（机械电子工程专业论文）曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的高压化研究.pdf

曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的 高压化研究 摘要 曲轴连杆式低速大扭矩液压马达是一种应用最为广泛的液压执行元件。目前， 由于各类主机的需要，液压马达的高压化业已成为一个亟待解决的问题。因为按传 统方法设计的滑靴副不能承受高压力，所以现有的额定压力为2 5 m p a 的产品都未采 用静压支承结构，而多采用的是滚动轴承结构。国内许多额定压力为2 0 m p a 的曲轴 连杆式低速大扭矩液压马达产品都是采用静压支承的滑靴副结构。在原产品的基础 上进行改进，在节约成本、简化工艺的前提下将额定压力升级到2 5 m p a 或更高，实 现产品压力等级的多样化和高压化，是企业的迫切需求。 本论文通过对c l j m e 3 1 5 型液压马达进行调研剖析，在其基础上进行了曲轴 连杆式低速大扭矩液压马达的高压化的理论与方法研究：定量分析了挤压作用对滑 靴副静压支承润滑油膜形成过程的影响；基于多软件平台对曲轴连杆式低速大扭矩 液压马达进行三维动力学仿真；研发了一种新型高压化的曲轴连杆式低速大扭矩液 压马达，给出了采用静压支承滑靴副的新型高压化液压马达各个摩擦副的具体应对 措施；试验结果表明高压化成功地得到了实现。 本论文的主要研究内容： 1 、建立了滑靴副油膜挤压形成过程的数学模型和进行了定量分析 在数值求解雷诺方程分析矩形平板底面稳态压力场分布规律的基础上，推导出 了考虑压差效应和挤压效应的曲轴连杆式低速大扭矩液压马达滑靴副矩形投影底 面的压力流量关系，计算机模拟仿真了润滑油膜的挤压形成过程。论证了连杆滑靴 副的大油室结构能够保证油膜形成的有效性，为新型的采用大油室结构的静压支承 滑靴副提供了理论依据。定量分析了多种物理参数、结构参数对油膜形成的影响。 上海交通大学博士学位论文 2 、 基于多软件平台对曲轴连杆式低速大扭矩液压马达进行了三维动 力学仿真 借助一种“基于多软件平台虚拟仿真方法”。对曲轴连杆式低速大扭矩液压马 达进行三维实体建模与运动学、动力学仿真，在液压马达工作过程中捕捉柱塞、连 杆、偏心轴等核心部件的位移、速度等宏观运动特性，讨论了工况变化对核心部件 运动特性的影响。以连杆为例，对其进行接近真实条件下的a n s y s 有限元分析。 通过虚拟样机仿真看到液压马达内部的实际运动状态，因而可以直观地对各种工况 下液压马达的工作过程进行研究，这为实现液压马达的高压化优化设计提供了一条 新的途径。 3 、研发了一种新型高压化的曲轴连杆式低速大扭矩液压马达 针对曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的高压化，提出了整体的研究方法和各个 摩擦副具体措施，具体包括整体研究应采取的步骤，滑靴副设计公式的合理选择， 阻尼器的温度补偿，以及采用轴配流时如何保证密封环的工作性能等。并用试验结 果验证了所研究的新型高压液压马达的整体性能。 上述研究内容，紧紧围绕曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的高压化问题而展 开，所获得的一些结论对其它类似结构特征的液压泵或液压马达的深入研究也具有 借鉴作用。 关键词：液压马达，曲轴连杆式，低速大扭矩，高压化，滑靴副 h r e s e a r c ho nc a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o dt y p e l o ws p e e dh i g ht o r q u eh y d r a u l i cm o t o r s w i t hm g h p r e s s u r er a n k a b s t ra c t c a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o dt y p el o ws p e e dh i g ht o r q u e ( l s h t ) h y d r a u l i cm o t o ri s a l li m p o r t a n th y d r a u l i ca c t u a t o rt h a ti sw i d e l yu s e di nm a n yi n d u s 町f i e l d s a tp r e s e n t , m a k i n gr a t e dp r e s s u r er a n ko fh y d r a u l i cm o t o r sh i g h e rh a sb e e nb e c o m i n gas t r i n g e n t p r o b l e mt ob es o l v e d ，d u et ot h en e e do fv a s te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s b e c a u s es l i p p e r p a 酶b a s e do nt r a d i t i o n a ld e s i g n t h e o r yc o u l dn o tb e a rh i g hp r e s s u r e , a l lt h eh y d r a u l i c m o t o r sw h o s er a t e dp r e s s u r ei s2 5 m p ad on o ta d o p th y d r o s t a t i cb e a r i n gs t r u c t u r eb u t r o l l i n gb e a r i n gs t r u c t u r e t h e r ea r em a n yk i n d so fc a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o dt y p el o w s p e e dh i g ht o r q u eh y d r a u l i cm o t o r sw h o s ep r e s s u r er a n ki s2 0 m p ao rb e l o wp r o d u c e db y d o m e s t i cc o r p o r a t i o n s , a n dt h e yu s et h eh y d r o s t a t i cb e a r i n gs l i p p e rp a i r s s om a k i n g p r e s s u r er a n ki m p r o v e dt o2 5 m p a o rm o r eb a s e do np r i m a r yp r o d u c t sc o n s i d e r i n gl o w p r i c ea n ds i m p l et e c h n o l o g yi so fg r e a th e t pt oc i v i lc o r p o r a t i o n s t h r o u g he x p e r i m e n ta n ds t u d yo nc l j m e 3 1 5t y p eh y d r a u l i cm o t o r , t h i sp a p e r s t u d i e so nn o v e lc a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o dt y p el s h t h y d r a u l i cm o t o r sw i t hh j g h - p r e s s u r er a n k - q u a n t i f i c a t i o n a ls t u d yt h ei n f l u e n c eo fs q u e e z i n ge f f e c t0 1 1t h ef o r m a t i o no f h y d r o s t a t i cb e a r i n gs l i p p e rp a i rl u b r i c a t i o nf i l m s ；c a r r y i n go u t3 一dd y n a m i cs i m u l a t i o n o nh y d r a u l i cm o t o r sb a s e do nm u l t i s o f t w a r ep l a t f o r m ；d e s i g nan o v e lc a m s h a f t c o n n e c t i n g - r o dt y p el s h th y d r a u l i cm o t o rw i t hh i g h p r e s s u r er a n k , b r i n gf o r w a r d e v e r yf r i c t i o n a lp a i r s c o u n t e r m e a s u r e so fn o v e lh y d r a u l i cm o t o rw i t hh i g h - p r e s s u r e r a n ka n dh y d r o s t a t i cb e a r i n gs l i p p e rp a i rs t r u c t u r e ；p r e s e n t i n ge x p e r i m e n tr e s u l tt os h o w t h a te x p e c t a t i o no fh i g h - p r e s s u r er a n ki sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y 上海交通大学博士学位论文 t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 s e t t i n gu pm a t h e m a t i cm o d e lo fs l i p p e rp a i r l u b r i c a t i o nf i l m f o r m a t i o nt h r o u g hs q u e e z i n ga n dm a k i n gq u a n t i f i c a t i o n a ls t u d y p r e s s u r e - f l o wa n a l y t i c a lf o r m u l a so fl u b r i c a t i o nf i l lo fs l i p p e rp a i r so nl s h t h y d r a u l i cm o t o r sa r ep u tf o r w a r do nt h eb a s i so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fr e y n o l d s e q u a t i o no fs t e a d ys t a t eb yf i n i t ed i f f e r e n t i a lm e t h o d t h eb o t t o ms u r f a c eo fs l i p p e rp a i r s i sr e c t a n g l e ，a n dt h ee f f e c to fs q u e e z ef l o wa n dp r e s s u r ed i f f e r e n t i a lf l o wi sc o n s i d e r e d t h ed y n a m i cp r o c e s so fl u b r i c a t i o nf i l mf o r m a t i o nt h r o u g hs q u e e z i n gi sn u m e r i c a l s t u d i e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n i tp r o v e st h a th y d r o s t a t i cb e a r i n gs l i p p e rp a i r sw i t hl a r g e o i lc a v i t yi sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e ，a n ds e t su pt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h eu o f s l i p p e rp a i r ss t r u c t u r ew i t hl a r g eo i lc a v i t y e f f e c t so fp h y s i c a la n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r s a r eq u a n t i f i c a t i o n a ls t u d i e d 2 c a r r y i n go u t3 dd y n a m i cs i m u l a t i o no nc a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o d 够p el o ws p e e dh i g ht o r q u eh y d r a u f i cm o t o rb a s e do nm u l t i - s o f t w a r e p l a t f o r m 3 一dm o d e l i n g , k i n e m a t i c sa n dd y n a m i t i cs i m u l a t i o na r ec a r r i e do u to nc a m s h a f t c o n n e c t i n g - r o dt y p el o ws p e e dh i g ht o r q u eh y d r a u l i cm o t o rw i t ht h eh e l po fav i r t u a l s i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nm u l t i s o f t w a r ep l a t f o r m v e l o c i t y , d i s p l a c e m e n tc t e m a c r o s c o p i cm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fk e yc o m p o n e n t sa r eo b s e r v e d i n f l u e n c eo f w o r k i n gc o n d i t i o n sc h a n g i n ga n ds o m ep h y s i c a lp a r a m e t e r st ot h ep e r f o r m a n c eo f h y d r a u l i cm o t o r si sd i s c u s s e d f e ms t u d yi sc a r r i e do u to nc o n n e c t i n g - r o dw o r k i n gi n n e a r l yr e a lc o n d i t i o n s r e a lw o r k i n gs t a t u si n s i d eh y d r a u l i cm o t o r sc o u l db eo b s e r v e d t h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p i n g , a n dv a r i o u sw o r k i n gp r o c e s su n d e r r e a lc o n d i t i o n sc o u l db ed i r e c t l ys t u d i e d i ti sp r o v i d e dan e ww a yf o ro p t i m i z a t i o no f a b s 玎认( 可 h y d r a u l i cm o t o rd e s i g no fh i g h - p r e s s u r er a n k 3 p u t t i n gf o r w a r dan o v e lc a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o dt y p el o ws p e e d h i 曲t o r q u eh y d r a u l i cm o t o rw i t hh i g h - p r e s s u r er a n k t h ew h o l es t r a t e g ya n de v e r yf r i c t i o n a lp a i r s c o u n t e r u l e a s u f e so fn o v e lc a m s h a f t c o n n e c t i n g - r o dt y p el s h th y d r a u l i cm o t o rw i t hh i g h p r e s s u r e ：r a n ka r ep u tf o r w a r d ： a n a l y z i n gt h eh o l i s t i cs t u d yp r o c e s s ；f o r m u l a ss h o u l db ew e l lc h o s ea n dt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o no fd a m p e rs h o u l db en o t i c e dw h i l ed e s i g n i n gs l i p p e rp a i r s ；w o r k i n g p e r f o r m a n c eo fs e a l i n gr i n g ss h o u l db eg u a r a n t e e dw h i l ed e s i g n i n gd i s t r i b u t i o na x l e e x p e r i m e n tr e s u l tv a l i d a t e st h ew h o l ep e r f o r m a n c eo fn o v e lc a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o d t y p el s h th y d r a u l i cm o t o r w i t hh i g h p r e s s u r er a n k a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h 0 1 1t h em e n t i o n e dp r o b l e m sa b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o n e x p e n d st h eh i g h - p r e s s u r i z e dp r o b l e mo fc a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o dl s h th y d r a u l i c m o t o r s c o n c l u s i o n ss u m m a r i z e dh e r ea r ea l s oh e l p f u lt ot h ed e 印s t u d yo fo t h e r h y d r a u l i cm o t o r so rp u m p sw i t hs i m i l a rs t r u c t u r a lf e a t u r e s 。 k e y w o r d s ：h y d r a u l i cm o t o r s ，c a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o dt y p e , l o ws p e e dh i g h t o r q u e , h i g h p r e s s u r er a n k , s l i p p e rp a i r m 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：寺隽 日期：砑年bf 佣 上海交通大学 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，同 意学校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。本人授权上海交通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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：孝劳 指导教师签名： e t 期：v - 7 年6 月i v e t 日期沙7 年莎月加 第一章绪论 摘要：本章简要地回顾了曲轴连杆式低速大扭矩液压马达发展历程，对国内外柱塞式 液压马速的关键摩擦副和核心部件的研究进行了简要评述，考察了曲轴连杆式低速大 扭矩液压马达的相关设计方法，指出了现有研究工作的特点及不足 1 1 曲轴连杆式低速大扭矩液压马达的发展概况 液压传动是根据1 7 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一 门新兴技术，是工农业生产中广为应用的- - f - 技术。如今，流体传动技术水平的高 低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。如发达国家生产的9 5 的工程机械、 9 0 的数控加工中心、9 5 以上的自动线都采用了液压传动技术。 液压传动中所需要的元件主要有动力元件、控制元件、辅助元件、执行元件等。 其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件，主要包括各种液压泵。液压控制 元件用来控制液体流动的方向、压力的高低以及对流量的大小进行预期的控制，以 满足特定的工作要求，主要包括各种液压阀。液压执行元件是用来执行将液压泵提 供的液压能转变成机械能的装置，主要包括液压缸和液压马达。 液压马达属于液压执行元件，在液压传动系统中将液压能转化为机械能输出， 进而驱动负载以完成各种功能。在结构上，液压马达有齿轮式、叶片式、螺杆式、 柱塞式等大类，在功能上，分为可变排量和不可变排量。 液压马达在额定转速高于5 0 0 r m i n 时通常视为高速液压马达，常用轴向柱塞 式、齿轮式、螺杆式、叶片式等结构形式，特点是转速较高，功率密度高，转动惯 量小，排量较小，启动、制动方便，输出扭矩不大，通常为几十到几百n m ，一般 需要配置减速机构以间接满足工程需求。 液压马达在额定转速低于5 0 0 r m i n 时则被视为低速液压马达。凡是输出扭矩和 最大转速比大于5 n m - s t a d 并在1 0 0 r r a i n 下直接带动负载平稳转动的液压马达即可 称为低速大扭矩液压马达。低速大扭矩液压马达的特点是转速低，输出扭矩大；结 构紧凑，体积小，重量轻。低速大扭矩液压马达可直接驱动负载，一般不需要配置 减速机构。 根据输出轴每转密闭容腔的变化次数，低速大扭矩液压马达可划分为单作用式 和多作用式两类。单作用式低速大扭矩液压马达包括径向柱塞式( 连杆式、无连杆 式、摆缸式、滚柱式) 和轴向柱塞式( 双斜盘式、偏摆式) 两大类，多作用式低速 大扭矩液压马达包括径向柱塞式( 柱塞传力、横梁传力、滚轮传力、径向球塞式) 、 轴向柱塞式( 点接触凸轮式斜盘、轴向球塞式) 、叶片式、摆线式等。单作用式的 1 上海交通大学博士学位论文 特点是结构较简单，零件数少，结构工艺性好，性能可靠，成本较低；多作用式的 特点是输出转矩、转速脉动小，相同排量时体积小，启动效率高，但结构相对单作 用式复杂。 曲轴连杆式低速大扭矩液压马达( 图1 1 ) 在单作用式低速大扭矩液压马达中 最早出现，由英国张伯伦( c h a m b e r l a i n ) 公司生产，又称为斯达发( s t a f f a ) 马达。 由于它结构简单、性能可靠、价格便宜，现已成为世界上生产量最多，主机应用最 为广泛的一种低速大扭矩液压马达。它和意大利的b i g n o z z i 、i n t e r m o m 马达、德国 的j a h n s 、d u s t e r l o h 、p l e i g e r 马达属于同类产品；日本生产该类产品的有川崎株式 会社、荏原制作所、萱场工业株式会社等。目前国内的生产厂家有上海东方液压件 厂、太原矿山机器厂、姜堰市船用辅机厂，江苏昆山液压气动马达总厂、宁波英特 姆液压马达有限公司、宁波中意液压马达有限公司等。斯达发马达的早期产品为定 量轴配流的m k 型；2 0 世纪7 0 年代开发出b 型，配流轴和滑靴副采用静压平衡结 构设计：可以实现两级变量的c 型( 图1 - 2 ) , 带有行星齿轮减速装置的g b 型；使 偏心轴径向受力平衡的双排柱塞结构；出现了端面配流和阀配流方式；额定工作压 力已从1 6 m p a 提高到2 0 m p a ，如果在偏心轮上设置滚动轴承，可达2 5 m p a ：各种 性能不断改善。 图1 - 1 曲轴连杆式低速大扭矩液压马达 f i f r l 1c a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o dl o ws p e e d h i g ht o r q u eh y d r a u l i cm o t o r s 图1 - 2 二级变量曲轴连杆式低速大扭矩液压马达 f i g 1 2c a m s h a f tc o n n e c t i n g - r o dl o ws p e e dh i g h t o r q u eh y d r a u l i cr o o t o r so fd u a ld i s p l a c e m e n t 2 第一章绪论 1 2 主要摩擦副及相关研究 曲轴连杆式低速大扭矩液压马达有配流副、柱塞球铰副( 柱塞缸孔副、球铰副) 和连杆滑靴副三个关键摩擦副1 1 - 4 1 ，涉及到配流轴( 盘) 、柱塞、连杆、偏心轴等关 键部件，这些关键摩擦副、关键部件的性能和工作状态决定了曲轴连杆式低速大扭 矩液压马达的工作性能和效率，它们也是液压马达设计的核心所在。正是由于配流 副的改进才使得斯达发马达产品从定量轴配流的m k 型发展到采用静压平衡轴配流 的b 型，直到今天种类繁多的端面配流结构，减轻了配流副的磨损，提高了液压马 达的容积效率和压力等级；连杆滑靴副机理从非静压支承结构、静压平衡结构、静 压支承结构的不断变化，使得连杆结构尺寸不断变化，提高了液压马达的压力等级 和工作能力。可以说，液压泵马达性能的提高取决于对关键摩擦副和部件的研究进 展。 从目前国内外的情况来看，轴向柱塞液压泵，马达、多作用内曲线径向柱塞式液 压马达中的理论与实验研究广泛而深入，工作积累丰厚。对曲轴连杆式低速大扭矩 液压马达的研究国外多为商业专利，出于保密因素而鲜见报道；国内主要是哈尔滨 工业大学陈卓如教授领导的学术梯队，对低速大扭矩液压马达的理论、设计与机理 实验做了大量的研究。由于不同的液压马达，泵的摩擦副之间存在共性，以下对摩擦 副研究的综述将以曲轴连杆低速大扭矩液压马达为主，同时涉及到其它轴向、径向 柱塞液压泵马达。 1 2 1 配流副 配流副是决定低速大扭矩液压马达性能的关键摩擦萄j 5 1 ，结构设计合理与否决 定了马达的工作性能、可靠性与寿命。配流副的发展很大程度上代表着液压马达的 发展水平。配流副的设计目标概括为三点：首先是降低泄漏和减小磨损，提高机械 效率和容积效率；其次是改善零部件受力情况以延长配流机构工作性能和寿命；最 后要求结构简单，零件数少且工艺性好，以降低成本。 目前多采用两种配流副结构：径向轴配流结构和端面配流结构。两种配流结构 如图1 3 和图1 4 所示。 轴配流： 轴配流是曲轴连杆液压马达最早的配流形式，至今仍被广泛应用，尤其是国产 曲轴连杆液压马达。配流轴的设计 4 1 包括配流定时方式和径向力的平衡方法。 配流定时方式包括三种：正余面配流定时( 压力滞后变化，波动次数增多) 、 3 上海交通大学博士学位论文 负余面配流定时( 进排油沟通，减少波动，但流量损失较大) 、正余面开眉毛槽的 配流定时。 径向力平衡方法有三种：滚针轴承( 机械平衡) 、平衡油槽( 径向力平衡) 、平 衡油槽加上盲孔( 径向力完全平衡) 。 、鼍潍 图1 - 3 轴配流结构示意图 f i f r l - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i s t r i b u t i o na x i s 图1 - 4 端面配流结构示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i s t n b u t o r 配流副泄漏随转角变化的不均匀性，是影响液压马达低速稳定性的重要因素之 一。配流轴处泄漏按其泄漏形式不同可分为轴向泄漏和径向泄漏。轴向泄漏为压差 引起的层流间隙流动，根据其结构及泄漏的特点可简化为圆环间隙流动，径向力不 完全平衡的配流轴处于偏心位置运转，为偏心圆环间隙滚动。径向力完全平衡结构 为同心圆环问隙流动。径向泄漏为压差及剪切引起的层流间隙流，根据结构及泄漏 的特点可简化为平板问隙流动。 哈尔滨工业大学陈卓如教授等人对轴配流建立了数学模型并进行仿真研究1 6 7 】。结果表明： 配流副泄漏为脉动值，脉动周期为2 , r 5 。配流副泄漏中，轴向泄漏占总泄漏的 大部分，配流副泄漏脉动特性主要由径向泄漏决定，径向泄漏为内泄漏，轴向泄漏 包括内泄漏和外泄漏。总泄漏量中内泄漏占绝大部分，外泄漏的大小不随转角变化。 径f 句泄漏随转角的脉动，在液压马达低速运转时是影响其低速稳定性的重要因素之 一。液压马达配流轴泄漏随转角放生周期变化，并存在突变。与径向力平衡轴配流 结构相比，全平衡结构配流副泄漏量大大减小，脉动幅度相应降低。 1 9 9 9 年，谈宏华、陈卓如等人研究了液压马达进出口压差、流道容积、配流遮 盖量和油液有效体积弹性系数四个因素对瞬时角排量脉动特性的影响【8 l 。他们先是 建立数学模型，接着进行实例计算，结果发现； 随着液压马达的进出口压差和油液的有效体积弹性系数变大，液压马达瞬时角 排量脉动加剧。当液压马达进出口压差一定时，随着流道容积的变大，液压马达瞬 一4 一 第一章绪论 时角排量脉动变大。当液压马达进油缸数发生交替变化时，瞬时角排量发生突然变 化，此变化随配流遮盖量的增大而加剧，低速运转时此变化将可能影响液压马达低 速稳定性。油液的有效体积弹性系数、配流遮盖量、流道容积和液压马达进出口压 差对液压马达瞬时角排量综合影响较大。 贾跃虎1 9 噜发现j b p 4 0 轴配流式径向柱塞泵在设计时必须要注意配流轴与转 子之间配合间隙的大小，必须综合考虑内外泄漏量、润滑油膜两个因素，并兼顾二 者的影响。根据理论计算和实验结果分析，再根据转子和配流轴有偏心的情况下形 成动压润滑油膜的厚度要小于无偏心时的间隙值的要求，j b p 4 0 径向柱塞泵配流轴 与转子的间隙最好在2 1 , u r n 到2 5 u m 之间。 申永军等研究了多作用内曲线径向柱塞泵的配流轴摩擦副的静压支承系统p o , 1 1 】。转子是可以运动的，配流轴有时承受很大的载荷，会造成配流轴与转子的固体 接触，这种现象可以通过增加压力补偿元件消除( 高压油不直接通向低压侧的平衡 油槽，先通过一薄壁小孔阻尼器，与滑靴副类似) 。 韩雪梅1 1 2 】等对大排量径向柱塞泵的配流轴的结构进行了简化，将原来的2 0 个 阻尼堵简化为4 个阻尼堵，阻尼孔由0 2 m m 铣扁面变为圆孔，并由外沟通阻尼槽代 替内沟通阻尼结构，简化了工艺和降低了成本。 孟正化1 1 3 】等对多作用内曲线式径向柱塞泵的配流轴高压和低压区提出了两种 沟通方案，并对内外两种沟通方案的流量、压力等进行了详细比较，发现二者的差 别主要是外沟通的泄漏要大于内沟通的。 轴配流结构的最大缺点【2 】是当配流轴磨损后，摩擦副密封间隙不能补偿，泄漏 损失增加，马达自锁能力低。 端面配流： 从二十世纪八十年代起，国外相继开发研究出多种端面配流结构，在低速大扭 矩马达中普遍使用，有取代轴配流结构的趋势。研究成果多为专利，少有相应的理 论和实验论文发表【5 j 。 端面配流结构的最大优点就是当配流副磨损后，能自动补偿配流副间隙，以补 偿摩擦副的容积效率，还可以缩短液压马达的轴向尺寸。根据结构及配流原理的不 同，端面配流分为三种类型：滑动式、腰形槽式和偏心式。端面配流副的主要问题 是：分离力随马达转角变化幅度大；作用在配流盘上的压紧力与分离力不同心，形 成倾覆力矩，导致配流盘倾侧，使配流盘不均匀磨损并增大泄漏，摩擦损失和泄漏 损失亦增大。 曾祥荣教授1 1 4 1 按照作用在配流盘上的压紧力和反推力之间的大小关系，将配流 5 上海交通大学博士学位论文 副的设计方法归类为剩余压紧力法、静压平衡和静压支承法，并针对实现大功率轴 向柱塞泵对性能和寿命的要求，提出了一种综合设计法。 许耀铭教授在其著作1 1 5 1 中，详细讨论了轴向柱塞泵马达配流盘的油膜设计方 法。书中详细介绍了配流盘结构的演变，讨论了剩余压紧力法和静压支承法，对阻 尼管型、阻尼槽型的连续、间歇供油配流盘进行了动静态分析及实验研究。 榻有雄、郑炜等i l 7 j 对6 3 c y l 4 - 1 b 型轴向柱塞泵的配流盘在压力场下的变形 进行了有限元计算和实验研究，发现工作时配流盘表面产生十分明显的翘曲变形， 变形后的配流盘表面呈碟形，高压区最为严重。 那成烈教授i l s 1 9 1 数值求解了与轴向柱塞泵油缸压力预升、降过程相关的微分 方程，探讨了减少配流噪声和气蚀噪声的方法。 周士瑜等 嘲实测了b 1 - 7 2 5 型斜轴式轴向柱塞泵配流副的油膜厚度，考察了油 泵压力、转速、油温及缸体摆角的变化对油膜厚度的影响。 马砚英等【2 l l 实测了斜盘型轴向柱塞泵6 3 s c y l 4 - 1 b 配流副间的油膜厚度，考 察了转速、压力和斜盘摆角变化对油膜厚度的影响，根据实测数据综合分析，探讨 了轴向柱塞泵配流副早期“烧盘”的机理及其成因，提出改善配流副工作性能的措 施。 山口悖【2 2 墩值求解雷诺方程分别分析静压支承特性、动压特性和挤压特性以研 究轴向柱塞泵马达缸体和配流盘问油膜的特性。理论分析1 2 3 1 y 传统的动压润滑的配 流盘和滑动轴承以及弹性轴支承的缸体间形成油膜润滑的可能性。进而提出了一种 新的设计轴向柱塞泵马达配流盘的方法阱，2 5 1 ，使用静压支承的原理设计配流盘，润 滑油膜在大的负载变动的工况下仍能在刚体与配流盘之阃形成，基于动压理论的配 流盘则不能保证这一点。在考虑高压侧柱塞数的变化和困油现象的基础上研究了油 膜润滑与配流盘表面功率损失之间的关系i 捌，数值分析了静压承载能力和压紧力的 比值的变化，主轴弹簧与柱塞缸体性能的关联，柱塞数对主轴和拄塞缸体问的干摩 擦的影响。 松本和幸f 2 7 1 实验研究了低速时轴向柱塞液压马达的配流盘和缸体间摩擦、泄漏 和油膜厚度，考察了供油压力、旋转速度和静力平衡的影响。测量了配流盘和缸体 间的泄漏流量波动和油膜厚度波动【瑚，分析了波动的因索，尝试了在柱塞上开设润 滑油孔以减轻波动的方法。小林俊一2 9 j 在实验的基础上分析了影响波动的可能因 素：柱塞和缸体问的摩擦损失、输出轴的制造精度和刚度等。分析结果同试验结果 在趋势上一致。风间俊治等1 3 0 j 实验研究了轴承垫板弹性变形对轴承特性的影响。 1 9 9 6 年，陈卓如、李元勋等考虑了油液的粘温与粘压效应，给出了端面配流副 密封带压力场的支配方程，运用有限元方法对端面配流副径向密封带压力场进行了 一6 第一章绪论 数值计算，得到了压力场的分布情况，与忽略粘度变化时的结果进行了比较，并与 常用的解析计算方法进行了定量对比和定性分析p 1 1 。 1 9 9 6 年，李元勋在其博士论文中对液压马达的端面配流副进行了详尽的理论论 证，并进行了相关的实验及c a d 研究 3 2 1 ，以后又围绕其博士论文，进行了一系列 的后续工作。 1 9 9 8 年，针对端面配流存在的普遍问题，李元勋等人提出了一种倾侧力矩全平 衡端面配流机构【5 1 ( 图1 5 ) ，使变化的液压分离力在转动的任何瞬时均沿配流盘轴 线作用于配流盘中心，从而在理论上实现了倾侧力矩的完全平衡。 图1 - 5 倾侧力矩全平衡型配流盘 f i g 1 - 5e n dp l a t cd i s t r i b u t o rw i t h o u tt i l t i n gt o r q u e 李元勋f 3 3 j 等又为曲轴连杆液压马达新型倾侧力矩全平衡端面配流机构设计了 相应的试验台以及其配套机理研究装置，试验台由台架系统、测试系统和动力系统 三部分组成，可以完成主要机理的试验研究工作。通过机理实验，初步验证了新型 配流机构的可行性，倾侧力矩得到了较好的平衡。 1 9 9 9 年，李元勋i 卅等详细分析了单作用液压马达新型倾侧力矩全平衡端面配流 机构的力学特性、泄漏特性与摩擦特性，建立了完善的优化数学模型，并给出了结 构及性能优化特例。 1 9 9 8 年，范莉f 3 5 】等建立了倾侧力矩完全平衡的新型端面配流机构的泄漏损失数 学模型和摩擦损失数学模型，进一步建立以功率损失最小为目标函数的优化数学模 型，对配流副压紧区域进行优化设计，得出效率最高时的配流副结构，计算了其性 能参数，发现为保证配流副工作可靠而不脱开时，应尽量选取小的压紧系数。 谈宏华 3 6 , 3 7 1 设计了倾侧力矩全平衡端面配流机构的机理试验台，并对该配流机 构的泄漏特性、摩擦特性、润滑特性、配流副密封带间隙变化规律进行了机理实验 研究，试验结果表明，新型配流机构的配流盘在静态和动态时都处于全平衡状态， 配流间隙受回油背压的影响要比受输入压力的影响大，泄漏量和摩擦扭矩都随配流 盘的转角变化而波动，容易导致液压马达低速运动时的“爬行”现象。 7 上海交通大学博士学位论文 2 0 0 0 年，陈卓如教授等对新型端面配流副液压分离力进行了数值求解及分析 【嚣l 。考虑油液粘度随温度和压力的变化，给出配流副流场的r e y n o l d s 方程，用 交分原理建立有限元控制方程，将配流副密封带分为三种区域，用有限元法对配流 盘一个转动周期中多个转角下的各个小区域求解r e y n o l d s 方程，得到配流盘多 个转角下油液粘性变化以及假定油液粘度恒定不变时密封带油液压力分布情况，采 用二维复化数值积分方法得出小区域所受压力，进而得到配流盘所受液压分离力及 其作用点。计算结果证明了新型端面配流副可实现配流盘倾侧力矩的全平衡。 倾侧力矩全平衡端面配流机构经过理论研究，初步实验定型，还没有在大规模 产品生产中出现。目前国内市场上出现的由宁波英特姆液压马达有限公司、宁波中 意液压马达有限公司等生产的曲轴连杆式低速大扭矩液压马达都采用了一种新型 的端面配流副( 图1 6 ) 。该配流副的配流盘上开有偏心凹槽，在配流盘上分割出偏 心密封带。目前常见的配流盘结构分析的文献涉及的都是同心圆环或圆弧，很少关 于偏心结构的分析。 皤一碜基 图1 6 具有偏心结构的配流盘 f i g 1 - 6e n dp l a t ed i s t r i b u t o rw i t he c c e n t r i c ：s t r i c t u r e 1 2 2 柱塞球铰副 当液压马达工作时，连杆球头承受着来自柱塞的全部压力，球铰副问存在着较 大的接触比压，由于球头还相对球窝运动，球铰副中将产生磨损和机械损失。为了 改善球铰副摩擦状况，一般都在柱塞上钻孔，从柱塞孔中引入油液强制润滑。 目前常见的球铰副结构有两种：面接触球铰副结构( 图1 7 ) 和柱销式结构。 英国的s t a f f a 马达、国产1 j m d 系列马达、意大利b i g n o z z i 马达均采用了面接触球 铰。该球铰由球窝、球头、支撑环及弹性卡圈组成。其缺点是受到柱塞尺寸的限制， 球窝的半径不能太大，接触比压比较大，润滑条件不好，封闭的接触面易造成热量 的积聚，而过高的温升将破坏表面的吸附油膜，加剧摩擦。在面接触球铰副的球窝 内开设油沟，把柱塞腔压力油引入，可以改善润滑散热条件，但同时降低了液压马 8 第一章绪论 达的容积效率。德国d u s t e r l o h 公司生产的液压马达使用了柱销结构。此结构 接触比压有所降低，但较繁琐，配合精度要求高，产生应力集中。 基于面接触球铰副结构的优缺点，2 0 0 0 年，唐群国等人设计出了线接触球铰副 结构 3 9 1 ( 图1 8 ) ，此结构特点如下： 结构简单，球窝可用数控机床加工；接触线上部的油室静压力承担了部分载荷， 球铰副的接触比压不大；散热容易；楔形油膜的存在改善了球铰副的润滑条件，液 压马达工作时，球头摆动形成的动压效应和挤压效应可提高球铰副的承载能力；弹 性流体动压润滑理论计算可得，在通常的液压马达工作压力及转速条件下，接触线 处于部分油膜润滑状态，摩擦系数较原结构有较大下降。 2 0 0 1 年，唐群国等人对新型球铰副结构进行了弹流分析【钟】，发现接触线上部油 室分担了部分柱塞对连杆球头的压力，故接触线上比压不大，收敛性油楔的存在， 则通过弹性流体动力润滑的作用机理，在接触线上形成一定的油膜。在结构允许的 情况下增大球头半径有利于油膜的形成。在柱塞腔进回油交替的瞬时，球头将受到 冲击，需用非稳态弹流的理论研究。 il 图1 7 面接触球铰副示意图 f i g 1 0 7 s p h e r i c a l j o i n t f