轻便型乳化液马达设计及其性能测试

·产品与市场·修稿日期：2012－10－23
作者简介：成清校（1984-），男，河北邯郸人，工学硕士，工程师。

主要从事机电一体化产品及烟草机械等方面的研究。

0引言
乳化液马达主要应用在煤矿的煤层液压钻上，它以难燃液———高水基乳化液作为工作介质，可以有效地消除煤尘瓦斯爆炸的隐患，大大提高了井下作业的安全性。

非圆行星齿轮乳化液马达因其结构紧凑、噪音低、抗污染能力强和可实现低速大转矩的特点而具有广泛的应用前景。

乳化液煤层液压钻是一种手持式煤壁钻孔机具，要求重量轻、结构简单、操作方便，因此与其配套的液压马达应具有结构简单、转矩大、重量轻等特点[1]。

通常要求满足：转矩60～80Nm 左右，转速0～500r/min （转速高时应配减速装置），重量小于10kg 。

为此，设计了采用非圆行星齿轮结构的HPM40s 轻便型乳化液马达，以满足手持式煤壁钻孔机的使用要求。

1HPM40s 轻便型乳化液马达
1.1结构形式
HPM40s 轻便型乳化液马达为非圆行星齿轮马达，
主要包括壳体、轴承座、主轴、上配油盘、下配油盘、非圆行星齿轮系等，具体结构如图1所示。

其中非圆行星齿轮系是乳化液马达的核心部件，它由梅花形内齿圈、太阳轮和行星轮构成，如图2所示。

非圆行星齿轮系的设计合理与否直接关系到马达的输出性能，不合理的设计甚至可造成卡齿或脱齿从而使马达无法运转。

非圆行星齿轮系设计的关键在于齿轮的节曲线形式，目前主要有两种，一种是高阶椭圆节曲线，另一种是双圆弧节曲线。

根据文献[2]的分析研究，高阶椭圆节曲线虽具有连续的曲率，但其渐开线齿形难以设计，加工较困难，而双圆弧节曲线形式则利于减轻
Design of Portable Emulsion Motor and Its Performance Testing
CHENG Qing-Xiao ，XU Hong-Hao ，REN Hong-Jie ，YANG Ji-Zhi
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology,Beijing 100074,China ）
Abstract ：Based on the use requirement of the coal mine machinery such us the handheld coal stoker wall rig ，the HPM40s portable emul -sion motor with non-circular planetary gear was designed.It improved the existing motor testing system by setting transformer-throttling speed ??control circuit,witch made the existing motor testing system can also test the portable motor ，and it completed the performance test -ing of the HPM40s motor.
Key words ：portable ；emulsion motor ；performance testing ；flow adjusting circuit
轻便型乳化液马达设计及其性能测试
成清校，许鸿昊，任宏杰，杨继志
（北京航天试验技术研究所，北京100074）
摘要：根据手持式煤壁钻机等煤机设备的使用要求，设计了HPM40s 轻便型非圆行星齿轮乳化液马达。

设
置变压式节流调速回路对现有马达测试系统进行了改进，使系统兼备了轻便型马达的测试能力，并完成了对HPM40s 型马达的性能测试。

关键词：轻便型；乳化液马达；性能测试；节流调速回路中图分类号：TB47
文献标识码：A
doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2013.01.018
文章编号：1002－6673（2013）01－044－03
机电产品开发与创新
Development ＆Innovation of M achinery ＆E lectrical P roducts
Vol．26,No．1
Jan ．,2013
第26卷第1期2013年1月
1.主轴
2.壳体
3.下配流盘
4.非圆行星齿轮系
5.上配流盘
6.轴承座
1.外齿圈
2.行星轮
3.太阳轮图1HPM40s 型乳化液马达结构图
Fig.1Structure diagram of the
HPM40s emulsion motor
图2非圆行星齿轮系
Fig.2Non-circular planetary gear system
32
1
1
2
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齿轮的设计和制造难度，具有更高的工程实用价值。

因此，本文采用双圆弧的节曲线形式设计了4～6齿型的非圆行星齿轮系（见图2），在设计齿形时，考虑到乳化液马达转矩大，齿轮所受切向力很大，所以选择采用了较小的齿顶高系数h*a和顶隙系数c*，提高了齿的强度。

并采用数控线切割机床进行了加工。

1.2工作原理
马达工作时，高压乳化液由配流盘的配流孔输入工作腔，工作腔内压力升高使得行星齿轮系沿周向受力不均，从而推动太阳轮旋转，当太阳轮旋转时又推动行星轮产生自转及公转。

此时梅花形内齿圈、太阳轮和行星轮构成的10个密闭腔容积产生交替变化。

当密闭腔达到最大容积时，刚好关闭进油孔，联通排油孔；当密闭腔达到最小容积时又关闭排油孔而联通进油孔。

行星轮公转时各自依次封闭或接通配油孔，造成密闭腔进、排油循环变化，这样，随着太阳轮的不断转动，各个密闭腔周而复始地完成吸油和排油的过程，从而实现转矩的连续输出。

1.3HPM40s型乳化液马达的技术参数
最终完成的
HPM40s型乳化液马
达的主要技术参数如
表1所示。

从表中可以看
出，HPM40s型乳化
液马达的额定转矩、
额定转速、和重量等
主要技术指标均满足
了手持式煤壁钻孔机
的配套要求。

2乳化液马达测试系统的改造
2.1现有测试系统组成及原理
现有的乳化液马达测试系统组成包括：BRW80/35型乳化液泵，公称压力35MPa，公称流量80L/min，额定转速1479r/min；FZ1000J/Y型磁粉制动器，额定转矩1000Nm，滑差功率20kW；ZJ型转矩转速传感器，最大转矩1000Nm，最大转速4000r/min，精度0.2级；TR-1型转矩转速功率采集仪；RX-640型乳化液箱。

图3为现有测试系统的液路原理图，由于乳化液泵站采用的是柱塞式定量泵，流量不可调，而HPM40s型乳化液马达的额定流量为35L/min，如果直接将马达连在系统上测试，会使马达超速，达到2200r/min，会产生较大的噪音和振动，无法稳定工作，并且这样高的转速也可能损坏磁粉制动器，因此为了满足HPM40s型小马达的测试要求，需要对泵站的输出流量进行调节和控制。

2.2设置节流调速回路
节流调速回路是液
压系统中用来调节执行
元件运动速度的常用方
法。

使用节流阀的节流
调速回路，机械特性比
较软，变载下的运动平
稳性较差，而调速阀则
具有良好的流量刚性[3]，
它是在节流阀的前面串
接了一个差压式减压
阀，利用减压阀阀芯的
自动调节作用使节流阀
前后的压力差基本上保持不变，这样就使得节流阀的开口大小保持不变，从而使调速阀的流量恒定不变。

因此，根据乳化液马达的特性和使用工况，采用调速阀作为流量控制元件，设计变压式节流调速回路，即在泵站输出主路上设置分流旁路，实现对马达输入流量的控制。

另外，考虑测试系统还需保持原有的测试能力，在分流旁路前端串联一个截止阀，当系统用于原马达测试时就将截止阀关闭，取消分流。

如图4所示。

测试轻便
型小马达时，
通过调节调速
阀的分流流量，
就能使马达的
输入流量基本
维持在额定流
量左右，而不
随负载大小的
变化而变化，
从而可完成对
轻便型马达的
性能测试。

3HPM40s型乳化液马达的性能测试
通过过渡连接板，将HPM40s马达连接在改造后的测试系统上，以1.5%的水基乳化液为工作介质，进行性能测试。

试验设备布置如图5所示。

其中，乳化液泵站作为动力源，使乳化液马达在一定负载转矩下转动；磁粉制动器根据转矩转速采集仪发送的指令在马达的输出端施加一定的负载转矩；转矩转速传感器安装在磁粉制动器上，实时测量转矩和转速等数据信息，并传递给转矩转
表1HPM40s型乳化液马达主要
技术参数
Tab.1Major technical parameters of the HPM40s emulsion motor 马达排量V（mL/r）40
工作压力P（MPa）20公称流量（泵站）q（L/min）35额定转矩M（Nm）80
额定转速n（r/min）420
型号HPM40s
空载转速n0（r/min）800
泄露流量Q（L/min）0~0.05
过滤精度（μm）63
重量（kg） 6.6
图3原测试系统原理图
Fig.3Schematic diagram of the
original testing system
图4改进后的测试系统原理图
Fig.4Schematic diagram of the
improved testing system
载荷
转矩仪
转速仪
压力表
马达
压力表
流量计
换向阀
溢流阀
温度计
柱塞泵
过滤器
过滤器
（磁性滤芯）
蓄能器
过滤器
（磁性滤芯）
调速阀
截止阀
45
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速功率采集仪，后者以数字形式显示转矩、转速的大小。

试验方法：在空载状态下，通过调节调速阀的节流流量，使HPM40s马达的转速达到1000r/min，然后通过调节转矩转速功率采集仪上的旋钮使磁粉制动器对马达进行加载，转速每下降100r/min，记录1组数据，直到转矩过大，系统压力超过20MPa为止。

单组数据包括转矩、转速、流量和压力。

试验马达正转和反转各进行一次测试（从输出轴端看，逆时针方向旋转为正转）。

试验中，马达转速低于200r/min时，系统压力已经超过
20MPa，故此时停止试验，不记录数据。

最终测得的马达转矩转速特性如图6（a）所示，输出功率特性如图6（b）所示。

从图中可以看出，马达在正转和反转情况下的工
作性能基本一致，其中正转200r/min时的最大扭矩可达100Nm以上，反转也可达到接近的水平，在功率输出特性上，马达在低于550r/min时，输出功率会随转速升高而平稳上升，在550～700r/min时输出功率达到最大，可以达到4.3kW左右，高于700r/min时，输出功率会急速下降。

4结论
根据手持式煤壁钻机等煤机设备的使用要求，设计了HPM40s轻便型非圆行星齿轮乳化液马达。

并通过设置变压式节流调速回路对现有马达测试系统进行了改进，使系统兼备了轻便型马达的测试能力，最终的测试结果表明，该型马达性能稳定，有良好的功率输出，且重量轻，完全满足手持式煤壁钻机的使用要求。

参考文献：
[1]栾振辉．乳化液煤层液压钻马达结构研究[J]．安徽理工大学学报
（自然科学版），2009，4．
[2]许鸿昊，沈冰妹．基于双圆弧节曲线的非圆行星齿轮机构[J]．煤炭
学报，2010，4．
[3]章宏甲，黄谊．液压传动[M]．机械工业出版社，1992．
正转
反转正转
反转46。