聞德生,周瑞彬,高俊峰,劉忠迅,劉巧燕,呂建森

(燕山大學機械工程學院, 066004, 河北秦皇島)

雙定子多作用力偶液壓馬達的原理分析

聞德生,周瑞彬,高俊峰,劉忠迅,劉巧燕,呂建森

(燕山大學機械工程學院, 066004, 河北秦皇島)

針對液壓馬達徑向受力不平衡的問題,提出了一種多工況下雙定子多作用力偶液壓馬達,并采用高次曲線設計了四作用力偶液壓馬達內、外定子的輪廓線。單作用的定子輪廓線由大、小兩段圓弧和兩段過渡曲線組成;多作用力偶液壓馬達的內、外定子輪廓線由多個等寬、相似的單作用定子輪廓線組成,該輪廓線光滑且完全封閉。通過液壓馬達排量的計算和分析發(fā)現(xiàn):多作用力偶液壓馬達的排量主要取決于內、外定子輪廓線的半徑,定子環(huán)的有效寬度,滾柱連桿組的數(shù)目,連桿的厚度和馬達在一個工作周期內密閉容積吸油及排油的次數(shù)。在輸入流量不變的情況下,通過改變液壓馬達的連接方式可以實現(xiàn)內馬達單獨工作,外馬達單獨工作,內、外馬達同時工作,以及內、外馬達差動工作。

力偶液壓馬達;雙定子;多作用;定子曲線

液壓傳動系統(tǒng)中的液壓馬達是把由液壓泵提供的液壓能轉換成機械能的轉換裝置,其在工作介質的作用下輸出轉矩和轉速?，F(xiàn)階段的液壓馬達工作主要是通過高壓油液區(qū)域內產(chǎn)生的液壓力與轉子中心力矩的不平衡實現(xiàn)的[1]。隨著液壓傳動逐步向高壓化發(fā)展,液壓馬達的徑向受力不平衡將造成液壓馬達軸承徑向受力非常大,致使軸承的實際使用壽命縮短,從而導致液壓馬達使用壽命受到影響。本文以轉子受力主失為0,結合等寬曲線雙定子多速液壓馬達[2],設計出雙定子多作用力偶液壓馬達。

1 力偶液壓馬達的定義

等寬雙定子液壓馬達在一個工作周期內密閉容積吸油及排油的次數(shù)(簡稱作用數(shù))可以是多次,當作用數(shù)為偶數(shù)時,進油口中心對稱布置,在內、外馬達單獨工作(工況1、2),內、外馬達同時工作(工況3)和差動連接工作(工況4)這4種工況下[3],內馬達或外馬達的所有進油口同時輸入高壓油,此時液壓馬達轉子受到的液壓力如圖1所示。外馬達單獨工作時,轉子受到的徑向力方向指向圓心,且以油口為中心對稱分布,相同直徑下徑向力大小相等、方向相反、合力為0(見圖1a),其他3種工況下,轉子的徑向合力為0(見圖1b～1d)。

(a)外馬達單獨工作 (b)內馬達單獨工作

(c)內、外馬達同時工作 (d)內、外馬達差動連接工作

在液壓馬達的高壓腔中,滾柱連桿伸出的長度不同,高壓油液對滾柱連桿組的液壓力有所不同。外馬達單獨工作時高壓油液對滾柱連桿組的作用力如圖2所示。高壓油液對滾柱連桿組的液壓力方向與轉子直徑垂直,以圓心呈中心對稱分布,每一對作用力大小相等、方向相反,且不在一條直線上,從而形成力偶。在力偶的作用下,轉子順時針轉動,產(chǎn)生轉矩和轉速。同理,內馬達單獨工作,內、外馬達同時工作和差動連接工作時,也是力偶驅動轉子運轉。

圖2 作用數(shù)為偶數(shù)時液壓馬達滾柱連桿組受力圖

當液壓馬達的作用數(shù)為奇數(shù)時,雖然不會形成成對的力偶,但高壓油液對轉子的作用力的主矢為0,主力矩不為0,則轉子中心可以簡化為一個等效力偶。

通過以上分析,力偶液壓馬達可定義為:當液壓馬達工作時,在垂直于轉子軸向方向上的任意平面內,轉子受到的合力主矢為0,主力矩不為0,稱為合力偶。由合力偶驅動液壓馬達運轉,這樣的液壓馬達稱為力偶液壓馬達。

2 雙定子多作用力偶液壓馬達的工作原理

四作用力偶液壓馬達的工作原理簡圖如圖3所示。殼體上裝配一個轉子、一個外定子和一個內定子。由外定子、轉子、滾柱、連桿及兩邊側板組成密閉容積,高壓油液由進油口B通入,再通過殼體內的通道和配流窗口進入封閉容積,被分隔在高壓油腔和低壓油腔的滾柱連桿組的兩側,分別稱高壓油和低壓油。由于滾柱連桿組伸出的長度不同,所以其受力面積不同,有此產(chǎn)生的壓力差使得滾柱連桿組帶動轉子順時針旋轉,形成外馬達。同理,由內定子環(huán)、轉子、滾柱、連桿及兩邊側板組成密閉容積,高壓油液由進油口C通入,再通過配流軸上的通道進入密閉容積。這樣,壓力差使得轉子順時針旋轉,形成內馬達。

1:外定子;2:轉子;3:內定子;4:配流軸;5:殼體;6:連桿;7:滾柱;8:連接螺栓;A～C:進油口

無論是內、外馬達單獨工作,還是內、外馬達同時工作或差動連接工作,轉子受到的液壓力合力主矢為0,主力矩不為0。

3 四作用力偶液壓馬達內、外定子輪廓線的選取

多作用力偶液壓馬達的內、外定子輪廓線是等寬相似曲線,一個作用的定子曲線是由一段大圓弧、一段小圓弧和兩段過渡曲線組成,多作用力偶液壓馬達的內、外定子輪廓曲線是由多個完全相同的一個作用的定子曲線組成的光滑、完全封閉的曲線。多作用力偶液壓馬達高壓油腔和低壓油腔相互隔離,形成壓力差,驅動力偶液壓馬達運轉。2個滾柱連桿組之間形成了密閉容積,為了避免該容積在液壓力作用下發(fā)生急劇變化,以及由此導致壓力沖擊和氣蝕,定子曲線應該光滑連續(xù),徑向速度和加速度、加速度變化率盡量小或不存在突變點。

在分析液壓馬達各種輪廓曲線[4-9]時發(fā)現(xiàn),低噪聲7次輪廓曲線適用于高性能液壓馬達,該輪廓線方程為

ρ(φ)=e7φ7+e6φ6+e5φ5+e4φ4+e3φ3+

e2φ2+e1φ1+e0

(1)

式中:ρ為外定子曲線上任意一點到定子中心的矢徑,mm;φ為轉子轉角,rad;ei為待定系數(shù)。

為了緩解壓力沖擊,在過渡曲線和大、小圓弧接觸處添加一段修正的過渡曲線幅角Δα,且滿足邊界條件

ρ(φ)=r1+(R1-r1)[-20(φ/θ)7+

70(φ/θ)6-84(φ/θ)5+35(φ/θ)4]

(2)

式中:θ=α+Δα,α為過渡曲線幅角。

為使液壓馬達在運轉過程中閉死容積不變,大、小圓弧對應的圓心角均為兩相鄰連桿組的夾角β。如圖4,在N個作用力偶液壓馬達的定子輪廓線中,從小(或大)圓弧的中點到大(或小)圓弧的中點的曲線所對應的圓心角為γ,γ=π/N=α+β。

如圖5所示,四作用力偶液壓馬達中馬達輪廓曲線由4段大圓弧(如a1a2)、4段小圓弧(如b2b1)和8段過渡曲線(如b1a1或a2b2)連接。8段過渡曲線分別對應4個高壓油腔和4個低壓油腔。

圖4 液壓馬達輪廓線的角度分布

圖5 四作用力偶液壓馬達輪廓線的角度分布

圖5中心點o為極點,o點與連桿組連線為極軸,逆時針方向角度為正。定子的輪廓曲線方程為

(3)

式中:r為小圓弧半徑,mm;R為大圓弧半徑,mm。

4 雙定子多作用力偶液壓馬達的排量和瞬時流量

在雙定子多作用力偶液壓馬達中實現(xiàn)了4種工況,根據(jù)內、外馬達結構具有類似性,其各自單獨工作時排量

V=πΦN(R2-r2)-NsΦz(R-r)

(4)

式中:V為液壓馬達的排量,mL/rad;Φ為定子環(huán)的有效寬度,mm;N為液壓馬達作用數(shù);s為滾柱連桿組的厚度,mm;z為滾柱連桿組的個數(shù)。

當外馬達單獨工作時,排量和瞬時流量分別為

(5)

(6)

式中:m為在壓油腔過渡曲線上滾柱連桿組的個數(shù);ω為轉子的角速度,rad/s。

內馬達單獨工作時排量

(7)

(8)

內、外馬達同時工作時排量

V3=V1+V2

(9)

內、外馬達差動連接工作時排量

V4=V1-V2

(10)

多作用力偶液壓馬達的排量主要取決于內、外定子曲線半徑,定子環(huán)的有效寬度,滾珠連桿組的個數(shù)、厚度和馬達的作用數(shù)。同時工作方式的多樣性會增加液壓馬達排量的輸出。

內、外馬達的初始相位角度和管道安裝均會影響內、外馬達同時工作或二者差動工作時的輸出特性。

5 雙定子四作用力偶液壓馬達實驗分析

為了驗證多作用力偶液壓馬達原理的正確性和液壓馬達設計的合理性,本文搭建了多作用力偶液壓馬達實驗平臺,測量了多作用力偶液壓馬達在4種工況下的空載排量。液壓馬達測試實驗臺如圖6所示,液壓馬達測試實驗臺的液壓系統(tǒng)原理圖如圖7所示[10]。

圖6 液壓馬達測試實驗平臺

根據(jù)中國國家標準關于液壓泵、液壓馬達空載排量的測定方法中規(guī)定,測量參數(shù)顯示值的穩(wěn)態(tài)條件應滿足表1條件,不同工況下空載流量測定結果如表2～5所示,空載排量計算值如表6所示。

1:變量泵;2:電動機;3:比例調速閥;4:安全閥;5、6:電磁換向閥;7:被測液壓馬達;8:轉矩、轉速測試儀;9:濾油器;10:油箱;11:流量計;12:負載泵;13:溢流閥

表1 測量參數(shù)顯示值的穩(wěn)定條件

表2 工況1下液壓馬達空載流量測定結果

受加工精度和人工操作的影響,實驗測得的空載排量與多作用力偶液壓馬達的設計結果略有誤差,誤差率在5%以內,從而驗證了本文液壓馬達的原理是正確的。外馬達的排量大于力偶液壓內馬達的排量,內、外馬達的排量比與定子曲線有關。當內、外馬達同時工作時,力偶液壓馬達可以輸出大扭矩和低轉速,力偶液壓馬達差動連接工作時又可以輸出相對較高的轉速。

表3 工況2下液壓馬達空載流量測定結果

表4 工況3下液壓馬達空載流量測定結果

表5 工況4下液壓馬達空載流量測定結果

表6 液壓馬達空載排量

6 結 論

(1)在雙定子多作用力偶液壓馬達工作過程中,轉子所受合力主失為0,主矩不為0。

(2)雙定子多作用力偶液壓馬達存在內馬達單獨工作,外馬達單獨工作,內、外馬達同時工作或差動連接工作這4種工作方式。

(3)內、外定子曲線半徑,定子環(huán)的有效寬度,滾珠連桿組的個數(shù)、厚度和馬達的作用數(shù)決定著馬達的排量,工作方式的多樣性可增加液壓馬達的排量。

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(編輯 苗凌)

PrincipleofDouble-StatorMulti-ActingCoupleHydraulicMotor

WEN Desheng,ZHOU Ruibin,GAO Junfeng,LIU Zhongxun,LIU Qiaoyan,Lü Jiansen

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

Aiming at unbalanced radial force of hydraulic motor, a double-stator multi-acting couple hydraulic motor under various operating conditions is proposed, and the inner and outer stator contours of a four-acting couple hydraulic motor are designed with higher order curves. The stator contour of a single-acting contains long and short circular arcs and two transition curves, and the inner and outer stator contours of a double-stator multi-acting couple hydraulic motor are made up by several similar single-role stator contour lines, which are smooth and completely closed. It is found that the calculated displacement of the double-stator multi-acting couple hydraulic motor usually depends on the inner and outer contour radius, effective width of stator ring, number of roller group, thickness of connecting rod and times of closed volume oil suction/discharge during operating period. For unchanged input flow, the inner motor and outer motor can operate separately, simultaneously or differently by adjusting the connecting modes.

couple hydraulic motor; double-stator; multi-acting; stator curve

10.7652/xjtuxb201405012

2013-09-03。 作者簡介: 聞德生(1954—),男,教授。 基金項目: 國家自然科學基金資助項目(50975246)。

時間: 2014-02-26 網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140226.1159.019.html

TH137

:A

:0253-987X(2014)05-0067-05