液压分流马达特性分析与应用研究.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 ． 0 1 ． 2 0 1 3 液压分流马达特性分析与应用研究 文 明， 周 黎 ， 赵 明岗， 刘学慧 北京航天发射技术研究所 ， 北京 1 0 0 0 7 6 摘要 该文对液压分 流马达的特性进行 了分析 ， 并结合实验 和实际使用情况进行 了应 用研 究总结 ， 指出了在实际使用 中应该 注意 的 问题。 关键词 液压分流 马达 ； 增压器 ； 特性 ； 应用研究 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 1 0 0 3 7 0 4 Cha r a c t e r i s t i c Ana l y s i s a nd Ap p he d Re s e a r c h o f t he Hyd r a u l i c S y nc h r o no u s M o t o r W EN Mi n g， Z HOU L i ， Z HA0 Mi n g - g a n g． L I U Xu e - h u i B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e L a u n c h T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r a n a l y z e s t h e s p e c i alt i e s o f t h e h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s mo t o r ， a n d the n ma k e s a s u mma r y o f r e s e a r c h o n t h e a p p l i c a t i o n b y c o mb i n i n g t h e e x p e r i me n t an d t h e a c t u a l u s e ． L a s tl y t h e p r o b l e ms w e s h o u l d p a y a t t e n t i o n t o i n t h e a c t u a l s i t u a t i o n a r e p o i n t e d o u t ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s mo t o r ； i n c r e a s e p r e s s u r e mo t o r ； s p e c i alt i e s ； a p p l i c a t i o n s r e s e a r c h U 日 lj舌 液压分流马达又叫液压 同步马达 ，现 已广泛应用 于冶金 、 港 口、 水 电、 润滑 、 石油、 工程机械等行业。我们 经常见到和使用的液压同步 马达一般分为齿轮式和径 向柱塞式两种结构形式 。这两种结构形式都是属于高 速类元件 ， 在低速时容易产生爬行和 内泄漏 。 排量精度 都是在一定的转速 以上才能得到保证 ，因此使用 中对 最低转速是有限制的。一般来讲 ， 径 向柱塞式 同步马达 同步精度更高 齿 轮式分流马达 1 ． 5 ％～ 2 ． 5 ％； 径 向柱 塞式分流马达 0 ． 4 ％～ 土 O ． 9 ％ ， 但柱塞马达加工难度大 ， 造价也高 ，在 系统使用中必须增加泄漏油管直接 回油 箱 ， 系统较复杂。齿轮式分 流马达结构简单可靠 、 价格 合理 。本文主要对应用更为广泛 的齿轮式分流马达进 行 了特性与应用研究分析 ，并总结出了在实际应用 中 应该注意的事项。 1 特性介绍 1 ． 1 齿轮式分流马达原理 齿轮式分流马达是通过花键轴将各组件齿轮彼此 刚性联接起来 ， 可以根据需要组成两联 ， 三联 ， 四联等 多联的齿轮 同步马达 。由于每个马达具有相同的尺寸 收稿 日期 2 0 1 2 ～ l l 一 1 3 作者简介 文明 1 9 8 2 一 ， 男 ， 河南泌 阳人， 工 程师 ， 硕士 ， 北京航天发 射技 术研究所 ， 主要从事液压元件 及系统设计 。 和较高的加工精度 ， 使得通过每一个液压马达的流量或 排量基本相 同， 再采用相 同截面积 的液压执行器 ， 可使 液压执行器的速度 同步。 其分流 比例理论上不受负载压 力变化的影响， 以满足系统中不同负载的要求。从工作 状态分析 ， 它既具有齿轮油泵的工况 ， 又具有齿轮马达 的工况。 现以两联齿轮分流马达 下文简称同步马达 为 例进行分析 ， 分流马达 中的一对齿轮 A， ， A 1 起液压马 达的作用 ， 另一对齿轮 B ， ， B ， 起液压泵 的作用。 两对齿 轮的输入压力都是p 。 ， 输出压力分别为 P 、 p b ， 则 p 。 。图 1 所示为齿轮分流马达的分流机理。 图 1 齿 轮 分 流 马 达 的 分 流 机 理 由于齿轮同步分流马达的进油保持恒定 。 两输出 口 的流量之和与进 口流量相等。 在液压分流马达系统 内从 高压侧泄漏出来的油要返回到低压油腔 。 而此时进油腔 的压力高于低压侧出口的压力 ， 所 以返回的油最终又都 得从低压侧排出。也就是说 ， 高压侧输 出的流量将小于 低压侧输出的流量， 总的进油恒定。从图 1 齿轮同步分 3 7 液 压 气 动 与 密 封／ 2 O 1 3年 第 0 1期 流马达分流机理我们也可以做如下定量分析 设 A、 B腔的有效 面积都为 ．s ， 输入压力都为 P 。 ， 输 出压力分别为p a , p b ， 且 p p o p b ， 即 A为马达工况 ， B为 泵工况。设 A、 B的内泄漏分别为 △ q 、 △ q ， A 、 B的同步 速度为 ， A、 B的输出流量分别为 q ， g b 口 a ．s A q 1 q b S - A q b 2 则有同步误差为 △ g g 一 g b △ g 十 △ g b 3 即同步误差为 A、 B的泄漏量之和 。由于这些特性 的存在 ， 要提高分流精度 ， 就必须减少内泄漏 。 1 ． 2 增 压器 作用 所谓“ 增压器” 是指在同步马达上增加具有相同或 更大排量的一腔或几腔 。该腔的出油 口直接与油箱相 连 ， 目的是提高其他各腔的出口压力。增压特性的理论 基础 ， 可通过如下推导得出。 图 2为 同步马达均匀分流原理示 意图，图 3为同 步马达增压特性示意图。 图 2同步分流示意图 图 3增压特性示意 图 由图 2可知 Q Q 1 Q 2 ⋯⋯ Q 4 Ⅳ _ Ⅳ 1 Ⅳ 2 ⋯⋯ 5 p o 1 Q 1 p 2 Q 2 ⋯⋯ p Q 6 式中p 压力 MP a ； Q 流量 L ／ mi n ； f V l_一 功率 k W 。 当同步马达为等量分配 ， 且载荷均匀时 Q 。 Q ⋯⋯ Q P1 P2 ⋯ ⋯ _ pn 则有 N。 Ⅳ 2 ⋯⋯ Ⅳ n 当理论上忽略回路中的沿程压力损失和分 流马达 容积效率， 则 △ p 0 ， △ 仇 0 。 由图 3可知 pQ p Q 。 2 Q 2 7 当同步马达为等量分配时， 即 Q Q ， 3 8 因为 Q Q Q ， 所 以 Q 2 Q 2 Q 。 ， 由于图 3中P z O ， 由 式 7 可得 p z Q Q。 O Q ， p - 2 p， 此时液压缸提升负 载的能力是原来 的 2倍。 当同步马达为 比例分配时 ， 假设 Q ／ Q 。 3 ／ 1 ， Q Q 。 Q 2 ， Q Q l Q 2 Q 1 3 Q1 4 Q ， 由于图 3中 p 2 -- O， 所 以由 式 7 可得 p 4 Q l Q1 O Q 2 ， p l 4 p， 所 以此时液压缸提 升负载的能力是原来 的4倍。 通过上述分析可以得出结论 液压分流马达 ， 当有 一 个分流马达出 口卸载 ， 直接 回油箱时 ， 可使其他分流 马达出 口压力升高 ， 但流量 速 要相应降低 ； 通过 比例 分配各马达的流量 ， 可以得到更大或需要的增压比。这 种液压“ 增压器 ” 在液压系统 中虽然还没有广泛使用 ， 但其优 良的增压特性决定了其未来的应用潜力。另外 ， 由于上述公式推导考虑的是理想状态 ，分流马达作为 “ 增压器” 在实际应用 中还应当考虑系统 回路及元件压 力损失 、 容积效率和流量损失等。 1 ． 3典型 同步 回路分 析 液压系统中应用同步马达进行 同步控制 的典型 回 路如图 4所示。 1 一 溢流阀2 、 3 一 单 向阀4 一 单 向节流阀5 一 液控单 向阀 图 4 同步马达典型 回路液压原 理图 如 图 4所示为了保证同步马达的正常工作 ．马达 的出 口必须配置限压和补油控制油路 ，以保证多个油 缸运动时不会产生“ 吸空” 和“ 气蚀” 危害 。图 4中溢流 阀 1和单向阀 2一般集成在同步马达上 ，阀件 3 、 4 、 5 根据系统需要进行匹配选择 。各阀件主要 目的和作用 如下 溢流阀 1的功能是 每一联马达出 口均有一个溢 流阀防止在液压缸出 口由于压力放大现象而产生过高 压力 。从而保证 即使 回路 中有一个液压缸 已经提前完 成了整个行程 ，其他 的液压缸仍然可以正常完成其工 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．O1 ． 2 0 1 3 作行程 。单向阀 2和 3的功能是 保证 同步马达的每腔 都能维持一个大约 4 b a r 的最小压力 ，其 中阀 2的开启 压力为 1 b a r ， 阀 3的开启压力为 5 b a r 。保证系统最小压 力 可 以防止 回油 时运行速度 最快 的液压缸不 会发生 “ 吸空” 现象。若某一 回路“ 吸空” ， 补油单向阀 2就会开 启 ． 防止吸空产生 的“ 气蚀” 危害。单向节流阀 4的功能 是 防止 同步马达按照最快 的液压缸 的速度来运行 ， 而 导致其他 的液压缸 没有及时跟上。当液压缸进行回程 且存在负载时 。 譬如 自重回落状态 ， 回路中这样一个 阀 的作用就变得特别重要 。液控单向阀 5的功能是 同步 马达不具备保压作用 ，如需长 时间保压必须要加液控 单 向阀 。如果有负载工况可以根据需要选用相应的平 衡阀。 2 同步马达试验研究 为 了研究同步 马达 同步特性 ，试验室选用某两联 等量分配 同步马达 ， 该同步马达单流排量为 1 7 m L ／ r ， 带 溢流 阀 压力预设 为 1 6 0 b a r 及补油 阀 ， 转速 范围 5 0 0 r ／ mi n ～ 2 0 0 0 r ／ m i n 。 试验用的所有仪器仪表均标校合格 ， 分别用 1 O号航空液压油及 T 4 6液压油进行了试验。同 步马达试验 台架实物如 图 5所示 ，同步马达性能试验 原理如 图 6所示 。 图 5同步马达试 验台架 5 4 1 一 油 源2 一同步马达3 一 压力表 4 一 截止阀 溢流阀 5 一 流量计6 一 电磁阀 图 6同步马达性能试验原理图 根据试验要求 首先采用 1 0号航空液压油分别测 试 了两支路在载荷相同、 连续变化流量 转速 工况下 的 同步 特性 ，以及 载 荷不 同 两路 负 载 压 差大 于 2 MP a 、 连续变化流量 转速 工况下 的同步特性 ； 随后 又用 T 4 6液压油对上述两种工况进行 了重复测试 。试 验数据整理如图 7所示。 j {}lj 图 7同步 马 达 分 流 误 差 测试 结 果 从 图 7可以得 出如下结论 1 在载荷均匀 ， 油液粘度适 中情况下同步 马达的 分流误差可以达到 2 ％以下 2 同种油 液及 流量工况 下偏载是引起 分流误差 增大的主要原 因 3 相 同载荷工况下油液的粘度影响同步马达的 分流误差 4 在低速工况下 ， 同步马达 的内泄漏较为 明显 ， 同步误差精度下降较为显著 ， 在最大转速 的 5 0 ％一 8 0 ％ 区间内马达的同步精度最为合理。 3 典型应用研究 3 ． 1 增压器应用 某工程机械车辆在工作状态需要用 四个过盈配合 机 械液压锁 紧缸 支腿缸 把车体支撑离开地面 ， 由于 支腿缸的特性在执行起升和回收动作过程中需要有一 股 高压小流量油液持续不断进行开锁 ，同时另外一个 油泵执行相应动作。在 以往设计 中，一般采用双泵设 计 ， 如 8图所示 ， p 2 泵用于支腿缸 的开锁 ， 由于增 加了 一 个泵 ， 因此需要增加相应 的溢流阀、 过滤器压力表等 各种附件 ， 增加成本及工作量 。由于车辆动作较多 ， 在 系统优化设计过程中引用系统 中其他低压 回路 ，只需 一 个两位三通 电磁换 向阀和两联 同步马达经增压后开 锁 即可 ， 原理图如图 9所示 ， 系统设计大大简化。 可 以看 出尤其在多个执行 回路液压系统设计 中， 当个别 回路为高压大负载时 ， 采用液压分流马达 ， 作为 增压元件使用 ， 可以避免 因单个回路大负载 ， 提高整个 液压系统工作压力 ， 并且可减小系统 电机功率 ， 降低系 统能耗 。 起到节能的效果。 3 9 ％％％ ％％％％％％％ ％％％％ ∞∞∞ ∞∞∞∞∞∞∞ ∞∞∞∞ 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 01期 这样的液压回路应用经常会出现在工程机械行业 ， 系统压力比较低 ， 但要求某一 回路有较高的工作压力 ， 利 用已经存在的低压回路 ， 来满足某一高压小流量工况。 图 8泵开锁 回路 图 9同步 马达 增 压 开 锁 回路 3 ． 2同步回路应用 某工程车辆设置 了顶盖 。顶盖需要用两个液压缸 进行同步开启和关 闭， 为了避免顶盖损坏 ， 要求两个液 压缸在动作全行程同步误差不能超过 5 ％， 选用常规流 量 阀分别调节顶盖运动速度不能保证要求 的精度 ， 采 用 比例 或伺服 闭环控制系统增加 了系统 的复杂性和 成本 ， 所 以， 在系统设计过程 中选用液压同步马达作为 同步控制元件 ，并结合顶盖开启闭合过程 中载荷变化 情况 ， 增加 了平衡阀和调 速阀 ， 设计的 回路如图 1 0所 示 ， 经仿真实验分析， 同步特性 良好 ， 满足指标要求。 图 1 O 顶盖同步动作系统 回路 4 使用中应该注意的事项 经过上述分析 ， 同步马达虽然应用广泛 ， 但为了发 挥其最佳效果 ， 在使用中应注意以下事项 1 负载的不均衡程度严重影响其 同步性 ， 为了获 得更好 的同步效果 ， 尽可能均匀分配载荷 ， 提高 了同步 特性 ； 2 同步马达是一种高速元件 ， 转速很低时内泄漏 相对较大 ． 应尽量工作 于最大转速 的 5 0 ％～ 8 O ％区间内 以便获得最佳 同步效果 ； 3 油液介质的粘度影响同步特性 ， 要根据环境温 度选择合适的液压油 ； 4 同步马达为高精密元件 ， 油液 的清洁度要满足 要求， 减小齿轮磨损 ， 减小 内泄漏量 ； 5 同步马达要水平安装 ， 管路布置要对称且尽可 能的短 ． 初次使用前回路中管路要充分排气 ； 6 同步马达 的溢流阀要根据需要进行 调整 ， 同步 马达某一腔不工作时 ， 切不可将该腔堵死 ， 要将该腔出 油 口通过溢流阀接 回油 ，并将相应的溢流阀压力调节 到适当值 。 5 结束语 本文主要对齿轮式液压 同步马达 的特性进行了分 析 ， 对某同步马达性能进行 了试验分析 ， 并分别给出了 同步 回路和增压器 回路 的实际应用案例 ，结合实验和 应用情况总结 了同步马达在使用 中应该 注意的问题 ， 对今后结合各 自系统特点 ，合理选择应用 同步马达提 供了较好 的借鉴作用。 参考 文 献 【 1 】 张绍九． 液压 同步 系统[ M】 ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 【 2 】 韩 靖宇 ， 等 ． 小负载双缸 液压同步系统 的设计 与实现[ J 1 ． 液压 气动与密封 ， 2 0 1 l ， 9 ． [ 3 】 于 鸿立 ， 等 ． 液压 分流 马 达 的应用 与 调 整[ J ] ． 液压 与 气 动 ， 2 0 0 7 ， 1 2 ． [ 4 ] 陈 德 国 ， 等 ． 多流 液压 同步马 达应 用 研究 [ J ] ． 机床 与 液 压 ， 2 0 1 0 ， 4 ． [ 5 】 谢文建， 等． 任意位置过盈锁紧型液压缸在液压锁紧回路中 的应用与研究 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 1 ， 1 2 ． [ 6 ] 杨 红娟 ， 等 ． 液压分 流马达在高压水 压试 管机 同步 回路 中的 应用【 J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 6 ， 1 ． 【 7 ] 王继红 ， 等． 齿 轮分流器及其 与分流阀的 比较研究 [ J ] ． 甘 肃科 技 ， 2 0 0 2 ， 6 ． 【 8 】 张翼． 正确消除 液压 同步马达 的同步误 差[ J ] ． 流体 传动 与控 制 ， 2 0 0 8 ， 1 1 ．