3處通過配油板進油槽進入馬達柱塞腔內(nèi)，推動柱塞產(chǎn)生旋轉力，使馬達轉子帶動馬達主軸，向外輸出扭矩，從而實現(xiàn)液壓能轉變成馬達主軸的機械能。當該柱塞隨同馬達轉子轉達180°時，馬達柱塞腔口進入配油盤泄油口和腰型油道口5相通，配油盤眉毛槽（配油槽）已將柱塞腔口和高壓油槽關閉，馬達柱塞在斜板的作用下把腔內(nèi)液壓油推向低壓腰型油道5，等再轉180°時，該柱塞又將油壓入高壓油道，開始了另一次循環(huán)。

在該設計中，配油盤的眉毛槽設計是關鍵，即眉毛槽要合理確定其開啟、關閉的時間以及開啟與關閉之間的時間間隔。為此，人們根據(jù)配流原理，建立了眉毛槽的數(shù)學模型，通過模擬試驗，獲得了合理的眉毛槽形狀，并通過截面積等配流參數(shù)，獲得了高效率且降低了配流過程中的震蕩和噪聲。

1.4 基于彈簧復位的軸向柱塞桿設計

在容積式液壓泵中，只有柱塞式液壓泵能夠較理想地實現(xiàn)高壓化。因此，在中高壓液壓系統(tǒng)中，動力裝置經(jīng)常使用柱塞泵[4]。就斜盤式軸向柱塞泵而言，目前滑靴接觸式、缸體旋轉式應用最多，但其結構復雜，對于零件的制造精度要求高，尤其是柱塞副、滑靴副、配流副三對摩擦副中的零件，導致了柱塞泵的制造成本很高。

在本研究中，人們采用了彈簧復位柱塞泵，其工作原理如圖5所示。圖中，殼體與柱塞桿構成一個密封容積，當柱塞桿所在轉子旋轉到接觸進油口A時，在液壓回路的壓力下充滿柱塞缸4，柱塞缸4底部與斜盤5接觸面在液壓的作用下接觸產(chǎn)生滑動，帶動柱塞轉子旋轉；當柱塞位于殼體3的出油口B位置時，由于受到斜盤5的擠壓，柱塞缸內(nèi)的液體通過出油口B將回流到液壓回路中。

圖4 單向閥的封閉液壓回路補油系統(tǒng)原理

圖5 彈簧復位柱塞桿示意圖

在柱塞桿內(nèi)部添加復位彈簧后，與其他柱塞泵相比，彈簧復位柱塞桿具有如下特征：在柱塞泵壓油時，大大簡化了滑靴、滑履的結構；簡化了柱塞的受力狀態(tài)；減小了內(nèi)泄漏，同時該類柱塞泵只對柱塞副的材料及加工精度有較高要求，降低了加工成本。

2 性能測試

根據(jù)以上研究，人們制造了靜液壓傳動裝置樣機并對其進行了性能測試。在不同輸入轉速下，測試了輸出轉速、輸出轉矩、輸出功率與油壓的關系。在不同油壓值條件下，測試了輸出轉矩、輸出功率與轉速的關系。

圖6 不同輸入轉速下，輸出轉速、輸出轉矩、輸出功率與油壓的關系圖

圖7 不同液壓，輸出轉矩、輸出功率與轉速間的關系

2.1 總效率的測試（最大排量下輸出、輸入功率比）

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，當轉速一定時，隨著油壓的增加，實際輸出轉速呈線性下降趨勢，且隨著轉速的提高，下降率不斷提高。同時，實際輸出轉矩、實際輸出功率呈線性上升趨勢。

2.2 不同油壓值，輸出參數(shù)與輸入轉速間的關系

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，當油壓小于5.6MPa時，靜液壓傳動裝置的實際輸出轉矩處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當油壓大于5.6MPa時，隨著輸入轉速的提高，傳動裝置的輸出轉矩基本穩(wěn)定，實際輸出功率呈上升狀態(tài)。

通過試驗測定，靜液壓傳動裝置能夠實現(xiàn)總效率達到79%，容積效率達到95%；在額定壓力和額定轉速下，靜液壓傳動裝置最低穩(wěn)定轉速為150r/min。在額定工況下，進口油溫為90～100℃時，正反向各正常運轉30min后各密封部位不滲油；動密封部位4h內(nèi)不滴油。

3 結論

本研究開發(fā)的靜液壓傳動裝置將液壓泵、馬達、管路及各種閥體集成到一個殼體里，具有結構緊湊、體積小、重量輕、布局靈活、操作使用方便以及高效節(jié)能等優(yōu)點，適于在大功率、高承載等場合進行自動化控制。

經(jīng)過項目組成員的共同努力，南通愛慕希機械股份有限公司于2014年春開發(fā)出了高速插秧機用靜液壓傳動裝置。經(jīng)過各項性能測試和臺架耐久試驗測試，其性能基本達到同類進口產(chǎn)品的水平。2014年6月在南通農(nóng)場進行了水田插秧試驗，效果良好。在南通富來威和浙江小精農(nóng)機進行了水田模擬耐久試驗160h，效果良好。2014年下半年，結合各項測試情況，人們又對產(chǎn)品結構和部件精度進行了改進，性能獲得進一步提升。2015年春，開始小批量對南通富來威和浙江小精農(nóng)機進行銷售，并開始為常州東風農(nóng)機等大型農(nóng)機企業(yè)設計開發(fā)高速插秧機用靜液壓傳動裝置，目前已獲得初步成功。