一种球塞式液压马达.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 6年 第 0 1 期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 2 3 一 种球塞式液压马达 裴 自力 ， 张 平 ， 杨章永 1 ． 海装重庆局 ， 重庆 4 0 0 0 4 2 ；2 - 中船重工 重庆液压机 电有 限公 司， 重庆4 0 2 1 6 0 摘要 该文介绍了一种等加速率曲线球塞式液压马达， 该马达为轴向结构， 具有噪声低 、 扭矩大、 效率高和低速稳定性好等优点。 关键词 球塞式液压马达； 加速率； 扭矩； 结构 中图分类号 T H1 3 7 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 1 - 0 0 7 8 - 0 3 Ba l l Pl u g Hyd r a u l i c M o t o r PEI Z i l i 。 Z HANG P i n ． Y ANG Z h a n g - y o n g 2 1 ． T h e Na v y Eq u i p me n t Ch o n g q i n g Bu r e a u， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 4 2 ， C h i n a； 2 ． CS I C C h o n g q i n g H y d r a u ma t i c Me c h a n i s m E l e c t r i c i t y C o r p o r a t i o n L i mi t e d ， C h o n g q i n g 4 0 2 1 6 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s a k i n d o f c o n s t a n t a c c e l e r a t i n g r a t e c u r v e b a l l p l u g t y p e h y d r a u l i c mo t o r ， t h i s a x i a l mo t o r h a s s e v e r a l a d v a n t a g e s o f l o w n o i s e ， h i g h t o r q u e ， h i g h e ffic i e n c y a n d g o o d s t a b i l i t y a t l o w s p e e d ． Ke y wo r d s b a l l p l u g h y d r a u l i c mo t o r ； a c c e l e r a t i o n r a t e ； t o r q u e ； s t r u c tur e 0 引言 速率曲线滚道能保证理论上的流量脉动为零， 在实际 曲 矬 蔷 量 黧 。 ， 器 暴 鸶 荔 使 余 弦 加 速 率 曲 线 、修正余弦加速率曲线、 等加速率曲线 r 平 ” 坦 Ⅸ用 玉 ’ 含 登 篓 门 仅 对 双 向 等 强 对 称 型 等 加 速 率 曲 线 轴 向 球 塞 容 易 制 造 ，但 存 在 流 量 脉 动 ， 输 出 扭 矩 不 稳 定 ， 而 等 加 式 液 蕞 釜 。 ⋯ 5 -1 1 -0 6 ⋯⋯⋯⋯⋯ 塞 未1977 作 者 简 介 裴 自力 一 ， 男 ， 河南商 匠人 ， 1 一 程师 ， 硕士 ， 主要从事 舰 ， 1 l 工0 H J J ／ J 1 口 ’ 州 一 I 、 灶 、 一般来说 ， 液压元件装配时应按推荐的紧固扭矩 ， 【 3 ] 赵静一， 王益群． 合成橡胶压块机液压系统的可靠性分析【 J I ． 堡 思 篓 冀 床2 0 液0 1压,1 系2 统1 4 故3 4 -障 1分4 3 析8 ． 排 除 与 改 进 Ⅲ ．、液 压 气 手 ， 装 配 工 人 所 用 扭 矩 往 往 超 过 元 件 的 额 定 紧 固 扭 矩 ， l‘ ～ ⋯ 一 一 ’。 一 也正是 由于安装工人未按规定操作 ， 才导致 了这一故 [ 5 】 高明 ．液压 系统 诊断举例分 析【 J l _ 液压气动与密封 ， 障的发生。 2 0 1 4 ， 2 5 9 6 1 ． 4 结束语 【 6 ]姚 成 玉 基 于 可 靠 性 的 合 成 橡 胶 压 块 机 控 制 系 统 设 计 与 实 实践证明， 液压系统在设计和使用时要特别注意 [7 ]邢 ，张磊． 实用液压技术3 o o N[ M] ． 北京 机械工业出版 压力干扰是否会引起故障的问题， 二通插装阀是一种 社 ，2 0 0 6 1 2 3 1 2 5 ． 竺 此时， 在凸轮盘曲面滚道另一侧的球塞组件 5 或6 所 在 的柱塞孔 内无高压力油 ， 在缸体 N旋转时被推 回柱 塞孑 L 内 ， 使柱塞孔 内的低压油液经配流面 、 出油 口8 排 至 回油管路 。 如果将进 出油 口反 向接人系统 ， 缸体 N和壳体将 向相反 的方向旋转 ； 如果进油 口 1 和出油 口8 同时接通 回油管路 ， 并经马达的泄油口向壳体内输入一定压力 的液压油 ， 此时球塞组件应缩人柱塞孔内 ， 球塞组件上 的钢球应 与凸轮盘曲面滚道完全脱离 ， 壳体 配油轴 处于 自由轮工况 。 1 基本结构 轴 向球塞式液压马达主要 由壳体 、 配油轴 、 缸体 、 端面凸轮盘、 前盖、 后盖、 球塞组件等构成。图l 为本文 所 述的轴向球 塞式液压 马达结构 简图 ， 该马达为双排 球塞壳转型。 缸体 圆周均布八个柱塞孑 L ， 在液压力的作用下 ， 缸 体旋转 ， 其上的配油孑 L 与配油轴上 的配油槽循环连通 ， 完成配油工作。缸体与壳体通过键连接 ， 当缸体旋转 时带动壳体一起旋转 ， 输 出扭矩。 配油孔 配油槽壳体 凸轮盘缸体 球塞凸轮盘 后盖 组件 图 1球塞式液压马达结构简图 配油轴内有三个油孑 L ， 分别为进 、 出油孑 L 和回油 孔 ， 并设 计有配油槽 ， 其数量 为马达球塞 作用次数 的 2 倍 。 端面凸轮盘 的一端分布数个有相 同运动规律的曲 面滚道 ， 在柱塞孔封闭容积 内液压力的作用下 ， 与高压 腔相通的球塞组件被推出柱塞孑 L ， 并作用在凸轮盘的 曲面滚道上， 在凸轮盘的切向反作用力下， 缸体发生旋 转 。同时与低压腔相通的球塞组件在凸轮盘 的切向反 作用力下被推人球塞孔 。 球塞组件 由柱塞 、 钢球 、 静压球 垫组成 ， 位 于缸体 柱塞孔 内。该种结构的 目的是为 了减小摩 擦 ， 提高机 械效率 。球塞组 件在 凸轮盘 的曲面滚道上做 圆周运 动， 并在缸体柱塞孔内做轴向往复运动。 前盖 、 后盖与壳体通过螺栓连接 ， 与壳体一起 旋转 。 2 工作原理 该马达 的工作原理与斜盘式轴 向柱塞 马达相 近 ， 只是钢球和端面凸轮盘代替了斜盘式马达的滑靴和斜 盘。斜盘式轴向柱塞马达的缸体每旋转一周 ， 柱塞全 行程动作一次， 而该马达每个球塞的动作次数与凸轮 盘圆周滚道上重复的曲面滚道数量一致 。 当高压油通过配油轴 M的进 油 口1 见图 2 ， 经配 流面2 进入柱塞孔 3 时 ， 球塞组件 4 在液压力的作用下 ， 顶在凸轮盘7 曲面滚道的一侧 ， 滚道反作用力的侧向分 力 推动缸体N旋转 ， 并带动与缸体连接的壳体旋转 ， N 1 一 进油 【__I 2 一 配流 面 3 一 柱塞孔 4 、 5 、 6 - 球塞组 件 7 一 凸轮盘 8 一 出油 口 M一 配油轴N 一 缸体 图 2 工作原理 示意 图 3 凸轮盘曲面滚道分析 在 马达 排 量 、 压 力 和基 本结 构 等主要 参 数确 定 之 后 ， 最 主要 的工 作就 是对 端 面凸轮 盘 曲面滚道 的 分析设计。凸轮盘曲面滚道的型式决定了马达的使 用寿命 、 运转平稳性 、 转速及输 出扭矩等各项性能 指标 。 在曲面滚道设计时， 要明确作用次数、 球塞组件数 量 、 作用幅角 、 角模数 、 配流角等与球塞组件运动 曲线 相关的参数 。 3 ． 1作用次数 作用次数是指缸体旋转一周 ， 每个球塞组件的作 动次数 。在马达排量一定的情况下 ， 作用次数与球 塞 组件的直径 、 行程和数量成反 比。作用次数较少时 ， 滚 道轨迹 的曲线压力角较小 ， 但需增大球塞组件的直径 、 行程 ， 或增加球塞组件 的数量 ； 当作用 次数较多时 ， 可 以减小球 塞组件 的直径 、 行程 ， 或减 小球塞组件 的数 量， 但作用次数较多时， 滚道轨迹的曲线压力角增大， 对于轴向球塞式马达来讲， 曲线的压力角应 2 0 o 。 3 ． 2 球塞组件数量 球塞组件数量 的确定应考虑马达 的排量 、 作用 次 数及球塞组件行程等参数。其中最主要考虑的是球塞 组件的作 用次数 ， 因为球塞组件数量与作用次数 的组 合对滚道轨迹 的曲线型式 、 形状起决定性作用 ， 设计 时 应尽量使作用次数和球塞组件数互质 ， 减小角模数， 以 79 液 压 气 动 与 密 ,d 12 01 6年 第 0 1 期 利于进行幅角分配。 3 ． 3 作 用 幅角 球塞组件完成一个完整的伸 出或缩 回动作所对应 的圆周角。对于对称 、 无单向加强的滚道轨迹 ， 作用幅 角为一个完整工作 曲线对应角度的一半 ， 即 咖 r r 式中币 作用幅角 ； 作用次数 。 3 ． 4 角模数 角模数是指假设一组球塞组件全部作用于一条完 整 的T作 曲线 上时 ， 各 球塞 组件 的相 位差 。计算公 式为 ．．． ．2 ．．．．． rr A 4,2 4, h 2 r r m z 。 zx m 式 中A 4,角模数 设 计时为方便 幅角分配 ， 应使 角模数尽量小 ， 即使 m值尽量小 ， ； z 每组球塞组件数 ， 等于球 塞组件数除 以 球塞组件数与作用次数的最大公约数 ； 作用次数 ； z 球塞组件数 ； m球塞组件数 除以球塞组件数 与作用次数 的最大公约数 m值最小为 1 。 在实际应用 中经常采用 的作用次数和球塞组件数 组合为3 和7 、 3 和 8 、 3 和 1 0 、 4 和 7 、 4 和 9 等 。 3 ． 5 配流角 配油零部件是该 曲线马达 的重要件 ， 其配流窗 口 数量应等于滚道曲线 的波形数 即作用次数 的两倍 ， 而缸体上的配流窗 口数量等于柱塞孔数量 。为 了提高 马达 的容积效率 ， 要求球塞组件在上 、 下极限行程时 ， 缸体配流窗 口全部封 闭 ， 并保持一定 的配流角 A O 遮 盖角度 ， 一般取 A O 0 ． 5 2 。 。 3 ． 6 曲线构成及幅角分配 等加速率 曲线是 由首尾相连 的零速段 曲线 、 加速 段曲线、 等速段曲线 、 减速段曲线和零速度段曲线共五 段 曲线构成 。 确定 了角模数 、 零速段幅角后 ， 则需要对作用幅角 进行正确 的幅角分配 ， 即每段 曲线对应一个幅角 ， 并保 证加速段幅角和减速段 幅角 的流量脉动为零 ， 其先决 条件是加速段 的幅角和减速段 的幅角为角模数 A 4,的 整数倍 。 综合 以上 主要参数分析 ， 确定球 塞组件在轴 向运 动方 向上 的运动轨迹 ， 求得作用幅角上 ， 各段 曲线所对 8 0 应 的运动方程 ， 即可完成对球塞组件运动 曲线 的理论 设计 ， 进而完成 曲面滚道的设计。 4 实用效果 目前 ， 该型轴 向球塞式液压 马达已逐步形 成标 准 化 、 系列 化产品 ， 现有公称排量 6 3 0 m L、 8 0 0 m L两种 规 格 ， 公称压力级均为 1 6 MP a ， 且有壳体旋转 型与轴旋转 型两 种结构 型式 。根据试验 验证和用户装 机试用 情 况 ， 可将该轴向球塞式液压马达的实用效果 归结为以 下几点 1 径 向结构 尺寸小 ， 输 出扭矩大 ， 可极 大地节约 空间和简化 中间减速传动机构 ； 2 采用的双向等强设计 ， 不仅使 马达的双 向输 出 扭矩一致 ， 而且寿命相等 ； 3 采用等加速率滚道设计 ， 使得 马达的的流量脉 动小 、 噪声低、 输出扭矩稳定， 可在极低的转速下保持 运转稳定 。 5 存在的问题和改进措施 随着马达转速 和供 油压力 的提高 ， 球塞与凸轮盘 之间会出现 明显 的敲击声 。这是 由于柱塞腔突然接通 高压油时产生的压力锤击所造成 的。压力 冲击不仅会 产生 冲击噪声 ， 同时会在敲击处产生较大 的接触应力 ， 造成滚 道过早 的疲劳破坏 。因为存在冲击 ， 该类 型马 达的失效原 因均是产生敲击处滚道过早的疲 劳损 坏 ， 可从三个方面着手来解决 ①在配流轴上开节流槽 ， 延 长柱塞孔压力上升时间 ； ②柱塞孔设置卸荷装置 ， 限制 冲击产生的压力波动 ； ③设计更加合理 的滚道 曲线类 型 ， 使整个滚道上 的接触应力分布更为均匀 。 6 结束语 介绍了一种滚道为等加速率曲线型式的球塞式液 压马达 ， 该型马达具有体积小 、 输 出扭矩大而稳定 、 流 量脉动小 、 噪声低等特点 ， 满 足了 目前用户的要求 。该 型马达可与轮毂 、 卷扬筒等零部件组成紧凑整体式结 构 ， 用于多种设备 ， 其运用范围广泛。 参考文献 【 1 ] 陈奎生． 液压与气压传动[ M】 ． 武汉 武汉理_T大学出版社 ， 2 001 ． 【 2 ] 雷天觉． 液压工程手册 M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 0 ． 【 3 ] 成大先． 机械设计手册[ M】 ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 2 ． 【 4 】 上海煤矿机械研究所． 液压传动设计手册【 M ] ． 上海 上海人 民出版社 ， 1 9 7 6 ．