径向低速大扭矩水液压马达定子曲线分析

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　　水压传动技术用自然水(含海水和淡水)作为液压介质，具有无污染、安全、廉价、结构简单、再利用率高等诸多优点，符合科学技术向环境友善、技术安全、节约能源等方向发展的目标。近年来，随着新型材料的发展，加工制造技术的进步，水压传动技术得到了很大的发展。作为水液压传动系统中的能量转换装置，水压泵和水压马达，由于其在水压系统中的重要作用，更是学者们研究的热点和重点。对于水压马达的研究西方发达国家起步较早，国内在这方面研究比较少。新加坡南阳理工大学的H. X. Chen 等提出了一种轴向柱塞水压马达并对马达的振动特性及柱塞断裂的检测进行了研究^[1-2]。日本横滨国立大学的X.Wang 和 A.Yam-aguchi 对水压泵和水压马达的静压轴承密封件进行了相关研究，并发现弹性材料比刚性材料能更好的改善静密封轴承件的承载力^[3]。我国西安交通大学的卢勇、赵远扬等人设计了一种适用于海水淡化系统的双作用叶片泵，并对其流量、体积效率、量损耗与节省等问题进行了分析^[4]。

　　纵观国内外在水液压执行元件方面的研究现状和所取得的成果，研究的方向主要是水液压轴向柱塞马达和水液压叶片马达^[5-9]，并已有产品问世。水液压轴向柱塞马达和水液压叶片马达属于高速低扭矩马达，其应用领域和范围不可避免地受到制约，特别是在需要低速大扭矩的场合，以及空间受到限制、不便于安装变速箱的场合。在这种情况下，本文提出了一种采用自然水(含海水和淡水)作为液压介质进行工作的径向低速大扭矩马达，其内部结构如图1 (a) 所示。其工作原理是由水压柱塞泵供给的压力水通过进出水方块进入配流盘中，再流入转子体中，并经转子径向柱塞孔作用在与压力水相通的柱塞上，柱塞在径向力的作用下沿径向向外运动，从而将与其接触的滚球压在定子的内曲面上，如图1 (b) 所示。由于定子内曲线的作用，滚球连同柱塞会受到定子给予的反作用力，反作用力分解出的切应力通过柱塞副(滚球与柱塞)最终作用在转子体上，产生转矩，使转子绕中心旋转，并在输出轴上形成一定的转速和扭矩。

　　与矿物油相比，水具有粘度低、润滑性能差、气化压力高等特殊性质，因此对运动副的材料及运动规律要求更高。低的粘度使得同样条件下的水膜厚度远远低于油膜厚度，不易形成润滑保护膜，易产生干摩擦现象。高的气化压力，使其非常容易发生气蚀、水击等问题。这些都是水压马达面临的主要问题，而这些问题的解决需从两方面着手：一方面是材料的选取;另一方面是定子曲线的设计。合适的定子曲线可以减少摩擦、磨损、水击等现象的发生。本文仅根据运动学理论对水液压马达的定子曲线进行了设计与分析，不涉及材料方面的研究。对于油压马达来说，不同类型定子曲线的运动规律对马达的影响不是很大，但对于水压马达就不同了。由于水特殊的物理和化学性质，使得其对定子曲线运动规律的敏感性更强。定子导轨曲线设计的合理与否直接影响到水压马达的输出扭矩、转速、噪声以及定子导轨的寿命等。柱塞副运动的加速度更是检验曲线设计好坏的重要因素之一。不同类型的定子曲线会产生不同的运动规律，从而具有不同的加速度。本文着重分析了9 种运动规律的定子曲线，分别是等加速运动规律、具有过渡区的等加速运动规律、幅角修正有零速区的运动规律、幅角修正无零速区的运动规律、匀变加速加、减区段同时修正的运动规律、匀变加速只进行加速区段修正的运动规律、加速度按正弦变化的运动规律、加速度按抛物线变化的运动规律、加速度按余弦变化的运动规律。从柱塞副加速度的变化、柱塞副最大速度及曲线最大压力角的不同，分析出不同类型运动规律下柱塞副对定子导轨冲击的大小，由此得到适合于所研究的水压马达定子导轨的曲线。