低速大扭矩多作用内曲线径向柱塞式液压马达的发展与应用.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS F e b． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 5 7 低速大扭矩多作用内曲线径向柱塞式液压马达的发展与应用 黄方平 ，罗从宗 ，黄菲 ，沈萌红 1 ．浙江大学宁波理工学院 ，浙江宁波 3 1 5 1 0 0 ；2 ．太原科技大学，山西太原 0 3 0 0 0 0 摘 要介绍了内曲线马达的突出性能，并结合其独特的优点介绍其应用领域。阐述了国内外多作用内曲线径向柱塞式 液压马达的发展，提出国内内曲线马达发展遇到的问题，展望了内曲线液压马达的发展趋势。 关键词径向柱塞马达；内曲线；低速大扭矩；发展应用 中图分类号T H1 3 7 文献标志码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 4 1 8 1 3 De v e l o pme nt a n d Appl i c a t i o n o f I nc ur v e M ul t i - s t r o ke Ra d i a l - pi s t o n Lo w- s p e e d a nd Hi g h- t o r q ue Hy dr a u l i c M o t o r HUANG Fa n g p i n g ’ ， LUO Co ng z o n g ’ ，HUANG F e i ’ ，S HEN Me n g ho ng ’ 1 ． N i n g b o I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， N i n g b o Z h e j i a n g 3 1 5 1 0 0 ，C h i n a ； 2 ．T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e o u t s t a n d i n g p e rf o r ma n c e o f i n n e r c u r v e mo t o r w a s s u mme d ． I t s a p p l i c a t i o n fi e l d s w e r e i n t r o d u c e d c o mb i n i n g wi t h i t s u n i q u e a d v a n t a g e s ．I t s d e v e l o p me n t a t h o me a n d a b r o a d wa s e x p o u n d e d ，a n d t h e d e v e l o p me n t p r o b l e ms o f d o me s t i c i n n e r c u r v e mo t o r we r e p r e s e n t e d，t h e d e v e l o p me n t t r e n d o f i n t e r n a l c u r v e h y d r a u l i c mo t o r wa s p r o s p e c t e d ． Ke y wo r d s Ra d i a l - p i s t o n mo t o r ；I n c u r v e ；L o w s p e e d a n d h i g h t o r q u e ；D e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n 液压传动被广泛应用于国防、冶金、航空航天等 部门 。内曲线 多作 用 径 向柱塞 式 液压 马 达是 液压 系 统中极其重要的执行 元件 ，通 常简 称为 内 曲线 马达 ， 它是低速大扭矩液压马达的主要形式之一 ，具有转 速低 、输 出扭矩 大 、尺寸小 、变速范围大 、低速稳定 性能好等优点，广泛应用在工程机械、军工机械、建 筑机械 、矿 山机 械等 领域 。随着 液 压技 术 不 断 向高 压 、大功率方向发展及人们对环境保护的日益重视， 要求 液压执 行 元件 具 有 噪声低 、污染 小 、运转 平 稳 等特点 ，因此 ，大扭矩 马达成为发展趋势之一 。 近年来，随着材料 、计算机辅助制造等技术的 进步，内曲线多作用马达的性能和寿命得到很大程 度 的提 高。 随着我 国经济 的稳 步 增 长 ，在 工业 现 代 化和大规模城市化的进程 中，工程机械、起重运输 机 械 、农业 机械 、矿 山机械 、建筑机械和军工机械等 众 多领 域 对 内 曲线 径 向柱 塞 马 达 的需 求 非 常 旺 盛 ， 面对进 口马 达价 格 高 、交 货期 长 的 门槛 ，开发 出高 性能而 又经济 的马达显得尤为迫切 。 文中主要介绍多作用内曲线径 向柱塞式液压马 达 发展 概况 ，简述 国 内外 发展 遇 到 的 问题 ，并 概 要 说明多作用 内曲线径向柱塞式液压马达的特点和应 用 ，展望 了未来 的发展 趋势和方 向。 1 内曲线液压马达简介 内曲线液压马达是一种多作用径 向柱塞式马达， 因其多作用结构特点 ，使其具有工作速度低 、输出扭 矩大，结构紧凑 、体积小、质量轻，外接结构简单 ， 应用方便等特点 。由于具有 以上 突出特点 ，内曲线多 作用径向柱塞式液压马达已经广泛应用于土方及筑 路等工程机械 ，如振动压路机 、挖掘机 、推铺机 、钻 机、混凝土搅拌输送车、滑移转向装载机、石油钻探 设备 ，也用于扫路车 、割草机 、叉车 、船用 甲板设备 和铁路专用车辆及飞机牵引车等；此外，内曲线低速 大扭 矩液压 马 达在 军工 上 有重 要 用途 ，比如 用 于某 些军用特种车辆的驱动装置、炮台转向装置等 。 多作用内曲线液压马达典型结构如图 1 所示。 1 一前端盖壳体2 一后端盖壳体 卜 转子 4 一定予轨道 5 _配流器 6 一传力轴7 一联接法兰8 一柱塞滚子组件 9 一制动器壳体 l 0 一制动器流道l l 一 制动 簧片 1 卜 制动片l 3 一 后盖 图 1 多作用内曲线液压马达结构原理图 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 1 一 l 5 ， 基金项 目 宁波市重大攻关项目 2 0 1 0 B 1 0 0 0 2 作者简介黄方平 1 9 7 3 一 ，男，副教授，研究方向为流体传动及控制。E - m a i l h f p 6 1 8 1 6 3 ． c o n。 1 8 2 机床与液压 第 4 3卷 2 内曲线液压马达的发展 相对于有着上百年 发展历 史 的轴 向柱塞 式 马达 ， 内曲线径 向柱塞式 马达起 步较 晚 ，其 发展 始于 2 0世 纪 5 0年代 。 2 ． 1 国外发展 概 况 2 0 世纪 5 0年代 初 ，法 国 S a m m公 司设计 和研 制 了多作用 内曲线径 向柱塞式液压马达 ，并将其成功 用于液压随动系统，代表产品是额定压力为 1 0 M P a 的 M1 0型马达 。随后该公 司在研 制 过程 中改进 了带 配 流轴 的 M1 0型液 压马达 ，并 在此 基础上研 制 了带 端面配流结构 的 M 2 0型液压马达。 瑞典 的 H a g g l u n d s 公 司在 2 O世 纪 5 0年代 研制 了 可以直接装 在 轮毂 上 的多作 用 内 曲线径 向柱 塞式 壳 转马达 ，这种马达在传力方式上也做了改进，使用 了滚轮传力方式。随着研究的深入 ，内曲线马达性 能有了很大的提高 ，例如排量为 4 ． 7 L ／ r 的液压马 达 ，经 过十几 年的发展 ，压力增加 了 3 ． 2 倍 ，转速增 加了 4 ． 7 6 倍，功率增加了 1 5倍。2 0世纪 7 0年代中 期 ，该公 司在 传力 方式 上 又一 次实 现 了突破 ，研 制 了横梁传力结 构 马达 ，大 大缩小 了外 形 尺寸 。2 0世 纪 8 0年代 以来 ，为适应 煤矿 机械 的需 要 ，研 制 了寿 命更长 、性能更好 的 MA系列轴转 马拉 松液压 马 达。 近年来 ，在低 速大 扭矩 液 压马 达 的研制 和 生产 上 已 经形成 了几 大 系列 的 自主 品牌 对 空 间和 质量 有严 格要求的金牌 C A系列马达；重型机构需求的具有出 色 的可控性和抗 冲击负载性 的金牌 C B系列 马达 ；专 用于航海领域的维京系列马达等。 法国 P o c l a i n公司从 2 0世纪 5 0年代起研制了为 挖掘机配套的横梁传力结构内曲线马达，2 0世纪 6 0 年代批量生产 G1 系列，2 0世纪 7 0年代生产 G 2系 列 ， 8 0年代 又研制 了壳转型 G 3系列 车轮 马达 。为适 应 主机 和提 高低 速大 扭矩 液 压 马达 的性 能要求 ，近 十几年来该公 司在 S系列 的基础上发展 了多作用配流 的 M S系列液压马达 ，在配流方式 上 由原来 的径 向轴 配流改为端面配流 ，配合问隙得到了自动补偿，使 得此类马达能够长期保持较高的容积率 。 2 ． 2 国 内发展 概 况 我国对于低速大扭矩马达的研究相对较晚，2 0 世纪 6 0年代 中期 才开 始研 究低 速大 扭 矩液 压 马达 ， 在进行 样机 测绘 、仿制 工 作 的基础 上初 步形 成 了曲 轴连杆马达及内曲线马达等少数几种规格。2 0世纪 7 O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 4 0多个 ，品种和 主机应 用都 有 _ r 大幅度 的发展 ，但主要为主机配套使用 。 2 0世纪 7 0年代以来 ，国内设 计开 发 了多种规 格 的多作 用 内 曲线 径 向柱 塞式 液 压 马达 ，如 宁波 液 压 马达有 限公 司生产 的 Q J M、Q K M 系列 内 曲线 径 向柱 塞式低速大扭矩马达 ；沈 阳工程液压件厂 、上海液压 泵厂等生产 的轴转 N J M 系列 、N K M 壳转 系列 内曲线 液压马 达。到 目前 为止 ，N J M 系列 液压 马 达 已有 近 2 0 种排量规格 ，最高工 作压 力也 已达 3 1 ． 5 MP a ；国 产 N J M系列 液压 马达 ，导 轨分 为片 式结 构 ，横 梁传 力 ，根据排量大 小 ，额定压 力 P 1 6 ～ 2 5 MP a ，最大 压 力为 P ⋯ 2 0～ 3 1 ． 5 M P a ，该 系列 共 有 1 6个规 格 0 ． 6 3 ～ 5 0 L ／ r ，该 系列液压 马达具有 较好 的效率性 能，台架试验寿命接近 8 0 0 0 ～ 1 0 0 0 0 h ；浙江大学国 家流体 力学重 点实验 室通 过 吸取 国 内 Q J M 等 系列 马 达的成 功经验 ，按照 现代设计理论 ，从效率优化 的角 度研 发 了 Z J M 系列 液压 马达 ，在 2 0 0 1 的上海 第六届 国际流体传 动 与控 制技 术 展览 会上 引起 业 界 的广泛 关注和重视 。 以陈卓如教授为代表的专家从提高 内曲线寿命 的角度率先提出了等接触应力设计理论 。江苏淮 阴九二五厂按照等接触应力理论 自主研发 了 D M 系列 液压马达，使马达性能和寿命得到了进一步提高 。 近几年 ，国内企业 通 过对 外 国技 术 的 吸 收和 自 主研发也 取得 了令 人 瞩 目的成 绩 ，值 得一 提 的是 上 海波赫驱 动 系统有 限公 司。该 公 司 主要生 产 用 于静 压传动 系统 的液 压元件 及 成套 系统 ，其 中多作 用 径 向柱塞式低速大扭 矩液压 马达包 括 M K、M W 等 数十 种规格 型号 ，排量范 围从 0 ． 1 7 L ／ r 到 1 5 L ／ r ，最高压 力也做到了4 0 M P a以上 ，最高转速随型号不同为 5 0 ～ 3 9 0 t ／ mi n o 虽然 近几 年 国 内内 曲线液 压 马达 的性 能 得 到 了 大幅度提高 ，但是相比国外 同类型产品还是有很多 不足。在一 些极 端 工作 场合 还是 国外进 口产 品 占据 主导位 置。 2 ． 3 国内内曲线马达存在 的问题 随着 内曲线 多作 用径 向柱塞 式 液压 马达 的市 场 需求逐年扩 大 ，国 内开始 研究 和生 产 这类 马达 的企 业和单位也逐年增加。由于国内钢铁材料生产工艺、 加工设备和装配工艺等方面的问题 ，国内的早期产 品普遍存在结构复杂 、工作压力低、可靠性差、寿命 不长、效率低等缺点- s 。 国产 内曲线 多 作用 马达 的问题 首 先还 是要 归 结 于材料 问题 ，特 别是 滚轮 柱 塞副 和导 轨 内 曲线 的材 料问题。如果材料选择不当，马达的使用寿命会大幅 度缩短 ，目前 国内关 于 内 曲线关 键摩 擦 副 的材 料 匹 配 大多是按照经验或者轴承设计来选用 。 其次 ，多作 用 内 曲线 液 压 马达 的 导轨 曲线相 当 复杂 ，对加工设备 的精度要求极高 。我 国早期产 品的 导 轨曲线 加 工手 段 大都采 用 加工 凸轮 的靠 模 法 ，往 往加工出来的导轨曲线和设计出来的曲线相 比已经 第 4期 黄方平 等 低速大扭矩多作用内曲线径向柱塞式液压马达的发展与应用 。1 8 3 物是人非 了，近 十 几年 国内才 渐渐 采 用专 用 的 曲线 磨床来加工马达的内曲线。对于像等接触应力 曲线 这类非常复杂的曲线加工，不仅要提高加工精度， 还得注意加工对导轨材料属性 的改变。此外，多作 用内曲线径 向柱塞式马达这类结构复杂的设备对装 配 工艺 的要 求 也是 相 当苛 刻 的。 国内企 业 ，特 别 是 一 些 中小 型生产 企业在 装配工 艺上还 存在 很多不 足 ， 导致 马达性能和寿命的降低 。 最后 ，值 得 引 起 大家 注 意 的 问题应 该 是 国 内 对新结构 内曲线液压马达的研究相对不 足，大都停 留于国外产品的测绘仿制和反 向研究，并且研究方 法也有待提高。由于 国内很多企业一 味追求利益 ， 直 接仿 制 国外 产 品，对 内曲线 马 达 的研发 经 费投 入 严重不足，我国在近几年对新结构内曲线马达的研 究 相对 轴 向柱 塞泵／ 马达 的研究 显 得 迟 缓 且进 展 不 大 ，研究 重点 也 主要 停 留在 理论 推 导 和设 计 上。 由 于虚拟样机完全按照对象最本质的因素建模，在动 力学特性 上非 常接 近 于物 理样 机 ，因而 对虚 拟样 机 的仿真评估可 以代替对物理样机总体设计性能的评 估 。在现有的技术和资金情况下 ，不妨使用 目前 相对合理有效的虚拟样机技术 ，通过模拟在虚拟液 压系统中运行 的马达来研究马达结构参数对其性 能 的影响，从而有效地指导实践和创新，与常规的静 态地对某 个 关 键 部件 进 行 分 析 的研 究 方 式相 比较 ， 利用虚拟样机进行研究更加符合实际和合理。 3 内曲线液压马达的未来发展趋势 液压泵／ 马达发 展至 今 ，技术 已经 比较成 熟 。一 些参数 ，如最大压力 、输 出功率 、转速 、效率等在 近 些年都没有质的变化。譬如 ，受材料强度和尺寸限 制 ，国外大 功率低 速 大扭 矩 内曲线 液压 马达 的最 高 工作压力仍保持在 2 0世纪 7 0年代就 已达到 的 4 2 M P a 左 右 ；受 以柴 油 机 为 主 的发 动 机转 速 的制 约 ， 工程机械常用规格的轴向柱塞泵的转速也大体保持 在3 0 0 0 r ／ m i n ；单个元件在最佳工况条件下的最高效 率仍然在 9 0 ％附近徘徊 ” 。 随着技术 的进 步 和 发展 ，新一 代 的 内曲线 液 压 马达有许 多创 新 之处 ，多作 用径 向柱塞 式 液压 马 达 的发展趋势 主要有 以下几个方 向 1 轻 量化 是 多作 用 内曲线 液压 马达 的发展 方 向。这主要体现在马达功率密 度的提高 。同样 的输 出 功率 ，更轻更紧凑 的新一代元件 自然更受消费者亲睐。 2 为了应对多样化的市场需求，新一代 的低 速大扭矩液压马达越来越注重模块化设计。将 内曲 线马达的各主要部件拆分成各种具有互换性 的模块 ， 如前端驱动模块 、液压基础模块、配流模块 、制动器 模块等。这些模块都是可以根据客户的不 同需求加 以组装就可 以直接用 于主机 ，不再是像 以前为了某 些 主机而专门设 计开发配套的马达 。 3 可工作在泵工况是多作用内曲线液压马达 极具竞争力的发展方向。在静液压驱动 H S T装置 中，可工作在泵工况的多作用 内曲线马达可以省去 制动器 ，大大 减轻 结 构 尺寸 和质 量 ，节 省 系统 开 发 成本 。 4结束语 1 多作 用 内 曲线径 向柱 塞式 液压 马达 以其 优 异的性能越 来越 广 泛地 被 应用 在 各种 工程 机 械 、农 用机械 、牵引机械及军事工业 中，特别是在静液压驱 动装置 中。 2 多作用内曲线径向柱塞式液压马达 的未来 发展方向基本结构进一步稳定，轻量化、模块化及 可工作于泵工况 ，以及节能 、减少系统 的发热量也成 为设计时需要考虑 的一个重要方 向。 3 我国的多作用 内曲线 液压 马达在材 料匹配 、 生产加工工 艺 、装 配 工艺 及研 究 方法 上 还有 很 多不 足，国内市场旺盛的需求和国家 的重视以及科研资 金和技术的 重点 支持 对 我 国 内曲线 液压 马 达相关 技 术发展有巨大 的推动作用。要 紧跟国际先进技术潮 流 ，发挥后发优势 ，提高 自主创新能力 ，必能 紧迫 国 际先进技术水平甚至能够超越 。 参考文献 [ 1 ]徐绳武． 轴向柱塞泵和马达的发展动向[ J ] ． 液压气动与 密封， 2 0 0 3 4 1 0 - 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