基于AMESim 的低速大轉矩液壓馬達的仿真分析★

劉金麗， 王民剛， 秦 濤

（1.晉中學院機械學院， 山西 晉中 030600； 2.潞安集團余吾煤業公司， 山西 長治 046100）

引言

低速大轉矩液壓馬達具有輸入油液壓力高、排量大、可靠性高、可在低速下平穩運轉，輸出轉矩大等優點，被廣泛應用于轉速低、負載大、運行穩定性要求較高的工程機械中，例如采煤機、冶金機械和挖掘機等。當今，低速大轉矩液壓馬達大多以液壓油作為傳動介質來傳遞運動和動力，但是在煤礦機械和冶金機械中，要求傳動介質具有防燃、防爆等特性，以保證井下的工作安全以及防止環境污染，從而急需研究乳化液馬達來替代原有的液壓油馬達。本文在AMESim 中建立低速大轉矩乳化液馬達的液壓模型，通過仿真得到馬達各個柱塞腔的流量和各柱塞的位移曲線，并且得出馬達輸出轉速、轉矩與輸入流量之間的關系曲線，為低速大轉矩液壓馬達的研究提供依據[1-5]。

1 低速大轉矩液壓馬達工作原理

圖1 為以乳化液為工作介質的低速大轉矩液壓馬達的結構簡圖。在柱塞缸的兩側各安裝一個單向閥作為進、排液閥，曲軸10 上安裝的配流凸輪環11與兩側的單向閥4、8 配合，并且相位角相差180°。隨著曲軸的轉動，兩個凸輪環也跟著轉動，配流凸輪環又推動導桿，導桿再帶動單向閥的閥芯上下運動，控制左右兩個單向閥的開啟和閉合，使得柱塞缸進液和排液，從而壓力油推動液壓馬達的曲軸10 完成旋轉運動。柱塞缸兩側單向閥的結構相同，并且均于中心線對稱，所以通過換向閥變換進出油口方向，即可實現液壓馬達的換向，作為雙向泵使用[6-10]。

圖1 低速大轉矩液壓馬達結構圖

2 液壓馬達的數學模型

圖2 為低速大轉矩液壓馬達的工作原理圖。當曲軸轉過角度為φi時，柱塞i（i=1～5）的位移及運動速度如下式所示：

圖2 低速大轉矩液壓馬達工作原理圖

式中：Si為柱塞位移量，m；l0為柱塞在運動的起始位置時擺動中心和曲軸中心的距離，m；li為第i個柱塞和連桿的鉸接點O2與曲軸的幾何中心O1的距離，m；e0為曲軸的偏心距，m；R0為柱塞和連桿的鉸接點O2與曲軸的回轉中心O的距離，m；vi為第i個柱塞的運動速度，m/s；ω 為曲軸角速度，rad/s；θi為和之間的夾角，rad；φi為曲軸轉角，rad。

液壓馬達的排量V，為任意時刻每個柱塞缸所產生的排量之和，m3/r；轉矩T為任意時刻每個柱塞缸油液壓力所產生的轉矩之和，N·m，其計算公式如下：

式中：A0為柱塞的橫截面積，m2；Fi為了每個柱塞上所受到的油液的作用力，N。

3 液壓馬達的仿真

3.1 建立仿真模型

在AMESim 的草圖工作模式下，根據馬達結構和工作原理，選擇合適的液壓元件模型，建立液壓馬達的整機模型如圖3 所示。

圖3 仿真模型

3.2 選擇子模型

在AMESim 的子模型工作模式下，為各液壓元件確定子模型。

3.3 設置參數

對液壓系統進行虛擬仿真，各液壓元件的參數設置對于仿真結果影響很大，因而參數的正確設置極為重要。在AMESim 參數設置狀態下，設置所有液壓元件的結構、壓力和流量等參數。其中，柱塞缸部件轉動時，將其中一個柱塞偏移角度設置為0°，再以這個柱塞為基準，其后每一個柱塞與之相差72°，從而使5 組配流閥以及柱塞缸先后工作，相位角相差72°。其余液壓馬達參數設置如表1 所示。

3.4 運行仿真

在AMESim 運行狀態下，將終止仿真時間設置為5 s，信號采集時間間隔設置為0.001 s。圖4 為液壓馬達各柱塞腔的流量曲線，圖5 為液壓馬達各柱塞的位移曲線。如圖4、圖5 所示，各柱塞腔的流量和位移曲線都是正弦曲線，各柱塞相位角相差72°，柱塞位移和流量大小匹配，與實際情況相符合。

表1 液壓馬達參數設置

圖4 柱塞腔流量

圖5 柱塞位移曲線

其他參數不變，將液壓泵的排量分別設置為2 mL/r、5 mL/r、8 mL/r、10 mL/r 和15 mL/r，研究低速馬達的輸入流量與其輸出軸轉速、轉矩之間的關系。下頁圖6 為液壓泵排量不同時，馬達的轉速曲線。由圖6 可知，液壓泵的排量越大，輸入馬達的流量越大，則其輸出轉速也就越高，并且，轉速越高，其速度脈動率越小，運轉更加平穩。通過仿真可知，當液壓馬達的轉速低于60 r/min 時，其速度脈動率顯著增大，因而會造成液壓馬達在運轉過程中產生振動和噪聲，影響其工作的穩定性，降低使用壽命。液壓馬達在實際工作過程中，為了增加其工作的平穩性，液壓泵的排量以及流量不能過小，液壓馬達的輸出轉速也不能低于最低轉速。

圖6 泵不同排量下馬達馬達轉速曲線

圖7 為泵排量不同時，低速大轉矩馬達的轉矩曲線。由圖7 可知，液壓泵的排量越大，馬達的輸入流量越大，其輸出轉矩越大，但是影響不大，馬達的輸出轉矩均大于500 N·m。

理論上，液壓馬達的輸出轉矩由其外載荷決定，但是在實際工作過程中，因為傳動介質的黏性，曲軸在轉動過程中有部分轉矩用于克服液體黏性摩擦力而造成的能量損失。馬達的轉速越大，與油液之間的摩擦阻力就越大。所以液壓泵的排量增大，馬達的轉速就會隨之增大，而輸出軸轉速的提高，又使其與油液之間的摩擦阻力增大，從而使馬達的轉矩隨之增大。

4 結論

1）分析結果表明：各個柱塞腔的流量以及柱塞位移都符合正弦曲線，隨著泵的排量的增加，液壓馬達的輸入流量增大，馬達的輸出轉速也隨之增大，而其轉速脈動率減小，運動更加平穩，而對馬達輸出轉矩的影響較小。

2）仿真結果表明，該馬達承載能力較強，低速下運行穩定性良好，可以為后續低速大轉矩液壓馬達的研究和應用提供依據。

圖7 泵不同排量下馬達轉矩曲線