于鳴泉 趙繼云? 滿家祥 王云飛

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省礦山機電裝備重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.徐州工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221110；4.徐州徐工基礎(chǔ)工程機械有限公司，江蘇 徐州 221116）

在綠色環(huán)保的背景下，水壓傳動因其經(jīng)濟、安全和清潔等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、造紙、金屬、食品、原子能和海洋開發(fā)等領(lǐng)域［1-2］。其中高水基液壓馬達是水液壓傳動系統(tǒng)的重要組成部分，國內(nèi)外的眾多廠家和學(xué)者對高水基液壓馬達開展了研究，如美國海軍工程實驗室、Wolfhart Industries 公司、Water Hydraulics 公司和Danfoss 公 司［3-6］。此 外，Düsterloh 公司［7］研發(fā)了一種具有雙向壓力自補償流分配結(jié)構(gòu)的高水基液壓馬達，采用雙配流盤和單向閥結(jié)構(gòu)，通過液壓力補償磨損，提高了馬達的使用壽命。為解決泄漏問題，Tsukagoshi 等［8］發(fā)明了“IP馬達”，工作介質(zhì)封閉在軟管中，通過軟管變形來驅(qū)動馬達。Wang 等［9］研究了一種內(nèi)曲線結(jié)構(gòu)的水液壓馬達，通過優(yōu)化摩擦副來適配高水基工況。Yang 等［10］分析了水下液壓軸向柱塞馬達的扭矩特性，為水下驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)和改進奠定了基礎(chǔ)。

配流機構(gòu)的磨損泄漏是阻礙高水基液壓馬達推廣應(yīng)用的關(guān)鍵原因。目前，高水基液壓馬達保持油馬達的配流盤結(jié)構(gòu)不變，僅把液壓油更換為高水基液體。張中成［11］針對水介質(zhì)的特點，僅對傳統(tǒng)配流機構(gòu)進行優(yōu)化。倪敬等［12］對配流盤摩擦面間隙進行了研究，通過改變柱塞與缸孔、配流體與轉(zhuǎn)子的間隙來提高容積效率。對于端面配流的泄漏問題，王建利等［13］分析了液壓沖擊下配流銷軸的疲勞損傷機理，為馬達配流機構(gòu)的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。侯亮等［14］采用了表面處理技術(shù)，在配流盤表面加工紋理，使其起到輔助支撐的作用，提高了油膜承載能力，減少配流盤的磨損。鄧海順等［15-16］對配流盤進行了表面仿生紋理織構(gòu)的處理，改善了配流副的受力狀態(tài)，減小了配流盤的正壓力。在高水基介質(zhì)工況下，上述研究皆無法解決配流機構(gòu)的泄漏問題。

柱塞式液壓馬達的壓力和容積效率都較高，結(jié)合配流盤的特殊性，柱塞馬達的高速工況有利于減緩泄漏，所以在低速、高壓、高水基的工況下，配流盤泄漏嚴重。閥配流優(yōu)異的密封性能引起了學(xué)者的關(guān)注［17-20］，閥配流還有可減少一對摩擦副、在低速和高壓工況下可保證高容積效率的優(yōu)點，但目前應(yīng)用于馬達的閥配流機構(gòu)尚未成熟。泮健等［21］提出了通過高速開關(guān)閥組控制配流的方法，可實現(xiàn)液壓馬達的配流與調(diào)速，但每組柱塞需要配備特殊閥塊，使馬達體積增大，限制了其應(yīng)用。李林［22］采用液控單向閥控制柱塞的配流機構(gòu)，但未取消配流盤，控制滑閥和端面配流處均是泄漏點，不適用于水介質(zhì)工況。滿家祥等［23］提出的偏心輪閥配流方案可適用于高水基馬達，但存在偏心輪表面應(yīng)力集中、頂桿在配流過程自旋卡死問題。申文強等［24］提出了雙配流盤和梭閥疊加的結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)不僅沒有減少摩擦副，增加的梭閥使馬達機構(gòu)更加復(fù)雜。邱冰靜［25］將自平衡式閥配流結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低速大扭矩高水基液壓馬達，周輝［26］在自平衡式閥的基礎(chǔ)上研究了閥的最優(yōu)參數(shù)，但都沒有制備樣機，也未通過實驗驗證可行性。

鑒于低速、高壓、高水基馬達運行工況，文中提出了一種五星輪閥配流機構(gòu)，用機械驅(qū)動取代液壓驅(qū)動，而五星輪將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為平動，以解決配流盤的磨損和泄漏問題，以及凸輪和偏心輪配流過程中出現(xiàn)的頂桿軸承破裂、應(yīng)力集中和旋轉(zhuǎn)卡緊問題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 馬達配流原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

閥配流大多應(yīng)用于泵中，很少用于馬達中。如圖1所示：泵吸液時，柱塞腔壓力降低，排液閥關(guān)，進液閥開；泵排液時，柱塞腔因液體壓縮而壓力升高，大于進液閥壓力后，進液閥關(guān)，排液閥開。泵的柱塞由電機驅(qū)動，輸出液壓能；馬達的柱塞需液壓力驅(qū)動，輸出機械能。在閥配流馬達中，無論柱塞處于排液還是吸液過程，進液閥連通高壓，高壓通過柱塞進入排液閥，排液閥也被打開，兩閥產(chǎn)生竄液。

圖1 泵和馬達的閥配流原理Fig.1 Valve distribution principles of pump and motor

為此，文中提出了機械驅(qū)動的新配流方案，使用機械結(jié)構(gòu)控制柱塞腔進排液：機械驅(qū)動的進液閥打開、排液閥關(guān)閉時，柱塞腔進液，產(chǎn)生壓力，通過曲軸或者軌道產(chǎn)生扭矩；機械驅(qū)動的進液閥關(guān)閉、排液閥打開時，柱塞腔排液，柱塞完成進排液過程。

如圖2所示，一個柱塞配備兩個單向閥（進液閥和排液閥）。進液閥（I1、I4 和I5）開、排液閥（O1、O4和O5）關(guān)時，柱塞（P1、P4和P5）產(chǎn)生壓力而形成扭矩。同時進液閥（I3、I2）關(guān)、排液閥（O3、O2）開時，柱塞腔排液。由2-3個柱塞同時工作，在偏心距作用下，依次驅(qū)動曲軸，曲軸帶動配流軸，使相應(yīng)的五組進、排液閥啟閉，馬達輸出扭矩。

圖2 配流機構(gòu)原理Fig.2 Principle of flow distribution mechanism

1.2 柱塞運動學(xué)分析

閥的參數(shù)設(shè)計要參考馬達的設(shè)計，文中先分析馬達的運動原理和配流特性。因為馬達旋轉(zhuǎn)一周，每個柱塞往復(fù)運動一次，所以柱塞的運動規(guī)律一致。柱塞運動簡圖如圖3 所示，O1為曲軸旋轉(zhuǎn)中心，O2為五星輪旋轉(zhuǎn)中心，柱塞底中心與曲軸中心的連線交點為A，O2繞O1做旋轉(zhuǎn)運動，柱塞往復(fù)完成進回液，e為偏心距，φi為轉(zhuǎn)角。以柱塞的上死點為起點，φi=0，此時變動半徑最大為O1A。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)過φi時，變動半徑為O1A'。

圖3 柱塞運動簡圖Fig.3 Motion diagram of plunger

柱塞的位移yi為

五星輪的水平位移ei為

由式（1）可知，柱塞位移函數(shù)類似于正弦函數(shù)，故在0～π內(nèi)，柱塞從上死點向下運動，此時進液閥打開，排液閥關(guān)閉，柱塞腔進液，產(chǎn)生扭矩；在π～2π 內(nèi)，柱塞從下死點向上運動，進液閥關(guān)閉，排液閥打開，柱塞腔排液。設(shè)計參數(shù)取值如下：靜力平衡式馬達轉(zhuǎn)速為90 r/min，柱塞直徑為55 mm，曲軸偏心距為16 mm，額定壓力為16 MPa，最高壓力為21 MPa，馬達單柱塞流量為6.84 L/min。根據(jù)配流閥的壓力流量公式，選用配流球閥直徑為8 mm，閥座直徑為6.5 mm。

2 不同閥配流機構(gòu)對比分析

2.1 偏心輪配流機構(gòu)

相較于傳統(tǒng)柱塞泵閥配流結(jié)構(gòu)的閥啟閉通過壓力控制，機械驅(qū)動解決了閥芯響應(yīng)速度慢的問題。如圖4（a）所示，偏心輪配流機構(gòu)包括配流閥、偏心輪和擋板。此結(jié)構(gòu)頂桿底部安裝軸承，將滑動轉(zhuǎn)變成滾動以減小摩擦。在轉(zhuǎn)動過程中，頂桿因存在水平方向摩擦力而發(fā)生自旋，因此配流機構(gòu)需要增加擋板以限制其轉(zhuǎn)動，但會出現(xiàn)自旋卡緊問題。偏心輪和軸承處于線接觸，應(yīng)力集中導(dǎo)致軸承易破裂。圖4（b）中，O1為軸旋轉(zhuǎn)中心，O2為偏心輪旋轉(zhuǎn)中心，h為偏心距，r為偏心輪半徑。

圖4 偏心輪配流的結(jié)構(gòu)和運動簡圖Fig.4 Structure and motion diagram of eccentric-wheel flow distribution mechanism

曲軸在柱塞的上死點時，頂桿與旋轉(zhuǎn)中心有最大距離ymax，

當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)過φi后，頂桿與旋轉(zhuǎn)中心的距離為yi，

頂桿位移函數(shù)yp為

偏心輪機構(gòu)的配流關(guān)系如圖5 所示，從圖中可知，在0～π區(qū)間內(nèi)，柱塞腔進液，頂桿與閥芯底端直接接觸，此時進液閥頂桿位移從h→2h→h，排液閥與進液閥的相位角差為π，頂桿位移從h→0→h。雖然進、排液閥同時開啟，但是兩者的位移相差h，當(dāng)頂桿與閥芯底端距離h時，0～π 區(qū)間內(nèi)，進液端閥芯位移從0→h→0，排液閥芯關(guān)閉。所以偏心輪配流機構(gòu)下，進、排液閥的相位角差設(shè)為π，頂桿與閥芯底端距離為h。

圖5 偏心輪機構(gòu)的配流關(guān)系Fig.5 Distribution relationship of eccentric-wheel structure

2.2 凸輪配流機構(gòu)

如圖6所示，凸輪配流機構(gòu)包括配流閥、凸輪和擋板。O為凸輪旋轉(zhuǎn)中心，h為升程，r為基圓半徑，δ0為升程回程角，則余弦函數(shù)控制的頂桿位移函數(shù)為

圖6 凸輪配流機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動簡圖Fig.6 Structure and motion diagram of cam distribution mechanism

正弦函數(shù)控制的頂桿位移函數(shù)為

凸輪配流機構(gòu)的位移曲線可根據(jù)閥芯行程進行設(shè)計，并可變更過渡區(qū)角度大小。凸輪機構(gòu)的配流關(guān)系如圖7 所示，從圖中可知，在0～π 區(qū)間內(nèi)，柱塞腔進液，頂桿與閥芯直接接觸，進液閥芯位移從0→h→0，排液閥關(guān)閉。凸輪配流機構(gòu)下頂桿同樣存在自旋卡緊、應(yīng)力集中和軸承破裂問題。為防止升、回程換向處的尖頂現(xiàn)象，凸輪基圓半徑會比較大，從而影響配流機構(gòu)尺寸。

圖7 凸輪機構(gòu)的配流關(guān)系Fig.7 Distribution relationship of cam structure

2.3 五星輪配流機構(gòu)

如圖8所示，五星輪配流機構(gòu)包括配流閥、偏心輪、五星輪和軸承。O1為旋轉(zhuǎn)中心，O2為五星輪中心，O1O2=h，O2O3為五星輪中心到任意一邊的距離。五星輪中心O2的運動規(guī)律決定了頂桿的運動規(guī)律，O2O3做平移運動，O3隨O2點一起升降。假設(shè)上死點為頂桿位移起始點，φi=0。

圖8 五星輪配流機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運動簡圖Fig.8 Structure and motion diagram of pentagonal-wheel flow distribution mechanism

曲軸轉(zhuǎn)過φi角時，頂桿的位移yf為

五星輪同時做橫向移動，位移xf為

五星輪機構(gòu)的配流關(guān)系如圖9 所示，從圖中可知，五星輪頂桿的位移曲線與偏心輪基本一致，所以也需要在頂桿與閥芯底端設(shè)置配流距離h。與偏心輪、凸輪比較，五星輪將偏心輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為平動，用于推動頂桿。

圖9 五星輪機構(gòu)的配流關(guān)系Fig.9 Distribution relationship of pentagonal-wheel structure

從配流結(jié)構(gòu)看，五星輪結(jié)構(gòu)優(yōu)于凸輪結(jié)構(gòu)和偏心輪結(jié)構(gòu)。頂桿會在凸輪的升程和回程處出現(xiàn)沖擊，且為避免尖頂現(xiàn)象，凸輪結(jié)構(gòu)需較大的尺寸，從而影響整體尺寸。偏心輪和五星輪的配流曲線基本一致，但從頂桿運動和受力方面看，五星輪減小了頂桿帶來的液壓沖擊和摩擦距離，取消了頂桿軸承，使用平動頂桿，解決了頂桿自旋、卡死問題。

3 不同機構(gòu)仿真分析

3.1 建模

配流機構(gòu)的壓力建立、穩(wěn)定時間和流量的波動，與馬達的扭矩輸出特性有關(guān)。文中利用AMESim 軟件分析不同配流機構(gòu)的動態(tài)參數(shù)和壓力流量特性，配流模型見圖10。AMESim參數(shù)如下：壓力為21 MPa，流量為20 L/min，轉(zhuǎn)速為80 r/min，柱塞行程為32 mm，頂桿直徑為4 mm，閥芯行程為2 mm。

圖10 單柱塞配流模型Fig.10 Single plunger distribution model

3.2 位移和速度分析

不同配流機構(gòu)的閥芯位移和速度分別如圖11和圖12 所示。從圖中可知，五星輪和偏心輪機構(gòu)的閥芯位移曲線基本一致，速度分布也基本一致，最大值為16.6 mm/s，但偏心輪在柱塞進、回液交替處，兩閥閥芯位移在0.1 mm 相交。正弦和余弦凸輪機構(gòu)的閥芯位移曲線一致，閥芯位移均在0.06 s時達到最大值，速度最大值為62.1 mm/s。余弦凸輪機構(gòu)在柱塞進、排液交替處，兩閥均存在0.002 s的滯后。而正弦凸輪機構(gòu)在柱塞排液時，排液閥開啟滯后0.006 s，在柱塞進液時兩閥位移相交于0.045 mm，存在較小竄液。位移相交帶來的問題是竄液問題，而位移滯后則帶來困液問題。

圖11 不同配流機構(gòu)的閥芯位移Fig.11 Spool displacements of different flow distribution mechanism

圖12 不同配流機構(gòu)的閥芯速度Fig.12 Spool speeds of different flow distribution mechanism

3.3 流量和壓力波動分析

不同配流機構(gòu)的出口流量波動見圖13。從圖中可知，進液時偏心輪、五星輪、余弦和正弦凸輪結(jié)構(gòu)下配流閥出口流量波動的最大值分別為8.05、5.17、5.89 和6.40 L/min，排液時僅偏心輪波動為4.6 L/min。因為考慮了管道容積，進液時液體需要充滿管道，所以在進液口前端存在流量波動。而排液時，只有偏心輪發(fā)生流量波動，是因為竄液導(dǎo)致的，且進液時此機構(gòu)的流量波動值大于其余結(jié)構(gòu)。

圖13 不同配流機構(gòu)的出口流量波動Fig.13 Outlet flow fluctuations of different flow distribution mechanism

不同配流機構(gòu)的柱塞腔壓力波動如圖14所示。從圖中可知，柱塞腔壓力先增大，后減小，再增大。相較于五星輪機構(gòu)，偏心輪的穩(wěn)態(tài)壓力因竄液而存在超前0.005 s，這會導(dǎo)致馬達扭矩損失；而正弦、余弦凸輪機構(gòu)的穩(wěn)態(tài)壓力則因困液而滯后0.003和0.007 s，并在末端存在壓力損失，這不僅會損失馬達扭矩，還會增加其波動值。

圖14 不同配流結(jié)構(gòu)的柱塞腔壓力波動Fig.14 Pressure of valve and plunger under different speeds

3.4 受力分析

不同配流機構(gòu)的受力如圖15 所示。從圖中可以看出，不同機構(gòu)的受力極值基本一致，開啟穩(wěn)定后受力為液壓力作用在頂桿上的力，僅在閥芯開啟和關(guān)閉處存在不同。進液時五星輪、偏心輪、余弦和正弦凸輪機構(gòu)的尖端受力時間分別是0.008、0.010、0.012 和0.015 s。排液時受力值不同，偏心輪、余弦和正弦凸輪機構(gòu)的受力比五星輪機構(gòu)分別高出361、48 和129 N。五星輪在受力時間和數(shù)值上均明顯優(yōu)于其他機構(gòu)，而且其使用平動頂桿，增大接觸面積，解決了偏心輪和凸輪存在的應(yīng)力集中和頂桿自旋卡緊問題。

圖15 不同配流機構(gòu)的受力Fig.15 Forces on different flow distribution mechanism

4 樣機研制及實驗研究

基于配流閥的原理和仿真，制備五星輪配流機構(gòu)樣機以驗證其動態(tài)性能。實驗?zāi)康氖菧y試閥的配流性能和泄漏，且單柱塞產(chǎn)生的扭矩?zé)o法實現(xiàn)曲軸旋轉(zhuǎn)，因此采用單柱塞進行實驗。配流機構(gòu)實驗臺見圖16，實驗中馬達曲軸通過電機驅(qū)動，曲軸帶動閥桿控制配流。泵（25 MPa，18 L/min）提供穩(wěn)定的高壓乳化液（自來水和乳化油的體積比為19∶1）。通過壓力傳感器（線性度為0.01%，響應(yīng)時間≤10 ms，壓力額定值為0～40 MPa）監(jiān)測進閥入口、柱塞腔（閥塊）、出閥出口壓力波動，判斷配流機構(gòu)能否實現(xiàn)配流。利用Labview處理來自數(shù)據(jù)采集卡（NI 9203，DAQ采樣頻率為500 Hz，采樣持續(xù)時間為100 s）的數(shù)據(jù)。電機轉(zhuǎn)速通過變頻器控制，系統(tǒng)壓力通過溢流閥調(diào)節(jié)。

圖16 配流機構(gòu)實驗臺Fig.16 Experimental device of flow distribution mechanism

圖17 為配流機構(gòu)樣機及配流試驗臺，閥配流機構(gòu)包括偏心輪（內(nèi)徑25 mm，外徑40 mm，偏心距2 mm，PEEK 材質(zhì)）、五星輪（PEEK）、閥（不銹鋼）和軸承（61 808）。PEEK 和不銹鋼的配對摩擦副有助于減小頂桿磨損。柱塞腔和配流閥在不同轉(zhuǎn)速（10、30、60、90 r/min）和壓力（5、10、15、21 MPa）工況下的壓力波動如圖18和圖19所示。

圖17 配流機構(gòu)樣機Fig.17 Prototype of flow distribution mechanism

圖18 不同轉(zhuǎn)速下閥和柱塞的壓力波動Fig.18 Pressure fluctuations of valves and piston under different speeds

圖19 不同壓力和90 r/min轉(zhuǎn)速下閥和柱塞腔的壓力波動Fig.19 Pressure fluctuations of valves and piston under different pressures and 90 r/min speed

從圖18可知，五星輪閥配流機構(gòu)在低轉(zhuǎn)速（10、30 r/min）下可穩(wěn)定配流，在較高轉(zhuǎn)速（60、90 r/min）下仍然可以實現(xiàn)穩(wěn)定的流量分布。閥進口壓力微小下降，并迅速恢復(fù)到系統(tǒng)工作壓力。進液閥打開后，排液閥沒完全關(guān)閉，此時出口壓力略有增加；同時柱塞運動引起泵出口壓力暫時振蕩。閥依靠頂桿開啟，而依靠液壓力關(guān)閉。壓力不變的情況下，閥芯的啟閉性能僅與復(fù)位彈簧相關(guān)，所以轉(zhuǎn)速對閥的啟閉性能的影響較小。

在排液過程中，可以觀察到出口并不是0 MPa，這是因為出口流量與配流閥尺寸出現(xiàn)不匹配導(dǎo)致，可以通過增加閥口尺寸來解決。在柱塞腔的壓力穩(wěn)定階段結(jié)束時，會出現(xiàn)微小壓降，5、10、15 和21 MPa 壓力工況下的壓降分別是4.0%、3.0%、2.5%和2.8%。這說明進、排液閥之間存在小幅竄液，主要是因為閥、頂桿和五星輪的加工、裝配問題導(dǎo)致的?？紤]到困液和竄液帶來的問題，為了保證馬達正常運行，輕微竄液現(xiàn)象是允許的。壓力波動還包括三柱塞泵的自身波動（后期可增加蓄能器進行穩(wěn)壓）和壓力傳感器的波動。

在進行單柱塞泄漏量實驗時，雖然無法計算整機（后期可制備馬達整機）的容積效率，但可通過泄漏量乘以5來評估。不同壓力工況下配流機構(gòu)的泄漏量如圖20所示，隨著轉(zhuǎn)速和壓力的增加，配流機構(gòu)的泄漏量逐漸減小，最小僅0.15 mL/min（約3滴/min），這是因為格萊圈在高壓下被壓縮。上述配流和泄漏實驗表明，在高水基介質(zhì)下，該配流機構(gòu)可滿足不同壓力（5～21 MPa）和轉(zhuǎn)速（10～90 r/min）下馬達的配流需求，且泄漏量小。

圖20 不同工況下配流機構(gòu)的泄漏量Fig.20 Leakage of flow distribution mechanism under different working conditions

5 結(jié)論

為解決傳統(tǒng)配流盤的泄漏問題，文中提出了一種新型的五星輪閥配流機構(gòu)，分析了閥配流機構(gòu)的配流規(guī)律，對比了偏心輪、凸輪和五星輪配流機構(gòu)的優(yōu)缺點；利用仿真模型對單柱塞配流過程進行分析，以驗證五星輪配流結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。實驗結(jié)果表明，五星輪配流結(jié)構(gòu)在高壓、低速和水基介質(zhì)工作條件下的配流性能優(yōu)良，泄漏量小。

文中的新型閥配流高水基液壓馬達解決了傳統(tǒng)配流盤泄漏問題，對促進煤礦、食品、水下等領(lǐng)域的安全、綠色生產(chǎn)具有理論意義和工程應(yīng)用價值，為高水基液壓馬達的研究提供了一種新的思路。