内曲线多作用径向柱塞式低速大扭矩液压马达及其配流机构的发展

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1、彭佑多1 ,刘德顺1 ,陈艳屏2 ,郭迎福1Incurve Multiple2action Radial2piston Low Speed High TorqueHydraulic Motor and the Flow2distributor Development CoursePeng You2duo1 ,Liu De2shun1 ,Chen Yan2ping2 , Guo Ying2fu1(11 湘潭工学院振动 、冲击与诊断研究所 ,湖南省湘潭市 411201 ;21 株洲力达液压设备有限公司 ,湖南省株洲市 412003)摘要 :简要介绍了内曲线多作用径向柱塞式低速大扭矩液压马达的发展概

2、况 ,阐述了端面配流是该种液压马达配流机构的发展趋势 ,并概要说明端面配流机构的组成 、工作原理及设计方法 。关键词 :内曲线 ;多作用 ;低速大扭矩 ;配流机构中图分类号 : TH137151文章编号 :100024858 (2002) 1220001204文献标识码 :B1 前言低速大扭矩液压马达是近年来国内外发展较快 、 应用较多的一种液压执行器 。其品种规格繁多 ,常见的主要有“多作用内曲线径向柱塞式”“、曲轴连杆式”、“摆线式”“、叶片式”、“静力平衡式”、“球塞式”、“套筒 伸缩摆缸式”等 。尽管低速大扭矩液压马达的结构 、工作原理繁多 、新结构不断出现 ,但按每转中柱塞副的作 用

3、次数可分为单作用与多作用两大类 ,按柱塞的排列 方式 ,可分为径向柱塞式与轴向柱塞式 。在柱塞式液压马达中 ,柱塞孔在缸体中沿圆周均匀分布 ,柱塞呈径向放射状排列 。多作用内曲线径向柱塞式液压马达即 是其中重要的一种 。多作用内曲线径向柱塞式低速大扭矩液压马达因 具有体积小 、结构紧凑 、安装灵活 、工作效率高及良好的低速稳定性 (可直接驱动低速运行工作机构) 和输出 转矩大等一系列优点 ,而作为液压驱动元件广泛应用 于矿山 、工程 、起重 、运输 、船舶 、卷扬等机械中 ,并仍具有巨大的市场前景 。多作用内曲线液压马达在相同工作压力下比单作用马达的输出转矩大 ,单位功率的重量轻 ,而且只要柱

4、塞数 Z 和作用次数 X 选择合适 ( 一般选择 X 、Z 都为 偶数 ,且基础马达数 m 2) , 可以使马达的径向液压力完全平衡 。由于缸孔对称 ,使分度 、加工容易 ,设计 中合理选择导轨曲线 ,并按无脉动分配幅角 ,理论上可 以做到输出转矩脉动为零 ,因而可以获得很好的低速稳定性 。多作用内曲线径向柱塞式液压马达的传力方 式分为柱塞传力 、横梁传力 、滚轮传力等型式 ,其中以横梁传力 、滚轮传力液压马达应用最多 。本文主要介绍内曲线多作用径向柱塞式低速大扭 矩液压马达的发展概况 ,阐述端面配流是该种液压马 达配流机构的发展趋势 ,并概要说明端面配流结构的组成 、工作原理及设计方法 。2

5、 液压马达的发展概况内曲线多作用径向柱塞式低速大扭矩液压马达的收稿日期 :2002206208作者简介 :彭佑多 ( 1964 ) ,男 ,湖南省安化县人 ,教授 ,博士 研究生 ,主要从事矿山机械工程及液压传动与控制技术的教学 和科研工作 。内曲线多作用径向柱塞式低速大扭矩液压 马达及其配流机构的发展液压与气动2002 年第 12 期2列 、NKM 壳转系列 、QJ ( K) M 系列 、ZJM 系列 、CNM 系列等 。到目前为止 ,NJM 系列液压马达已有近 20 种排量 规格 ,最高工作压力也已达 3115 MPa ;国产 NJM 系列液压马达 , 片式导轨 、横梁传力结构 ,根据排量

6、大小 ,额定压力 pa = 1625 MPa ,最高工 作压力为 pmax = 203115 MPa ,该系列共有 16 个规格 , 该系列液压马达具有较好的效率性能 ,台架试验寿命 接近 800010000 h 。与国外相比 ,国内多作用内曲线径向柱塞式液压马达几乎都为轴配流结构 ,同时 ,对关键运动副 ,各种 机理方面的基础试验研究还有待进一步深入 。3 配流机构的演变在多作用内曲线液压马达中 ,配流机构是最为关 键的部件之一 ,配流机构的设计技术即是其中的关键技术 ,它直接影响到该类液压马 达 的 工 作 可 靠 性 、效 率 、寿命及工作稳定性 。配流副的发展在很大程度上 代表着液压马

7、达的发展水平 。液压马达配流副结构的发展经历了从最初的机械 支承轴配流结构 ,发展到后来的包括静压平衡轴配流结构 、阀配流结构与端面配流结构等几大系列若干种 类的过程 。轴配流结构是国外早先和国内目前单作用 内曲线液压马达的主要配流机构 ,这种配流机构具有 如下特点 :(1) 结构简单 、零部件少 ;(2) 腰形油口在较大直径下工作 ,需要较长的密 封面 ;且密封面之间具有相对运动 ,影响密封效果 ;(3) 对密封间隙要求相对严格 ,由于配流长度较 长 ,对配流轴及轴套的生产 、加工 、装配工艺以及油过 滤精度提出了较高的要求 ;(4) 由于设计 时 配 流 轴 上 的 径 向 液 压 力 平

8、 衡 不 够理想 ,加工 、装配及工作时受外力干扰的影响或配 流轴受力变形 ,均会引起配流轴磨损和咬合 ,且磨损 后间隙无法补偿 引 起 泄 漏 增 加 , 甚 至 缩 短 马 达 使 用 寿命 ;(5) 在油箱中工作液体油温较高的情况下 ,液压 马达停转冷却后再起动时 ,热油突然进入马达 ,配流处 容易发生“热冲击”,导致配流轴“咬死”。目前 ,国外单 作 用 低 速 大 扭 矩 液 压 马 达 已 普 遍 采用 端 面 配 流 代 替 轴 配 流 结 构 。如 德 国 DUSTER2LOH 公司部分 马 达 、法 国 Samm 、Poclaim 公 司 部 分 马达 、日本的日钢 MC 型

9、 马 达 、瑞 典 的 Hagglunds 的 MA系列马达等 。多作用低速大扭矩液压马达也已 部 分发展始于 20 世纪 50 年代 。20 世纪 50 年代初 ,法国 Samm 公司研制的多作用 内曲线径向柱塞式液压马达 ,首先应用于液压随动系 统 ,该马达的额定压力为 10 MPa , 随后该公司在研制过程中又改进了带配流轴的 M10 型液压马达并研制 了多种型号 ,在此基础上还研制了带端面配流结构的 M20 型液压马达 。瑞典的 Hagglunds 公司于 20 世纪 50 年代着重研 制了滚轮传力结构的多作用内曲线径向柱塞式 壳 转马达 ,随着研究的 深 入 , 此 马 达 有 了

10、很 大 的 发 展 , 对 排量为 417 L / r 的液压马 达 , 在 1961 年 1981 年 期 间 ,其压力增加了 312 倍 ,转速增 加 了 4176 倍 , 功 率 增加了 15 倍 。70 年 代 中 期 , 该 公 司 又 研 制 了 柱 塞 传力结构马达 ,横 梁 贯 穿 于 柱 塞 , 结 构 紧 凑 , 外 形 尺寸小了 很 多 。80 年 代 以 来 , 为 适 应 煤 矿 机 械 的 需 要 ,研制 了 额 定 压 力 为 3115 MPa 的 MA 系 列 轴 转 马 拉松液压马达 ,并使其综合性能得到了较大的提高 , 而且延长了寿命 。法国 Poclain

11、 公司从 20 世纪 50 年代起研制了为挖掘机配套的横梁传力结构马达 ,60 年代 批 量 生 产 G1 系列 ,70 年代生产 G2 系列 ,所研制的端面配流的内曲 线马达 ,年产量在 1 万台以上 ,80 年代又研制了壳转 型 G3 系列车轮马达 ; 以后 ,为适应主机和提高低速大 扭矩液压马达的性能要求 , Poclain 公司发展了多作用端面配流的内曲线液压马达 。其额定压力为 30 MPa , 该公司最近又开发了端面配流的车轮马达 ,进一步改 善提高了马达性能 。英国的 Renold 公司 20 世纪 70 年代研制了柱塞传 力滚轮式轴转马达 HM 系列 ,日本住友公司 1967

12、年开始研制内曲线马达 ,并于 1970 年完成 RB 型液压马达 系列的研制 ;芬兰的 Sisu 公司研制的首批装在轮毂中 的多作用径向柱塞式液压马达 ,于 1964 年开始组织批 量生产 。20 世纪 60 年代中期 , 我国开始 对 低 速 大 扭 矩 液压马达进行样机测绘仿制工作 ,初步形成了曲轴连杆 马达及内曲线马达等少数几种规格 。70 年代初 ,工程 机械 、建筑机械 、矿山机械和船舶甲板机械等纷纷采用 液压技术 ,研究低速大扭矩液压马达的单位也增至 40 多个 ,品种和主机应用都有了大幅度的发展 ,但主要为 主机配套使用 。20 世纪 70 年代以来 , 国内设计 开 发 了 多

13、 种 规 格 的多作用内曲线径向柱塞式液压马达 ,如轴转 NJM 系 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2002 年第 12 期液压与气动3体 ( 定子) 的径向方向放 射 状 布 置 着 Z 个 柱 塞 孔 , 柱塞孔中的柱塞在液压油与转子内曲线的共同作 用 下 在柱塞孔内往复 运 动 , 柱 塞 孔 的 底 端 通 过 配 流 机 构 与进出油口相通 ; 转 子 围 绕 输 出 轴 通 过 支 承 轴 承 旋转并输出转矩 。实现了端面配流 , 甚 至 出 现

14、了 对 称 双 端 面 配 流 器 结构 ,这是一种较新的配流结构形式 ,具有许多明显的 优点 。国内关于端面配流机构的研究 与 设 计 工 作 主 要集中在单作用低 速 大 扭 矩 液 压 马 达 中 , 如 国 内 宁 波 英特姆液 压 马 达 厂 与 意 大 利 SAI 等 公 司 合 资 生 产 NHM 端面配流曲轴连杆 液 压 马 达 , 哈 尔 滨 工 业 大 学 与徐洲液压件厂联 合 承 担“八 五 ”规 划 项 目“新 型 柱 销铰曲轴连杆式 液 压 马 达 研 制 ”中 都 采 用 了 类 似 德国 DUSTERLOH 公 司 液 压 马 达 端 面 配 流 机 构 。多 作

15、 用低速大 扭 矩 液 压 马 达 中 采 用 端 面 配 流 机 构 的 还 不多 。目前 ,株州力 达 液 压 设 备 有 限 公 司 正 与 我 校 合 作研究生产大功率多作用内曲线径向柱塞式端 面 配流型低速大扭矩液压马达 。该类马达在大功率 矿 井 液压提升机与大 型 挖 泥 船 中 得 到 应 用 , 端 面 配 流 型 壳转马达 、对称 双 端 面 配 流 器 结 构 多 作 用 马 达 也 在 开发计划中 。在端面配流理论研究方面 ,国内有关专家对曲轴连杆马达的端面配流机构工作原理 、配流机构的主要 零部件受力 、摩擦副压紧力与分离力计算 、摩擦损失及 漏损失计算 、液压马达的

16、 CAD 设计等方面进行了较深 入的理论与试验研究 ,取得了较大进展 。但这种研究 仍局限于曲轴连杆马达 ,这是一种单作用形式的液压马达 ,而内曲线多作用液压马达的配流机构及工况条 件则比之复杂得多 。在多作用内曲线低速大扭矩液压马达的端面配流 方面进行的研究工作还有待进一步深入 ,但有相对较 为成熟的轴向柱塞泵 、单作用低速大扭矩液压马达端面配副的理论与经验作指导 ,相信在不久的将来能取 得较大的成就 。端面配流设计的关键是解决配流盘与 缸体接触面之间的静压平衡问题 。目前 ,在多作用内 曲线低速大扭矩液压马达的端面配流研究中 的 重 点 是 : 液 压 力 的 计 算 及 密 封 区 域

17、压 力 场 分 布 规 律研究 ; 配流间隙的实验研究 ; 配流盘结构结脉动 特性的影 响 研 究 ; 配 流 副 零 件 强 度 及 变 形 的 分 析 计算 。4 端面配流原理与设计方法图1 所示为一种 内 曲 线 多 作 用 径 向 柱 塞 式 壳 转 端面配流型液压 马 达 工 作 原 理 图 , 该 液 压 马 达 主 要由缸体 ( 定 子 ) 、外 壳 ( 转 子 ) 、端 面 配 流 机 构 、输 出 轴 、输入液压油 接 口 、密 封 元 件 、轴 承 等 组 成 。沿 缸11 密封环 21 定位销 31 内曲线导轨 41 轴承 51 端盖61 固定盘 71 补偿弹簧 8 、1

18、11 端盖 91 浮动盘 101 连接套121 转子体 131 右端盖 141 缸体 ( 定子) 151 配流盘161 驱动轴 171 输出轴 181 柱塞滚轮组件 191 横梁 图 1 一种壳转多作用内曲线端面 配流型液压马达工作原理液压马达的端面配流机构由端面配流盘 、补偿盘 、弹簧等组成 ,配流盘通过中间轴在转子 ( 壳体) 的带动 下旋转 ,在配流盘的轴线方向均匀分布着两组孔各 X个 (配流盘上的进 、回油孔个数分别与作用次数相同) ,通过油道分别与进出油口沟通 ,补偿盘在弹簧力的作 用下 ,使配流盘的两端面紧紧与定子端面及补偿盘端 面接触 ,实现密封与磨损补偿作用 ,达到延长液压马达

19、寿命的目的 。液压油经后端盖 8 进 入 浮 动 盘 9 到 配 流 盘 15 , 再进入缸体 ( 定子) 14 ,液 压 油 推 动 柱 塞 滚 轮 组 件 18 将力传递到横梁 19 ,通过 滚 轮 将 力 作 用 到 内 曲 线 导 轨 3 上 ,进而推动导轨与外壳一起转动 ,外壳通过 输出轴 17 输出转矩 。配流盘与缸体之间通过平面配流 ,浮动盘主要补 偿加工和安装误差及补偿磨损 ,使配流盘与缸体端面 平面之间始终平行 。配合盘与缸体平面之间由于存在 高压油 ,会产生推开力 ,此力与浮动盘所确定的压紧力相平衡 。弹簧 7 起压紧作用 ,使配流盘与缸体平面始 终贴合 。缸体的液压不平衡

20、力作用于推力轴承上 ,销 子防止浮动盘转动 。配流副是决定低速大扭矩液压马达性能的关键摩 擦副 ,其结构设计的合理性在很大程度上决定了液压马达的性能 、可靠性以及工作寿命 ,作为液压马达的重 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 液压与气动2002 年第 12 期4要组成部分 ,其本身具有一定的独立性 ,因而成为设计的研究重点 。配流副设计的主要目标是 : 降低泄漏 、减小磨 损以提高机械效率和容积效率 ; 改善零部件受力情况以提高配流机构工作性能和延长寿命 ; 零部

21、件结 构简单且工艺性好 ,以降低成本 。目前 ,对端平面配流机构的设计主要采用剩余压 紧力法 、综合设计法与静压支承法 。剩余压紧力法的基本思想是使 配 流 盘 所 受 到 的压紧力大于油膜 分 离 力 , 它 要 求 在 保 持 力 矩 平 衡 的 前提下 ,使配流副 在 运 动 中 不 倾 斜 、不 偏 磨 下 , 具 有 一定的剩余压紧 力 , 这 样 能 保 持 配 流 副 间 既 能 形 成 适当的边界润滑油膜 ,又具有一定的密封能力 ,该设 计方法在液压泵 与 马 达 设 计 中 得 到 广 泛 应 用 , 但 它受到临界值 PV 的 限 制 , 而 往 往 出 现 烧 盘 现 象

22、 , 究 其原因是由于缸体和配流盘间的油膜破坏而引 起 金 属与金属之间接 触 , 同 时 缸 体 与 配 流 盘 之 间 存 在 着 高速运动 ,使之摩擦产生大量的热 ,因而导致缸体与 配流盘之间因过热而产生金属咬合 ,从而加剧磨损 ,甚至使配流盘报废 。但多作用径向柱塞式内曲 线 液 压马达属于低速 大 扭 矩 液 压 马 达 , 因 而 缸 体 与 配 流 盘之间不存在很 高 的 旋 转 速 度 , 在 很 大 程 度 上 其 端 面上配流副间的 倾 覆 力 矩 为 零 , 所 以 对 低 速 大 扭 矩 内曲线液压马 达 采 用 剩 余 压 紧 力 法 设 计 是 可 行 的 ,采用此

23、法进行 设 计 可 使 配 流 副 间 的 容 积 效 率 提 高 , 而机械效率偏低 。这在徐州液压件厂马达设计 中 得 到证实 。静压支承法的基本思想是借助于水力 ( 固定阻尼 和可变阻尼匹配) ,使配流副间形成具有适当刚度和阻尼的油膜厚度 ,以保证在负载变化情况下不至于超出 允许厚度范围而破坏 ,从而得到完全的液体润滑 ,避免 金属间直接接触 ,这种方法从哈尔滨工业大学许耀铭 教授自 1974 年提出以来又进行了系统的研究 ,做了许 多开创性的工作 ,在轴向柱塞泵与马达中解决了烧盘问题 ,这种设计方法使泄漏有所 增 加 , 因 而 容 积 效 率 降低 。综合设计法的思想是在配流副运动力

24、矩平衡的条 件下 ,用不大的剩余压紧力压向配流副的固定件 ,以保 证配流副在理论上无缝隙小接触比压下正常运转 ,而 当运动件意外地或因注油造成脱离固定件后 ,可用静压支承的节流效应和油膜挤压效应使其自动复位 ,这种设计方法是基于剩余压紧力和静压支承法 而 得 到的 ,它易于保证使配流副的磨损和泄漏很小 ,因而提高 了它的效率 ,在多作用径向柱塞式内曲线马达设计中 , 采用此法是可行的 。参考文献 :上海煤矿机械研究所 1 国外低速大扭矩油马达 M 1 北京 :煤炭工业出版社 ,19781波诺马连科 , 1罗戈夫 1 径向柱塞式大转矩液压 马达 M 1 鸡西煤矿机械厂译 1 北京 : 燃料化学工

25、业出版社 ,19741上海煤矿机械研究所 1 液压泵和液压马达 M 1 北京 :煤炭工业出版社 ,19761A1B1 多库金 1 多作用径向柱塞式液压马达 M 1 周公 韬 ,乔石译 1 北京 :煤炭工业出版社 ,19841陈卓如 1 低速大扭矩液压马达理论 、计算与设计 M 1北京 :机械工业出版社 ,19891赵 应 樾 , 液 压 马 达 M 1 上 海 : 上 海 交 通 大 学 出 版 社 ,20001李元勋 ,钟廷修 ,陈卓如 . 低速大扭矩液压马达端面配流 副发展与现状 J 1 液压气动与密封 ,1998 (1) 1李元勋 1 液压马达新型端面配流副理论 实验及 CAD 研 究

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