雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩特性分析

聞德生，苗宇航，黎亞洲，朱鴻飛

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

0 前言

在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，液壓馬達(dá)具有十分重要的作用[1-3]。目前市場(chǎng)上的液壓馬達(dá)為了滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求，主要向著高速化、增大扭矩、提高效率和延長(zhǎng)壽命等方向發(fā)展[4-6]。而傳統(tǒng)的軸向柱塞馬達(dá)由于本身工作原理的限制，只能在柱塞的一側(cè)通入高壓油，這就導(dǎo)致了馬達(dá)工作時(shí)柱塞總是一半時(shí)間受高壓油驅(qū)動(dòng)工作，進(jìn)而帶動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)并輸出轉(zhuǎn)矩，另一半時(shí)間柱塞處于卸荷狀態(tài)，不產(chǎn)生扭矩[7-8]。這樣不僅馬達(dá)的軸向力不平衡，輸出效率也相對(duì)較低。

為了解決上述問(wèn)題，結(jié)合雙定子原理[9-10]提出了雙定子軸向力偶柱塞馬達(dá)。在一個(gè)馬達(dá)殼體內(nèi)部布置了左右兩個(gè)缸體，通過(guò)左右兩個(gè)定子形成等寬定子軌道，借助于軸承在等寬定子軌道內(nèi)的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)柱塞組的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。馬達(dá)左側(cè)缸體的進(jìn)油區(qū)正對(duì)右側(cè)缸體排油區(qū)，左側(cè)缸體的排油區(qū)正對(duì)右側(cè)缸體進(jìn)油區(qū)。這樣，當(dāng)柱塞組受左側(cè)高壓油驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，右側(cè)處于卸荷狀態(tài)；而當(dāng)柱塞組左側(cè)卸荷時(shí)，又受右側(cè)高壓油驅(qū)動(dòng)工作。由此，在馬達(dá)工作時(shí)，柱塞一直受高壓油驅(qū)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩，大大提高了柱塞的工作效率。同時(shí)，由于兩個(gè)缸體對(duì)稱(chēng)布置，同樣實(shí)現(xiàn)了力偶轉(zhuǎn)矩輸出[10-13]。該馬達(dá)為提高馬達(dá)的輸出效率開(kāi)辟了新路，并為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

1 雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)結(jié)構(gòu)原理

雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)如圖1所示。

如圖1所示，雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)是由馬達(dá)體、配流盤(pán)、定子、殼體、缸體、柱塞、柱塞軸、主軸等部分組成的。其中定子結(jié)構(gòu)如圖2所示，選定的等寬曲線使柱塞組件在其軌道上滾動(dòng)，溝槽用來(lái)安裝密封圈以減少泄漏。柱塞組件如圖3所示，左馬達(dá)體兩個(gè)流道安裝單向閥來(lái)排出泄漏油。

圖3 柱塞組件

雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)的液流如圖4所示，其中紅色、藍(lán)色和黃色區(qū)域分別對(duì)應(yīng)著馬達(dá)內(nèi)部的高壓油、低壓油以及泄漏油。馬達(dá)工作時(shí)，同時(shí)向左右兩個(gè)進(jìn)油口通入高壓油，每個(gè)柱塞組件都會(huì)有一側(cè)受到高壓油作用，使其形成力偶并在柱塞孔中滑動(dòng)，柱塞組件上的軸承被緊壓在定子上，定子對(duì)柱塞組件中軸承的反作用力沿著周向有分力，在這個(gè)分力的影響下，軸承將沿著定子軌道進(jìn)行滾動(dòng)，此時(shí)柱塞組件將對(duì)缸體施加反作用力，這個(gè)反作用力會(huì)帶動(dòng)缸體進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖4 雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)液流

2 馬達(dá)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩

傳統(tǒng)軸向柱塞馬達(dá)受力情況如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)馬達(dá)受力分析

雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)柱塞組件的受力情況如圖6所示。

圖6 雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)柱塞組件受力分析

通過(guò)比較可知，傳統(tǒng)軸向柱塞馬達(dá)工作時(shí)，只有半個(gè)周期的柱塞受到高壓油作用[14]；而在缸體尺寸、斜盤(pán)傾角、柱塞數(shù)等相同的情況下，雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)因特殊的結(jié)構(gòu)排量會(huì)比傳統(tǒng)軸向柱塞馬達(dá)多1倍。

馬達(dá)每轉(zhuǎn)理論排量V為

V=zAl

(1)

式中：z為柱塞組件個(gè)數(shù)；A為柱塞橫截面積(mm2)；l為柱塞在一個(gè)缸體上的最大行程(mm)。

在馬達(dá)工作時(shí)，忽略排油腔壓力，僅考慮進(jìn)油腔壓力，單個(gè)柱塞組件受到的液壓力Fp為

Fp=pA

(2)

式中：p為進(jìn)油腔壓力(MPa)。

不考慮柱塞組件所受的慣性力，此時(shí)柱塞組件所受的徑向力Fy為

Fy=Fptanα=pAtanα

(3)

式中：α為定子軌道傾角(rad)。

單個(gè)柱塞組件產(chǎn)生的瞬時(shí)理論轉(zhuǎn)矩為

Ti=|FNyRsinθ|=pARtanα|sinθ|

(4)

式中：θ為柱塞組件與y軸的夾角(rad)；R為柱塞分布圓半徑(mm)。

3 基于MATLAB的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩分析

在MATLAB軟件中對(duì)單個(gè)柱塞組件瞬時(shí)理論轉(zhuǎn)矩公式進(jìn)行編程，設(shè)置進(jìn)出口壓差為3 MPa，轉(zhuǎn)角θ為(0，4π)，分別得到傳統(tǒng)軸向柱塞馬達(dá)和雙定子軸向柱塞馬達(dá)的單個(gè)柱塞瞬時(shí)理論輸出轉(zhuǎn)矩，如圖7所示。

圖7 馬達(dá)單柱塞瞬時(shí)理論輸出轉(zhuǎn)矩

設(shè)雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)兩個(gè)進(jìn)油口輸入油液的相位差為π/14，在MATLAB軟件中分別對(duì)雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)和傳統(tǒng)軸向柱塞馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩編程，按照公式(4)，在單個(gè)柱塞瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加。設(shè)置柱塞數(shù)為7，初始柱塞轉(zhuǎn)角為0，進(jìn)出口壓差為3 MPa，兩個(gè)馬達(dá)的MATLAB程序分別如圖8和圖9所示，馬達(dá)理論總輸出轉(zhuǎn)矩圖如圖10所示。

圖9 傳統(tǒng)軸向柱塞馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩程序

圖10 馬達(dá)理論總輸出轉(zhuǎn)矩

分析數(shù)據(jù)得：雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)比傳統(tǒng)的軸向柱塞馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩增加了1倍，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小了1倍。因此，雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、波動(dòng)小、效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

4 試驗(yàn)

雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)是一種新型液壓馬達(dá)，根據(jù)傳統(tǒng)液壓馬達(dá)的職能符號(hào)，結(jié)合雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)本身的特點(diǎn)，規(guī)定如圖11所示的雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)的職能符號(hào)。

圖11 雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)職能符號(hào)

由于該雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)的結(jié)構(gòu)新型，故對(duì)其進(jìn)行了原理性試驗(yàn)，如圖12(a)為該馬達(dá)部分零件和整體機(jī)構(gòu)圖，圖12(b)為試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖12 馬達(dá)樣機(jī)及試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)試驗(yàn)分析及數(shù)據(jù)記錄得到了在不同工作壓力下如圖13所示的馬達(dá)試驗(yàn)輸出轉(zhuǎn)矩和理論輸出轉(zhuǎn)矩的曲線、如圖14所示的機(jī)械效率曲線和如圖15所示的容積效率曲線。

圖13 馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖14 機(jī)械效率

圖15 容積效率

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和理論分析的對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果基本符合理論分析的結(jié)果，但因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中油液、液壓泵的流量脈動(dòng)、管路安裝等因素影響，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與理論分析有一定的偏差[15]。

5 結(jié)論

提出了雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)，計(jì)算了馬達(dá)的理論輸出轉(zhuǎn)矩，運(yùn)用MATLAB對(duì)該馬達(dá)與傳統(tǒng)軸向柱塞馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了對(duì)比分析，得出該馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了柱塞全周期工作，輸出轉(zhuǎn)矩增加了一倍，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減少了一倍，提高了柱塞工作效率。通過(guò)試驗(yàn)可知，提出的雙定子軸向力偶型柱塞馬達(dá)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、波動(dòng)小、效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。