低速大扭矩水液压马达的配流性能分析及实验研究-农业工程学报.doc

低速大扭矩水液压马达的配流性能分析及试验 王志强1，倪 敬1※，高殿荣2 （1.杭州电子科技大学机械工程学院，杭州 310018； 2. 燕山大学机械工程学院，秦皇岛 066004） 摘 要：为了提高低速大扭矩水液压马达的容积效率，以马达的配流副为研究对象，基于力平衡方程及流量方程，建立了配流体端面与转子端面间的泄漏流量损失和功率损失的数学模型。以配流体转子间的水膜厚度、介质温度和马达转速等为性能指标，分析了不同供流方式下间隙、温度和转速对其性能的影响。研究结果表明：间隙越大，配流体转子端面的泄漏流量损失和功率损失越大，温度越高，功率损失越大，但功率损失几乎不受转速的影响，同时内环供流时水液压马达的性能要优于外环供流。因此，减小水膜厚度，降低水温，可减小配流副的泄漏流量损失和功率损失，提高水液压马达的容积效率及马达性能。综合考虑，配流间隙控制在4~5 μm较为合适，水温控制在室温（20±5）℃状态下为宜。同时基于上述研究，设计加工出低速大扭矩水液压马达物理样机，并对样机的性能进行了加载试验测试，得到了相应的性能曲线，试验结果表明：加工完成的水液压马达样机在带载时的容积效率最高可达到90.97%，机械效率最高可达到93.59%，从而验证了所研制的低速大扭矩水液压马达原理正确可行，也证明了上述研究结果的正确性，解决了低速大扭矩水液压马达的设计理论及关键技术问题。该研究为低速大扭矩水液压马达进一步的产品化提供了参考。 关键词：水液压马达，配流副，间隙，泄漏流量，功率损失 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.15.000 中图分类号：TH137 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-15-0000-07 0 引 言( 随着社会的发展工业的进步，对煤炭、石油资源的依赖越来越严重，这就加速了这些不可再生资源的枯竭。工业化的进展使得大型设备的需求越来越大，这些设备都离不开液压传动。因此，目前的形势需要寻求一种液压介质来替代传统的油液压传动。而以水为介质的新型液压传动，有无污染、安全和绿色等优点[1-3]，可以很好的解决石油危机和环境恶化给人类带来的威胁。与此同时，随着国家对海洋战略的实施，深海探测、深海打捞、海洋资源开采、船舶及海洋钻井平台、海水淡化系统等[4-6]必将越来越受到重视和得到广泛的应用，上述这些系统的执行装置均离不开水液压马达的驱动。 低速大扭矩水液压马达是以淡水或海水为工作介质，并能将水压能转换为机械能实现连续回转运动的水液压执行元件，在水液压传动系统中起着至关重要的作用。但由于水的气化压力、体积弹性模量、声速、密度等均比液压油高，黏度和润滑性能都比液压油差，使得其更容易产生空化、气蚀、摩擦及磨损等。 为了克服和解决这些问题，国内外学者对其结构的设计及间隙的控制方面等进行了很多的研究工作。Chen等[7-9]对水液压轴向柱塞马达的柱塞断裂的检测、滑靴和球铰磨损的监测及整个水液压马达的故障诊断等进行了详细的研究。Li[10]提出了针对柱塞泵及马达的水基滑靴进行摩擦测量的新方法，该方法可以准确的测量出滑靴副间低于1 μm的间隙。Nishitani[11]等研究了多孔介质水静压推力轴承的静态及动态性能，并与常规油腔静压轴承进行对比分析，发现该轴承比传统的轴承的承载能力大得多，但刚度稍微降低。Takeuchi[12,13]研发了多孔介质平面推力轴承，该轴承可通过改变多孔介质的布置提升其承载能力。Wang等[1415]对水润滑条件下轴承接触件的表面结构进行了理论和试验研究，研究发现在表面加工微结构后可以提高其承载的极限载荷。Akinori等[16]对恒流量水液压静压轴承的精密机床工作台进行了研究。 贺小峰等[17]对不同的配流阀结构型式及主轴动平衡前后水压泵的噪声特性进行了对比试验研究，发现水压泵主轴经过动平衡后可明显降低泵的噪声。刘恒龙等[18]通过CFD仿真计算研究了水液压柱塞副间隙流场的流量特性。黄国勤等[19]利用热平衡原理对水液压泵柱塞摩擦副的间隙进行了分析。刘银水等[20]提出了海水泵柱塞副的配合间隙为1~10μm。翟江等[21-23]采用Schnerr-Sauer模型对水液压柱塞泵柱塞腔与配流盘内部空化的流动进行了模拟并对其结构进行了设计。方无迪等[24]研究了配流副材料对水液压柱塞泵容积效率和噪声的影响。梁英娜等[25]为了降低水润滑下水液压泵斜盘滑靴间的摩擦磨损，建立了凹坑形仿生非光滑表面滑靴副的动压润滑模型，寻找到了影响水膜承载力的主次因素。综上所述，现有对水液压马达配对副的研究主要集中在柱塞副的结构设计、轴承的设计以及柱塞副的间隙控制等，也有部分涉及到配流结构的改进，但对于马达在配流副间隙的控制，温度及转速对