聞德生，苗宇航，黎亞洲，朱鴻飛

(燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004)

0 前言

在液壓傳動系統(tǒng)中，液壓馬達具有十分重要的作用[1-3]。目前市場上的液壓馬達為了滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求，主要向著高速化、增大扭矩、提高效率和延長壽命等方向發(fā)展[4-6]。而傳統(tǒng)的軸向柱塞馬達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，這就導致了馬達工作時柱塞總是一半時間受高壓油驅(qū)動工作，進而帶動馬達轉(zhuǎn)動并輸出轉(zhuǎn)矩，另一半時間柱塞處于卸荷狀態(tài)，不產(chǎn)生扭矩[7-8]。這樣不僅馬達的軸向力不平衡，輸出效率也相對較低。

為了解決上述問題，結(jié)合雙定子原理[9-10]提出了雙定子軸向力偶柱塞馬達。在一個馬達殼體內(nèi)部布置了左右兩個缸體，通過左右兩個定子形成等寬定子軌道，借助于軸承在等寬定子軌道內(nèi)的滾動實現(xiàn)柱塞組的軸向往復運動。馬達左側(cè)缸體的進油區(qū)正對右側(cè)缸體排油區(qū)，左側(cè)缸體的排油區(qū)正對右側(cè)缸體進油區(qū)。這樣，當柱塞組受左側(cè)高壓油驅(qū)動工作時，右側(cè)處于卸荷狀態(tài)；而當柱塞組左側(cè)卸荷時，又受右側(cè)高壓油驅(qū)動工作。由此，在馬達工作時，柱塞一直受高壓油驅(qū)動輸出轉(zhuǎn)矩，大大提高了柱塞的工作效率。同時，由于兩個缸體對稱布置，同樣實現(xiàn)了力偶轉(zhuǎn)矩輸出[10-13]。該馬達為提高馬達的輸出效率開辟了新路，并為后續(xù)研究奠定了理論基礎。

1 雙定子軸向力偶型柱塞馬達結(jié)構(gòu)原理

雙定子軸向力偶型柱塞馬達如圖1所示。

如圖1所示，雙定子軸向力偶型柱塞馬達是由馬達體、配流盤、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，溝槽用來安裝密封圈以減少泄漏。柱塞組件如圖3所示，左馬達體兩個流道安裝單向閥來排出泄漏油。

圖3 柱塞組件

雙定子軸向力偶型柱塞馬達的液流如圖4所示，其中紅色、藍色和黃色區(qū)域分別對應著馬達內(nèi)部的高壓油、低壓油以及泄漏油。馬達工作時，同時向左右兩個進油口通入高壓油，每個柱塞組件都會有一側(cè)受到高壓油作用，使其形成力偶并在柱塞孔中滑動，柱塞組件上的軸承被緊壓在定子上，定子對柱塞組件中軸承的反作用力沿著周向有分力，在這個分力的影響下，軸承將沿著定子軌道進行滾動，此時柱塞組件將對缸體施加反作用力，這個反作用力會帶動缸體進行轉(zhuǎn)動，進而使馬達輸出轉(zhuǎn)矩。

圖4 雙定子軸向力偶型柱塞馬達液流

2 馬達瞬時轉(zhuǎn)矩

傳統(tǒng)軸向柱塞馬達受力情況如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)馬達受力分析

雙定子軸向力偶型柱塞馬達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柱塞組件受力分析

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

馬達每轉(zhuǎn)理論排量V為

V=zAl

(1)

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

在馬達工作時，忽略排油腔壓力，僅考慮進油腔壓力，單個柱塞組件受到的液壓力Fp為

Fp=pA

(2)

式中：p為進油腔壓力(MPa)。

不考慮柱塞組件所受的慣性力，此時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)。

單個柱塞組件產(chǎn)生的瞬時理論轉(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的馬達轉(zhuǎn)矩分析

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

圖7 馬達單柱塞瞬時理論輸出轉(zhuǎn)矩

設雙定子軸向力偶型柱塞馬達兩個進油口輸入油液的相位差為π/14，在MATLAB軟件中分別對雙定子軸向力偶型柱塞馬達和傳統(tǒng)軸向柱塞馬達的輸出轉(zhuǎn)矩編程，按照公式(4)，在單個柱塞瞬時輸出轉(zhuǎn)矩的基礎上進行疊加。設置柱塞數(shù)為7，初始柱塞轉(zhuǎn)角為0，進出口壓差為3 MPa，兩個馬達的MATLAB程序分別如圖8和圖9所示，馬達理論總輸出轉(zhuǎn)矩圖如圖10所示。

圖9 傳統(tǒng)軸向柱塞馬達輸出轉(zhuǎn)矩程序

圖10 馬達理論總輸出轉(zhuǎn)矩

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

4 試驗

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

圖11 雙定子軸向力偶型柱塞馬達職能符號

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

圖12 馬達樣機及試驗系統(tǒng)

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

圖13 馬達輸出轉(zhuǎn)矩對比

圖14 機械效率

圖15 容積效率

經(jīng)過試驗結(jié)果和理論分析的對比，試驗結(jié)果基本符合理論分析的結(jié)果，但因為試驗過程中油液、液壓泵的流量脈動、管路安裝等因素影響，導致試驗結(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，計算了馬達的理論輸出轉(zhuǎn)矩，運用MATLAB對該馬達與傳統(tǒng)軸向柱塞馬達的輸出轉(zhuǎn)矩進行了對比分析，得出該馬達實現(xiàn)了柱塞全周期工作，輸出轉(zhuǎn)矩增加了一倍，轉(zhuǎn)矩波動減少了一倍，提高了柱塞工作效率。通過試驗可知，提出的雙定子軸向力偶型柱塞馬達具有輸出轉(zhuǎn)矩大、波動小、效率高、使用壽命長等優(yōu)點。