（机械电子工程专业论文）球塞式内曲线液压马达失效分析与径向力不平衡问题.pdf

一 i 口 l 争 t 、。 百 a n a l y s i so f f a i l u r eo fb a l lp l u gt y p ei n n e rc u r v eh y d r a u l i cm o t o ra n d t h er a d i a lu n b a l a n c e df o r c e b y z h a n g l i s h e n g b e ( i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rj ih o n g a p r i l ，2 0 1 1 靠 - f - 厶 7 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：孤立斗 日期：刎j 年c ，厂月oe t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：2 0 1 1 年c ) 厂月汐日 日期：砌，年月，口日 孑 -弘幺 孤啦乃 镰 _ 厶 一 硕十学位论文 目录 摘要- i 第1 章绪论l 1 1 静压传动技术概述l 1 2 低速大扭矩马达的研究与发展概况2 1 3 多作用内曲线液压马达的特点及其研究现状4 1 4 论文的主要内容及课题研究意义8 第2 章球塞式内曲线液压马达运动学及力学分析1 0 2 1 球塞式内曲线液压马达的结构及工作原理l o 2 2 内曲线液压马达导轨的c a d 设计一1 1 2 3 马达导轨的内曲线解析“1 5 2 4 柱塞与钢球组件的运动学和力学分析1 7 2 5 本章小结2 4 第3 章球塞式内曲线液压马达柱塞和导轨的失效分析2 5 3 1 柱塞变形与磨损的失效形式2 5 3 2 导轨的失效分析2 9 3 3 马达工况测试实验31 3 3 1 钻车爬坡工况下的马达测试实验“3 2 3 3 2 钻车行走机构憋转工况下马达测试实验”3 3 3 4 本章小结。3 4 第4 章球塞式内曲线液压马达径向不平衡问题3 5 4 1 球塞式内曲线液压马达配流轴结构分析3 5 4 2 球塞式内曲线液压马达的配油过程“3 6 4 3 转子工作过程的分析3 7 4 4 各柱塞回油背压的流场数值解析3 9 4 4 1 流场数值解析技术3 9 西 j 0 p q ： 球寨式内f f | 1 线液乐马达的失效分析弓径向力不甲衡力问题 4 4 2 马达配流流场的数值解析4 0 4 5 各配油窗口压力变化一5 3 4 6 转子径向不平衡力分析与导轨断裂失效5 5 4 6 1 柱塞与缸体孔所形成腔体液压力解析5 5 4 6 2 转子径向不平衡力及其与导轨断裂的关系5 6 4 7 本章小结5 8 总结与展望一5 9 1 总结一5 9 2 展望6 0 参考文献6 1 致谢6 4 附录a 论文发表6 5 附录b 科研实践6 5 1 0 硕十学位论文 摘要 低速大扭矩液压马达因为功率密度大、低速稳定性好、启动转矩大等优点普遍应用 在各类行走机械的液压系统上。球塞式内曲线液压马达更以其体积小、结构简单、价格 低廉等优势在许多工程机械中得到应用。但在使用过程中也发现了诸多问题，主要是马 达寿命短、使用一段时间后效率急剧下降等。 本文针对球塞式液压马达在使用过程中出现柱塞变形和磨损严重，导轨出现点蚀和 断裂问题，对球塞式液压马达进行了受力分析和失效分析；在内曲线液压马达的设计计 算中，一般认为回油背压为恒定值，本文通过c f d 流场解析和力学分析，发现各柱塞 回油背压存在较大差别，并导致内曲线液压马达转子径向力不平衡；在提出内曲线液压 马达径向力不平衡问题的同时，指出了不平衡径向力与导轨断裂现象的关系。 本文的主要内容： 第1 章，阐述了本课题研究的目的、意义及本课题的研究背景：概述了内曲线液压 马达的国内外研究及发展概况；概括了本论文的主要研究内容。 第2 章，阐述了球塞式内曲线液压马达的结构及工作原理；运用p r o e 软件对内曲 线液压马达导轨进行参数化设计；在内曲线液压马达基本理论的基础上，运用m a t l a b 软件对球塞式内曲线液压马达的运动学和力学特性进行解析，为球塞式内曲线液压马达 进一步研究奠定了基础。 、第3 章，针对球塞式液压马达在使用过程中出现柱塞变形和磨损严重，导轨出现点 蚀和断裂问题，对球塞式液压马达进行了失效分析；对液压马达工况进行了实验测试， 实车测试表明马达运转过程中系统压力波动剧烈，提出了通过提高安全阀动态性能或加 设蓄能器以减小系统压力波动，从而解决因压力波动引起导轨失效的问题。 第4 章，分析了球塞式液压马达转子工作过程；通过c f d 流场解析和力学分析， 发现各柱塞回油背压存在较大差别，并导致内曲线液压马达转子径向力不平衡；在提出 内曲线液压马达径向力不平衡问题的同时，分析了不平衡径向力与导轨断裂现象的关 系；指出内曲线液压马达的转子与各柱塞所形成腔体内回油背压变化会产生附加转矩脉 动；指出转子在径向不平衡力的作用下与配流轴所形成的间隙之间会发生周期性涡动现 象。 关键词：球塞式内曲线液压马达；失效分析；柱塞组件：回油背压；流场解析；转 子径向不平衡力； 一 a b s t r a c t l o ws p e e d1 l i g ht o r q u eh y d r a u l i cm o t o rh a sb e e nw i d e l y u s e di nav 觚啊。士m o b l l e b v d r a u i i c sb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c s 弱f o l l o w s ：h i g hp o w e rd e n s i t y , h i g h s t a r tt o r q u e 雒d s 协b i l i t yu n d c rl o ws p e e dc o n d i t i o n b a l lp l u gt y p ei n n e rc b r v eh y d r a u l i cm o t o r 1 se s p 鲫a l l y u s e di i lan l l m b c ro fm o b i l eh y d r a u l i c sf o rm e r i t so fc o m p a c ts i z e ，s i m p l ec o n s t r u c t i o n , l o w 研c e 锄ds 0o n h o w e v e r , s o m ei s s u e sw e r e f o u n dd u r i n gt h et i m ei tw o r k e d ，1 n c l u d i n gs h o n l i f e t i m e , s h a r pd e c l i n a t i o ni ne f f i c i e n c ya f t e ra p e r i o do ft i m e f o r c e 狮“y s i sa n df a i l u r ea n a l y s i s o ft h eb a l lp l u gt y p ei n n e rc i l r v eh y m a u l l cm o t o r c o n o e n 仃a t i n gd e f o 眦a t i o na i l da b r a s i o no ft h ep l u n g e r 嬲w e l l 嬲f r a c t u r ea n ds p o t c o n o s l o n o ft h er a i l 。w e r em a d ei nt h ep a p e r f o rt h ed e s i g nc a l c u l a t i o no f b a l lp l u gt ) ，p e 舢盯刚e h v d r a u l i cm o t o r ，c o n s t a n tp r e s s u r eo fr e t u r n i n go i l i sg e n e r a l l ya p p l i e dw h i c hw 嬲s h o w e d d i s t i n c ti nd i 佰删c h 耐b e re n c l o s e db e t w e e nr o t o rh o u s i n ga n dp l u n g e rb yc f d t e c h n i q u e 锄d 矗玳ea n a l y s i sm e t h o d e v e n t u a l l yar a d i a lu n b a l a n c e df o r c eo f t h er o t o rw a sc o n c l u d e d t h er c 鲫l tm a tm er a d i a lu n b a l a n c e df o r c e o fr o t o rw a so b t a i n e dw h i l et h er c ：l a t i o n s h i p b e t we e ! nr a d i a l1 1 l ：l b a l a i l c e df o r e ea n df r a c t u r eo f t h er a i lw a sa l s op r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： i i ld l a p t c r1 ，t h ep u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n db a c k g r o u n do ft h er e s e a r c hw e r e 唧o u n d e d r e s e a r 出s t a t u so ft h ei n n e fc u r v eh y d r a u l i cm o t o r b o t ha th o m ea n da b r o a dw a ss u m m a r i z e d m a i l lc o n t e n t so ft h er e s e a r c hw e r es u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h eb a l lp l u gt y p ei n n e r 洲eh y d r 踟1 1 c m o t o rw e r ee l a b o r a t e d p r o ew a sa p p l i e df o r a c c u r a t em o d e l i n go fb a l lp l u gt y p e1 n n e r c u e h v d r a u l i cm o t o r ，sr a i l b a s e do nt h e c o m m o nt h e o r yo fi n n e rc u r v eh y d r a u l l cm o t o r m a t l a bi sl l s e dt oa n a l y s e k i n e m a t i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f b a l lp l u gt y p e i m 蚶c u r v eh y d r a u l i cm o t o r s oa st ol a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rs t u d y h lc h 印t e r3 ，f o r c ea n a l y s i sa n df a i l u r ea n a l y s i so ft h eb a l lp l u gt y p ei n n e rc u r v eh y d r a m l l c m o t o r ，c o n c e n 仃a t i n gd e f o r m a t i o na n da b r a s i o no ft h ep l u n g e r 嬲w e l 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d i a l u n b a l a n t e df o r c eo ft h er o t o rw a sc o n c l u d e d t h er e s u l tt h a tt h er a d i a lu n b a l a n t e df o r c eo f r o t o rw a so b t a i n e dw h i l et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a d i a lu n b a l a n c e df o r c ea n df r a c t u r eo ft h e r a i lw a sa l s op r e s e n t e d t h ef a c tt h a ta d d i t i o n a lt o r q u ep u l s a t i o nb r o u g h tb yv a r i a t i o ni n p r e s s u r eo fr e t u m i n go i l ，w h i c he x i s t si nt h es e p a r a t ec h a m b e rf o r m e db yr o t o ra n da l l p l u n g e r s ，w a sf o u n d t h ef a c tt h a tp e r i o d i co i lw h i r lw o u l da p p e a ri nt h ec l e a r a n c ef o r m e d b e t w e e nt h er o t o ra n dt h ep i n t l eu n d e rt h ec o n d i t i o no far a d i a lu n b a l a n t e df o r c ew h i c ho c c u r s i nt h er o t o rw a sa l s op o i n t e do u t k e yw o r d s ：b a l lp l u gt y p ei n n e rc u r v eh y d r a u l i cm o t o r ，f a i l u r ea n a l y s i s ，p l u n g e r c o m p o n e n t s ，p r e s s u r eo fr e t u r n i n go i l ，c f d ，r a d i a lu n b a l a n c e df o r c eo ft h er o t o r i u 一 硕+ 学1 ) = 论文 第1 章绪论 本章摘要：阐述了本课题研究的目的、意义及本课题的研究背景；概述了内曲线液压马达的国内外 研究及发展现状；概括了本论文的主要研究内容。 1 1 静压传动技术概述 静压传动作为行走机械驱动的一个重要分支，最先应用于军事领域，其中较为典型 的案例是把静压传动作为战机、军用舰船及陆地战车的炮塔驱动装置。随后在2 0 世纪 5 0 年代开始普及，先是用于农用拖拉机，后来又推广至其它领域，并同时在许多新型行 走机械的驱动技术中崭露头角。作为一种处于萌芽状态下的新型驱动技术，其元件和系 统等方面的理论和技术并不成熟，因此在经历困难而又同时得到改进提高之后，目前静 压技术在行走机械的传动技术中已经站稳了脚跟，成为传统机械传动和液力传动的有力 竞争对手。 静压传动装置是由变量液压泵和液压马达组成的动力传动装置，它通过改变液压马 达输入流量调节马达的转速和扭矩，是一种容积调速装置。静压传动由于其功率密度大， 响应快，抗负载刚度大，调速范围大并可以实现无极调速使车辆的驱动力更大且运行更 加平稳。这些优点对于那些在工作中需要频繁起动和变速，以及需要高可靠性和大负载 刚度的车辆来说是十分重要的，因而在大型工程机械、农用机械及矿山机械等的行走系 统中有着广泛的应用，较典型的例子如叉车上静压传动的应用，德国林德公司研制的静 压驱动叉车，已经有三代产品问世，其操作舒适性、动作灵活性、高生产率以及高可靠 性的众多优点使我们为之折服，以致当今世界上许多叉车生产厂家都在潜心研究林德公 司的经验。 静压传动的另一个重要优点就是它的良好的低速负荷特性，使用静压传动装置的车 辆即使在发动机低转速时也可以输出最大牵引力。由于静压传动系统中变量泵和液压马 达组成一个封闭的系统，当整个封闭油路被切断时，液压马达被迫停止转动，从而可实 现刹车功能。液压传动装置优异的变速、换向和制动性能也给依靠改变左右侧车轮或履 带的牵引力和速度来实现转向运动的车辆提供了理想的传动方式。就效率而言，静压传 动车辆低速工作时，效率比液力变矩传动大很多，因而能量利用率很高。由于静压传动 的低速高效率等特点，静压传动车辆具有优良的斜坡起动性能，即使车辆在斜坡上也非 常容易起动，因此，静压传动系统也广泛用于铲土和推土机械。由于液压马达在油液压 力及流量作用下可与变量泵同步运行，当泵有微小的流量变化时，马达转速就能产生相 应的微小变化，因此静压传动车辆的微动性能好。另外，从静压传动装置作为发动机角 球褒式内曲线液压马达的失效分析与径向力不甲衡力问题 度而言，静压传动比液力变矩传动能够更好发挥发动机的性能，且油耗低，驱动力大； 能低转速工作，发动机磨损少，有利于减少发动机的维修，延长发动机使用寿命。 采用闭式系统是传统静压传动的核心特征之一。以闭式油路系统构成的静压传动装 置具有的功率密度大、布局方便、过载保护能力强和控制方式灵活等优点的同时，又具 备了无级调速和连续运转的能力，在许多方面比纯机械传动( 发动机平均负荷系数低， 一般只能有级变速，布局方式受限制) 、液力传动( 特性匹配及布局方式受限制，变距范 围较小，动力制动能力差，不适合于要求转速稳定的场合) 和电力传动更适合于调速性 能要求高、传动路线布局较特殊的中低速行走机械使用【卜1 3 】。 静液压驱动装置( h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n 简称h s t ) 在欧、美工业技术发达国家已 广泛应用，在国内被科技部列入19 9 9 年度科技型中小企业技术创新基金若干重点项 目指南【l 引，重点支持发展行走机械静液压驱动和负荷传感技术，包括额定压力为3 5 m p a 的闭式系统用同轴式柱塞泵和马达。在机械工业局“十五 液压气动密封产业关键技 术分析 1 5 】中也提出将静液压驱动及负荷传感器调节技术作为重点攻关的关键技术之 一。今天，行走机械静液压驱动技术不仅在压路机和筑路机械等领域继续处于优势地位， 而且也越来越多地占据了中小功率的内燃机叉车和轮式装载机的市场。在以联合收割机 为代表的农业机械中，静液压驱动技术也是首选的驱动方式。静液压驱动技术还为研发 某些具有非常规性能和形态的军民用特种车辆提供了技术手段。国外农机和工程机械等 行走机械配套件所用液压产品的销售额已占液压产品销售总额的4 0 以上，这与应用静 液压驱动和负荷传感调节技术密切相关，也是其它传动方式在行走机械中难以取代的结 果【1 6 1 。 低速大扭矩液压马达作为静液传动装置的典型代表在最近几年里有了很大的发展。 几年来，国外研制了很多种新型的液压马达，原有的马达结构也在不断改进和发展，提 高了马达寿命和性能，而且制造成本下降，使得各种低速大扭矩液压马达具有很强的竞 争力，它们已广泛地应用于上百种主机上【1 7 】。低速大扭矩液压马达作为静液传动装置的 最主要成员之一，其发展势头迅猛。 1 2 低速大扭矩马达的研究与发展概况 低速大扭矩液压马达的工作机要求转速较低，每分钟只有几百转、几十转、甚至更 低。对此类设备，通常有液压马达配置减速器驱动和低速大扭矩液压马达直接驱动两种 传动方案，前者称为高速方案，后者则为低速方案。低速方案更能体现液压传动布局灵 活性的优点，一些“车轮马达 可以直接安装在驱动轮的轮毂内，因而占用很少的安装 空间，为整体设计提供了许多方便：同时，由于省去了液压马达与驱动轮之间的各种中 间传动环节，从而降低了由中间传动环节所带来的附加功率损失，并减小了中间机械传 2 硕十学何论文 动环节所产生的机械振动和噪声等。用低速大扭矩液压马达直接传动的方式还显著地降 低了驱动轮的转动惯量，有利于提高系统的调节品质和减少冲击负荷。因此，在其它条 件相似时，低速方案具有更多的优点。但是直接与驱动轮连接的低速大扭矩液压马达不 仅要输出与负荷相匹配的扭矩，还要直接承受由驱动轮传来的各种径向和轴向载荷，有 时还须具有离合、制动等附加功能，所以研制开发能全面满足这些要求的低速大扭矩液 压马达的难度是很大的。大中功率的低速大扭矩液压马达都是柱塞式的，尤其是径向柱 塞式低速大扭矩液压马达，如法国p o c l a i n 公司的内曲线液压马达( 也称径向多作用柱塞 式液压马达) 具有工作压力高( 达4 5 m p a ) 、启动扭矩大、低速性能好、尺寸紧凑、具有 良好的变量、制动功能等优点，是非常适合作为车轮马达型式的元件。该马达在各种工 程机械、农业机械、起重运输机械、船舶甲板机械和军用车辆中获得了广泛的应用。径 向单作用柱塞液压马达也有用于行走驱动装置的，其最高转速高于内曲线液压马达，但 低速稳定性较差，且重量较大，变量困难。小功率传动装置中除应用柱塞式低速液压马 达外，还常采用结构紧凑、价格便宜的摆线齿轮马达，但它的工作压力和效率均不高， 且不能变量【i 引。 低速大扭矩马达已是现代工程机械、农机、起重运输机械和许多民用特种车辆的一 种不可或缺的重要驱动装置，应用静压传动技术己成为一种不可阻挡的趋势。一方面， 这些主机自身的发展促进了配套的液压元件的进步；另一方面，正是由于调节特性和安 装布局方面均有特殊优点的静压传动技术的不断发展，人们才重视研制大量品种繁多的 低速大扭矩马达，用于如挖掘机、摊铺机、滑移转向装载机等一些在功能和形态上都有 特殊要求的行走机械，并使叉车、轮式装载机、振动压路机和许多履带式车辆性能有了 质的提高。我国的静压驱动技术总体上与国际先进水平尚有相当大的差距，静压传动技 术的应用和推广方面还有很长一段路要走【l 引。目前，行走机械静压传动装置的主要元件 都依赖于进口，究其原因在于相应的液压元件不配套，质量不过关，系统设计不合理等。 液压马达作为静压传动系统的驱动元件，其性能直接影响到整机性能，为此研究开发面 向静压传动的低速大扭矩液压马达就显得十分有必要。此外，由于受到进口件价格高和 交货期长，维修不方便的制约，国内很难大量推广应用静压传动装置，在比较适应于静 压传动装置的低速大扭矩液压马达领域更是薄弱，为此研究开发面向静压传动的低速大 扭矩马达显得十分必要1 2 0 1 。 现今，静压传动不仅在压路机和筑路机械等领域继续保持着优势，而且也越来越多 地占据了中小功率工程机械的市场。静压传动技术还为研发某些具有非常规性能和形态 的军民用特种车辆提供了技术手段。国外农机和工程机械等行走机械配套所用液压产品 的销售额，已占液压总销售额的很大一部分，这与应用静压传动和负载传感调节技术密 切相关，也是其它传动方式在机械行业难以取代的结果。 目前，我国正着力发展工程机械、农业机械和牵引机械领域，如采用静压传动的叉 3 球宋式内曲线液压马达的失效分析j 径向力不甲衡力问题 车、装载车、筑路机、联合收割机、牵引机等。这些产品以前多采用齿轮机械传动，小 部分是采用日本、韩国、美国液力传动元件企业生产的液力传动类型。因此，研究出价 格低廉，技术先进的静压传动的泵和马达产品，对于我国工程、农业和牵引机械的发展 具有重大意义。 1 3 多作用内曲线液压马达的特点及其研究现状 液压马达根据每转中柱塞副的作用次数，可以分为单作用和多作用两大类。按柱塞 的排量方式，每一类又可以分为径向式和轴向式两种。按结构特点和柱塞副不同的传力 方式，径向液压马达又分成不同的类型。径向柱塞式液压马达无论是单作用或者多作用， 柱塞孔在缸体中都沿圆周等分，按径向放射状排列。作用原理都是压力油推动柱塞运动， 产生缸孔容积变化，把力传递给缸体形成马达的转动。 但是，单作用和多作用液压马达在工作特点上又有很大不同。单作用液压马达，转 子旋转一周，每个柱塞往复工作一次。所有的径向柱塞式单作用液压马达，主轴都是偏 心轴；多作用液压马达，设有导轨曲线，曲线的数目就是作用次数，转子旋转一周，每 个柱塞往复工作多次。根据柱塞副的不同结构，径向式马达又分为柱塞式、球塞式、叶 片式多种类型。单作用液压马达结构比较简单，零件数目少，工艺性好，造价相对较低。 但是在排量相同的情况下，与多作用液压马达比较，结构尺寸增大，存在输出扭矩与转 速脉动大等缺点。在工作中，单作用液压马达高压柱塞腔在同侧，出现比较大的径向不 平衡力，使得马达的低速稳定性差。同时，为了满足马达轴承工作寿命的要求，只能增 大轴承的容量，从而使马达体积增大。 一般情况下，鉴于单作用马达的工作特点，通常将其应用于比同等排量的多作用马 达具有相对较高转速的场合。多作用液压马达的结构一般要比单作用马达复杂，零件数 也略有增加。个别零件如导轨的加工对设备要求高，甚至需要专用设备，导轨热处理也 比较困难，设计中的结构参数选择也比单作用液压马达困难，制造成本也相对较高。但 在相同的工作压力下，多作用液压马达能输出更大的扭矩，单位功率的重量更轻，而且 只要柱塞数和作用数选取合适，可以使液压马达的径向力在理论上完全平衡，具有较高 的启动转矩。设计中合理选取导轨曲线，并按无脉动原则分配幅角，理论上都能做到理 论上输出扭矩的脉动为零，因而可以获得更好的低速稳定性。 单作用马达中，最早出现的是曲轴连杆式液压马达，它按曲柄连杆机构的工作原理 工作，国外又称之为斯达发( s t a f f a ) 马达。由于它具有结构简单、性能可靠、转速适中、 价格便宜等优点，从而成为世界上产量最多，主机应用最广泛的一种低速大扭矩液压马 达。它早期是m k 型，7 0 年代起发展了b 型，配流轴和连杆偏心轮副采用静压平衡结 构，c 型则带有变量装置。随结构方面得到改进，工作压力有了较大的提升，并且改善 4 硕十学何论文 了启动特性和低速稳定性，为进一步扩大主机应用，后来又研制了带减速结构的g b 型。 无连杆的静力平衡式液压马达，又成为罗斯通( r u s t o n ) 马达，主要工作部件处于静 力平衡状态，改善了低速稳定性，但消除连杆后，柱塞侧向力增加，一定程度上阻碍了 马达性能的提高。 套筒伸缩摆缸式( c a l z o n i ) 和滚柱式( r o l l e f f ) 液压马达是前些年国外发展的新型结 构。前者具备了曲轴连杆和静力平衡式液压马达的主要优点，以摆动的伸缩缸体代替了 连杆摆动，在单作用马达中获得了良好的性能；后者通过柱塞顶端凹面的滚柱传力给壳 体，使壳体转动。这种马达结构简单，在任何负载下，缸体都能在静压作用下浮动于配 流轴上，性能良好，但内部力学原理比较复杂。双斜盘式轴向柱塞式液压马达是由单斜 盘的高速轴向液压马达发展而来的，结构上改用了两个斜盘和对称布置的两排柱塞【1 7 1 。 低速大扭矩液压马达自2 0 世纪5 0 年代出现以后，得到广泛的应用。到7 0 年代末， 由于能源危机，国外开始对节能，高效、布置和操作灵活的静压传动装置进行深入研究。 近年来低速大扭矩液压马达的性能、功能等较早期的产品有了显著的提升。其品种规格 很多，常见的有“多作用内曲线径向柱塞式 、“摆线式”、“叶片式”、“静力平衡 式”、“曲轴连杆式”、“球塞式”、“套筒伸缩摆缸式”等。其中，多作用内曲线液 压马达是极为重要的代表之一，但国外对这类马达的理论研究目前主要偏重于轴向柱塞 马达【2 1 2 4 】。 多作用内曲线液压马达在相同的工作压力下比单作用马达的输出转矩大，单位功率 的重量轻，而且只要柱塞数和作用次数选择合适( 一般把柱塞数和作用次数选为偶数) ， 可使马达的径向液压力理论上完全平衡。由于缸孔对称，使分度、加工较为容易，设计 中合理选择导轨曲线，并按无脉动分配幅角，理论上可以做到输出转矩脉动为零，因而 可以获得很好的低速稳定性。多作用内曲线径向柱塞式液压马达的传力方式分有柱塞传 力、横粱传力、滚轮传力等型式【2 5 j 。 低速大扭矩液压马达具有以下主要特点； ( 1 ) 工作速度低、输出扭矩大。 目前国内外使用的低速大扭矩液压马达，其转速一般都在4 0 0 r m i n 以下，这类马达 大多具有较好的低速稳定性，最低稳定转速可达到1 5 r m i n 以下，有些可达3 r m i n ，甚 至l r r n i n 以下，输出扭矩一般大于1 0 0 0 n m ，甚至达1 0 5 n m 以上1 2 6 1 。 ( 2 ) 结构紧凑、体积小、重量轻。 在电机与减速器、高速液压马达与减速器、低速液压马达三种传动方式中，输出同 样的功率，采用直接传动的低速液压马达要比前二者重量轻，结构紧凑，体积小。在输 出同样的扭矩时，低速大扭矩液压马达要比齿轮减速器加高速液压马达的重量轻很多。 5 球塞式内f f f 线液压马达的失效分析勺径向力不甲衡力问题 ( 3 ) 外接结构简单，应用方便。 由于低速大扭矩液压马达可省掉减速器，或只用低传动比的一级减速器传动，因而 能够缩小传动装置的结构尺寸，具有布置灵活、重量轻、惯性力矩小、调速性能好、过 载保护容易实现等特点，因而得到广泛的应用。特别适用于低速重载的各种传动装置， 如工程机械、船舶机械、起重装载机械、建筑机械、冶金工业设备、采矿机械等。 五十年代以前生产的液压马达，其导轨曲线都是按照几何学观点设计的，如圆弧、 直线组合曲线和用偏心轮加工的摆线曲线等。采用这类曲线滚道的液压马达往往存在 内、外死点附近引起“困油”的现象；在局部区域有过大的接触应力；输出转矩有较 大的脉动；低速工作稳定性不够好：噪音大等缺点。在当时液压马达的工作压力尚处于 低压或中压范围的条件下，其工作寿命已经不能满足需要。 六十年代生产的液压马达中，用按运动学观点设计的导轨曲线代替了按几何学观点 设计的导轨曲线。这种按运动学观点设计的曲线中，最典型的就是等加速等减速曲线， 这种曲线一般是把滚动元件中心的往复运动过程分为：零速一等加速一等速一等减速一 零速等几个区段。对给定的有等速段的等加速等减速曲线的加速度作两次积分运算，即 可求得滚动元件中心的运动轨迹曲线。然后，以滚动元件半径作轨迹曲线的包络线，这 就是导轨的轮廓曲线。由于这种曲线设有零速区段，避免了“困油现象”。经过适当地 分配加速、等速、减速、零速各区段的幅角，可以使液压马达输出转矩的脉动量为零； 导轨上的接触应力的尖峰区得到消除；工作噪声较小；工作寿命较曲线按几何学观点设 计的马达有所提高。因此，等加速等减速导轨曲线目前仍在广泛的应用。但是通过对应 用等加速度曲线导轨的液压马达所作的寿命试验发现，导轨上的接触疲劳剥落凹坑或剥 蚀麻斑，都发生在曲线内死点附近的加速区段的起始部位，用不同材质制造的导轨，经 多次试验，破坏部位均相同，说明破坏原因不是材质局部缺陷等偶然因素，进行分析后 表明，等加速度曲线导轨的接触应力值是不均匀的。一般在上述部位的接触应力达到最 高值，这是该部位首先破坏的原因1 2 m o 】。 2 0 世纪5 0 年代初，法国s a m m 公司研制的多作用径向柱塞式内曲线液压马达首先 应用于液压随动系统，该马达的额定压力为1 0 m p a ，随后该公司在研制过程中又改进了 带配流轴的m 1 0 型液压马达并研制了多种型号，在此基础上还研制了带端面配流结构 的m 2 0 型的液压马达。 瑞典的h a g 酉u n d s 公司予2 0 世纪5 0 年代主要研制了滚轮传力结构的多作用内曲线 径向柱塞式壳转马达，随着研究的深入，此马达有了很大的发展，对排量为4 7 l r 的液 压马达，在1 9 6 1 年到1 9 8 1 年期间，其压力增加了3 2 倍，转速提高了4 7 6 倍，功率增 加了1 5 倍。7 0 年代中期，该公司又研制了柱塞传力结构马达，横梁贯穿于柱塞，结构 紧凑，外形尺寸小了很多。8 0 年代以来，为适应煤矿机械的需要，研制了额定压力为 6 硕十学位论文 3 1 5 m p a 的m a 系列轴转马拉松液压马达，并使其综合性能得到了很大的提高，而且延 长了寿命。 英国的r e n o l d 公司2 0 世纪7 0 年代研制了柱塞传力滚轮式轴转马达h m 系列，日 本住友公司于1 9 6 7 年开始研制内曲线马达，并在1 9 7 0 年完成r b 型液压马达系列的研 制，芬兰的s i s u 公司研制了首批装在轮毂中的多作用内曲线径向柱塞式液压马达，于 1 9 6 4 年开始组织批量生产。 法国p o c l a i n 公司在低速大扭矩马达技术领域一直是处于领先地位的。它从2 0 世纪 5 0 年代起研制了为挖掘机配套的横梁传力结构马达，6 0 年代批量生产g 1 系列，7 0 年 代生产的g 2 系列，所研制的端面配流的内曲线马达年产量在1 万台以上，8 0 年代又 研制出壳转型g 3 系列车轮马达。之后为适应主机和提高低速大扭矩液压马达的性能要 求，p o c l a i n 公司发展了多作用端面配流的内曲线马达。在配流方式上由径向轴配流改为 端面配流的内曲线马达，其配合间隙能得到自动补偿，能保持很高的容积效率。 6 0 年代初，我国开始对国外的低速大扭矩液压马达样机进行测绘仿制，初步形成了 曲轴连杆液压马达j m d 系列，额定工作压力为1 6 m p a 。但由于主要运动副结构陈旧， 性能较差，只有少量生产，进展缓慢。内曲线液压马达也只是生产了j z m 3 0 8 5 0 规格， 为0 4 m 3 挖掘机等配套。 7 0 年代初，工程机械、建筑机械、矿山机械和船舶甲板机械等纷纷采用液压技术， 生产低速大扭矩液压马达的厂家迅速增加，品种规格和主机应用都有了大幅度的发展， 但主要为主机生产厂配套之用。由于对一些关键运动副缺乏认识，仍然是测绘、仿制和 经验类比设计，制造工艺也在摸索之中，因此虽然研制者甚多，但几乎不能通过型式试 验鉴定。但仿制和消化国外产品为我们提供了有益的设计和制造经验。1 9 7 4 年起国内编 制、形成了多作用内曲线液压马达轴转n j m 和壳转n k m 等系列。轴转系列中有n j m l 0 、 n j m i 6 、n j m 2 0 和n j m 4 0 等几个规格，按j b 2 1 4 8 7 7 标准完成型式试验后，通过了 鉴定，开始定点批量生产。与此同时，国内还开展了对径向和轴向球塞式、双斜盘轴向 柱塞式、套筒伸缩摆缸式、滚柱式和滚柱叶片式等液压马达的研制工作。 与国外相比，国内低速大扭矩液压马达的工作压力和转速都要比国外低一些。对于 各种类型马达的关键运动副，还缺少机理方面的基础理论和实验研究，因而设计中结构、 材料选取和精度的确定方面还缺少可靠的依据，设计生产中的问题常常只是在整台马达 试验中发现和解决【3 孓3 6 】。 虽然我国液压马达制造的种类比较齐全，如宁波液压马达( 集团) 有限公司生产q j m 、 q k m 系列内曲线径向球塞式低速大扭矩液压马达【3 7 。3 8 1 ，并于1 9 9 3 年与意大利s a i 公司 合资生产n h m 系列曲轴连杆式径向柱塞低速大扭矩液压马达；北京华德液压集团公司、 贵阳5 0 1 厂引进西德r e x r o t h 公司技术生产轴向柱塞高速液压马达，以及我国在五、六 7 球寨式内i l 线液压马达的失效分析j 径向力不甲衡力问题 十年代各部委单独或联合组织设计的由沈阳工程液压件厂、上海液压泵厂等生产的n j m 系列内曲线液压马达。但仔细分析上述液压马达，它们无不打着早期产品的烙印，结构 复杂、工作压力低、可靠性差、寿命不长、效率