聞德生,劉巧燕,劉忠迅,陳功,楊小勇,杜永帥

(燕山大學機械工程學院, 066004, 河北秦皇島)

混合型多泵多速馬達傳動輸出特性的研究

聞德生,劉巧燕,劉忠迅,陳功,楊小勇,杜永帥

(燕山大學機械工程學院, 066004, 河北秦皇島)

為了使定量泵輸出多級定流量、不用減壓閥適應多個壓力以及定量馬達輸出多級定轉速和定轉矩,設計了集多個單泵、單馬達于一體具有高比功率的多泵多速馬達,并在此基礎上提出了混合型多泵多速馬達傳動理論。根據(jù)多泵、多速馬達的特點對其進行了分類,分析了各類泵和馬達在不同工作方式下的輸出特性,又進一步得出決定多泵輸出特性的流量系數(shù)以及多速馬達輸出特性的轉速、轉矩系數(shù)。分析了排量系數(shù)對傳動的影響。結果表明:通過改變工作方式能夠使流量系數(shù)和轉速、轉矩系數(shù)在一定范圍內(nèi)變化,變化范圍取決于排量系數(shù);比例型多速馬達的差動連接會產(chǎn)生死點和差動反向,應確保轉矩系數(shù)大于零。所設計的新型多泵多速馬達在農(nóng)業(yè)機械、行走機械、加工機械等領域有著廣泛的應用前景。

多泵;多速馬達;傳動;差動連接;排量系數(shù);輸出特性

液壓傳動系統(tǒng)的應用非常廣泛[1-2]。目前,各個行業(yè)廣泛應用的液壓傳動系統(tǒng)都采用的是單泵和單馬達[3-6],這在實際應用中存在著一些問題:①一個系統(tǒng)需要多個不同的定流量,但一個定量泵無法實現(xiàn),需要多個定量泵;②一個系統(tǒng)需要多個變流量,但一個變量泵無法實現(xiàn),必須用多個變量泵;③當多個不同壓力的系統(tǒng)用同一泵供油時,就必須使用減壓閥;④單泵難以實現(xiàn)多執(zhí)行機構在不同壓力、流量下同步,更難以實現(xiàn)奇數(shù)不同缸徑同步;⑤現(xiàn)有定量馬達難以實現(xiàn)輸出多個定轉速、扭矩。面對這些難題,開發(fā)新型的液壓傳動是解決實際問題的方法之一。本文在發(fā)明專利多泵多速馬達[7-9]的基礎上,提出了混合型多泵多速馬達傳動系統(tǒng),同時對其輸出特性進行了研究。

1 多泵、多速馬達的原理及分類

多泵多速馬達具有獨特的結構[10-13],根據(jù)殼體內(nèi)所含單泵、單馬達的特點,分為比例型與并聯(lián)型2類。

一個殼體內(nèi)有若干個不同排量單泵的泵為比例型多泵(作馬達用時為比例型多速馬達)。比例型多泵如圖1所示,雙定子泵由一個轉子對應2個定子,并且一個轉軸帶動內(nèi)、外多個排量成比例的單泵。

(a)雙定子泵 (b)雙定子泵實物

(a)外嚙合齒輪泵 (b)內(nèi)外嚙合齒輪泵

一個殼體內(nèi)有若干個相同排量單泵的泵為并聯(lián)型多泵。內(nèi)外嚙合齒輪泵屬于比例型多泵。圖2為多輸入齒輪泵。其中,外嚙合齒輪泵屬于并聯(lián)型多泵,每組嚙合的齒輪均滿足液壓泵的形成條件,可以形成排量相同的單泵。

2 混合型多泵多速馬達傳動

2.1 混合型多泵多速馬達傳動的組成

混合型多泵多速馬達傳動是建立在比例型、并聯(lián)型多泵基礎上的(對于元件的性能參數(shù)如內(nèi)泄漏、波動性等,我們已經(jīng)進行了一系列的研究[14-20]),其傳動示意圖如圖3所示,通過控制閥類與典型回路,多泵能實現(xiàn)同時驅(qū)動多個系統(tǒng),多速馬達能實現(xiàn)多種工作方式的切換,輸出多級定轉速、定轉矩。

圖3 混合型多泵多速馬達傳動示意圖

混合型多泵多速馬達實物連接照片如圖4所示。

圖4 多泵多速馬達實物連接照片

2.2 多泵多速馬達的符號規(guī)定

為設計混合型多泵多速馬達傳動圖,對多泵多速馬達的名稱與職能符號做出以下規(guī)定。

(1)由R個單泵組成的并聯(lián)型多泵,稱為R并聯(lián)多泵(R為正整數(shù));由多種排量單泵組成的比例型多泵,稱為T1-T2-…-TR比例多泵,T為相同排量單泵數(shù)量,且排量TR最大,T1最小。

(2)規(guī)定并聯(lián)型在一個殼體內(nèi)形成幾個單泵,就在圓圈內(nèi)畫幾對三角;比例型用雙圓圈區(qū)別不同排量的單泵,并用同軸符號將圓圈連接。3并聯(lián)多泵與2-2比例多速馬達如圖5所示。

(a)3并聯(lián)多泵 (b)2-2比例多速馬達

3 多泵多速馬達的工作方式

在混合型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)中,為滿足不同的工作需求,通過不同連接方式的切換,多泵能夠輸出多種流量,多速馬達能夠輸出多級轉矩。

3.1 多泵的供油方式

多泵通過不同的連接方式可實現(xiàn):①一個泵對一個系統(tǒng)供應多級定流量;②一個泵對多個系統(tǒng)不用減壓閥提供多個不同的壓力分別工作。

以3并聯(lián)多泵為例,當其向一個系統(tǒng)供油時,可輸出3種流量,連接方式如圖6所示。

(a)單泵供油 (b)兩單泵供油 (c)3個泵供油

對于R并聯(lián)多泵,設單泵排量為q0,電機轉速為n,可得每種連接方式下的輸出流量為

Q1=nq0;Q2=2nq0; …;QR=Rnq0

(1)

由式(1)可知,切換R并聯(lián)多泵的連接方式可實現(xiàn)R級流量的輸出,同時最多可向R個系統(tǒng)供油,不用減壓閥適應R種不同工作壓力。

再以2-2比例多泵為例,部分連接方式如圖7所示。

(a)兩內(nèi)泵供油 (b)單外泵供油

設內(nèi)泵與外泵的排量分別為q1和q2且q1

(2)

式中:C2為2-2比例多泵的排量系數(shù)。

對于T1-T2-…-TR比例多泵,設qR為最大單泵的排量,且排量隨角標R的減小依次減小。由式(2)得

(3)

式中:CR為常數(shù),是T1-T2-…-TR比例多泵的排量系數(shù)。

根據(jù)式(2)、(3)可推得多泵在一定電機轉速下輸出流量的一般表達式

(4)

式中:C1=1;X1、X2、…、XR分別為參與工作的不同排量的單泵數(shù)量;(C1X1+…+CRXR)為多泵的流量系數(shù)。

式(4)對2種類型的多泵均適用,為并聯(lián)多泵時CR=1。流量系數(shù)直接影響著多泵的輸出特性,分析式(4)可知,其值由排量系數(shù)與工作方式?jīng)Q定,受兩方面耦合因素的影響。首先,排量系數(shù)是多泵的固有參數(shù),取決于各單泵之間的排量比,由多泵的結構特點與式(3)可知,排量系數(shù)的極限范圍為[1,∞)。為了突出液壓傳動比功率大的優(yōu)點,實現(xiàn)元件單位體積功率輸出的最大化,往往希望比例多泵的排量系數(shù)在滿足強度要求下盡量接近1。其次,不同多泵的可選工作方式數(shù)量不同,排量系數(shù)也不同,如1-1比例多泵、2-2比例多泵,這使得可選工作方式的數(shù)量隨排量系數(shù)一同變化。綜上所述,要合理確定流量系數(shù)的取值應綜合考慮實際工作要求等條件,先根據(jù)流量系數(shù)式(4)得出多泵輸出流量表,然后選擇工作方式與排量系數(shù)。根據(jù)式(4)可得2-2比例多泵在不同組合方式下的流量系數(shù),如表1所示。

表1 2-2比例多泵在不同組合方式下的流量系數(shù)

根據(jù)表1,2-2比例多泵能實現(xiàn)8種可選連接方式,應根據(jù)實際需求,確定流量系數(shù)后,綜合考慮排量系數(shù),并選定工作方式。

3.2 多速馬達的執(zhí)行方式

混合型多泵多速馬達傳動中,在輸入流量一定的條件下,多速馬達通過切換連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)多種轉速轉矩的輸出,為便于計算,設馬達進出口壓差均為Δp,輸入流量為Q。

多速馬達有普通工作方式與差動工作方式。當多速馬達中各單馬達的通油方向一致時,可形成多速馬達的普通連接方式。普通工作方式與多泵對單一系統(tǒng)供油時的連接方式類似,故不再贅述。

若向比例型多速馬達的部分單馬達正向通油,部分反向通油,如圖8所示,總排量較小的單馬達在總排量較大的單馬達帶動下實現(xiàn)了泵的功能,形成了差動。比例型多速馬達有多種差動方式。

(a)2個單馬達間的差動 (b)4個單馬達間的差動

2-2比例多速馬達的內(nèi)、外馬達單獨工作時,輸出的轉矩、轉速分別為

(5)

由q2>q1,可得

(6)

同理,對于T1-T2-…-TR比例多速馬達,根據(jù)式(3)、(5)、(6)可推得多速馬達輸出轉速、轉矩的一般公式為

(7)

式中:C1=1;(CX1+…+CRXR)為轉矩系數(shù);1/(CX1+…+CRXR)為轉速系數(shù)。

式(7)對2種類型多速馬達的所有連接方式均適用。普通連接時,X值均為正;差動連接時,反接單馬達的X值為負,正連接單馬達的X值為正;為并聯(lián)多速馬達時,CR=1。轉矩系數(shù)、轉速系數(shù)的選取同流量系數(shù)相似,故僅列出馬達的輸出表,如表2所示,其余不再贅述。

表2 2-2比例多速馬達不同組合方式下轉速、轉矩的系數(shù)

序號內(nèi)馬達數(shù)外馬達數(shù)轉矩系數(shù)轉速系數(shù)111C2-C11/(C2-C1)2122C2-C11/(2C2-C1)321C2-2C11/(C2-2C1)4222C2-2C11/(2C2-2C1)501C21/C26022C21/2C2710C11/C1811C2+C11/(C2+C1)9122C2+C11/(2C2+C1)10202C11/2C11121C2+2C11/(C2+2C1)12222C2+2C11/(2C2+2C1)

對于并聯(lián)型的多速馬達,由于各單馬達排量相同,不能實現(xiàn)差動,故并聯(lián)型多速馬達不適用于差動連接工況。

4 排量系數(shù)對混合型多泵、多速馬達傳動的影響

在混合型多泵多速馬達傳動中會出現(xiàn)死點、差動反向、重復輸出的問題,這都與排量系數(shù)有關。

4.1 死點和差動反向

死點和差動反向?qū)е聜鲃邮?這是不允許出現(xiàn)的。以2-2比例多速馬達為例,如圖9所示。

圖9 兩內(nèi)一外馬達差動連接

根據(jù)式(7),此時輸出轉矩為M=(-2C1+C2)M1

(8)

當-2C1+C2=0時,通過正反輸入的高壓油使馬達產(chǎn)生的轉矩相互抵消,出現(xiàn)死點。

當-2C1+C2<0時,將產(chǎn)生相反的轉速、轉矩,這與通油方向有關。

對于T1-T2-…-TR比例多速馬達,當轉矩系數(shù)等于零時出現(xiàn)死點;當轉矩系數(shù)變?yōu)樨撝禃r,將出現(xiàn)差動反向。

4.2 重復輸出

同一比例型多泵或多速馬達,在不同連接方式下,若元件的流量系數(shù)或轉矩系數(shù)相同,便會出現(xiàn)重復輸出,稱之為內(nèi)重復。傳動系統(tǒng)中還存在外重復。以2-2比例多泵對2-2比例多速馬達傳動為例,如圖10所示(閥未畫出)。

(a)連接方式1

(b)連接方式2

根據(jù)式(4)、(7),圖10a、10b的輸出轉速分別為

(9)

式中:A為常數(shù),與多泵和多速馬達的參數(shù)及電機轉速有關。

顯然當C2=2時,由式(9)可得na=nb。在不同連接方式下,流量系數(shù)與轉矩系數(shù)之比相等時,將會出現(xiàn)外重復,應予以避免。

綜上所述,死點、差動反向、重復都與排量系數(shù)相關,排量系數(shù)的取值將直接影響多泵多速馬達傳動的有效連接數(shù)量與輸出特性,因此在設計多泵多速馬達傳動系統(tǒng)時,應考慮這一重要參數(shù)。

5 結 論

本文通過對混合型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)的分析,可以得出以下結論:

(1)混合型多泵多速馬達傳動是一種新型的傳動方式,有著獨特的性能與優(yōu)點;

(2)比例型和并聯(lián)型的多泵、多速馬達均在一個殼體內(nèi)形成多個泵(馬達),是形成混合型多泵、多速馬達傳動的基礎,同時還增加了液壓元件的序列;

(3)多泵作為動力源可不用減壓閥對多個不同類型傳動系統(tǒng)系統(tǒng)提供流量,適應不同的工作要求,也可對一個系統(tǒng)輸出多種不同的定流量;

(4)混合型多泵多速馬達傳動系統(tǒng)的輸出質(zhì)量很大程度上取決于排量系數(shù),因此應予以重視。比例型的多速馬達可以形成差動連接,增加了馬達的輸出數(shù)量,擴大了混合型多泵、多速馬達傳動的使用范圍。

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(編輯 劉楊 苗凌)

OutputCharacteristicsofMixTypeMulti-PumpandMulti-MotorDrivingSystem

WEN Desheng,LIU Qiaoyan,LIU Zhongxun,CHEN Gong,YANG Xiaoyong,DU Yongshuai

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

A multi-pump and multi-motor system with high power density, which consists of several single pumps and motors, is designed to make the constant displacement pump output multi flows, to work in different pressures without a reducing valve, and to make the constant displacement motor output with multi speeds and torques. Transmission theory of the mix type multi-pump and multi-motor driving system is presented. Components are classified according to their characteristics, and their output performances in different connections are studied. Coefficients of the speed, torque and flow that determine the output quality are achieved. The effects of the displacement coefficient on the transmission are also analyzed. The results show that the output coefficients change within a certain range depending on the displacement coefficient, and that the torque coefficient should be greater than zero to avoid the dead center and the reversal point, which will occur in differential connections. This new multi-pump and multi-motor driving system is expected broad applications in the fields of agricultural machinery, mobile machines and processing machinery.

multi-pump; multi-motor; transmission system; differential connection; displacement coefficient; output characteristics

2014-03-19。

聞德生(1954—),男,教授,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(50975246)。

時間:2014-10-31

10.7652/xjtuxb201412003

TH137

:A

:0253-987X(2014)12-0015-06

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141031.1642.002.html