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2016 年 3 月 第 41 卷 第 3 期 润滑与密封 LUBRICATION ENGINEERING Mar 2016 Vol 41 No 3 DOI 10 3969/ j issn 0254-0150 2016 03 022 收稿日期 2015-05-23 作者简介 张中伟 (1991), 男, 硕士研究生, 研究方向为液 压马达摩擦与磨损. E⁃mail 734353083@ qq com. 低速大扭矩液压马达摩擦副磨损机制研究 黎 杰1 张中伟2 于善虎1 卢小辉2 谢小鹏2 (1. 广州华工机动车检测技术有限公司 广东广州 510640; 2. 华南理工大学机械与汽车工程学院 广东广州 510640) 摘要 针对油缸和曲轴构成的摩擦副磨损严重, 影响低速大扭矩液压马达性能和寿命的问题, 根据摩擦副油膜理 论对该类液压马达在高速低载的工况下摩擦副易产生磨损的原因进行理论分析, 找出影响摩擦副油膜承载能力和稳定 性的因素。 结果表明 适当地增加摩擦副张角的范围有利于提高油膜的承载能力; 液压马达在低速工况下运行稳定, 当转速较高时, 由于剪切流作用明显, 导致摩擦副一侧的油膜承载能力有所降低, 不利于摩擦副的稳定运行; 在一定 范围内, 油液压力越大, 油膜系统的响应灵敏度越高, 马达运转速度较高时, 有利于摩擦副系统的正常运行。 关键词 液压马达; 摩擦副; 油膜理论; 油膜承载力 中图分类号 TH117 文献标志码 A 文章编号 0254-0150 (2016) 03-114-04 Study on Wear Mechanism of Friction Pairs in Low Speed High Torque Hydraulic Motors LI Jie1 ZHANG Zhongwei2 YU Shanhu1 LU Xiaohui2 XIE Xiaopeng2 (1 Guangzhou Huagong Motor Vehicle Inspection Technology Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510640,China; 2 School of Mechanical & Automotive Engineering,South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640,China) AbstractAimed at the problem that the serious wear of the friction pair consisted of cylinder and crankshaft will influ⁃ ence the performance and lifetime of the low speed high torque hydraulic motor,according to the film theory of friction pairs,the reason that the friction pairs of this kind of motors is easily to be worn under high speed low load conditions was theoretically analyzed,and the factors were found out that impacting the bearing friction capability and stability of the fric⁃ tion pair oil film.The results show that it is helpful to improve bearing capability of oil film by increasing the range of open⁃ ing angle of friction pairs properly.The hydraulic motor can run stably under the condition of low speed,when the rotation speed is higher,due to obvious shearing flow effect,the bearing capacity of oil film at the side of friction pairs is decreased at some extend,which is harmful to stable running of the friction pairs.In a certain range,the larger the hydraulic pressure, the higher is the response sensitivity of oil film system.The high running speed of motor is helpful to the normal running of the friction pairs system. Keywordshydraulic motor;friction pairs;oil film theory;oil film bearing capacity 曲轴无连杆柱塞式液压马达是一种低速大扭矩液 压马达, 这种马达因具有输出扭矩大、 低噪声、 效率 高、 启动扭矩低、 低速稳定性好的特点得到广泛应 用[1]。 国外以意大利卡尔佐里 (Calzoni) MR 系列为 代表的无连杆液压马达的相关技术已渐趋成熟且形成 系列批量生产, 而国内中意液压有限公司的 MRC 系 列马达也是这类马达的典型代表[2-3]。 这类马达的结构如图 1 所示, 其工作原理为 高 压油经油道进入油缸 2 内, 通过缸套 1 和油缸的密封 在马达曲轴偏心轮 3 的球面产生液压力。 偏心轮的中 心 O1与旋转中心 O 之间的偏心矩为 e, 使作用在偏 心轮中心 O1上的合力 p 对旋转中心 O 产生力矩, 偏 心轮顺时针方向转动, 直到 O1旋转到 O 正下方时, 油缸到达下死点, 然后在惯性力作用和其他油缸推动 下, 偏心轮继续转动, 油缸向上运动, 将油液从排油 口排出。 当 O1转到 O 正上方时, 油缸到达上死点, 排油结束, 高压油再次进入油缸活塞内产生液压力, 开始进入第二次循环。 图 1 液压马达结构原理图 Fig 1 Hydraulic motor structure diagram (a) hydraulic motor structure; (b) the working principle of motor 由油缸和曲轴构成的摩擦副是此类马达中的关键 摩擦副。 通过内置弹簧的预紧力和油液压力使油缸始 终紧贴偏心轮形成密封, 保证油液压力推动偏心轮旋 转, 因而马达在高速低载工况下, 摩擦副曲轴偏心轮 表面易产生刮擦磨损, 这将严重影响马达的性能。 本文作者根据无连杆柱塞液压马达摩擦副的结构 建立了相关数学模型, 根据影响油膜承载力和稳定性 的因素, 从油膜理论的角度分析了马达在高速低载工 况下易产生磨损的原因。 1 数学模型的建立 图 2 油缸曲轴摩擦副结构 Fig 2 Friction pairs structure of cylinder and crankshaft 油缸曲轴摩擦副结构如图 2 所示, 当油缸和曲轴 处于静态平衡时, 球面套球心距曲轴几何中心的距离 为 ε, 即偏心距为 ε。 图 2 中 α1、 α2分别为摩擦副张 角的上、 下限。 则偏心轮球面副密封带处油膜厚 度[4-5]为 h=εcosα(1) 式中 α 为摩擦副张角, 且 α1≤α≤α2。 1 1 油膜静压支承力的求解 由两平行板间计算缝隙流流量经验公式[5]可推出 球面圆环缝隙流量式 qp=-πε 3 cos3αsinα 6μ dp dα (2) 式中 μ 为油液动力黏度。 由油膜油液压力边界条件 p(α1)= pr p(α2)= 0 { (3) 式中 pr为油液压力。 由式 (1)、 (2) 可求得由压差流产生的油膜静 压支承力 Wp=πR2pr tan2α2 -tan 2α 1-2 sin 2α 1ln(tanα2/ tanα1)+(1- cos2α1 cos2α2)tan 2α 1 tan2α2 -tan 2α 1+2ln(tanα2/ tanα1) 即 Wp =A epr (4) 式中 R 为曲轴半径; Ae为有效支承面积。 由式 (4) 可知, 油膜的静压承载力与油液压力 成正比, 也与曲轴半径和摩擦副接触面张角有关。 1 2 油膜挤压支承力的求解 摩擦副之间已经形成一定的初始油膜厚度, 在外 载荷的作用下, 油膜被挤压变薄, 摩擦副间便形成压 力场, 此压力场的合力, 可以平衡外载荷。 油膜受挤 压而产生的平衡外载荷的合力, 称为油膜挤压支承 力。 在外载荷作用下, 由油膜挤压而产生的流量 qt=πR2sin2αdε dt (5) 式中 dε dt 为油膜挤压速度。 当压力场由挤压产生时, 压差流量等同于挤压流 量, 因此联立式 (1)、 (2)、 (4) 求得由挤压流产生 的承载力 Wt=-3μR 4 2ε3 dε dt 2tan2α2 -tan 2α 1 2ln tanα2 tanα1 tan2α2 -tan 2α 1+2ln tanα2 tanα1 +2ln cosα2 cosα1 5112016 年第 3 期黎杰等 低速大扭矩液压马达摩擦副磨损机制研究 即 Wt= K ε3 dε dt (6) 式中 K 为挤压系数。 由式 (6) 可知, 油膜的挤压承载力与油膜挤压 速度成正比, 与油膜厚度 3 次方成反比, 与油液黏度 和曲轴半径有关。 1 3 油膜的总承载力 在液压马达摩擦副中, 压差流动和挤压流动常常 是同时存在的。 这种情况下, 油膜的总承载力是可以 由二者叠加求得[5]。 由式 (4)、 (6) 可知油膜的总承载力为 W=Aepr+ K ε3 dε dt (7) 2 摩擦副油膜性能分析 2 1 摩擦副张角对油膜支承性能的影响 由球面圆环缝隙流量公式 (1) 和油膜液压力边 界条件式 (2) 可计算得到摩擦副张角内的压力分布 函数 p= (tan2α-tan2α2+2ln(tanα/ tanα2) (tan2α1 -tan 2α 2+2ln(tanα1/ tanα2) pr(8) 静压支承效应单位面积压力与摩擦副张角之间的 关系如图 3 所示。 可知, 当张角 α2= 32时, 随着初 始张角 α1的增大, 油膜静压支承单位面积压力 p 下 降得越来越快。 图 3 静压压力在摩擦副张角内的分布 Fig 3 Static pressure distribution in the opening angle of friction pairs 对式 (8) 在摩擦副张角内进行积分即得静压支 承力 Wp。 由图 3 可知, 摩擦副张角越大, 油膜静压 支承力越大。 由油膜挤压系数 K 的表达式可求得油膜挤压系 数与摩擦副张角 α1的关系如图 4 所示。 可知, 当 α2=32时, 油膜挤压系数随着摩擦副张角 α1的增大 而减小。 考虑实际产品结构的情况下, 适当增大摩擦 副张角上、 下限 α1、 α2的范围, 能有效地提高摩擦 副内油膜的支承性能。 图 4 油膜挤压系数和摩擦副张角的关系 Fig 4 Relationship of film extrusion coefficient and opening angle of friction pairs 2 2 转速对油膜支承性能的影响 缝隙中油液产生运动的原因有压差流和剪切流, 两者的叠加则称为 Couette⁃Poiseuille 流[6]。 当马达运 转时, 油缸内的高压油液推动曲轴转动, 摩擦副表面 发生相对移动从而引起油膜内产生剪切流。 转速过高 时, 剪切流将对油膜支承性产生一定的影响。 如图 5 所示为平行板间剪切流与压差流作用示意 图, 当剪切流方向和压差流方向相反时, 剪切流将对 压差流产生削弱的作用。 图 5 平行板间剪切流与压差流作用示意图 Fig 5 Couette flow and poiseuille flow between parallel plates 两平行板间剪切流的流量公式为 q= bhv 2 (9) 所求得球面圆环缝隙剪切流量公式为 qv=πRhεsinαcosα(10) 球面圆环缝隙油膜如图 6 所示, 当曲轴顺时针转 动时, 摩擦副左端处于危险区域, 考虑到挤压流和剪 切流的作用效果对最左侧应用微元法求得其单位面积 承载力为 W=Wp +W t= Ae 2π pr-6μRv h2 (tanα2- tanα1) + K 2πε3 dε dt (11) 由式 (11) 可知, 当转速越大时, 摩擦副左端 剪切流对油膜承载力的削弱作用越明显, 转速过大 时, 可能造成危险区内油膜承载力下滑造成油膜的破 裂, 摩擦副磨损。 611润滑与密封第 41 卷 图 6 球面圆环缝隙油膜 Fig 6 The oil film of spherical annular gap 2 3 油液压力对油膜支承性能的影响 由油膜的总承载力式 (7) 可知 W-WP= K ε3 dε dt 对上式进行积分得 (W - Wp)∫ t 0 dt = ∫ ε ε0 K ε3 dε 式中 t 为挤压时间。 因此 , 油膜从 ε0挤压到 ε1所需要的时间为 Δt=t1 -t 0= K 2(W-WP)( 1 ε12 - 1 ε02) (12) Δt 称为油膜挤压时间[7], 其反映油膜系统的响 应快慢。 如果油膜挤压时间越短, 则油膜挤压速度越 快, 油膜系统越快达到稳定状态[8]。 取 α1=28、 α2=32、 R= 61 5 mm, 初始油膜厚 度 ε0=0 04 mm。 设在油液工作压力范围内油膜被挤 压后的稳定厚度不小于 ε1= 0 02 mm。 所求得的油膜 挤压时间与油膜压力的关系曲线如图 7 所示。 图 7 挤压时间和油液压力 Fig 7 Pressing time and oil pressure 由图 7 可知, 当油液压力为 15 MPa 时, 油膜厚 度从 0 04 mm 挤压到 0 02 mm 的时间为 15 89 ms; 当油液压力为 18 MPa 时, 挤压时间为 13 24 ms。 可 见在一定范围内, 增大油液压力, 将提高油膜系统的 响应灵敏性, 使油膜更快达到稳定状态。 3 结论 (1) 适当地增加摩擦副张角的范围有利于提高 油膜的承载能力。 (2) 液压马达在低速工况下运行稳定, 当转速 较高时, 由于剪切流作用明显, 导致摩擦副一侧的油 膜承载能力有所降低, 不利于摩擦副的稳定运行。 (3) 在一定范围内, 油液压力越大, 油膜系统 的响应灵敏度越高, 在马达较高速运转过程中, 有利 于摩擦副系统的正常运行。 参考文献 【1】 陈卓如.低速大扭矩液压马达理论、计算与设计[M].北京 机械工业出版社,1989. 【2】 杨球来,许贤良,赵连春.大扭矩液压马达的发展现状与展 望[J].机械工程师,2004(3) 6-9. 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