液壓馬達(dá)柔性驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析與研究

林園園 徐彤 常瑩瑩

摘? 要：通過(guò)對(duì)液壓馬達(dá)在塑機(jī)械、船舶、起揚(yáng)機(jī)、建筑機(jī)械、工程機(jī)械、冶金機(jī)械、礦山機(jī)械、石油化工、船舶機(jī)械和港口機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用的研究，報(bào)告了因液壓馬達(dá)頻繁的啟停對(duì)與其相關(guān)的減速機(jī)、軸承、軸、傳動(dòng)齒輪等部件造成損壞的現(xiàn)狀。針對(duì)如何盡量減少因馬達(dá)頻繁啟停帶來(lái)的沖擊造成的這種損壞的問(wèn)題，文章對(duì)液壓馬達(dá)柔性驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了分析與研究。

關(guān)鍵詞：液壓馬達(dá);沖擊;柔性驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP39;TH137? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）03-0113-03

Analysis and Research on flexible drive technology of hydraulic motor

LIN Yuanyuan， XU Tong， CHANG Yingying

（Kewen College， Jiangsu Normal University，? Xuzhou? 221132， China）

Abstract： Through the research on the application of hydraulic motor in plastic machinery， ships， hoists， construction machinery， engineering machinery， metallurgical machinery， mining machinery， petrochemical industry， marine machinery and port machinery and other fields， this paper reports the current situation of damage caused by frequent start and stop of hydraulic motor to its related speed reducer， bearing， shaft， transmission gear and other components. Aiming at the problem of how to minimize the damage caused by the attack caused by the frequent start and stop of the motor， this paper analyzes and studies the flexible drive technology of hydraulic motor.

Keywords： hydraulic motor; attack; flexible drive

0? 引? 言

液壓馬達(dá)有：齒輪馬達(dá)、葉片馬達(dá)和柱塞馬達(dá)。齒輪馬達(dá)是一種高、中速的扭矩液壓馬達(dá)，其輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)性較大，徑向力不衡，在低速旋轉(zhuǎn)及負(fù)荷改變時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性較差。多用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械和林業(yè)機(jī)械的回轉(zhuǎn)機(jī)械。葉片馬達(dá)屬高轉(zhuǎn)速、低扭矩液壓馬達(dá)，其具有轉(zhuǎn)速高、慣性小的特點(diǎn)。適用于磨床、自動(dòng)線及隨動(dòng)系統(tǒng)中。柱塞馬達(dá)根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為軸向柱塞馬達(dá)和徑向柱塞馬達(dá)。軸向柱塞馬達(dá)根據(jù)其結(jié)構(gòu)可以達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速。它可以具有多種變量控制形式，可以和變量泵組成閉式系統(tǒng)，也可以用于開(kāi)式系統(tǒng)，廣泛用于工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械。徑向柱塞馬達(dá)屬于低速大扭矩馬達(dá)，它具有轉(zhuǎn)速低、輸出扭矩大的特點(diǎn)。可以用于各類機(jī)械的行走、牽引、驅(qū)動(dòng)以及提升等，因此在冶金、礦山、起重、運(yùn)輸、船舶等機(jī)械的液壓系統(tǒng)中經(jīng)常使用。

1? 液壓馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)

液壓馬達(dá)是液壓系統(tǒng)的一種執(zhí)行元件，它將液壓泵提供的液體壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)槠漭敵鲚S的機(jī)械能（轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩）。液體是傳遞力和運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)。相對(duì)于其他的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，液壓馬達(dá)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）傳動(dòng)平穩(wěn)，在液壓傳動(dòng)裝置中，因?yàn)橛鸵旱膲嚎s量非常小，在一般壓力下可認(rèn)為不能壓縮，依靠油液的連續(xù)流動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)。油液還有吸振能力，在油路中可設(shè)置液壓緩沖裝置，使傳動(dòng)非常平穩(wěn)，便于實(shí)現(xiàn)頻繁換向;因此在要求傳動(dòng)平穩(wěn)的機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）承載能力大，液壓傳動(dòng)容易獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩，故在萬(wàn)噸輪船操舵機(jī)和隧道掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備中廣泛使用。

（3）質(zhì)量輕體積小，液壓傳動(dòng)與電力或機(jī)械等傳動(dòng)方式相比，在輸出相同功率的條件下，質(zhì)量和體積可以減小很多，故慣性小、動(dòng)作靈敏;這對(duì)液壓自動(dòng)控制和要求降重的機(jī)器來(lái)說(shuō)尤為重要。

（4）容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，液壓系統(tǒng)中通常包含大量的安全保護(hù)措施，可以自動(dòng)防止過(guò)載，避免事故的發(fā)生。

（5）容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，在液壓傳動(dòng)中，調(diào)節(jié)液體的流量即可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，且調(diào)速范圍非常廣，最大可到2 000：1，易于得到極低的速度。

（6）易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動(dòng)作，采用液壓傳動(dòng)能獲得各種復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作，如數(shù)控銑床的液壓工作臺(tái)，可加工出不規(guī)則形狀的零件。

（7）液壓元件能夠自動(dòng)潤(rùn)滑，因?yàn)椴捎靡簤河妥鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)，故可自動(dòng)潤(rùn)滑液壓傳動(dòng)裝置，保證元件有較長(zhǎng)的使用壽命。

（8）便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在液壓系統(tǒng)中，液體的方向、流量和壓力非常容易控制，再匹配好相應(yīng)的電氣裝置，各種復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)就非常容易實(shí)現(xiàn)。

（9）機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化，采用液壓傳動(dòng)能簡(jiǎn)化大量的機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以減少機(jī)械零部件的數(shù)目。

（10）便于實(shí)現(xiàn)“三化”，液壓元件易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。也容易實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本。

2? 液壓馬達(dá)柔性啟停技術(shù)研究

基于液壓馬達(dá)的以上優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但是隨著應(yīng)用的推廣，液壓馬達(dá)在頻繁啟停過(guò)程中因沖擊對(duì)與其相關(guān)的減速機(jī)、軸承、軸、傳動(dòng)齒輪等部件會(huì)經(jīng)常造成損壞，如何減少這種沖擊，減少對(duì)與其相關(guān)件的損耗，提高設(shè)備使用壽命是本方研究的重點(diǎn)。

由于液壓馬達(dá)應(yīng)用情景非常多，本文只取一種具有代表性的應(yīng)用情景來(lái)進(jìn)行研究。該應(yīng)用情景為：發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵，液壓泵為液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，液壓馬達(dá)帶動(dòng)一個(gè)慣性比較大的部件。如圖1所示。液壓馬達(dá)通過(guò)控制器進(jìn)行控制，控制器控制液壓馬達(dá)的端口為帶電流反饋的PWM端口。下面簡(jiǎn)單介紹一下該應(yīng)用環(huán)境下的PWM：PWM全稱為脈沖寬度調(diào)制，即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形（包括幅值和形狀）。可以保持脈沖的幅度相等，通過(guò)改變脈沖的占空比來(lái)獲得所需要的輸出電壓，或保持脈沖的寬度相等，根據(jù)所需要的輸出電壓與輸入電壓比值來(lái)調(diào)節(jié)脈沖的占空比;本文中的控制方式為通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)控制液壓泵的比例閥電流的目的，進(jìn)而控制液壓馬達(dá)的流量。

本例中選用的液壓泵比例閥的開(kāi)啟電流為200 mA，最大開(kāi)度時(shí)的電流為600 mA，通過(guò)改變比例閥的電流來(lái)改變液壓泵斜盤(pán)的開(kāi)度，進(jìn)而改變流過(guò)液壓馬達(dá)液壓油的流量。比例閥通過(guò)電流從200 mA到600 mA的時(shí)間長(zhǎng)短決定了啟動(dòng)過(guò)程對(duì)設(shè)備相關(guān)部件沖擊的大小，比例閥通過(guò)電流從600 mA到200 mA的時(shí)間長(zhǎng)短決定了停止過(guò)程對(duì)設(shè)備相關(guān)部件沖擊的大小。下面分別對(duì)啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間賦予不同值來(lái)研究啟動(dòng)過(guò)程和停止過(guò)程對(duì)設(shè)備沖擊的情況，得到一個(gè)最佳的啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間。具體內(nèi)容有：

（1）啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間為零的時(shí)候，通過(guò)采集液壓系統(tǒng)壓力來(lái)反應(yīng)沖擊情況。如圖2所示。由曲線可以得知，在設(shè)備啟動(dòng)過(guò)程中，對(duì)設(shè)備的沖擊非常大，A口的液壓壓力幾乎在瞬間就超過(guò)了460 Bar，達(dá)到了液壓馬達(dá)的溢流壓力，并且這個(gè)高壓持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 s，待運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)速有所上升后，壓力才有大幅下降，在這個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，過(guò)大的液壓壓力，對(duì)液壓馬達(dá)和其驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件都會(huì)造成較大的沖擊，對(duì)設(shè)備造成損壞，影響設(shè)備的使用壽命。為了避免這種沖擊，需要延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，但這個(gè)時(shí)間定為多少，是我們后續(xù)將要研究的內(nèi)容。

如圖3所示。由曲線可以得知，設(shè)備在停機(jī)過(guò)程中，液壓泵B口的壓力超過(guò)200 Bar，并且持續(xù)時(shí)間超過(guò)6 s，檢測(cè)到停止時(shí)的壓力沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)的壓力大，主要是因?yàn)闄z測(cè)點(diǎn)的壓力為經(jīng)過(guò)液壓馬達(dá)溢流后分流得到的壓力，其此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件超大的慣性帶給液壓馬達(dá)的沖擊壓力要遠(yuǎn)大于200 Bar，其帶來(lái)的沖擊也會(huì)大于啟動(dòng)時(shí)的沖擊，大大影響設(shè)備的使用壽命，因此停機(jī)時(shí)需要延長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間，來(lái)減少這種沖擊，這個(gè)時(shí)間定為多少，也是后續(xù)將要研究的內(nèi)容。

如圖4所示。由曲線可以得知，運(yùn)動(dòng)部件在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)速上升很快，在7.7 s內(nèi)就達(dá)到了最大轉(zhuǎn)速，這么短的啟動(dòng)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)一直冒黑煙，處于過(guò)載狀態(tài)，液壓馬達(dá)因?yàn)閴毫Τ蕹霈F(xiàn)異響;停機(jī)的時(shí)間也很短，僅用6.74 s運(yùn)動(dòng)部件就從最高轉(zhuǎn)速下降到零，在此過(guò)程中，能夠明顯聽(tīng)到設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件發(fā)出刺耳的異響。過(guò)快的啟動(dòng)和停止使設(shè)備工作在超限的狀態(tài)，對(duì)設(shè)備造成了較大的不利影響，甚至?xí)p壞設(shè)備。

（2）將啟動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間定為40 s的時(shí)候，通過(guò)采集液壓系統(tǒng)壓力來(lái)反應(yīng)沖擊情況。為了更好地達(dá)到減緩啟動(dòng)沖擊，確保液壓馬達(dá)平穩(wěn)、柔性的啟動(dòng)，將40 s的啟動(dòng)時(shí)間分為三個(gè)部分。第一部分為液壓泵的啟動(dòng)死區(qū)，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，快速增加通過(guò)液壓泵的啟動(dòng)電流，使之快速通過(guò)死區(qū)，使液壓泵斜盤(pán)開(kāi)度到達(dá)馬達(dá)可以啟動(dòng)的位置，液壓泵的電流從0～200 mA的時(shí)間定為1 s;第二部分為緩慢增加液壓泵的啟動(dòng)電流，因?yàn)樵谶@個(gè)階段，液壓馬達(dá)啟動(dòng)慣性最大，如果此時(shí)快速增加液壓泵的斜盤(pán)開(kāi)度，又會(huì)造成非常大的沖擊，為了減少?zèng)_擊，緩慢增加液壓泵的電流，液壓泵電流從200～350 mA的時(shí)間定為25 s;第三部分為相對(duì)較快的增加液壓泵電流階段，在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的部件克服了啟動(dòng)慣性后，推動(dòng)部件轉(zhuǎn)速上升需要克服的慣性會(huì)大大減少，此時(shí)可以相對(duì)較快的增加啟動(dòng)電流，液壓泵電流從350～600 mA的時(shí)間定為14 s。為了更好地達(dá)到減緩?fù)C(jī)沖擊，確保設(shè)備平穩(wěn)、柔性停機(jī)，將停機(jī)策略和啟動(dòng)策略做一倒置，即停機(jī)時(shí)液壓泵電流從600～350 mA的時(shí)間定為14 s，從350～200 mA的時(shí)間定為25 s，從200 mA到0的時(shí)間定為1 s。此種柔性啟動(dòng)技術(shù)采集到的液壓系統(tǒng)壓力情況如圖5所示。

由圖5中曲線可以得知，在設(shè)備啟動(dòng)過(guò)程中，液壓泵A口的最大壓力為128 Bar，相較于啟動(dòng)時(shí)間為零時(shí)超過(guò)壓力的460 Bar的壓力相比，已經(jīng)有了大幅的降低，并且啟動(dòng)曲線相對(duì)平穩(wěn)，可以有效地減少?zèng)_擊，減少對(duì)設(shè)備的損壞，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命;另外從啟動(dòng)開(kāi)始到啟動(dòng)完成用時(shí)40 s，這個(gè)時(shí)間是最優(yōu)時(shí)間，如果減少這個(gè)啟動(dòng)時(shí)間，A口檢測(cè)到的啟動(dòng)壓力會(huì)有非常大的提升，如果增加這個(gè)時(shí)間，啟動(dòng)壓力沒(méi)有太大的變化，反而還會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，造成啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)而影響設(shè)備效率。綜合來(lái)看，針對(duì)此種工況40 s的啟動(dòng)時(shí)間是最優(yōu)的啟動(dòng)方案。

如圖6所示。由曲線可以得知，設(shè)備在停機(jī)過(guò)程中，液壓泵B口的壓力不超過(guò)67 Bar，相較于停機(jī)時(shí)間為零時(shí)超過(guò)200 Bar的壓力相比，已經(jīng)有了大幅的降低，這個(gè)壓力帶來(lái)的沖擊完全在設(shè)備設(shè)計(jì)的可承受的沖擊范圍內(nèi)。設(shè)備在從開(kāi)始停機(jī)到完全停下來(lái)用時(shí)為40 s，這個(gè)時(shí)間是最優(yōu)時(shí)間，如果增加這個(gè)時(shí)間，停機(jī)時(shí)檢測(cè)的壓力會(huì)有所降低，但沒(méi)有必要，反而會(huì)增加停機(jī)時(shí)間，造成停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響設(shè)備效率;如果減少停機(jī)時(shí)間，會(huì)使得停機(jī)時(shí)某一階段內(nèi)的壓力快速上升，達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。

如圖7所示。由曲線可以得知，設(shè)備在啟動(dòng)、停止過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)速上升下降過(guò)程都比較平穩(wěn)，有很好的效果。

3? 結(jié)? 論

文章雖然是根據(jù)特定工況下的特定研究，但仍然具有一定的代表性，其他工況可以參考文章所采取的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的柔性啟停。文章列舉了液壓馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中其也有不少缺點(diǎn)，比如：液壓元件制造精度要求高、實(shí)現(xiàn)定比傳動(dòng)困難、油液受溫度的影響比較大、不宜遠(yuǎn)距離輸送動(dòng)力、油液中混入空氣容易影響工作性能、油液易被污染、一旦油液被污染會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性、出現(xiàn)故障不易排查等。當(dāng)然，隨著科技的發(fā)展以上缺點(diǎn)將會(huì)逐漸得到解決，液壓馬達(dá)的應(yīng)用也將會(huì)更加廣泛和普遍，柔性啟動(dòng)技術(shù)就顯得更加重要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林元正，林添良，陳其懷，等.電動(dòng)工程機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展 [J].液壓與氣動(dòng)，2021，45（12）：1-12.

[2] 劉立豐.板式給料機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理及故障分析 [J].露天采礦技術(shù)，2021，36（6）：120-122.

[3] 陳永梅，費(fèi)天琦.淺析液壓傳動(dòng)在挖泥船中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J].機(jī)電設(shè)備，2021，38（5）：32-36.

[4] 魏訓(xùn)濤，蔡樹(shù)梅.液壓馬達(dá)輔助高鏈速刮板輸送機(jī)啟動(dòng)技術(shù)研究 [J].煤礦機(jī)械，2021，42（7）：44-46.

[5] 侯廣慧，于躍，阮洪生.自裝卸式馱背運(yùn)輸車(chē)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].機(jī)電工程技術(shù)，2020，49（11）：217-219+223.

[6] 王建濤，趙丁選，楊皓仁，等.柔性驅(qū)動(dòng)式壓電活塞氣體壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) [J].光學(xué)精密工程，2020，28（10）：2267-2275.

[7] 李滿宏，馬艷悅，張明路.仿生柔性關(guān)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)綜述 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2018，35（11）：1-9.

[8] 江正慶.數(shù)控液壓柔性系統(tǒng)在液壓機(jī)上的應(yīng)用 [J].液壓氣動(dòng)與密封，2017，37（9）：72-75.

作者簡(jiǎn)介：林園園（1985—），女，漢族，河南臺(tái)前人，助教，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。