带冲洗溢流阀的斜轴式轴向柱塞液压马达功能分析与比较.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 ． 2 01 1 带冲洗溢流阀的斜轴式轴向柱塞 液压马达功能分析与比较 江 浩 焦 玲 北京华德液压工业集团有限责任公司 ， 北京 1 0 0 1 7 6 摘要 针对斜轴式轴 向柱 塞定量液压马达在实 际工 况中马达体温度升高 的情况 ， 结合液压 马达结构特点及产生热量 的原 因 ， 经分 析 采取了内置定量冲洗， 外置可调压冲洗阀和外置可调压安全冲洗溢流阀三种方式来实现液压马达的冲洗降温。 关键词 液压马达 ； 闭式液压系统 ； 冲洗溢流 阀 ； 降温 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 O l 一 0 0 3 9 0 4 Cl i n e F l u s h i ng R e he f Va l v e wi t h Ax i a l Pi s t on Hyd r a u l i c M o t o r F u n c t i o n a l An a l y s i s a n d Comp a r i s o n J I ANG Ha o J I A0 L i n g B e i j i n g Hu a d e H y d r a u l i c I n d u s t r i a l G r o u p C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 1 7 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Ax i a l P i s t o n f o r C l i n e q u a n t i t a t i v e h y d r a u l i c mo t o r i n t h e a c t u a l wo r k i n g c o n d i t i o n s i n t h e c a s e o f t h e mo t o r b o d y t e mp e r a t u r e ， c o mb i n e d w i t h s t r u c t u r al c h a r a c t e ris t i c s a n d t h e h y d r a u l i c mo t o r c a u s e s t h e h e a t g e n e r a t e d b y t h e b u i l t - i n q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s t o ri n s e ， w a s h t h e e x t e r n al c a n b e r e g u l a t i n g p r e s s u r e r e g u l a t o r v alv e a n d e x t e r n a l s e c u rit y c a n b e a c h i e v e d i n t h r e e wa y s fl u s h i n g r e l i e f v a l v e fl u s h i n g h y d r a u l i c mo t o r c o o l i n g ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c mo t o r ； c l o s e d h y d r a u l i c s y s t e m； fl u s h i n g r e l i e f v a l v e ； d r o p t e mp e r a t u r e O 前言 斜轴式轴 向柱塞定量液压马达在工程机械、 机床 、 化工设备 、 航海 、 石油 、 冶金 、 矿 山、 轧钢 、 型材和造纸等 领域被广泛使用。主要应用于工程机械车辆的开／ 闭式 液压系统中 ，如轮式起重机 和履带式起重机的卷扬及 回转液压系统 ， 履带式挖掘机等的行走 系统 ， 以及混凝 土搅拌运输车的闭式液压系统 。例如对混凝 土搅拌运 输车的闭式液压系统 ，马达是该液压系统 中的关键液 压元件 ， 通过静液传递来驱动减速机 ， 再 由减速机驱动 搅拌装置 ， 对混凝土进行搅拌 。 柱塞 马达的结构 的特点使 其具有很 高 的容积效 率。 但在闭式液压系统 由于散热性能不好 ， 马达长时间 运转就会 出现明显的发热状况 ，导致液压元件的密封 件在高温下变质 ， 弹性变性能力降低， 密封性能降低 ， 甚 至密封失效 ， 使 泄漏增大。另外 ， 发热会使工作液体 的 黏度下降，液体 的润滑性能降低 ，液压元件 的磨 损加 快 ， 加速了元件 的磨损失效 ， 缩短 了元件 的使用 寿命 。 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 一 O l 作者简介 江浩 1 9 8 0 ～ ， 女 ， 工程师 ， 一直在华德 液压从事液压元件 的研 究 与应用 。 因此 ，在这类液压系统 中使用这种定量马达已经不能 满足液压系统 的需求 了，使用具有循环降温功能的液 压马达 已成为这些液压系统 的首选。 1 斜轴式液压马达基本结构与工作原理 如 图 l所示 ，斜轴式轴 向柱塞定量液压 马达主要 由主轴 、 壳体 、 后 盖 、 回程板 、 连杆柱 塞副 、 轴承 、 配油 盘 、 中心轴等零件组成。中心轴与连杆柱塞副通过回程 板铰接在主轴端面的球窝中 ，连杆柱塞副可与主轴联 的配流孔进入缸体柱塞孔中，并推动柱塞进行往复运 动及缸体转动 ， 从而带动主轴旋转输出扭矩。 1 2 6 4 R S 7 l 一 主轴2 一 壳体3 一 后 盖4 一 回程板 5 一 连杆 柱塞副6 一 轴承7 一 配油盘8 一中心轴 图 l 结构 图 3 9 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 1期 2 分析过程 在闭式液压系统中， 由于局部和沿程压力损失、 内 部泄漏及运动部件摩擦力 的存在 ， 使系统温度升高。如 果液压马达长时间处于高温作业的状态 ，会影响其正 常使用性能 ， 缩短产品的使用寿命。在液压马达上装带 有循环降温功能的冲洗溢流阀，可以很好地改善马达 在闭式系统 中的发热情况 ， 保证产品使用性 能， 延缓使 用寿命。目前 ， 对于该系列定量液压马达共开发出带三 种不同型式的冲洗降温结构 内置定量冲洗 ， 外置可调 压冲洗 阀和外置可调压安全冲洗溢流 阀。这三种型式 的冲洗溢流阀马达通过实验分析比较 。适合不同使用 工况， 实际使用效果 良好。 2 。 1 带 内置定 量冲洗 的液 压马达 设计 如图 2所示 ，带内置定量冲洗 的斜轴式轴 向柱塞 定量液压马达是从高压油路引油 ，将冲洗功能整合在 马达壳体中，以实现循环冲洗降温功能的一种新型马 达 产品 2带 内置 定 量 冲 洗功 能 的液 压 马 达 2 ． 1 ． 1 工作原 理 如图 3所示 ，高压油液推动钢球滚动打开高压侧 单向螺塞 的油路 ， 钢球滚动到低压侧单向螺塞 ， 将低压 侧油路封闭，冲洗油液通过喷嘴的节流降压流人马达 壳体内部的轴承部位 ， 使壳体 内部油液循环流动。冲洗 油液的循环流动可使壳体 内油液通过壳体上的泄油 口 流 回油箱 ，马达内部流 出的高温油液与油箱内部的低 温油液进行热交换 ，从而实现了马达的 自主循环降温 过 程 图 3 冲洗阀原理 图 2 ． 1 ． 2产 品性 能特点 带内置定量 冲洗 的液压马达属于具有主动 冲洗功 能的液压马达， 不需要 开启压力就可 以实现冲洗功能。 如图 4所示为带 内置定量冲洗的液压马达样机 ，该产 品是将液压马达 的基本功能与冲洗降温功能有机结合 的一种新型液压马达产品。不但优化了产品的结构 ． 而 且外形美观 ， 结构紧凑 ， 占地空间小 ， 使用起来 简单方 便 ，非常适合移动工程机械设备对空间有要求闭式液 压 系统。由于该结构 的冲洗阀属于主动强迫循环冲洗 降温 ， 没有开启压力 ， 会导致一部分工作油液的损失 ， 且是以损失高压油为代价， 使马达容积效率略有减小 。 图 4带内置冲洗功能 的马达样机 2 ． 2 带 外置可调 压 冲洗 阀的液 压马 达的设 计 如图 5所示 ，带外置可调压冲洗阀液压马达就是 在原有马达的基本结构上外加一个冲洗溢流阀以实现 马达的循环冲洗降温。 图 5带 外 置 司调 压 冲 洗 阀 液 压 马达 如图 6所示 ， 调压冲洗 阀主要 由阀体 、 阀芯 、 弹簧 、 直动溢流阀、 密封螺塞 、 调节螺钉 、 调压 弹簧等零件组 成。 系统工作前 ， 直动溢流阀先设定一个的开启压力 ， 当 高压油压力超过开启压力时 ， 溢流阀打开工作 ， 油液流 过马达， 溢回油箱 ， 从而实现冲洗降温功能。 冲洗量大小 依靠调节螺钉控制阀芯开 口大小来达到所需的流量。 令l 匐 ． l 令 匕 么 囱 舍 ＼ | - ／ ／ IT_一 ／ ／ L { ＼ ， 卜D 1 一 阀体2 一 阀 芯 3 一 弹 簧4 一 密 封 螺 鏊 5 一 调节螺钉6 一 直动式溢流 阀7 一 调压弹簧 图 6 可调压 冲洗 阀结构图 2 _ 2 ． 1 工作原 理 如 图 7所示 ， 高压油推动滑阀移动 ， 打开低压侧油 路 ， 低压油流过溢流阀， 此时 ， 溢流阀进油 口的压力油 ， Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， N O ． 1 ． 2 0 1 l 与弹簧力形成了一个相抗衡 的液压力 ，当压力小于调 压 弹簧 的预紧力时 ， 锥 阀关 闭 ， 此 阀不起调压作用 ； 随 着进油 口压力的不 断升高 ，当压力大于调压弹簧预紧 力时 ， 锥阀开启 ， 油液通过溢流 阀， 流过马达壳体 ， 再溢 回油箱 ， 从而实现循环降温功能 。 图 7 可调压 冲洗 阀原理 图 2 ． 2 ． 2弹簧及换油量的计算 1 弹簧的计算 。弹簧使 阀芯和调节螺钉 紧密贴 合。调节调节螺钉 ， 预紧力通过弹簧传递给阀芯 ， 阀芯 开启 。阀芯移动开 口量大小决定 了通过阀芯 的油液 冲 洗量的大小 ， 从而达到所需 的流量。调压弹簧所提供 的 预紧力是根据开启压力范围确定的。 相关计算公式为 1 意 2 式 中 一弹簧的刚度 ， 单位为 N ／ m m； G 材料 的切变模量 ， 单位为 N ／ m m ； c _旋绕比 G D ，其 中 D为弹簧 中径 ， 单位为 m m， d为弹簧材料直径 ， 单位为 mm； Ⅳ _ 一弹簧的有效圈数 ； 弹簧的载荷 ， 单位为 N； ．产__弹簧的变形量 ， 单位为 mm。 通过计算得出 取 G 7 9 0 0 0 N ／ mm 1 弹簧的预紧力为 1 ． 9 4 N，最大行程时承受载荷 1 3 ． 58 N。 2 调压弹簧 预紧力为 1 ． 7 5 6 N， 最 大行程 时承受载 荷 4 ． 5 5 N。 2 换油流量的计算 。换油流量是指每分钟通过阀 芯 的油 液流 量 。 相 关 的 计 算 公 式 为 Q C A 、 ／ 式中9 流量 ， 单位为 Um i n ； A 阀口处的过流面积， 单位为 mm 流量系数 ，滑 阀式 阀 口的流量 系数 C 0 ． 6 5 ， 锥 阀式 阀口的流量系数 C 0 ． 7 7 ～ 0 ． 8 。 通过计算得出， 该冲洗阀最大换油量约为 1 5 ～ 2 0 L 。 2 ． 2 ． 3产 品性 能特 点 如图 8所示 ． 目前 。 这种可调压冲洗 阀大多外置于 液压马达后盖处。 它的结构简单 ， 对复杂工况适应性强。 不但能够实现较强的循环冲洗降温功能 ， 而且还能控制 马达容积效率的损失。因此 ， 这种新型的马达产品在移 动机械设备的闭式液压系统中得到广大用户的认可。 图 8外 置 司调 冲洗 阀 马 达样 机 2 ． 3带外置可调压安全冲洗溢流阀的液压马达的设计 如图 9所示为带外置可调压安全冲洗溢流阀的斜 轴式轴向柱塞液压马达。 它是在外置可调压冲洗溢流阀 的基础上加 了两个先导安全溢流阀 见图 1 O 。先导安 全阀的作用是在系统压力达到调定值之后打开卸荷 ， 以 适应系统正反方向高压保护的需要。 限制液压系统的最 高压力 ， 防止液压系统过载 ， 保证系统的安全运行 。 图 9 外置 可调安 全冲洗 阀马达 l 一 阀体2 一 先导安全溢流阀3 一 螺塞4 一 。型密封圈5 一 密封挡 圈 6 一 密封螺塞7 一 阀芯8 一 垫圈9 一 弹簧 1 0 一 直动式溢流阀 图 1 0可调压 安全冲洗溢流阀结 构图 2 ． 3 ． 1 工作 原理 如 图 1 1 所 示 ， 可 以看 出 ， 该 马达 工 作 原 理 同带 调 压冲洗 阀马达工作原理类似 ．不同的是多了两个先导 安全阀。当高压油流过时， 中位封闭的冲洗阀建立一个 低压油路 。一个先导安全 阀以一定 的压力适应系统正 反方 向高压保护 的需要 一个先导安全阀以一定的压 力维护系统的背压溢 出的油液。系统正常工作时 ， 先导 4 1 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 1年 第 1期 阀关闭不工作 。当系统工作压力非正常高于先导安全 阀的调定压力时 ， 先导 阀开启溢流 ， 油液流经马达 ， 溢 回油箱以维持液压系统压力恒定， 保证了系统的安全。 B 图 1 1 带 安 全 冲 洗 溢 啻 ic 阔 马达 原 理 图 2 ． 3 ． 2 产品性能特点 带可调压安全 冲洗溢流 阀样机如 图 1 2所示 ， 同 2 ． 2可调压冲洗阀一样 ， 这种可调压安全冲洗阀也多外 置于液压马达后盖处 。不 同的是它是一种集冲洗 、 降 温 、 系统保护等多功能于一身的集成液压阀。不但能够 实现强大的循环 冲洗 降温功能 ，而且还可 以防止系统 压力过载， 保证系统的安全运行 。因此 ， 这种液压马达 非常适合对液压系统安全要求较高的使用工况。另外 ， 它具有系统过载保护功能 ，还可以在一定程度上简化 系统设计 ， 减小工作强度 。可是 ， 由于该新型液压马达 的冲洗溢流 阀多 了两个先导安全阀，导致阀的结构更 加复杂 ， 加工难度增大 ， 成本提高 ， 对大排量 马达 的安 装空间也有一定的限制。 图 1 2带 司蒯 压 安 全 冲 洗 溢 流 阀样 机 3 结论 目前 ，三 种 型式 的液 压 马达 在 国 内各工 程机 械 设 备闭式液压系统中都有广泛的应用 ，在开式液压系统 应用比较多的是具有系统过载保护功能的带安全冲洗 溢流阀马达。使用过程中运行正常 ， 性能稳定 ， 能够满 足用户的使用工况的需求。 参 考 文 献 【 1 】 吉林工业大学等校． 工程机械液压与液力传动【 M 】 ． 北 京 机械 工业 出版社． 1 9 7 9 ． 【 2 】 何存兴主编． 液压元件【 M ] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 1 ． 【 3 】 雷天觉主编． 新 编液压工程手册[ M】 ． 北京 北京理工大学 出版 社 ． 1 9 9 8 ． 【 4 】 张 英会 ， 刘辉 航 ， 王德 成 ． 弹 簧 手册 【 M 】 ． 北 京 机 械 工 业 出 版社。 1 9 9 7 ． 【 5 ] 张红军 ， 等． 工程机械 中超越负载的液压平衡与限速[ J 】 ． 液压 气动与密封， 2 0 0 8 3 ． 畅游未来 博世力士乐“ B l u e H y d r a u l i c s “ 扬“ 减排增效“ 新风帆 2 0 1 0年 l 1 月 2 3日。 亚洲工程机械与建材机械行业最具权威性 的专业博览会 ， 第五届中国国际工程机械 、 建材机械 、 工程车辆及 设备博览会 b a u m a C h i n a 2 0 1 0 于上海新国际博览 中心隆重开幕 。 作为全球领先的传动与控制技术专家 ， 博世力士乐此次携其更高 效 、 更环保的先进智能系统和部件亮相 b a u m a展， 并重点推 出其极具前瞻性的“ B l u e H y d r a u l i c s ” 能源效率核心主张。现场更有动感趣 味的挖掘机模型互动游戏， 配合其展 台静动相宜的概念设计， 井然有序 的产品陈列， 与观众共享“ 节能 、 增效、 减排” 的创新技术。 在全球范围 内能源效率亟待提升的大背景下 ， 国内外针对非公路机械车辆的排放限制法规 13趋严格。如何既确保性能水平不 变 ， 又能显著降低 能耗 ， 已成为行走机械领域 的一大课题。直面全球非公路机械车辆的“ 减排” 需要 ， 围绕 B l u e H y d r a u l i c s 研发 的各 款产品 ， 其实际排放量符合欧洲 、 北美和 日本 未来排放限制法规 T I E R的前瞻眼光 。 效率优化 的元件 、 新型模块和网络化 的系统解决方案 ， 成为 B l u e H y d r a u l i c s 实现“ 节能” 、 “ 增效” 、 “ 减排” 的可靠保证。 在此番主 打“ 环保” 的技术革新浪潮中， 博世力士乐充分发挥其作为“ 全面系统解决方案专家” 的传统优势， 在坚持整体优化的大前提下， 通 过创新设计来节省能源 ， 通过优化各个部件来提升效率 ， 以及通过智能联 网和控制来 减少排放。据 介绍 ， 这届 b a u m a展上 ， 力士乐 推出的新型“ 绿色 阀” 在降下移动工程机械机臂时不需消耗任何能量 应用 了 B l u e H y d r a u l i c s “ 瘦身 ” 方案后的小型装载 机 ， 其系统 整体能量效率提升高达 2 O ％； 融合了静液压变速箱 和机 械变速箱优势 的液压机械变 速箱 H V T 0 可降低高达 2 0 ％的燃油消耗 和 有害气体排放 。 创 意和实践完美 结合 ， 是行业技术推陈 出新 、 生生不息的永恒 主题 。登陆 中国的“ B l u e H y d r a u l i c s ” 以海外非公路机械 车辆减排 的高标准为 出发点 ， 同时紧密结合 中国本地化市场的实际需要 。博世力士乐 已成功研发出专用于中 国挖掘机的减速机 ， 其致力 于 本地研发 的中国团队的规模仍在不断扩大。以北京 、 常州 和西安三地工厂为基地 ， 力 士乐 日益 推进 中国本地 化人 才的培养 和本地 化服务 的深入 ， 将其领先市场的创新 系统和技术快捷 、 广泛 、 深入的服务于中国市场 。 4 2