（农业机械化工程专业论文）手持式水力驱动清洗机的研制.pdf

山东农业大学顾士学位论文 捅笺 针对泰安玻璃纤维厂的纤维原料桶的清洗的实际，为了保证原料桶的 重复使用，而只用高压水射流清洗是不能达到预定的效果，本课题设计了 一种简易的手持式水力驱动清洗机，将机械清洗和水流清洗结合起来，实 现了边冲边刷的清洗技术，同时在清洗过程中，机械能和水都得到了充分 利用。 由于水的特殊的理化特性，将水作为驱动介质，必然会引起一般材料 的腐蚀、马达的泄漏、摩擦副的磨损等一系列问题。 本论文着重对水动马达从理论上进行了分析和设计。首先阐述以水 作为驱动介质需注意的问题及应采取的解决方法，进行可行性分析；再通 过反复的设计与修正，确定出水动马达的具体零件的基本尺寸及结构；然 后，重点对叶片的倾斜角的确定，作了详细的计算，运用数学建模的方法， 将叶片绕定子旋转的整个过程的压力角计算出来，来选择合适的倾斜角 度；另外，运用了一种新的设计轴径的方法可靠性设计的方法来确定 转子输出轴的轴径：最后，对马达的薄弱零件叶片进行了弯曲强度与 接触强度的校核。 水动马达的样机试制完成后，对其性能指标进行了测试，水动马达的 性能指标主要由两个因素决定：水动马达的容积效率和总效率。容积效率 主要可以通过测量马达的流量和转速来确定，总效率主要通过测量马达的 输出扭矩和实际流量来确定。将水动马达在q l - 2 7 0 型高压泵作用下，进 行试验。 经测试，进水压力在o 8 m p a 时，输出扭矩基本满足清洗要求，当转 速为5 0 0 r r a i n 左右时，水动马达总效率最高，在2 2 6 7 左右。 关键词：水动马达清洗机叶片倾斜角可靠性 手持式水力驱动清洗机的研制 a b s t r a c t c o n s i d e r i n g t h er e a l i t yo f w a s h i n g o ft h ef i b e rr a wm a t e r i a l sb a r r e lo ft h e g l a s sf i b e rf a c t o r yo ft a i l a n ，i no r d e r t og u a r a n t e et h er e p e a t e du s eo ft h er a w m a t e r i a l sb a r r e l ，i td o e sn o tg e tt h er e s u l to fb o o k i n g t ow a s h o n l yt h r o u g ht h e h i g h p r e s s u r ew a t e re f f i u x t h i ss u b j e c th a sd e s i g n e dak i n do fs i m p l ea n d e a s yh o l d i n gw a s h i n g m a c h i n eb yh y d r a u t i cd r i v e n w a s h i n gm a c h i n em a k e s g o o du s eo fw a t e re n e r g ya n dm a c h i n e r ye n e r g ya n dr e a l i z e s t h ew a s h i n g t e c h n o l o g yt h a ti sp a s t e du p w h i l ew a s h i n g ，a tt h es a m et i m ei nt h ep r o c e s so f w a s h i n g ，b o t hm e c h a n i c a le n e r g y a n dw a t e r g e ta b u n d a n tu s a g e b e c a u s eo fs p e c i a lp h y s i c sa n dc h e m i s t r yc h a r a c t e r i s t i co fw a t e r , a s d r i v e nm e d i u m ，i tw i l li n e v i t a b l yc a u s em a t e r i a lc o r r o d e ，r e l a t i v em o t i o nr u b w e a r i n g a n dt e a r i n go f p a c kas e r i e so f i s s u e s i no r d e rt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s t h i st h e s i sf 0 c u s e so nt h ea n a l y s e s a n dd e s i g n a t i o nt oh y d r a u l i cm o t o rt h e o r e t i c a l l y f i r s to fa 1 1 e x p l a i n i n gt h e p r o b l e m t h a tn e e dt op a ya t t e n t i o nt ot h a tr e g a r d sw a t e ra st h ed r i v e nm e d i u m a n dt a k i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n ，c a r r y i n go nf e a s i b i l i t ya n a l y s e sa n d t h e n t h r o u g hr e p e a t e dd e s i g n a t i o n a n dc a l c u l a t i o n ，ic o n f i r mt h eb a s i cs i z ea n d s t r u c t u r eo fp a r to fm o t o r ；t h e n ，ih a v ed o n ed e t a i l e dc a l c u l a t i o nt ot h e s u r e n e s so ft h ea n g l eo ft i l to ft h eb l a d ee s p e c i a l l y , u s i n gm a t h e m a t i c so f m o d e l i n gm e t h o d c a l c u l a t i n go u tp r e s s u r ea n g l eo f t h es t a t o rr o t a t e db yt h e b l a d e s ，c h o o s i n g t h es u i t a b l et i l t a n g l e ；i na d d i t i o n ，i h a v eu s e dan e w m e t h o d - - r e l i a b i l i t yd e s i g n a t i o nm e t h o dt od e s i g nt h ed i a m e t e ro f t h er o t o ro f o u t p u ts h a f ta x l ed i a m e t e r ；f i n a l l y , t h ew e a kp a r t o ft h em o t o r - t h eb l a d eh a s b e e nc a r r i e do nc r o o k e d i n t e n s i t ya n d c h e c k e x p o s e d t ot h ei n t e n s i t y a f t e rt h ea d v a n c e dd e v e l o p m e n tt h a tw a t e rm o v e st h em o t o ri sf i n i s h e d ， t e s ti t sp e r f o r m a n c ei n d e x ，w a t e rm o v e st h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h em o t o r b u td e t e r m i n e db yt w of o l l o w i n gf a c t o r sm a i n l y ：v o l u m ee f f i c i e n c ya n dt o t a l e f f i c i e n c yo f t h em o t o r v o l u m ee f f i c i e n c yc a r lb ef i x e dt h r o u g ht h ef l o wa n d r o t a t i o n a l s p e e d o fm e a s u r i n gt h em o t o rm a i n l y , t o t a l e f f i c i e n c y i sf i x e d t h r o u g ht h eo u t p u tt o r s i o na n da c t u a lf l o wm a i n l y c a r r y i n go nt h et e s tu n d e r i i 些墨坚些奎兰堡主兰堡笙苎 t h eh i g h p r e s s u r ep u m pf u n c t i o no f t h em o d e l q l - 2 7 0 t h r o u g ht e s t i n g ，a t0 8 m p a ，o u t p u tt o r s i o nm e e t sc l e a n i n gr e q u i r e m e n t b a s i c a l l ya n d a ta b o u t5 0 0 r m i no f r o t a t i o n a ls p e e d ，t h et o t a le f f i c i e n c yr e a c h e s t h em o s te f f e c t i v ea b o u t2 2 6 7 k e y w o r d s ：h y d r a u l i cm o t o r ；w a s h i n gm a c h i n e ；t i l ta n g l e ；r e l i a b i l i t y i l l 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行 科学研究所取得的成果。对在论文研究期间给予指号帮 二 助和做出重要贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本 声明的法律责任卣本人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文 的规定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送 交论文纸质本和电子版，、吮许论文被查阅和借阅。本人授 权山东农业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：妞 导师签名：趁! 鲞鱼 日期：础 山东农业大学硕十学位论文 1 引言 1 1 选题的目的和意义“0 1 本课题的研究就是将机械清洗和水射流清洗结合起来，实现边冲边刷 的清洗技术。在清洗过程中，机械能和水都得到了充分利用。同时，可以 减少一味的利用高压喷头所带来的水源浪费的弊端和利用不同动力传动 的清洗机所带来的不便，如利用电动机驱动，由于水的参与会造成危险事 故的发生；利用气动马达驱动，由于还需要一根管道用来供水，会造成结 构的复杂等。 清洗机是高压水射流技术应用最为成熟、广泛的一种成套设备，近几 年在我国己被各类部门所接受，并逐渐形成种类齐全、多功能、多用途、 系列化的产品。在人们日常生活和工业生产中发挥着越来越重要的作用： 清洗行业的发展不仅为全社会提供了有效的技术服务，而且已经为社会文 明的一个重要标志。随着国家工业化进程和社会生产及生活的需要，清洗 行业的应用领域越来越广泛，如化学工业、金属加工业、轻工业一动力工 业、食品工业、建筑工业、电子工业、航空工业、船舶工业、军事工业等 领域，工业清洗有着广泛的应用。随着清洗机用途的扩大，其附件的研究 必将是一个常胜不衰的专业课题。 清洗的目的主要表现在以下几个方面：清洗本身是一工艺流程，合理 的清洗可以维护系统的正常运转；延长设备的使用寿命：大幅度地提高产 品的使用质量：提高生产率和产品的质量；有利于装置、设备的维护；节 约能源、提高能源的利用率：创造有利于人体健康的良好卫生环境等。 鉴于清洗的重要性，国内外对清洗技术都进行了广泛的研究，使得这项技 术有了迅速发展。本课题的研制正是以此为目的，将水与旋转刷头结合在 一起，必将提高工作效率，减少劳动强度，获得较高的经济利益。 1 2 国内外清洗机的概况 i 2 1 国外清洗机的概况j i “ 国外清洗杌的特点是成套性，因而适用范围极为广泛。在高压往复泵 基础上非常重视各种水射流附件的开发。比如清洗管道，4 , n 六毫米，大 手持式水力驱动清洗机的研制 到二十时内径均有喷头。它们与泵的组合构成了不同用途的清洗机。 国外清洗技术大致分为四类： 喷淋清洗这种清洗方法是压力清洗液通过喷嘴喷淋到工件上，以 达到清洗效果。根据压力不同，分为一般清洗和高压清洗，高压清洗可对 工件进行脱漆、去毛刺处理。根据水温的不同，还可以分为常温清洗和高 温清洗。 浸泡式清洗这种清洗方法是将工件放在清洗液中，通过清洗液的 循环流动或清洗液的大量喷射，对工件进行清洗。 超声波清洗该方法是将工件放在清洗液中，用超声波对清洗液产 生激发作用，达到对工件的清洗。由于卤化烃清洗液易污染环境，现在采 用水基清洗剂。水基清洗液分为两种：碱性清洗液和酸性清洗液，并根据 碱、酸度，可分为强碱( 酸) 性清洗液、弱碱( 酸) 性清洗液、中性清洗 液。 蒸发脱脂清洗此方法采用卤化烃清洗液，使其蒸发，用蒸汽达到 对工件脱脂的目的。 1 2 2 国外新型的清洗机“。 国外工业发达国家，都很重视清洗工艺的研究开发，各种清洗设备也 很多。主要有高压清洗机和超声波清洗机等。 ( 1 ) 超声波清洗机 超声波清洗机是利用超声波在液体中的气化作用，对各种物体进行清 洗。气化作用是液体中的一种物理现象：液体在超声波的作用下，能产生 大量非稳态的微小空泡或气泡，在声场的作用下，这些气泡进行生长、闭 合运动，液体微粒之间在1 秒内发生数万次激烈的碰撞，能产生非常强大 的能量。由于碰撞力很高，在4 9 1 9 6 m p a 之间，这样被清洗物的污粒会 在液体加速作用下极快地被清除掉。 超声波清洗用途很广泛，可对机械零件、电子器件、滚动轴承、医疗 器械、液压工具、珠宝首饰、电镀零件、光学元件及五金工具等进行清洗。 在2 0 0 3 年北京亚太博览会上，天鹏电子新技术公司展出了t p 一5 0 、t p 一1 0 0 、t p 一2 5 0 、t p 一5 0 0 和t p 一1 0 0 0 系列超声波清洗机。 西柏林b a n d e l i n 电子装备公司开发的超声零件清洗工业装置有特种 2 山东农业人学硕士学位论文 和标准型两大类，每类具有一系列的型号。结构紧凑、总量轻、生产率高、 使用可靠。 特种r k 型清洗装置主要用于清洗高精度的加工零件。整个清晰装 置、高频发生器与操纵系统做成一个整体。 特种z 型清洗装置主要用于工作条件恶劣的情况下( 如工地空气高 度潮湿、空气中含尘度高等) 。清晰装置的高频发生器系分开单独设立的， 其间用电缆相连。 该公司还生产了清洗装置的各种辅助装鼍。t r i c k o p u r 工作液与化学 剂再生装置可去除各种赃物。 ( 2 ) 大件清洗机 美国最近推出了a d f 9 9 0 型零件清洗机。生产金属、塑料、玻璃和橡 胶制品的工厂使用该清洗机可以清洗大型零件。它能使用可分解处理的清 洗机与热水混合的水溶液清洗齿轮、冲模、箱体等大型零件。该清洗机由 不锈钢制成，设计由转动台，可由升降机和铲车直接装卸。 ( 3 ) 水压清洗零件的机器人 意大利科茂( c o m a u ) 公司为其柔性自动系统开发了一种m s a r t 型工业机器人，机器人有5 个自由度，在清洗室里机器人可对各种零件进 行内外表面清洗。清洗液经过滤可循环使用，机器人对单个零件清洗很容 易编制程序。生产率为3 0 件4 , 时，水压范围为5 - - 8 0 m p a ，水泵供给量 1 4 0 l m i n 。 ( 4 ) j c 一8 0 型轻便高压清洗机 日本明治机械制造所研制出m j c - - 8 0 型轻便高压清洗机，可用于涂 装前对工件表面的清洗，可剥离旧漆膜，或用于清洗建筑物、土木机械、 混凝土模板、汽车、农业机械等。 这种清洗机的特点是耗水少，喷水量1 3 l m i n ，吸水量1 4 l m i n ，清 洗最高压力可达8 0 m p a 。使用安全，机械泵和清洗喷枪均备有保护装置； 结构简单，重量轻，移动方便；喷枪长3 0 0 m m ，采用1 5 。扇形喷嘴，直 吸式吸水方式，使用方便。 ( 5 ) 水压小型清洗机系列 西德w i l m s 公司生产的两种清洗机装有高效水泵和脚轮，移动方便， 3 手持式水力驱动清洗机的研制 外形尺寸为6 8 0 7 7 0 x 8 5 0 m m 。供汽车零件和总成清洗，是高压热水流 清洗机。它们的工作压力分别是6 0 m p a 和8 0 m p a ，流量分别为6 0 0 l m 和7 0 0 l h a 。清洗液采用蒸汽或电加热。清洗机有水温无级调整系统，水 温调整精度1 0 c 。传动系统采用三角皮带，并装有液面高度指示器。 1 2 3 国内清洗机概况及趋势” 国内清洗机产品早期生产的有天津通用机械厂，宝鸡水泵厂和上海大 隆机器厂。但由于种种原因，国内清洗机无论从压力等级还是型式用途， 发展都相当缓慢，与上述的国外产品差距很大。近年来，微、小型清洗机 如雨后春笋，最初由农用喷雾机泵起家，经改造，压力4 0 m p a 、流量3 6 1 m i n 的小型清洗机已成为国内市场的大路产品，随着国外样机的引进消化，微 型清洗机的研制成功，使我国微小型清洗机在短期内已发展为压力3 6 1 8 m p a ，功率2 5 0 w 5 5 k w ，冷水性、热水性、化学剂等种类的专业产 品。附件有各种阀、直射式喷枪、扇射式喷枪、射流调节式喷枪、旋转刷、 冷热水混合喷枪、磨料喷枪等。 国内清洗机正在现有的基础上向系列化、边缘参数和一机多用的成套 性方向发展。如有的厂家通过全系列引进发展高压力、大功率、多功能品 种；有的厂家在测绘国外样机基础上自行发展，形成自己的风格。就国内 现有产品和市场需求来看，对清洗机用泵迫切需要高压力( 7 0 1 0 0 m p a ) ， 大功率( 5 5 1 1 0 k w ) 和小功率高压泵( 3 0 m p a ，5 5 k w ) ，它们是目前 大、小机座的边缘参数，再就是高压隔膜泵( 用于磨料均质射流，6 3 1 0 m p a ，5 5 k w ) 。对水射流附件迫切需要内表面清洗的各种喷头( 这在 国内还是空白，特别是高压级别) 和磨料射流系统( 前混合式喷枪) 以及 高压阀类。此外，7 0 1 0 0 m p a 压力的直射式喷枪也还没有成熟产品。 目前，国内清洗技术的科研中心及清洗工业并未形成一个行业，清洗 设备仅有少数几种技术规格进行小批量生产，通用化程度还小，并未形成 系列化、标准化。大多数清洗设备仍然处于非标准专用设备状态。适用于 中、小型机械零部件的清洗设备，主要有喷射水枪、高压水剂清洗机和超 声波清洗机等类型。其中，喷射式清洗机是由电动机、柱塞泵、水箱、高 压软管和喷射水枪等部件组成的p x 型喷射式清洗机，式最简单的清洗设 备。可以按照各种不同清洗物表面的要求，将水枪调解成“软雾”、“硬雾” 4 山东农业大学硕士学位论文 喷洗或“冲击水柱”清洗。枪管出口流量可达3 1 l m i n ，水柱喷射距离 1 5 m 。既能保护表面不受损伤，又能达到清晰目的。广泛应用于汽车、电 车、工程机械、坦克、火炮、船舶等的清洗，也是公共食堂、宾馆、商店、 菜场、屠宰场、水产3 n 7 - 厂、酒厂、药厂及环卫系统打扫卫生的工具。国 产g x a 3 2 型清洗设备的压力为3 2 m p a ，喷枪流量为8 0 l m i n 。它们的特 点式常温自来水清洗液，不用添加剂成本低，不污染环境。 1 3 国内外清洗技术的比较 由于我国清洗技术起步较晚，因此与国外相比存在一定差距，主要表 现在： ( 1 ) 清洗技术简单，仅限于喷淋式清洗机。且研究不够深入，有时对 工件清洗工艺安排不甚合理。难于满足我国各行业的要求，虽有超声波清 洗机，但不能形成竞争实力。 ( 2 ) 清洗机配套技术有待提高，如过滤、吸雾排风、浮油排除等，清 洗液过滤对工件清晰影响较大，国内对各种过滤方法及工艺参数的研究不 足，对吸雾排风、浮油排除等装置研究重视不足。 ( 3 ) 清洗喷嘴品种单一，不能满足特殊清洗部位的需要。国外喷嘴油 专业生产厂生产，种类繁多、规格齐全。国内对喷嘴研究不多，没有系列 化产品。 ( 4 ) 清洗介质种类少，质量符合要求的不多。清洗介质对清洗技术的 发展影响很大，国内生产长较多，但对此投入研究的不多。 ( 5 ) 清洗质量有待提高，主要是保证清洁度要求，降低设备的故障率。 以及防漏、防腐、噪音、外观质量、整体造型等方面。 同时，配套部件的水平低，严重阻碍了清洗机的提高。如风机、水泵 噪音超过了用户要求的标准，配套的动力部件，如油缸漏油、信号开关工 作不稳定等。因此，对配套的研究也应得到足够的重视。 随着我国经济改革的进一步深入。清洗机行业面临着国外先进设备的 挑战和国内行业内各厂家的激烈竞争，各厂家应冷静研究新形势下自身发 展捷径。通过国家经济体制改革和企业体制改革，吸取国外公司发展的先 进经验，结合自身情况，不断的发展壮大自己。 手持式水力驱动清洗机的研制 1 4 研究的主要内容 ( 1 ) 以水作为驱动介质需注意的问题及相应的解决方法 由于水的特有的理化特性，当其作为驱动介质时，必然会引起泄漏、 腐蚀、磨损等问题，因此，设计时必须根据具体的问题采取相应的解决方 法。 ( 2 ) 水动马达尺寸的确定 首先，手持式清洗机必须具有结构简单，质量轻等特点，因此，马达 在设计时必须考虑到水动马达的总体尺寸要小，另外，水动马达的转速不 能太低，否则会影响其转动的稳定性，增大转动阻力，这就要求马达的流 量和排量之间设计要合理，即q = 2 加忙b 和o = q n 之间通过不同的组合， 从而达到预定的要求。 ( 3 ) 马达主要零件的设计，包括马达手柄、定子、转予、叶片、前后端 盖、配流盘等主要零件的设计。其中，叶片的倾角计算成为关键，运用数 学建模，将时片绕转子旋转的整个过程的平均压力角计算出来，来选取倾 斜角度：另外，运用可靠性设计来设计转子的输出轴的轴径。 ( 4 ) 为了保证水动马达的容积效率和机械效率，密封至关重要，这就要 求密封圈的合理选择。 ( 5 ) 对薄弱零部件进行校核，主要是对叶片的接触强度和弯曲强度进行 校核。 ( 6 ) 对样机的试制及试验，由于时间的问题，只对水动马达进行了加工。 通过试验，通过测量水动马达的转速、输出扭矩和输出流量来确定马达的 机械效率、容积效率和总效率。 1 5 预期研究结果及创新之处 ( 1 ) 本课题运用自来水代替液压油作为驱动介质是本研究的一个创 新点，水作为液压介质的成功必将减少环境污染，同时，将回流水直接引 入清洗区作为清洗剂，有利于增加清洗效果； ( 2 ) 叶片作为水动马达的重要零件，其性能好坏直接影响到整机的 性能。为了避免通过经验取值所带来的模糊性弊端，我运用了数学建模的 6 山东农业大学硕士学位论文 方法，对水动马达的整个运动过程中叶片端部所受到的压力角进行了模拟 计算，求出平均压力角最小时的叶片倾斜角度。这种方法不是仅局限于本 课题中水动马达叶片倾斜角的计算，可以将之作为一种计算单作用叶片马 达或泵的叶片倾斜角的方法加以推广应用； ( 3 ) 对整机进行了优化设计，尽量使整机结构简单、外形美观、便 于手持： ( 4 ) 运用可靠性设计方法取代传统的轴类设计方法，有利于提高机 器的可靠度，减轻整机的重量。 7 手持式水力驱动清洗机的研制 2 水作为驱动介质需注意的问题及相应方法 2 1 水作为驱动介质存在的不利因素嘲侧m 1 以水( 天然淡水、海水) 为液压介质，具有无污染、安全、清洁卫生 等优点，而以水为介质的水压传动技术具有结构简单、效率高、经济等优 点，在众多领域有着广泛的应用前景。然而，天然水具有粘度低、润滑性 差及腐蚀等缺点，会引起元件间严重的摩擦磨损、泄漏、腐蚀等问题。 袁2 - 1 几种典型液压油介质与水的性能比较 t a b l e 2 - 1 t h ec h a r a c t e ro f s e v e r a l t y p i c a lh y d r a u l i c o i la n dw a t e r 水的理化性能与矿物型液压油之间有很大的差异见表2 - 1 。影响其使 用性能的不利因素主要有以下几条： 水具有很强的腐蚀性，尤其是化学腐蚀和氧化腐蚀； 5 0 时，水的运动粘度约为o 5 6 m m 2 s ，只有典型液压油的1 1 2 0 1 ，3 0 ： 常温下，粘压系数为o 7 5 g p a ，只有液压油的1 3 0 ： 弹性模量约为2 4 g p a ，是液压油的1 5 2 4 倍； 山东农业大学硕士学位论文 密度为1 1 0 2 5 9 c m 3 ，比液压油的高出1 0 1 5 等。 上面这些差异会引起如下一系列技术问题： 引起材料化学和氧化腐蚀，大大降低材料的强度； 使润滑膜厚度大大减小，引起边界摩擦或干摩擦，导致严重的粘着 磨损、疲劳磨损、磨粒磨损及腐蚀磨损等； 导致马达内部，尤其是叶片与定子之间的泄漏大大增加等。 下面详细阐述一下这些问题：t 2 1 1 1 2 2 1 2 3 1 1 2 4 1 2 1 1 腐蚀问题 水具有腐蚀性，会使大多数金属材料锈蚀，从而导致腐蚀疲劳、应力 腐蚀开裂、材料转移、塑料老化等现象，不仅会大大降低金属材料的强度， 还会破坏配合零件表面的质量，影响零件的尺寸稳定性，导致运动件卡死， 元件的寿命大大降低。研究表明：不锈钢的疲劳极限在淡水中会降低 3 5 以上。因此，所有的水压元件材料必须能够与水相容，具有优异的抗 水腐蚀性能。 2 1 2 泄漏问题 水的运动粘度低，只有液压油的1 1 2 0 1 3 0 。低粘度会增大马达的泄 漏损失，降低马达的容积效率。根据流体力学知识，液压元件的运动副配 合间隙中的泄漏流量q 与间隙大小h 立方成正比，而与介质的动力粘度 成反比： a q 。c 堡p ：b h v m l m i n ( 2 - - i ) 皿 式中： b 一间隙宽度( m m ) l 一间隙长度( m m ) p 一间隙前后压力差( m p a ) v 一间隙中的平均流速( r a m r a i n ) 一介质的动力粘度 9 手持式水力驱动清洗机的研制 在解决此方面问题时，应该合理的提高叶片与定予的加工质量和配合 精度，适当增加配合间隙的长度，选用尺寸稳定性好、顺应性好且耐磨的 摩擦副材料机密封材料，尽可能减少泄漏损失，提高效率。 2 1 3 磨损问题 水的低粘度还将导致摩擦副间的水膜厚度大为减小，根据弹流润滑理 论，弹性流体润滑的最小厚度h 。与动力粘度j 、表面相对速度v 、粘压 系数口的关系h a r m r o c k & d o w s o n 公式表示： h 。c y ) o 鹋d o 柙( 2 - - 2 ) 当最小的液膜厚度小于3 倍的表面粗糙度时，对偶摩擦副表面将发生 直接接触。由于水中不含任何添加剂，其边界润滑性能很差，在高速、重 载的交变应力作用下，直接接触的摩擦副之间将发生干摩擦，从而导致严 重的粘着磨损及疲劳磨损，如果加上腐蚀与磨损的相互作用，摩擦副的寿 命会大大缩短。因此，要尽量避免采用金属金属对偶的摩擦副，应选用 耐蚀、耐磨、自润滑性能优异的摩擦副材料，适当提高摩擦副的表面质量， 从而可以有效解决严重摩擦磨损问题。 2 2 解决方法 以水作为驱动介质主要存在的问题及解决方法大体框架如图2 - 1 所 示，具体的解决方法如下： 2 2 1 材料的选择 根据以上所述，本课题马达叶片与定子在选材方面应遵循一下原则： 耐水腐蚀，主要包括包括氧化腐蚀； 具有自润滑性能； 具有良好的机械性，强度应满足要求： 加工工艺性好，性价比高等。 1 0 山东农业大学硕士学位论文 水的理化特性 粘度低 ll 润滑性差il 腐蚀性 使水膜厚度 大火减小， 导致边界摩 擦或干摩擦 导致马达 内部泄漏 损失增大 导致粘着 磨损，磨粒 磨损 引起材料化 学、氧化腐蚀， 腐蚀磨损使材 料强度降低 合理选材ii 合理设计ii 合理的加工精度 图2 - 1 方案结构框图 f i 9 2 1 m e t h o ds t r u c t u r ed i a g r a m 依据上面的原则加上水的理化特性的影响，可供选用的金属材料很有 限。水的贫乏的润滑性能，使完全由金属材料制成的叶片与定子组成的摩 擦副常常会产生严重磨损。取而代之的工程塑料是一种很好的选择，与金 属相比，工程塑料及其复合材料具有一下性能： 良好的耐蚀性； 具有减摩耐磨性； 比金属高的强度； 具有优异的自润滑性能； 重量轻： 抗老化性能好等。见表2 2 ，2 3 手持式水力驱动清洗机的研制 表2 - 3 各种材料摩擦副水润滑时的摩擦系数和p v 值 t a b l e 2 3c o e f n e i e n to f f r i c t i o na n dp vv a l u et h a tv a r i o u sk i n d so f m a t e r i a l sm hw h e nl u b r i c a t e dw i t hw a t e r 2 2 2 合理的设计 谈到设计，主要包括理论设计、结构设计等。其中，理论设计主要依 赖于流体力学、材料力学、润滑理论及摩擦学等学科。由于水与油的理化 特性的差异，使水动马达中摩擦副的润滑设计有别于油压元件；工程塑料 的强度计算，可靠性计算也在所难免；在结构上应合理解决泄漏、密封等 问题，提出切实可行的设计精度要求；另外，在结构上作一些改变，在本 课题中，将马达的叶片安装角度做了一些调整，效果明显。 1 2 山东农业大学硕士学位论文 3 水动马达的设计 3 1 马达类型的选择 现在常用的液压马达主要有：齿轮马达、柱塞马达、叶片马达等几种 类型，其特点如下： 齿轮马达：其输出扭矩和转动脉动性大，尤其是在低速时，由于泄漏 量较大，容积效率低，加上浮动轴承压紧力不稳定，这使扭矩脉动更为显 著。 柱塞马达：虽然其密封性好，工作压力大，但是其结构比较复杂，零 件较多，制造精度要求高，价格昂贵，对介质的污染非常敏感。 叶片马达：流量较为均匀，旋转平稳，噪音小，扭矩脉动小，启动性 较其它马达都好，结构紧凑，轮廓尺寸小，容积效率相对较高。相对于单 作用叶片马达，双作用叶片马达的定子内轮廓曲线较为复杂，另外，本课 题主要是为了利用马达作为动力输出元件，充分利用出水e l 的回流水，因 此单作用叶片马达完全可以满足要求。 3 2 马达基本尺寸的确定 3 2 1 前提条件 本课题设计原理是高压水作为原动力，通过高压水给水动马达提供驱 动力，使水动马达旋转带动毛刷转动，达到清沈目的。水动马达尺寸确定 的前提条件是： ( 1 ) 马达的输出扭矩必须满足工作要求： ( 2 ) 马达的输出轴的直径不能太小； ( 3 ) 马达的转速不能太低。 以上三个条件是最基本的，若输出扭矩太小，则不能满足工作要求， 达不到清洗的目的；导致设计的失败：若输出轴的直径太小，在工作扭 矩、刷盘和锁紧零件的重力弯矩的共同作用下，会使输出轴变形，导致 马达报废；若马达的转速太低，由于内部内摩擦的存在，导致马达运转 不平稳，会出现突然憋死的现象。 手持式水力驱动清洗机的研制 3 2 2 原始数据的分析 如图3 一1 8 所示：刷盘的外圆直径d = 1 2 0 r a m ，刷毛的内径d = 6 0 m m ， 毛束在刷盘上径向排列，行与行之间有间隙，故其与被清洗表面的实际接 触面积只是环带面积的一部分，取为三分之一，则刷毛与被清洗表面的实 际接触面积为： s=；f堡一生-詈f堕一堡1-：szs一：(3-1)4 4443 l 3 lj 。 以泰安玻璃纤维厂的原料桶的内壁上附着的化学原料为清洗对象，查 表得其极限分离应力【】= 0 3 4 x 1 0 m p a ，则马达输出的最小扭矩为： r o = 纠s = 0 3 4 x 1 0 3 1 0 6 2 8 2 6 x 1 0 一= 0 9 n m ( 3 2 ) 根据第四章的叶片计算得：水动马达的最高进水压力p = 1 3 m p a ， 工作压力为p = 0 8 m p a ，实验室的实际情况，选用q l 一2 7 0 型高压泵( 可 调速) 给水动马达提供原动力，单作用叶片马达的基本计算公式2 5 1 1 2 6 1 ： 理论排量：q o = 2 ，r d e b( 3 3 ) 理论流量：q o = q o n ( 3 - - 4 ) 输出扭矩： r ：垒( 3 5 ) 其中： q 。一马达的理论排量 m l r q 。一马达的理论流量l r a i n d 一马达定子的内径m m e 一马达转子与定子的偏心距i t l r n 曰一马达定子的有效长度m m 疗一马达的转速r m i n 印一马达进出水的压力差 m p a 1 4 山东农业大学硕士学位论文 r l 。一马达的机械效率 本课题中，水动马达的设计正是从上面公式推导得到基本数据，具体 步骤如下： 丁= 警j q o r l , = 等弧 等观z s c m 3 z 兀凸pp 又q o = 2 l r d e b 2 2 5 c m 3 r j d e b 0 3 5 8 t i l l 关键要确定d ，e ，b 的尺寸，尺寸的确定又直接与排量和转速有关，排 量不能太大，也不能过低。若排量很大，据蚪= 兰知，在原动力确定之后， g o q 为定值，则马达的转速以可能很低，影响工作效率和水动马达的运转性 能：若排量过小，据r ：兰! ；旦知，则为了满足工作要求，对输入马达 的进水口的压力要求很大，会对原动力的选择范围造成限制；另外，偏心 距的确定，不能太大，若很大，当定子内径确定之后，转予的直径必将减 小，从而使输出轴的直径减小。影响其强度。兼顾以上的问题，暂取 d = 3 5 m m ，e 。2 m a - - n ，b = 4 0 m m 由公式( 3 3 )马达的理论排量为q 。= 1 7 5 8 4 m l r 马达的转速，l = 罢= 五夏2 j 0 五x 1 面0 3 z l l 3 7r i m i n( 3 6 ) 基本符合要求 3 2 3 转子和叶片尺寸的确定 转子的尺寸与叶片的尺寸相互限制，但它们又受到定子内径及偏心距 的制约，大体上应满足以下要求： 转子半径r 减去马达输出轴半径应小于叶片的高度： 转子的半径应小于定子的内半径减去偏心距； 叶片的高度应大于定子的内半径加上偏心距。 综合考虑上面提到的前提条件和设计要求，经过修正后，暂定； 手持式水力驱动清洗机的研制 转子的直径d = 2 8 耻n ，输出轴的直径d 。= 1 0 l n l t l ； 叶片的高度h = 7 m m ，叶片的厚度口= 2 m n l ，叶片的长度1 = 4 0 m l n 3 3 马达结构的设计嘶m 6 m 7 1 3 3 1 马达的工作原理。“ 马达的工作机理是：干路自来水提供高压水作为原动力，经手柄1 4 进入后盖1 2 ，在后盖配流的作用下，一部分高压水进入叶片的底部，在 压力的作用下，叶片迅速弹出，叶片端部贴紧定子的内表面，这样，定子、 叶片、转子以及配流盘组成了一个密闭的容积；另一部分高压水进入这一 密闭容积内，由于定子l o 与转子1 1 有一定的偏心距存在，即高压水作用 在叶片的表面积s 的大小不同，从而产生转动力f = p a s ，在f 的作用 下，叶片带动转子旋转，随着转子的转动，叶片自由伸缩，当前列叶片进 入低压区时，将这一密闭容积的水排出，同时，后列叶片进入高压区，又 组成一新的密闭容积，这样循环进行下去，使转子产生连续转动，转子又 带动刷盘3 旋转，对污物进行刷洗。在低压区，低压水经配流盘1 5 的腰 形槽引出，进入清洗区，而不是回流到水箱，使低压水充当清洗剂的作用。 在整个过程对密封性要求非常严格，这样才能保证水动马达的机械效率， 因此，适当密封圈的选用，必不可少，另外，在前端的配流盘正对高压区 的地方钻- - d , 孑l ，直径不需太大，使一部分高压水经小孔，进入配流盘 1 5 的背面，而前盖6 端面铣一偏心槽，其位置应正对低压区，用密封圈 将这区域封闭，经小孔引入的高压水只作用高压区的背面，与正面高压水 的作用力相互平衡，防止配流盘经长期与转子在不平衡力作用下而产生磨 偏，并可以起到压力补偿和间隙补偿的作用，使因转子与后盖磨损产生的 间隙，经配流盘背面的高压水作用，推动转子移动，随时填补空隙，防止 泄漏。 1 6 山东农业大学硕士学位论文 1 1 三 1 挡圈2 紧固螺母3 刷盘4 挡水罩5 螺钉 6 前盖7 o 型密封圈8 出水口9 滚动轴承1 0 定子 1 1 转子1 2 后盖1 3 滚针轴承1 4 寻柄1 5 配流盘 图3 - 1 清洗机的总装图 f i g 3 - 1a s s e m b l y o f t h e w a s h i n g m a c h i o n 1 7 7 7 ，2 、l 手持式水力驱动清洗机的研制 3 3 2 总体设计思路 为了便于加工，减少加工成本，尽量选择标准尺寸，水动马达的整体 设计思路是： 确定出马达的基本组成构件：主要有手柄、定子、转子、叶片、轴 承、配流盘、密封圈等组成： 考虑高压水的引入和低压水的引出问题：主要通过手柄将高压水引 入，经配流盘分流，一部分进入叶片间隙，另一部分进入叶片底部，使叶 片、定子内表面、转子组成密闭容积，由高压水驱动转予旋转，再经过排 水配流盘将低压水引出，进入清洗区： 简化零件的设计。正常情况下，液压马达应具有两个独立的配流盘， 对于本课题，为了简化整机的结构和节省加工成本，将进水配流盘与后盖 设计在一体，使其具有密封和配流双重作用； 马达的成功与否完全取决与密封，起码应达到的效果是向外不漏水， 才能保证马达有可能正常旋转； 对于本课题材料的选择至关重要，除应具有耐水腐蚀，自润滑性能， 良好的机械性能等，强度还要满足要求，各零件的选材不全相同，初定： 手柄可采用铝合金，转子、挡圈、紧固螺母采用不锈钢，其余的零件采用 工程塑料。这就要求在结构设计时，应根据不同的零件材料，做一些相应 的考虑； 设计过程中，应注意整体和个体的相互匹配，便于组装。 3 4 水动马达主要零件的设计 3 4 1 定子的设计 定子与转子有一偏心距，为了保证输出轴的轴线与马达的外形中心重 合，将定子采用偏心设计，这样就可保证马达外形结构的对称，此外还应 在定子上开一排水i z i ，经配流盘的排水出口到手柄套的出水口。水动马达 在工作时，叶片的端部要与定子内表面作为一对摩擦副进行摩擦运动，要 求其表面粗糙度应很小，材料选择工程塑料，结构如图3 2 所示： 1 8 山东农业大学硕士学位论文 乍泰 起澎。 图3 - 2 定子的结构图 f i g 3 - 2s 缸l a c t t t r ec h a r t o f t h es t a t o r 3 4 2 叶片的设计与叶片倾角的计算 l | 己 1 1 。一 图3 - 3 叶片的结构图 f i 9 3 - 3s t r u c t u r ec h a r to f t h eb l a d e 水动马达工作时，叶片始终与定子内表面接触，为了增大端部与定子 内表面的接触面积，将叶片的端部设计成圆弧形，能够减小其接触强度： 另外，为了使马达在启动时，高压水便于进入叶片底部，使叶片外伸与定 子表面贴紧，在叶片的根部车一4 5 0 x 4 5 0 倒角，如图3 3 所示，材料选 用4 0 的碳纤维增强尼龙6 6 。结构虽然简单，但叶片的在安装时，叶片 倾斜角的确定成为本课题核心内容。 3 4 2 1 问题的提出 叶片马达具有流量均匀、噪声低、体积小、重量轻等优点，在液压系 统中已得到了广泛的应用，但其工作时，叶片头部以很高的相对速度在定 子内表面上滑动，所以其工作条件也十分恶劣，使定子内表面与叶片头部 受到严重的摩擦磨损影响，另外，如果叶片安装的方位不妥，使叶片与叶 1 9 彳 手持式水力驱动清洗机的研制 子内表面上滑动，所以其工作条件也十分恶劣，使定子内表面与叶片头部 的摩擦磨损严重受到影响，另外，如果叶片安装的方位不妥，使叶片与叶 片槽内表面产生很大的摩擦，不利于叶片的外伸，而且如果摩擦严重，会 影响叶片马达的容积效率。如何减小定子内表面与叶片端部的摩擦磨损以 及如何提高水动马达的工作效率已成为当务之急。实践证明：叶片倾斜的 角度直接影响到定子、叶片、叶片槽的磨损，并影响了马达的容积效率和 机械效率，关系到了叶片马达的寿命。下文正是在此基础上，提出叶片的 倾斜角是解决上述问题的措施之一，并运用数学建模的方法来确定具体的 角度值。 3 4 2 2 叶片的运动学分析7 6 1 图3 - 4 叶片在不同倾斜方向的受力分析 f i 9 3 - 4a n a l y s i n gb ys t