曲軸擺缸式閥配流水液壓馬達工作特性研究

滿家祥 趙繼云 王云飛，3 黃 笛 劉 磊 于鳴泉

(1.徐州工程學院機電工程學院， 徐州 221018； 2.中國礦業(yè)大學機電工程學院， 徐州 221116；3.徐州工程機械集團有限公司， 徐州 221011)

0 引言

低速大扭矩水液壓馬達具有水介質(zhì)下持續(xù)低速、大扭矩輸出的工作特點，在具有防爆、環(huán)保、抗燃的特殊工況中有廣泛應用，如水下作業(yè)施工的回轉(zhuǎn)驅(qū)動、煤礦井下乳化液系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)(鉆機、絞車、緊鏈器等)、軍用防爆低速工況的作業(yè)機構(gòu)等[1-4]。但因水介質(zhì)、低速、高壓工況的特殊性，傳統(tǒng)軸配流、盤配流結(jié)構(gòu)的低速大扭矩馬達配流副磨損和泄漏嚴重，因此，馬達結(jié)構(gòu)、配流原理、材料配對等關鍵技術(shù)的突破，能進一步提升水液壓馬達工作性能和壽命[5-6]。

國內(nèi)外學者開展了眾多水液壓馬達的相關研究。在低速大扭矩水液壓馬達方面，Düsterloh公司研發(fā)了一種七星輪端面配流高水基乳化液馬達，其配流體具有雙向液壓壓緊自補償功能，通過配流體的磨損補償提高馬達使用壽命和工作性能，最大轉(zhuǎn)速800 r/min，最大壓力25 MPa[7]。文獻[8-10]研究了內(nèi)曲線球塞式盤配流水液壓馬達，通過設計工程塑料與金屬配對的配流副，改善了馬達的容積效率，同時對定子內(nèi)曲線軌道和關鍵摩擦副進行了優(yōu)化，配流體上的仿生織構(gòu)能有效降低配流副的摩擦磨損。邱冰靜等[11-12]提出了自平衡閥配流結(jié)構(gòu)的曲軸柱塞水馬達，分析了馬達雙向旋轉(zhuǎn)閥配流的可行性，模擬了配流閥動態(tài)配流特性和響應，但并未開展試驗研究和樣機試制。軸向柱塞水液壓馬達方面，李壯云團隊作為國內(nèi)水液壓技術(shù)研究的先驅(qū)[13-14]，開展了水壓軸向柱塞馬達的配流和轉(zhuǎn)矩特性的相關研究，理論分析了配流盤減振槽對氣蝕產(chǎn)生的影響以及水馬達瞬時輸出轉(zhuǎn)矩的工作特點，但該馬達屬于高速水馬達。文獻[15-16]針對軸向柱塞水液壓馬達開展了相關理論和試驗研究，雖然不屬于低速大扭矩馬達，但水潤滑下低速大扭矩馬達的關鍵摩擦副和結(jié)構(gòu)設計提供了參考。北京天瑪公司研制了MRF非圓行星齒輪乳化液馬達，工作壓力20 MPa以上，最大轉(zhuǎn)速1 000 r/min，主要用于礦用鉆機等高速場合[17]。此外，Black Bruin公司研發(fā)了一款配流盤和滑閥組合配流的低速大扭矩馬達，其柱塞配流通過端面配流體實現(xiàn)，同時滑閥通斷控制有效工作柱塞數(shù)量，但該馬達僅能使用油介質(zhì)[18]。張小龍等[19]對滾柱-柱塞副之間的動靜壓混合潤滑油膜建立非穩(wěn)態(tài)彈流潤滑仿真模型，確定了油馬達的滾柱-柱塞的最優(yōu)配合間隙。

綜上所述，目前關于低速大扭矩水馬達結(jié)構(gòu)和配流方式的研究較少，配流體的磨損和泄漏問題仍未解決。本文針對水潤滑低速大扭矩特殊工況提出一種閥配流的曲軸擺缸式水馬達，通過閥組配流解決配流過程的磨損和泄漏問題，為低速大扭矩水馬達的研究提供參考。

1 馬達結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 馬達結(jié)構(gòu)

如圖1所示，曲軸擺缸式水液壓馬達的柱塞配流是通過進液閥和排液閥實現(xiàn)，進液閥和排液閥的開啟和關閉由配流凸輪控制有序開啟，針對低速大扭矩水潤滑特殊工況，端面配流、軸配流馬達配流副難以形成有效的潤滑液膜，磨損、泄漏問題不可回避，而閥配流過程中僅有閥口的通斷，取消了配流副，更適合低速大扭矩水液壓馬達配流[20]。圖中Z1～Z5為柱塞，配流閥包括進液閥和排液閥，H1～H5為進液閥，L1～L5為排液閥。圖2為低速大扭矩曲軸擺缸式閥配流水液壓馬達結(jié)構(gòu)圖。

圖1 閥配流水液壓馬達工作原理圖Fig.1 Working principle of water hydraulic motor with flow distribution valve

圖2 水液壓馬達結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of water hydraulic motor1.曲軸 2.出口 3.排液配流閥 4.殼體1 5.擺缸 6.柱塞 7.殼體2 8.進液配流閥 9.進口 10.進液配流凸輪 11.套筒 12.回液配流凸輪

根據(jù)曲軸擺缸式水液壓馬達工作原理，設計配流閥結(jié)構(gòu)如圖3所示。閥口關閉時，高壓液被隔斷在閥芯上端，此時推桿受配流凸輪控制與閥芯脫離，出口為低壓；閥口配流時，推桿受配流凸輪控制閥芯向上運動，此時閥口打開進行配流。

圖3 配流閥結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of flow distribution valve1.閥套 2.閥芯彈簧 3.閥芯 4.閥座 5.閥塊 6.推桿 7.往復密封 8.端蓋 9.推桿彈簧 10.滾子 11.銷 12.配流凸輪

曲軸擺缸式水液壓馬達工作時柱塞液壓力推動曲軸回轉(zhuǎn)從而形成扭矩，其中由于擺缸的存在，柱塞幾乎不受側(cè)向力[21]。如圖4所示，柱塞位移x隨轉(zhuǎn)角φ的變化公式為

圖4 曲軸柱塞運動示意圖Fig.4 Schematic diagram of crankshaft piston movement

x=e(1-cosφ)+(Kesin2φ)/2

(1)

其中

K=e/(e+R+L-l)

式中e——曲軸偏心距

L——曲軸與柱塞切點到柱塞頂部距離

l——柱塞頂部到擺缸擺動中心的距離

柱塞度速度為

v=e[sinφ+(Ksin(2φ))/2]

(2)

柱塞度加速度為

a=e(cosφ+Kcos(2φ))

(3)

如圖5所示，配流凸輪轉(zhuǎn)動中逐漸使推桿向上運動，配流凸輪是偏心距為e1的偏心輪，安裝時進/排液凸輪存在180°相位差，配流閥芯位移xf與轉(zhuǎn)角關系式為

圖5 配流凸輪和推桿運動關系Fig.5 Relationship between flow distribution cam and push rod motion

(4)

式中r——配流凸輪外圓半徑

1.2 工作特性分析

工作中柱塞位移、度速度、度加速度變化如圖6所示。柱塞在轉(zhuǎn)角0～π/2內(nèi)先加速運動，在轉(zhuǎn)角π/2～π內(nèi)做減速運動，轉(zhuǎn)角π/2時，柱塞度速度最大。柱塞的運動學特性取決于結(jié)構(gòu)設計參數(shù)K和曲軸偏心距e，度速度最大為(1+K)e，合理選取K值和曲軸偏心距極為重要。

圖6 曲軸轉(zhuǎn)動過程中柱塞位移、度速度、度加速度變化曲線Fig.6 Piston displacement, degree velocity and degree acceleration change during crankshaft rotation

圖7為進/排液閥配流中的閥芯位置與柱塞配液的對應關系。柱塞從排液到進液時，先關閉排液閥，而后開啟進液閥，柱塞腔進入高壓液做功；柱塞從進液到排液時，進液閥關閉，而后開啟排液閥。在進/排液閥互相切換時，配流凸輪設計不合理或加工誤差都會導致高低壓串液或困液，因此設計配流閥芯開度2 mm，配流凸輪控制推桿行程4 mm，推桿向上運動0～2 mm時，閥芯與推桿處于脫離狀態(tài)，閥口關閉，推桿向上運動2～4 mm時，推桿開啟閥芯，閥口打開。

圖7 配流中進/排液閥的閥芯位置關系Fig.7 Position relationship of inlet/outlet valve cores in distribution process

轉(zhuǎn)動中各柱塞角排量之和為

(5)

式中Az——柱塞面積

相鄰柱塞夾角為2β=2π/5，在0≤φi<β時，馬達3個柱塞處于進液狀態(tài)，在β≤φi<2β時，馬達2個柱塞處于進液狀態(tài)。

馬達整機角排量為

(6)

各柱塞的扭矩之和為

(7)

馬達整機波動率為

(8)

由式(8)可知，為確保馬達輸出波動較小，設計時應保證馬達角排量的波動最小，如圖8所示(角排量以Aze的倍數(shù)表示)，在轉(zhuǎn)角π/10處，角排量最大，在轉(zhuǎn)角為0時，角排量最小。K增大，使角排量最大值減小，但K過大使得曲軸、柱塞、擺缸在空間上難以布置，K過小，使馬達整體尺寸增大，綜合考慮，確定選取K=0.13。

圖8 馬達角排量與轉(zhuǎn)角、結(jié)構(gòu)設計參數(shù)K之間的關系Fig.8 Relationship between motor angular displacement, angle and structural design parameter K

由圖9可知(扭矩以pAze的倍數(shù)表示)，當K=0.13時，工作中馬達扭矩以π/5為周期呈現(xiàn)脈動，相鄰周期內(nèi)進液柱塞為2個和3個，整機輸出扭矩波動率為6.59%。綜上所述，確定馬達設計參數(shù)為：額定工作壓力16 MPa，工作轉(zhuǎn)速0～60 r/min，曲軸偏心距12 mm，柱塞直徑42 mm，曲軸半徑30 mm，lOO2=50 mm，馬達設計排量166.3 mL/r。

圖9 馬達各柱塞形成扭矩及合扭矩變化曲線Fig.9 Variation curves of single piston torque and motor total torque

2 配流閥AMESim仿真分析

2.1 配流閥壓力-流量特性

為研究高水基介質(zhì)下配流閥的工作特性，基于配流閥結(jié)構(gòu)和參數(shù)在AMESim中建立仿真模型，如圖10所示。配流閥模型主要參數(shù)：系統(tǒng)壓力為21 MPa，可變節(jié)流口最大開度為2 mm；閥芯直徑為8 mm，彈簧初始彈力為9 N，彈簧直徑為5.6 mm。

圖10 進液配流閥AMESim模型Fig.10 AMESim model of inlet flow distribution valve

如圖11所示，配流閥全開(開度2 mm)時，閥內(nèi)產(chǎn)生的壓降隨進液流量的增大而逐漸增大，當流量為25 L/min時，閥內(nèi)產(chǎn)生壓降為0.63 MPa，而曲軸擺缸式閥配流馬達在轉(zhuǎn)速60 r/min時，單柱塞最大流量為6.3 L/min，此時配流閥產(chǎn)生壓降為0.04 MPa，這一微小壓降對整機的工作性能影響幾乎可以忽略。

圖11 閥口開度2 mm下配流閥的壓降-流量曲線Fig.11 Pressure drop-flow curve of flow distribution valve in 2 mm opening

在轉(zhuǎn)速60 r/min時不同曲軸轉(zhuǎn)角下柱塞腔流量和閥口開度對應的閥內(nèi)壓降如圖12所示。柱塞進液過程中閥芯開度逐漸增大，而閥內(nèi)壓降從0.08 MPa先降低后增大。開度0.1 mm時，閥內(nèi)壓降最大為0.08 MPa，開度0.8 mm時，閥內(nèi)壓降最小為0.016 MPa。配流過程中閥內(nèi)壓降較小，配流閥能夠滿足水液壓馬達的配流需求。

圖12 不同柱塞腔流量下配流閥內(nèi)產(chǎn)生的壓降Fig.12 Pressure drop of flow distribution valve at different piston flow rates

2.2 馬達單柱塞閥配流工作特性

柱塞工作中由一個進液閥和一個排液閥組成，進液閥和排液閥結(jié)構(gòu)完全相同，進液配流凸輪和回液配流存在相位差。單柱塞閥配流的AMESim仿真模型如圖13所示。

圖13 單柱塞閥配流AMESim仿真模型Fig.13 AMESim simulation model of single piston with flow distribution valves

當壓力為21 MPa、轉(zhuǎn)速為60 r/min時馬達的動態(tài)工作特性如圖14所示。柱塞進液后腔內(nèi)壓力迅速響應(約4 ms達到工作壓力)，同時曲軸上形成扭矩，扭矩峰值為347.2 N·m。進液時柱塞腔流量先增大后減小，最大工作流量約105.3 mL/s，回液時柱塞腔流量變化與進液時類似。

圖14 單柱塞腔壓力、扭矩和流量Fig.14 Flow, pressure and torque of single piston

根據(jù)單柱塞閥配流的AMESim仿真結(jié)果，得到整機輸出扭矩變化曲線如圖15所示。當壓力 21 MPa、轉(zhuǎn)速60 r/min時整機的輸出扭矩呈現(xiàn)周期性波動，扭矩波動量為32.2 N·m，仿真結(jié)果與圖9理論計算結(jié)果一致。根據(jù)圖16可知，進液閥開啟瞬間，柱塞腔壓力迅速上升，同時進液閥口壓力有微小波動，而后迅速穩(wěn)定。進液閥關閉時，排液閥打開，此時柱塞腔壓力迅速下降，而進液閥芯關閉引起閥口前端壓力有小幅壓力沖擊，配流中未發(fā)現(xiàn)進液閥、排液閥間存在高低壓串液現(xiàn)象。

圖15 馬達輸出合扭矩Fig.15 Motor output total torque in AMESim simulation

圖16 進液閥進口、柱塞腔、排液閥出口壓力變化曲線Fig.16 Pressure changes at inlet of inletflow distribution valve, piston chamber and outlet of outlet flow distribution valve

3 馬達單柱塞閥配流試驗

3.1 試驗臺搭建

在閥配流曲軸柱塞擺缸式水馬達配流原理和工作特性理論分析的基礎上，為進一步驗證配流閥的動態(tài)配流工作性能，參考國家機械行業(yè)標準[22-24]，搭建馬達單柱塞閥配流試驗臺，圖17為試驗臺液壓原理圖，圖18為馬達單柱塞閥配流試驗臺實物圖。

圖17 馬達單柱塞閥配流試驗臺液壓原理圖Fig.17 Hydraulic schematic of motor single piston test bench with flow distribution valves1.電機及減速器 2.扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器 3.擺缸 4.柱塞 5.曲軸 6.排液配流凸輪 7.進液配流凸輪 8.進液閥 9.排液閥 10、11、12.壓力傳感器 13.截止閥 14.單向閥 15.乳化液泵站 16.溢流閥 17.背壓閥

圖18 馬達單柱塞閥配流試驗臺Fig.18 Motor single piston test bench with flow distribution valve1.變頻器 2.電機及減速器 3.扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器 4.閥塊及壓力傳感器 5.配流閥 6.配流凸輪 7.曲軸 8.擺缸 9.乳化液泵站

試驗主要研究馬達在不同轉(zhuǎn)速、壓力下配流閥向柱塞配流的工作特性。測試柱塞閥配流過程中閥口、柱塞腔的壓力變化規(guī)律，防止出現(xiàn)困液、內(nèi)泄漏等問題，其中柱塞滑靴為剩余壓緊式結(jié)構(gòu)，曲軸轉(zhuǎn)速由變頻器控制，配流閥工作壓力通過溢流閥調(diào)節(jié)，工作壓力范圍為0～21 MPa,工作轉(zhuǎn)速為0～60 r/min。

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1柱塞閥配流過程中壓力動態(tài)特性

調(diào)節(jié)變頻器和溢流閥使進液閥進口壓力為 16 MPa， 曲軸轉(zhuǎn)速為60 r/min，進液閥進口、柱塞腔、出口壓力如圖19所示。配流過程中柱塞腔壓力呈周期性規(guī)律變化，高壓區(qū)間與低壓區(qū)間寬度基本相等，柱塞在1 s內(nèi)高壓作用下伸出時間為0.5 s，低壓區(qū)回縮時間也為0.5 s，進液閥打開后，柱塞腔壓力迅速升高至進口壓力，壓力響應迅速，表明配流閥能滿足柱塞腔的高低壓配液需求。

圖19 配流中不同位置的壓力變化規(guī)律Fig.19 Pressure variation law at different positions in flow distribution

進液閥進口壓力在閥芯開啟瞬間呈小幅下降，而后迅速回升到系統(tǒng)工作壓力，出現(xiàn)這一變化的可能原因：①進液閥開啟后排液閥未完全關閉引起的高低壓串液，此時出口壓力會有小幅上升。②泵出口的高壓液進入柱塞腔，使介質(zhì)壓力從低壓迅速升至高壓，同時柱塞伸出運動，從而引起泵出口壓力的短暫波動。如圖19中點A所示，出口壓力中并未觀測到明顯的壓力波動，表明配流中進液閥、排液閥并未出現(xiàn)高低壓串液，因此，進口壓力處的波動是由原因②導致。柱塞排液時，進液閥關閉、排液閥開啟，進液閥口前端有小幅壓力上升，柱塞腔壓力迅速下降至背壓壓力。排液過程中柱塞回縮將介質(zhì)排出，柱塞起到泵的作用，使柱塞腔壓力先升高后減小。

3.2.2不同壓力、轉(zhuǎn)速下的閥配流動態(tài)特性

如圖20所示，進液閥進口壓力升高后進液閥、排液閥依然能有序向柱塞配流，進液閥開啟時進口壓力波動隨進口壓力升高而變大，進回液并未出現(xiàn)高低壓串液，馬達閥配流結(jié)構(gòu)能適應水介質(zhì)下不同壓力的配流工況。柱塞排液過程中出口壓力呈現(xiàn)周期性波動，波動幅值基本相同，表明排液過程中進液閥通斷性能良好，不受進液閥前端壓力的影響。

圖20 不同進口壓力對配流中各處壓力的影響(轉(zhuǎn)速40 r/min)Fig.20 Influence of inlet pressure on various position pressures in flow distribution (rotating speed of 40 r/min)

如圖21所示，曲軸擺缸式馬達柱塞閥配流結(jié)構(gòu)能夠在較低的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定配流。進液閥開啟時同樣觀測到閥進口的壓力波動，配流中各處壓力曲線變化規(guī)律與前述類似。試驗結(jié)果表明，配流閥能夠滿足高水基介質(zhì)下馬達不同轉(zhuǎn)速下的配流需求。

圖21 低轉(zhuǎn)速下柱塞配流中各處壓力的變化Fig.21 Pressure variation of different position in flow distribution at low speed

試驗中未觀測到進液閥、排液閥的滴漏現(xiàn)象，配流凸輪試驗后表面未產(chǎn)生肉眼可見的磨痕，只發(fā)現(xiàn)柱塞滑靴-曲軸副出現(xiàn)了滴漏，如圖22所示。隨工作壓力的升高，柱塞滑靴處產(chǎn)生的泄漏量逐漸增大，壓力21 MPa、轉(zhuǎn)速30 r/min時泄漏量最大，約為 17滴/min。相同壓力下轉(zhuǎn)速的升高對柱塞滑靴的泄漏量基本無影響，柱塞滑靴產(chǎn)生的泄漏量相對于整機流量很小，滑靴處的滴漏問題對馬達容積效率和輸出性能的影響可忽略。

圖22 不同壓力下閥配流過程中柱塞滑靴的泄漏量(轉(zhuǎn)速30 r/min)Fig.22 Leakage of piston slipper during valve distribution under different pressures (speed was 30 r/min)

4 結(jié)論

(1)提出了一種閥配流結(jié)構(gòu)的曲軸式水液壓馬達，相對于盤配流和軸配流結(jié)構(gòu)，水介質(zhì)工況下閥配流具有更好的配流性能和密封性能，避免了水潤滑下低速大扭矩馬達配流副的磨損失效。

(2)建立了曲軸擺缸式閥配流水液壓馬達的設計理論及研究方法，通過仿真揭示了閥配流下柱塞腔、進液閥、排液閥等位置的壓力動態(tài)變化規(guī)律，馬達整機扭矩波動周期為π/5，波動率為6.59%。

(3)進液閥、排液閥向柱塞配流時無高低壓串液現(xiàn)象，配流閥在不同工況下無滴漏現(xiàn)象，閥配流結(jié)構(gòu)能滿足工作壓力0～21 MPa、轉(zhuǎn)速0～60 r/min的工況下向水液壓馬達穩(wěn)定配流。