多輸出齒輪泵供油條件下雙定子馬達的輸出特性

， 　， ， ， 　， 德生

(燕山大學 機械工程學院， 河北 秦皇島　066004)

引言

液壓傳動技術在工、農業等領域的應用已經十分成熟，但近年來隨著人們對于節能、高效、環保等要求的日益增加，對液壓傳動提出了新的要求[1]。因此，眾多研究者從元件性能、壽命、液壓傳動介質、能源利用率和可靠性等方面進行不斷探索[2-4]，如將原有元件用新型材料制造[5]、運用模擬仿真技術改善元件內部結構[6,7]、采用純水作為液壓介質[8]等。

齒輪泵作為最常用的三類液壓泵之一，作為液壓系統中重要的動力元件被廣泛應用，如機床、農林、冶金、礦山、建筑、船舶、 飛機、 石化機械等領域[9,10]。但由于齒輪泵徑向力不平衡、流量和壓力脈動較大、噪聲較大、排量不可變等方面不足的存在，制約著齒輪泵的發展和應用。為此，眾多研究者從優化齒輪參數及泵體結構[11]、噪聲控制、變量方法和消除徑向力不平衡因素等方面進行不斷研究[12，13]。

本研究介紹了一種多輸出齒輪泵的原理和輸出特性，進而以該泵與雙定子液壓馬達為基礎，建立新型傳動方式[14]，并對該形式下馬達的輸出轉速和轉矩進行理論探討與分析。該傳動方式區別于傳統的液壓傳動，能在一個執行機構(液壓馬達)下，實現多種不同轉速和轉矩的輸出。

1　多輸出齒輪泵原理

多輸出齒輪泵由1個大齒輪、4個小齒輪、側板、兩側端蓋和泵體組成，其中大齒輪作為主動輪布置在中央，4個小齒輪作為從動輪，對稱均勻分布在主動輪的周圍，每2個相互嚙合的齒輪的左右兩側各分布一個吸、壓油口。該泵原理如圖1中所示，當主動輪順時針轉動時，4個從動輪逆時針轉動，形成4組吸、壓油口(Aa、Bb、Cc、Dd)，A、B、C、D是4個吸油口，a、b、c、d是4個壓油口。在主動輪轉動轉動過程中，每組吸、壓油口同時完成吸壓油過程，輸出4種相同排量的油液，即4個壓油口排量相同，4個壓油口既可以獨立輸出又可以組合輸出。

A、B、C、D.吸油口　a、b、c、d.壓油口圖1　多輸出齒輪泵原理圖

為了方便構建系統圖和便于表達，將該泵的職能符號暫定為如圖2表示。

如圖2所示，圓圈內的4組黑色三角表示該馬達的4組吸壓油口，圖中a是多輸出泵的4個壓油口匯聚到一個出油口時的職能符號，此種輸出稱為整體輸出；b表示任意一個壓油口獨立輸出，其余壓油口空載，此種輸出稱為單輸出；c表示任意2個壓油口組合輸出，其余壓油口空載，稱為雙輸出；d表示任意3個壓油口組合輸出，剩余油口空載，稱為三輸出；e表示4個壓油口獨立同時輸出，稱為四輸出。除上述外，各個油口也可以獨立輸出，其職能符號此處未畫出。可見，該泵輸出的流量種類多樣，可稱之為多輸出泵。

圖2　不同種輸出方式下泵的職能符號

2　新型傳動方式

該多輸出齒輪泵可與雙定子多速馬達組合形成新型傳動系統，利用該泵四個壓油口可獨立輸出及組合輸出的特性與多速馬達配合，通過換向閥改變對馬達的供油方式，即可實現多速馬達的多種轉矩和轉速的輸出，更能實現多速馬達的差動連接。下面以雙作用連桿滾柱型雙定子多速液壓馬達為例，探討其與多輸出齒輪泵組成的傳動系統中馬達所能輸出的轉速及轉矩。

本研究只對復合齒輪泵和多速馬達構成的傳動系統中馬達輸出的轉速轉矩進行探討，故傳動系統中的控制閥類和回路簡化為方框，油箱及其他附件簡化不畫，只將動力元件和執行機構表示出來，得到如圖3所示的傳動簡圖。

圖3　多輸出齒輪泵與雙作用連桿滾柱型雙定子液壓馬達傳動簡圖

圖3中左側動力元件為前述多輸出復合齒輪泵，其中Aa、Bb、Cc、Dd為四組吸壓油口，共八個油口，右側執行機構為雙作用滾柱連桿型雙定子多速液壓馬達，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為外馬達進出油口，ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ為內馬達進出油口，整個馬達共8個油口。泵中主動輪順時針轉動時， A、B、C、D 4個口吸油，a、b、c、d 4個口壓油，將油液輸入到系統中，再經過各類控制閥控制輸入到多速馬達中驅動轉子轉動，可實現內馬達單獨工作、外馬達單獨工作、內外馬達同時工作及內外馬達差動工作。

根據泵供油方式的多樣性，馬達每種工作方式都有多種泵-馬達連接形式，選擇其中具有代表性的進行介紹。如圖4a所示為多輸出齒輪泵驅動內馬達單獨工作的連接方式之一，泵為單輸出供油形式；圖4b所示為泵驅動外馬達單獨工作的連接方式之一，泵為雙輸出供油形式；圖4c所示為泵驅動內外馬達同時工作的連接方式之一，泵為整合輸出供油形式；圖4d所示為泵驅動內外馬達差動工作的連接方式之一，泵為雙輸出供油形式。對于馬達的不同工作方式，多輸出齒輪泵均能實現單輸出、整合輸出及其余出油組合方式的輸出，共能實現4種不同流量的輸出。

圖4　多輸出齒輪泵與雙定子馬達連接方式

3　新傳動方式下馬達轉速及轉矩探討

由于多輸出齒輪泵與多速馬達能夠形成多種連接及工作方式，因此，對該泵與馬達傳動系統中馬達的輸出轉速及轉矩及其相應規律的探討與總結必不可少。齒輪泵4個壓油口輸出流量相同，泵出油口的任意組合使泵可輸出4種成比例流量，將單個油口輸出流量記為Q，則輸出流量共有Q、2Q、3Q和4Q，由雙定子液壓馬達的結構特點可知，其2個內馬達排量相等，2個外馬達排量相等，內、外馬達的排量成比例，比例系數為K。2個內馬達排量均為Vn，2個外馬達排量均為Vw，且Vw=KVn，單個內馬達的轉速nn=Q/Vn，外馬達的轉速nw=Q/Vw，相應的內馬達轉矩Mn=ΔpVn/2π，外馬達轉矩Mw=ΔpVw/2π，馬達進出口壓差為Δp。下面分析供油流量為Q時的馬達輸出轉速及轉矩，如表1所示。

表1　供油流量Q時馬達不同工況下的輸出轉速

表2　差動工作下馬達的輸出轉速與轉矩

表2中所列只是泵輸出流量為Q時馬達差動連接輸出的轉速，Q改變時同理可得到相應轉速，該齒輪泵與雙作用雙定子馬達構成的差動傳動系統共能實現4組，即16種轉速的輸出，且每組的轉速成比例，但其中存在相同轉速，即輸出流量為2Q時的2nn/2(K-1)與輸出流量為Q時的nn/(K-1)相同，輸出流量為4Q時的4nn/2(K-1)與輸出流量為2Q時的2nn/(K-1)相同，因此共可實現14種轉速輸出。由于馬達輸出轉矩與其自身排量有關，因此輸出轉矩共4種。

根據上述四輸出齒輪泵對雙作用多速馬達傳動中馬達的轉速轉矩規律，可以推導得輸出數為m的泵對n作用雙定子多速馬達傳動的馬達轉速與轉矩規律：普通連接方式下可以實現m(2n+n2)種轉速和2n+n2種轉矩，差動連接方式下可以實現mn2種轉速和n2種轉矩。需要說明的是，在前面的討論中均不涉及K的特殊取值情況。在各自連接方式下實現的傳動中，由于系數K的不同取值存在轉速、轉矩相同的情況，所以需要針對具體傳動加以分析得到準確的轉速和轉矩種類。上述規律只針對馬達在一個轉向工作，當馬達反向工作時同理可得其輸出轉速與轉矩的種類。

4　結論

本研究介紹了多輸出齒輪泵的結構及其工作原理，從理論上重點探討以該泵和雙作用雙定子多速液壓馬達組成傳動系統中馬達轉速與轉矩的輸出種類，并加以擴展，初步得到了m輸出的該類泵對n作用雙定子多速馬達的傳動規律?？梢?，與傳統單泵單馬達傳動系統相比，該傳動系統能夠實現更多種類的轉速和轉矩輸出，同時豐富了多泵多速馬達傳動系統，為進一步研究多泵多速馬達傳動系統的傳動方式及其規律奠定了理論基礎。由于連接方式的多樣化，系統中傳統換向過程變得繁瑣，因此該文也為后續改善換向過程乃至研究新型換向閥做出鋪墊。

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