非圆行星齿轮液压马达的发展及在煤矿机械中的应用展望.PDF

1 6 液压 与 气动 2 0 0 7年第 9期 非 圆行 星齿轮液压 马达 的发展及 在煤矿机械中的应用展望 李磊。 杜长龙。 杨善国 Th e De v e l o p me n t o f Hy d r a u l i c M o t o r wi t h No n c i r c u l a r P l a n e t a r y Ge a r a n d I t s Ap p l i c a t i o n i n Co a l mi n i n g M a c h i n e r y L I L e i ， DU C h a n g l o n g ， YANG S h a n g u o 中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 介绍 了一种新型低速大扭矩液压马达 非圆行 星齿轮液压马达的原理 、 特点 、 发展及 其在煤 矿机械 中的应用展望。 关键词 非圆行星齿轮 ； 液压马达；发展 ； 应用 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 0 4 8 5 8 2 0 0 7 } 0 9 0 0 1 6 ． 0 3 1 前言 非圆行星齿轮液压马达是一种新型低速大扭矩液 压马达。低速大扭矩液压马达由于转速低、 输出扭矩 大， 使用时一般可以直接驱动负载而不用减速装置， 具 有低速运转平稳、 启动效率高、 转动惯量小、 加速和制 动时间短 、 结构紧凑 、 布置灵活等优点， 因而在工程设 备中得到越来越广泛的应用。目 前在国内外市场广泛 应用的低速大扭矩液压 马达主要有两大类 一是偏心 轴单作用马达及常用的静平衡无连杆马达 、 摆缸柱塞 式马达； 二是内曲线导轨多作用马达。这些液压马达 的作用原理均是柱塞副往复直线运动 ， 使柱塞与缸壁 之间工作腔的封闭体积大小产生周期性变化， 进入高 压油排出低压油， 高压油间接或直接产生作用于偏心 4 ． 3 ． 3负载干扰误差 由负载扰动引起的位置误差等于外加负载被静刚 度除 ， 带人有关数据后求的 e 0 ． 0 4 9 mm。 由以上各部分误差可求得系统的总误 差 e e ， e e 0 ． 9 9 mm1 ． 2 mm。从误差结果可知 ， 当系 L 统的开环增益 k 8 9时， 位置误差是能够满足精度要 求 的， 无需再对系统进行校正 。 S 结束语 该系统设计完成后投人生产， 工业运行实验表明 轴或缸体的切向力， 驱动转子输出扭矩进行工作。其 存在的问题是传动链复杂， 有若干柱塞单元缸组成， 结 构比较复杂， 材料要求耐摩擦、 抗弯扭， 传动零件要求 微米级配合的极高精度， 制造工艺复杂， 造价高。而新 型的非圆行星齿轮液压马达具有体积小、 重量轻、 结构 简单且对工作油液污染敏感性低等优点 ， 成为取代传 统低速大扭矩液压马达的升级产品， 具有 良好 的应用 前景 。 收稿 日期 2 0 0 7 ． O 1 3 0 基金项 目 中国矿业大学科技基金资助项 目 0 E 0 6 0 0 9 0 作者简介 李磊 1 9 8 3 一 ， 男 ， 山东滕州人， 在读硕士研究生， 主要研究方向为 机械设计及理论。 *廿一 { 一 { 一 { *- _ _ } **** 一 { { 卜 { 卜 该系统的功能和性能都达到设计要求。系统简单、 实 用， 具有较好的可靠性和稳定性。 参考文献 [ 1 ] 李洪人．液压控制系统 [ M] ．北京 国防工业出版社， 1 981． [ 2 ] 李福义． 液压技术与液压伺服系统[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨 船舶工程学院出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 3 ] 史庆国， 李新平， 葛云燕 ． 基于 Ma t l a b的液压伺服控制系 统的动态仿真与稳定性 分析 [ J ] ．煤 矿机械， 2 0 0 6 ， 2 7 1 0 9 49 5 ． 维普资讯 2 0 0 7年 第 9期 液压与 气动 1 7 2 非圆行星齿轮液压马达的工作原理 非圆行星齿轮液压马达是一种将非圆行星齿轮机构 与液压马达技术结合起来组成的低速大扭矩液压马达。 一 种非圆行星齿轮液压马达的结构示意图如图 1 所示。 1 ． 非圆外齿轮2． 行星齿轮3 ． 非 圆内齿轮 4． 端盖5 ． 配流盘6． 输 出轴7． 配流孔 图 1 非圆行星齿轮液压马达结构示意图 非圆行星齿轮液压马达的核心是一个变中心距的 非圆行星齿轮机构， 它由非圆外齿轮 1 、 圆柱行星轮 2 和非圆内齿轮 3组成。非 圆内齿轮 3 、 端盖 4及配流 盘 5固定在一起组成了马达的壳体， 非圆外齿轮 1 与 输 出轴 6联结在一起实现马达扭矩的输 出。马达在工 作过程 中， 工作液由配流盘经配流孔输入 由非圆外齿 轮 1 、 行星轮 2 、 非圆内齿轮 3 、 端盖 4及配流盘 5组成 的密闭工作腔 ， 其压力推动圆柱行 星轮产生公转和 自 转 ， 并带动非圆外齿轮旋转。此时 ， 密闭工作腔的体积 发生变化 。配流盘可以保证在密闭工作腔体积达到最 小时进液孔打开而排液孔关闭 ， 在密闭工作腔体积达 到最大时排液 孔打开而进液孔关 闭。当行 星轮公转 时 ， 行星轮各 自依次封闭或接通配流孔 ， 造成密闭工作 腔进 、 排液循环变化 ， 从而使输 出轴不间断的旋转。改 变配流盘进 、 排液方向， 输 出轴可以实现顺时针或逆时 针方向旋转 。 3 非圆行星齿轮液压马达的特点 与传统的低速大扭 矩液压马达相 比， 非 圆行星齿 轮液压马达有如下优点 ① 结构简单 ， 重量轻 ， 外形尺寸小 ； ② 容积效率、 机械效率、 启动扭矩效率高； ③ 调速范围宽 ； ④ 对工作液污染敏感性低 ， 工作噪声低 。 以市场上常见的 X QM1 4 0 0 mL ／ r 柱塞 马达与同 排量的 NC M4型非圆行星齿 轮液压马达相 比， 其相关 技术参数如表 1 l l 。 由以上 比较可以看出， 非圆行星齿 轮液压 马达 的 重量轻于柱塞式马达产品 4 5 ％， 体积小于柱塞式马达 产品4 0 ％， 具有结构简单， 抗污染能力强， 液压脉动 小， 输出扭矩稳定， 产品寿命长。 表 1 同排量传统柱塞马达与 N C M非圆齿轮马达性能 与结构对 比一览表 柱塞马达 非圆行星齿轮液压马达 1 4 0 0 mL ／ r NC M4型 零件 4 8个， 零件 2 2个， 零件数 标准件 l 0 4个 标准件 5 6个 重量 1 7 0 k g 1 1 5 k g 外形尺寸 6 4 2 5 8 2 4 0 5 3 2 0 转速范围 l 53 o o r ／ m i n 0． 2 4 0 0 r ／ m i n 启动扭矩 理论扭矩的 8 4 ％ 理论扭矩的 9 0 ％ 1 5 r ／ m i n 时有爬行 ， 2 r ／ mi n时无爬行， 运转平稳性 震动大 震动小 压力脉动 很大 ． 低 于 3 ％ 。 流量脉动 很大 低于 5 ％ 。 抗污染力 2 5 g m 4 0 g m 功率／ 重量 比 0 ． 6 4 7 0 ． 9 5 8 容积效率 9 2 ％ 9 8 ％ 机械效率 8 4 ％ 9 3 ％ 使用寿命 2 0 0 0 h 4 0 0 0 h以上 4 非圆行星齿轮液压马达的发展现状及趋势 非圆行星齿轮机构是一种新 型的非圆齿 轮技术 ， 其发展历史是从 2 0世 纪 4 0年代开始的。从 4 0年代 末到 6 0年代初 ， 在非圆齿轮的理论研究和开发应用方 面水平较高的是前苏联和 日 本等国， 其中前苏联处于 世界领先地位 。前 苏联的 J _ I J _ I H T B H H在非 圆齿轮 的理论研究方面有很深 的造诣_ 2 j ， 特别是在啮合理论 的研究方面 ， 取得了许多研究成果 ， 曾发表了大量 的论 文， 并编著了 非圆齿轮 一书。进入 8 0年代后， 随着 计算机技术的发展 ， 特别是 C A D ／ C AM技术 的逐渐成 熟并广泛应用 ， 奠定 了非圆齿 轮技 术发展 的物质基础 并大大促 进了非圆齿轮技 术的发展。1 9 7 7年波兰人 B ． S i e n i a ws k i 首次将非圆行星齿轮机构应用于液压马 达， 成功的开发出了 S OK型非圆行星齿轮式低速大扭 矩液压马达 ， 该马达以其优 良的性能 、 低廉的成本很快 就占领 了市场 3。波 兰是最 早开始对非 圆行星齿 轮 液压马达进行研究的国家， 其研究亦处 于世界领先水 平 ， 但有关非 圆行星齿轮液压马达的技术 ， 波兰人十分 保密。波兰海德曼液压动力设备厂设计 与制造 的 S P 系列非圆行 星齿 轮液 压马 达性 能优 良， 有 3 4型 、 4 6 型 、 6 8型等多种型号 ， 既可采用矿物油作为工作介质 ， 也可 以在低运动黏度和低润滑性 的介质如高水基乳化 液条件下良好地工作 ， 已成功应用于煤矿井下作业。 维普资讯 1 8 液压与 气动 2 0 0 7年第 9期 我国在非 圆齿轮的研究方 面与 国外有一定 的差 距。上世纪五六十年代对椭圆齿轮的加工方法曾做过 一 些探讨。1 9 7 3年北京机床研究所的李福生等人合 作编译了 非圆齿轮 一书， 对我国非圆齿轮的发展起 到了积极的推动作用。之后 ， 李福生等人又于 1 9 8 1 年 编著 了 非圆齿轮与特种齿轮传动设 计 ， 标志着我 国 在非圆齿轮的理论研究方面 已经迈上 了一个新 台阶。 国内于 1 9 8 5年首次见 到关 于非 圆行星齿轮液压 马达 的介绍L 4 j ， 此后， 哈尔滨工业大学、 清华大学、 船舶工 业总公司上海 7 0 4 研究所、 第二炮兵工程学院、 西安交 通大学等单位都逐渐展开了对非圆行星齿轮机构或非 圆行 星齿轮液压马达 的研究 ， 取得 了一些研究成果并 形成 了一些产 品。在对非圆行星齿轮液压马达理论方 面的研究主要集中于以下几方面 ① 对非 圆行星齿轮机构 的节 曲线 的设 计研究 。 非圆行星齿轮机构的节 曲线设计有 3种方法 中心距 构造函数法、 共轭啮合法及行星轨迹法。 ② 对非圆行 星齿轮机构特性 的研究 。如对其 行 星轮的中心运动轨迹 、 速度及加速度等运动特性的研 究 ， 对其传动比特性的研究等 。 ③ 对非圆行 星齿轮液压 马达构成 的研究 。包 括 对轮齿齿数 、 模数等各参数的设计选择 和对配流机构 的的设计研究 。 ④ 对非圆行星齿轮 液压马达的特性研究。对马 达特性研究主要是对其排量及脉动率 的研究 。 在理论研究的基础上 ， 哈尔滨工业 大学机 电工程 学 院成功设计制造 出了 3 4型与 4 6型非圆行星齿轮液 压马达。北京时代非圆公 司与西 安交通 大学合作 ， 开 发出了 NC M 系列的非圆行 星齿轮液压马达产品 ， 取 得 了良好的使用效果和经济效益。 虽然 目前对非圆行星齿轮液压马达 的研究已经取 得 了一些成果， 但对其工作机理及特性 的研究尚不够 深入， 需要进行长期 的分析研究。今后对非圆行星齿 轮液压马达的研究应集 中在以下几个方面 ① 对 3 4型以外的其他类型 的非圆行星齿轮液压 马达 的进一 步研究 。3 4型是研究较早也是研究较 为 成熟 的一种非圆行星齿轮液压马达 ， 但对其他类型的 非圆行星齿轮液压马达的研究 尚处 于初级 阶段 ， 对其 结构特点及特性亦不是很清楚。 ② 深 入对非 圆行 星齿轮液压 马达 的特性研 究。 非圆行星齿轮液压马达是一种低速大扭矩液压马达 ， 其启动特性、 最低稳定转速等特性是衡量其优劣的重 要特性指标 ， 但 目前对非圆行星齿轮液压马达特性的 分析研究仍然较少 ， 各非圆行星齿轮液压马达生产厂 家所给出的特性数据亦不尽相同。 ． ③ 加强非圆行 星齿轮液压 马达 的应用研究 。非 圆行星齿轮马达拥有较一般低速大扭矩液压马达更为 优良的特性 ， 但 目前其在各行业中仍应用较少 ， 因而今 后应加强对非圆行星齿轮液压马达的应用研究。 5 非圆行星齿轮液压马达在煤矿机械 中的应用展望 液压传动由于单位重量输出功率大， 易于获得较 大的力或力矩 ， 加速及调速等性能优 良， 广泛应用于煤 矿机械。然而当前煤矿机械使用的各种低速大扭矩液 压马达如各种径向柱塞马达和行星转子式摆线马达普 遍存在着零部件数量多， 结构复杂， 材料要求高， 制造 工艺复杂， 体积大等不足， 在一些情况下无法满足煤矿 井下对煤矿机械在体积 、 重量及性能等方面的要求 ， 且 煤矿井下恶劣的工作环境如工作液的污染会导致马达 磨损严重 ， 寿命缩短 。非圆行星齿轮液压马达具有体 积小 、 重量轻 、 结构简单等优点 ， 对工作液t 亏染敏感性 低， 工作寿命长， 成为取代煤矿液压机械中液压马达的 升级产品， 尤其适用于手持式的旋转类机械 ， 如液压锚 杆钻机 、 液压煤层钻 、 液压瓦斯抽放钻机 、 液压钳等， 可 以大大改善上述机械当前存在 的机体重量大 、 移动困 难的现状。设计 良好的非圆行星齿轮液压马达甚至可 以在低运动黏度和低润滑性的介质如高水基乳化液条 件下良好地工作， 在煤矿井下使用时， 可使工作面实现 能源单一化 ， 给煤矿带来很好 的经济效益。 6结论 非圆行星齿轮液压马达是一种新型的低速大扭矩 液压马达 ， 与传统低速大扭矩马达相 比有着诸多优点 ， 应用前景 良好。在煤矿机械 中， 由于煤矿井下特殊条 件对液压机械 的要求 ， 非 圆行星齿轮液压马达将成 为 取代传统低速 大扭矩液压马达的升级产品。虽然 当前 对非 圆行星齿轮液压马达 的研究尚不 够深入 ， 制约着 它的应用推广， 但假以时 日， 非圆行星齿轮液压马达定 能为社会带来 良好的经济和社会效益。 参考文献 [ 1 ] 武丽梅， 等． 非圆齿轮技术的发展及应用[ J ] ．沈阳航空 工业学院学报 ， 2 0 0 0 3 ． [ 2 ] 许益民． 非圆齿轮行星传动式液压马达运动学数学模型 的建立[ J ] ． 南昌大学学报 工科版 ， 1 9 9 5 3 ． [ 3 ] 王大元 ． 波兰 S O K型液压马达[ J ] ． 舰船液压技术简讯， l 9 8 5 1 0 ． 维普资讯