成清校，許鴻昊，任宏杰，楊繼志

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

乳化液馬達(dá)主要應(yīng)用在煤礦的煤層液壓鉆上，它以難燃液——高水基乳化液作為工作介質(zhì)，可以有效地消除煤塵瓦斯爆炸的隱患，大大提高了井下作業(yè)的安全性。非圓行星齒輪乳化液馬達(dá)因其結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低、抗污染能力強(qiáng)和可實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用前景。

乳化液煤層液壓鉆是一種手持式煤壁鉆孔機(jī)具，要求重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，因此與其配套的液壓馬達(dá)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩大、重量輕等特點(diǎn)[1]。通常要求滿足：轉(zhuǎn)矩60～80Nm左右，轉(zhuǎn)速0～500r/min（轉(zhuǎn)速高時(shí)應(yīng)配減速裝置），重量小于10kg。為此，設(shè)計(jì)了采用非圓行星齒輪結(jié)構(gòu)的HPM40s輕便型乳化液馬達(dá)，以滿足手持式煤壁鉆孔機(jī)的使用要求。

1 HPM40s輕便型乳化液馬達(dá)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

HPM40s輕便型乳化液馬達(dá)為非圓行星齒輪馬達(dá)，主要包括殼體、軸承座、主軸、上配油盤、下配油盤、非圓行星齒輪系等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中非圓行星齒輪系是乳化液馬達(dá)的核心部件，它由梅花形內(nèi)齒圈、太陽(yáng)輪和行星輪構(gòu)成，如圖2所示。

圖1 HPM40s型乳化液馬達(dá)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the HPM40s emulsion motor

圖2 非圓行星齒輪系Fig.2 Non-circular planetary gear system

非圓行星齒輪系的設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到馬達(dá)的輸出性能，不合理的設(shè)計(jì)甚至可造成卡齒或脫齒從而使馬達(dá)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。非圓行星齒輪系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于齒輪的節(jié)曲線形式，目前主要有兩種，一種是高階橢圓節(jié)曲線，另一種是雙圓弧節(jié)曲線。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的分析研究，高階橢圓節(jié)曲線雖具有連續(xù)的曲率，但其漸開(kāi)線齒形難以設(shè)計(jì)，加工較困難，而雙圓弧節(jié)曲線形式則利于減輕齒輪的設(shè)計(jì)和制造難度，具有更高的工程實(shí)用價(jià)值。因此，本文采用雙圓弧的節(jié)曲線形式設(shè)計(jì)了4～6齒型的非圓行星齒輪系 （見(jiàn)圖2），在設(shè)計(jì)齒形時(shí)，考慮到乳化液馬達(dá)轉(zhuǎn)矩大，齒輪所受切向力很大，所以選擇采用了較小的齒頂高系數(shù)h*a和頂隙系數(shù)c*，提高了齒的強(qiáng)度。并采用數(shù)控線切割機(jī)床進(jìn)行了加工。

1.2 工作原理

馬達(dá)工作時(shí)，高壓乳化液由配流盤的配流孔輸入工作腔，工作腔內(nèi)壓力升高使得行星齒輪系沿周向受力不均，從而推動(dòng)太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)，當(dāng)太陽(yáng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)又推動(dòng)行星輪產(chǎn)生自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)。此時(shí)梅花形內(nèi)齒圈、太陽(yáng)輪和行星輪構(gòu)成的10個(gè)密閉腔容積產(chǎn)生交替變化。當(dāng)密閉腔達(dá)到最大容積時(shí)，剛好關(guān)閉進(jìn)油孔，聯(lián)通排油孔；當(dāng)密閉腔達(dá)到最小容積時(shí)又關(guān)閉排油孔而聯(lián)通進(jìn)油孔。行星輪公轉(zhuǎn)時(shí)各自依次封閉或接通配油孔，造成密閉腔進(jìn)、排油循環(huán)變化，這樣，隨著太陽(yáng)輪的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)密閉腔周而復(fù)始地完成吸油和排油的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的連續(xù)輸出。

1.3 HPM40s型乳化液馬達(dá)的技術(shù)參數(shù)

最終完成的HPM40s型乳化液馬達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

從表中可以看出，HPM40s型乳化液馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、和重量等主要技術(shù)指標(biāo)均滿足了手持式煤壁鉆孔機(jī)的配套要求。

表1 HPM40s型乳化液馬達(dá)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Major technical parameters of the HPM40s emulsion motor

2 乳化液馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)的改造

2.1 現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)組成及原理

現(xiàn)有的乳化液馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)組成包括：BRW80/35型乳化液泵，公稱壓力35 MPa，公稱流量80 L/min，額定轉(zhuǎn)速1479 r/min；FZ1000J/Y型磁粉制動(dòng)器，額定轉(zhuǎn)矩1000 Nm，滑差功率20 kW；ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，最大轉(zhuǎn)矩1000 Nm，最大轉(zhuǎn)速4000 r/min，精度0.2級(jí)；TR－1型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率采集儀；RX－640型乳化液箱。

圖3為現(xiàn)有測(cè)試系統(tǒng)的液路原理圖，由于乳化液泵站采用的是柱塞式定量泵，流量不可調(diào)，而HPM40s型乳化液馬達(dá)的額定流量為35L/min，如果直接將馬達(dá)連在系統(tǒng)上測(cè)試，會(huì)使馬達(dá)超速，達(dá)到2200r/min，會(huì)產(chǎn)生較大的噪音和振動(dòng)，無(wú)法穩(wěn)定工作，并且這樣高的轉(zhuǎn)速也可能損壞磁粉制動(dòng)器，因此為了滿足HPM40s型小馬達(dá)的測(cè)試要求，需要對(duì)泵站的輸出流量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

圖3 原測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the original testing system

2.2 設(shè)置節(jié)流調(diào)速回路

節(jié)流調(diào)速回路是液壓系統(tǒng)中用來(lái)調(diào)節(jié)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的常用方法。使用節(jié)流閥的節(jié)流調(diào)速回路，機(jī)械特性比較軟，變載下的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，而調(diào)速閥則具有良好的流量剛性[3]，它是在節(jié)流閥的前面串接了一個(gè)差壓式減壓閥，利用減壓閥閥芯的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用使節(jié)流閥前后的壓力差基本上保持不變，這樣就使得節(jié)流閥的開(kāi)口大小保持不變，從而使調(diào)速閥的流量恒定不變。

因此，根據(jù)乳化液馬達(dá)的特性和使用工況，采用調(diào)速閥作為流量控制元件，設(shè)計(jì)變壓式節(jié)流調(diào)速回路，即在泵站輸出主路上設(shè)置分流旁路，實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)輸入流量的控制。另外，考慮測(cè)試系統(tǒng)還需保持原有的測(cè)試能力，在分流旁路前端串聯(lián)一個(gè)截止閥，當(dāng)系統(tǒng)用于原馬達(dá)測(cè)試時(shí)就將截止閥關(guān)閉，取消分流。如圖4所示。

測(cè)試輕便型小馬達(dá)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速閥的分流流量，就能使馬達(dá)的輸入流量基本維持在額定流量左右，而不隨負(fù)載大小的變化而變化，從而可完成對(duì)輕便型馬達(dá)的性能測(cè)試。

圖4 改進(jìn)后的測(cè)試系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of the improved testing system

3 HPM40s型乳化液馬達(dá)的性能測(cè)試

通過(guò)過(guò)渡連接板，將HPM40s馬達(dá)連接在改造后的測(cè)試系統(tǒng)上，以1.5%的水基乳化液為工作介質(zhì)，進(jìn)行性能測(cè)試。

試驗(yàn)設(shè)備布置如圖5所示。其中，乳化液泵站作為動(dòng)力源，使乳化液馬達(dá)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下轉(zhuǎn)動(dòng)；磁粉制動(dòng)器根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速采集儀發(fā)送的指令在馬達(dá)的輸出端施加一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在磁粉制動(dòng)器上，實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)信息，并傳遞給轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率采集儀，后者以數(shù)字形式顯示轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的大小。

試驗(yàn)方法：在空載狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)速閥的節(jié)流流量，使HPM40s馬達(dá)的轉(zhuǎn)速達(dá)到1000 r/min，然后通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率采集儀上的旋鈕使磁粉制動(dòng)器對(duì)馬達(dá)進(jìn)行加載，轉(zhuǎn)速每下降100r/min，記錄1組數(shù)據(jù)，直到轉(zhuǎn)矩過(guò)大，系統(tǒng)壓力超過(guò)20MPa為止。單組數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、流量和壓力。試驗(yàn)馬達(dá)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)各進(jìn)行一次測(cè)試（從輸出軸端看，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)）。試驗(yàn)中，馬達(dá)轉(zhuǎn)速低于200r/min時(shí)，系統(tǒng)壓力已經(jīng)超過(guò)20MPa，故此時(shí)停止試驗(yàn)，不記錄數(shù)據(jù)。最終測(cè)得的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性如圖6（a）所示， 輸出功率特性如圖6（b）所示。從圖中可以看出，馬達(dá)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)情況下的工作性能基本一致，其中正轉(zhuǎn)200r/min時(shí)的最大扭矩可達(dá)100Nm以上，反轉(zhuǎn)也可達(dá)到接近的水平，在功率輸出特性上，馬達(dá)在低于550r/min時(shí)，輸出功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速升高而平穩(wěn)上升，在550～700r/min時(shí)輸出功率達(dá)到最大，可以達(dá)到4.3kW左右，高于700r/min時(shí)，輸出功率會(huì)急速下降。

4 結(jié)論

根據(jù)手持式煤壁鉆機(jī)等煤機(jī)設(shè)備的使用要求，設(shè)計(jì)了HPM40s輕便型非圓行星齒輪乳化液馬達(dá)。并通過(guò)設(shè)置變壓式節(jié)流調(diào)速回路對(duì)現(xiàn)有馬達(dá)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使系統(tǒng)兼?zhèn)淞溯p便型馬達(dá)的測(cè)試能力，最終的測(cè)試結(jié)果表明，該型馬達(dá)性能穩(wěn)定，有良好的功率輸出，且重量輕，完全滿足手持式煤壁鉆機(jī)的使用要求。

[1]欒振輝.乳化液煤層液壓鉆馬達(dá)結(jié)構(gòu)研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，4.

[2]許鴻昊，沈冰妹.基于雙圓弧節(jié)曲線的非圓行星齒輪機(jī)構(gòu)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，4.

[3]章宏甲，黃誼.液壓傳動(dòng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1992.