雙定子軸向力偶型柱塞馬達的轉矩特性分析

聞德生，苗宇航，黎亞洲，朱鴻飛

(燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004)

0 前言

在液壓傳動系統中，液壓馬達具有十分重要的作用[1-3]。目前市場上的液壓馬達為了滿足工業生產發展的要求，主要向著高速化、增大扭矩、提高效率和延長壽命等方向發展[4-6]。而傳統的軸向柱塞馬達由于本身工作原理的限制，只能在柱塞的一側通入高壓油，這就導致了馬達工作時柱塞總是一半時間受高壓油驅動工作，進而帶動馬達轉動并輸出轉矩，另一半時間柱塞處于卸荷狀態，不產生扭矩[7-8]。這樣不僅馬達的軸向力不平衡，輸出效率也相對較低。

為了解決上述問題，結合雙定子原理[9-10]提出了雙定子軸向力偶柱塞馬達。在一個馬達殼體內部布置了左右兩個缸體，通過左右兩個定子形成等寬定子軌道，借助于軸承在等寬定子軌道內的滾動實現柱塞組的軸向往復運動。馬達左側缸體的進油區正對右側缸體排油區，左側缸體的排油區正對右側缸體進油區。這樣，當柱塞組受左側高壓油驅動工作時，右側處于卸荷狀態；而當柱塞組左側卸荷時，又受右側高壓油驅動工作。由此，在馬達工作時，柱塞一直受高壓油驅動輸出轉矩，大大提高了柱塞的工作效率。同時，由于兩個缸體對稱布置，同樣實現了力偶轉矩輸出[10-13]。該馬達為提高馬達的輸出效率開辟了新路，并為后續研究奠定了理論基礎。

1 雙定子軸向力偶型柱塞馬達結構原理

雙定子軸向力偶型柱塞馬達如圖1所示。

如圖1所示，雙定子軸向力偶型柱塞馬達是由馬達體、配流盤、定子、殼體、缸體、柱塞、柱塞軸、主軸等部分組成的。其中定子結構如圖2所示，選定的等寬曲線使柱塞組件在其軌道上滾動，溝槽用來安裝密封圈以減少泄漏。柱塞組件如圖3所示，左馬達體兩個流道安裝單向閥來排出泄漏油。

圖3 柱塞組件

雙定子軸向力偶型柱塞馬達的液流如圖4所示，其中紅色、藍色和黃色區域分別對應著馬達內部的高壓油、低壓油以及泄漏油。馬達工作時，同時向左右兩個進油口通入高壓油，每個柱塞組件都會有一側受到高壓油作用，使其形成力偶并在柱塞孔中滑動，柱塞組件上的軸承被緊壓在定子上，定子對柱塞組件中軸承的反作用力沿著周向有分力，在這個分力的影響下，軸承將沿著定子軌道進行滾動，此時柱塞組件將對缸體施加反作用力，這個反作用力會帶動缸體進行轉動，進而使馬達輸出轉矩。

圖4 雙定子軸向力偶型柱塞馬達液流

2 馬達瞬時轉矩

傳統軸向柱塞馬達受力情況如圖5所示。

圖5 傳統馬達受力分析

雙定子軸向力偶型柱塞馬達柱塞組件的受力情況如圖6所示。

圖6 雙定子軸向力偶型柱塞馬達柱塞組件受力分析

通過比較可知，傳統軸向柱塞馬達工作時，只有半個周期的柱塞受到高壓油作用[14]；而在缸體尺寸、斜盤傾角、柱塞數等相同的情況下，雙定子軸向力偶型柱塞馬達因特殊的結構排量會比傳統軸向柱塞馬達多1倍。

馬達每轉理論排量V為

V=zAl

(1)

式中：z為柱塞組件個數；A為柱塞橫截面積(mm2)；l為柱塞在一個缸體上的最大行程(mm)。

在馬達工作時，忽略排油腔壓力，僅考慮進油腔壓力，單個柱塞組件受到的液壓力Fp為

Fp=pA

(2)

式中：p為進油腔壓力(MPa)。

不考慮柱塞組件所受的慣性力，此時柱塞組件所受的徑向力Fy為

Fy=Fptanα=pAtanα

(3)

式中：α為定子軌道傾角(rad)。

單個柱塞組件產生的瞬時理論轉矩為

Ti=|FNyRsinθ|=pARtanα|sinθ|

(4)

式中：θ為柱塞組件與y軸的夾角(rad)；R為柱塞分布圓半徑(mm)。

3 基于MATLAB的馬達轉矩分析

在MATLAB軟件中對單個柱塞組件瞬時理論轉矩公式進行編程，設置進出口壓差為3 MPa，轉角θ為(0，4π)，分別得到傳統軸向柱塞馬達和雙定子軸向柱塞馬達的單個柱塞瞬時理論輸出轉矩，如圖7所示。

圖7 馬達單柱塞瞬時理論輸出轉矩

設雙定子軸向力偶型柱塞馬達兩個進油口輸入油液的相位差為π/14，在MATLAB軟件中分別對雙定子軸向力偶型柱塞馬達和傳統軸向柱塞馬達的輸出轉矩編程，按照公式(4)，在單個柱塞瞬時輸出轉矩的基礎上進行疊加。設置柱塞數為7，初始柱塞轉角為0，進出口壓差為3 MPa，兩個馬達的MATLAB程序分別如圖8和圖9所示，馬達理論總輸出轉矩圖如圖10所示。

圖9 傳統軸向柱塞馬達輸出轉矩程序

圖10 馬達理論總輸出轉矩

分析數據得：雙定子軸向力偶型柱塞馬達比傳統的軸向柱塞馬達輸出轉矩增加了1倍，轉矩波動減小了1倍。因此，雙定子軸向力偶型柱塞馬達具有輸出轉矩大、波動小、效率高、使用壽命長等優點。

4 試驗

雙定子軸向力偶型柱塞馬達是一種新型液壓馬達，根據傳統液壓馬達的職能符號，結合雙定子軸向力偶型柱塞馬達本身的特點，規定如圖11所示的雙定子軸向力偶型柱塞馬達的職能符號。

圖11 雙定子軸向力偶型柱塞馬達職能符號

由于該雙定子軸向力偶型柱塞馬達的結構新型，故對其進行了原理性試驗，如圖12(a)為該馬達部分零件和整體機構圖，圖12(b)為試驗系統。

圖12 馬達樣機及試驗系統

根據試驗分析及數據記錄得到了在不同工作壓力下如圖13所示的馬達試驗輸出轉矩和理論輸出轉矩的曲線、如圖14所示的機械效率曲線和如圖15所示的容積效率曲線。

圖13 馬達輸出轉矩對比

圖14 機械效率

圖15 容積效率

經過試驗結果和理論分析的對比，試驗結果基本符合理論分析的結果，但因為試驗過程中油液、液壓泵的流量脈動、管路安裝等因素影響，導致試驗結果與理論分析有一定的偏差[15]。

5 結論

提出了雙定子軸向力偶型柱塞馬達，計算了馬達的理論輸出轉矩，運用MATLAB對該馬達與傳統軸向柱塞馬達的輸出轉矩進行了對比分析，得出該馬達實現了柱塞全周期工作，輸出轉矩增加了一倍，轉矩波動減少了一倍，提高了柱塞工作效率。通過試驗可知，提出的雙定子軸向力偶型柱塞馬達具有輸出轉矩大、波動小、效率高、使用壽命長等優點。