一种静压支承摆动液压马达的结构设计和性能研究_曹健

Structure Design and Performance Study of Swing Hydraulic Motor with Analogous Hydrostatic Bearing Technique
CAO Jian，LIU Changyi，LI Jianming
（ School of Mechatronics Engineering， Harbin Institute of Technology，Heilongjiang，Harbin 150001 ）
0． 59 0． 87 50 － 70
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静压轴承对马达泄漏特性的影响
摆动液压马达的泄漏会对其性能造成极大的影 ［3 ］ 响， 剧烈的泄漏变化会使马达出现爬行现象 。 如图 4 所示， 为马达定子与转子侧板出现偏磨时的泄漏情 况， 在马 达 轴 向 完 全 对 中 的 情 况 下， 容积效率接近 90% ， 而当转子受不平衡力影响沿轴向逐渐发生偏移 时， 容积效率持续降低， 侧板完全贴住定子即偏磨时， 70% 。 容积效率只有 采用静压轴承后， 在轴向和径向 因此静压轴承的使用 上都可以很好地消除上述现象， 对提高马达密封性能有很好的效果 。最终设计的马达
参考文献： ［ 1］ 韩 俊 伟， 张 连 朋． 多 自 由 度 振 动 台 的 发 展 与 控 制 技 术 ［ J］ ． 液压与气动， 2014 ，（ 1 ） ： 1 － 6． ［ 2］ 王鹏飞． 三轴液压角振动台及其控制策略研究［ D］ ． 哈尔 2013 ： 1 － 2． 滨： 哈尔滨工业大学， ［ 3］ 周海强， ．液 陈道良． 摆动液压缸内部结构改进设计［J］ 2007 ， （ 6 ） ： 32 － 34． 压气动与密封， ［ 4］ 李祖昌． 摆动液压马达及其选用［ J］ ． 液压与气动，1999 ， （ 2 ） ： 37． ［ 5］ 丁振乾． 流体静压支承设计［ M］ ． 上海： 上海科学技术出 1989 ： 1 － 7． 版社， ［ 6］ 李树立， 焦宗夏． 叶片式摆动液压马达泄漏计算与控制 ［ J］ ． 液压与气动， 2005 ， （ 11 ） ： 67 － 68．
表1 参数名 马达排量 D m / L·rad 容腔总体积 V t / L 摆角范围 θ / ° 额定压力 p m / MPa 理论额定力矩 T m / N·m 空载阻尼比 ξ m 空载液压固有频率 ω h / rad·s
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马达主要参数 参数 0． 46 0． 17 ± 10 15 6900 0． 028 1872
Abstract ： The novel structure model of the 4vane swing hydraulic motor，which is specifically applied on angular vibration table，is proposed in our study． Using the analogous hydrostatic bearing technique and clearance seal format，the motor will be able to solve the short life problem under the high frequency vibration condition． By analyzing the analogous hydrostatic bearing stiffness and leakage character，we prove that this motor has high bandwidth， low friction，long life，powerful output capability，which further testifies that this motor has an excellent performance on the condition of hydraulic angular vibration table． Key words： swing hydraulic motor，angular vibration table，analogous hydrostatic bearing 引言 随着工程技术的发展， 产品对其各方面性能的要 求也越来越高， 尤其是应用在航空航天、 船舶、 核工业 等前沿领域的工程产品更是如此 。 对于飞行器的 振动载荷， 相当一部分是以单轴或多轴角振动的形式 存在的， 采用液压摆动马达通过直接输出角振动的方 式实现飞行器振动环境模拟得到了越来越多的关注 。 但是由于液压摆动马达应用范围有限， 其形式远没有 ， 直线液压缸丰富 能够针对液压角振动台使用的摆动 马达更是少之又少， 因此设计具有高频角振动输出能 力的摆动马达具有现实意义。
0329 收稿日期： 2014作者简介： 刘长宜（ 1989 —） ， 男， 吉林长春人， 在读硕士研究 生， 主要研究方向流体传动与控制 。
种密封形式显然不满足要求； 现有的摆动马达在工作
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液压与气动
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（ 2 ） 为了提高工作寿命， 避免摆动马达叶片以及 轴承的磨损； （ 3 ） 避免转子与定子间的偏磨， 轴承要具有很好 的承载能力和刚度； （ 4 ） 摩擦力矩小， 控制性能好。 为了达到以上目的采用间隙密封， 马达轴采用静 压支承轴承。间隙密封解决了以往摆动马达矩形框密 封材料磨损的问题， 而推力静压轴承和向心静压轴承 的使用， 能抵抗不平衡力， 避免了偏磨的现象。为了消 除工作腔内的高压油液对静压轴承油腔流场的影响 ， 设计了一种新的马达结构， 如图 1 所示。 入静压推力轴承腔室， 流出的液压油直接进入泄油腔 流回油箱； 向心静压轴承为两组分别位于马达两侧 ， 油 进入静压向心轴 液经过节流器从向心轴承进油孔 6 ， 承腔室， 由于有周向回油槽， 油液会沿轴向向两侧流 动， 一侧进入泄油腔， 另一侧由轴端回油孔 11 流回油 在轴端安装有组合密封 4 ， 防止油液外泄漏。 箱， 整个摆动马达采用间隙密封， 不存在密封材料磨 损的问题， 能够解决在高频摆动工况下的工作寿命问 题， 采用四叶片的设计， 减小了不必要的转角范围， 增 同时叶片占据容腔的大部分体积 ， 使马 大了输出力矩， 达的液压固有频率大大提高。马达其他主要参数如表 1 所示。
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doi ∶ 10． 11832 / j． issn． 1000－4858． 2014． 11． 031
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一种静压支承摆动液压马达的结构设计和性能研究
曹 健，刘长宜，李建明
类精密机床主轴中， 同时在伺服液压缸上也有着很好 的应用。 对上述马达中采用的静压支承推力轴承与向心轴 承油膜刚度（ ju） 及承载能力进行分析， 结果如图 2 、 图 3 所示， ， 静压轴承其他相关参数如表 2 所示。 其中 ε ， 为油膜相对位移 是轴的中心位移与轴承径向间隙量 的比值， 为无量纲参数。 可以看到马达在两个方向上都可以承受较大的载 荷， 两个轴承的刚度均在 500 ～ 600 N / mm 之间， 这一 指标要高于目前常用的滚动轴承 。能够解决传统摆动 马达常见的偏磨、 偏心等现象， 整个马达在纯液体润滑 摩擦力矩极小， 且不存在轴承过度磨损 条件下工作， 问题。
24． 3 3． 02 87． 6% 2． 3 × 10 － 12
－1 马达泄漏流量 ΔQ / L·min
容积效率 η
3 －1 －1 总泄漏系数 C tm / m ·s ·Pa
图3
向心轴承油膜刚度及承载能力 表2 静压轴承性能参数 毛细管节流器 4 腔室有周向回油槽向心轴承 双腔室对置推力轴承 参数 2 3． 5
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泄漏特性如表 3 所示。
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图2
推力轴承油膜刚度及承载能力
图4
转子发生轴向偏移时马达的泄漏情况 表3 参数名 马达的泄漏性能参数 参数
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马达额定流量 / L·min
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静压支承轴承的性能 流体静压支承是借助于输入支承工作面间的液体
它处于纯液体润滑条件下 静压力来支承载荷的滑动， 工作， 由于它具有承载速度范围宽、 承载能力大、 运动 精度高、 抗振性好、 使用寿命长的特点
［4 ］
， 广泛用于各
1． 侧板 2． 转子 3． 推力轴承进油孔 4． 组合密封 5． 静压向心轴承腔室 6． 向心轴承进油孔 7． 定子 8． 泄油腔 9． 工作腔 10． 静压推力轴承腔室 11． 轴端回油孔 12． 回油孔
图1
摆动液压马达剖视图
马达工作时工作腔 9 通入交变的高压油液， 为了 防止该流场对静压支承油腔造成影响 ， 将侧板 1 安装 在马达转子 2 的外侧， 在轴向上封住工作腔内的油液， 定子 7 在径向上封住工作腔内的油液， 防止油液与静 压向心轴承腔室 5 和静压推力轴承腔室 10 直接接触。 工作腔中漏出的油液进入侧板外的泄油腔 8 ， 通过回 油孔 12 与油箱相连。推力静压轴承有两组对置安装， 油液通过马达外安装的节流器从推力轴承进油孔 3 进
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4
结论 设计了一种针对高频振动工况， 利用流体静压支
节流器类型 静压支承向心轴承结构形式 静压支承推力轴承结构形式 参数名 节流比 静压支承油腔压力 p r / MPa 向心轴承供油流量 Q r / L·min 推力轴承供油流量 Q t / L·min 径向间隙量 h0 / μm
撑原理的以间隙密封为密封方式的四叶片摆动液压马 达。四叶片结构提高马达的力矩输出能力， 减小了不 必要的摆动角度， 且有效减小了容腔体积， 大大提高了 马达的液压固有频率； 马达分别装有一对向心静压轴 承和推力静压轴承， 有效防止马达的偏磨现象， 减少马 达泄漏， 可以提高其在高频振动工况下的使用寿命 ； 马 达在纯液体润滑条件下工作， 减小了摩擦力矩； 设计了 一种新的结构消除了工作腔室中交变流场对流体静压 轴承腔室的影响。通过以上结论可以说明， 此摆动液 压马达特别适用于角振动台的使用环境 。
［2 ］ 目前常用的摆动马达多使用矩形框密封 ， 在高 振动台会长时间连续运行， 这 频振动下磨损非常严重， ［1 ］
时会不可避免地出现偏磨， 同时滚动轴承的磨损问题 也不可忽视。 本研究提出了一种采用静压支承技术的摆动马达 结构模型， 能够有效的解决上述问题， 分析结果表明， 其各项指标均符合高频液压角振动台的使用条件 。 1 摆动马达的结构方案 针对液压角振动台的高频振动工况， 要求摆动马 达有以下特性： （ 1 ） 为了获得更高的扭矩输出能力， 应尽可能提 高马达排量；
（ 哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001 ）
要：提出了一种新型专门用于角振动台的四叶片摆动液压马达的结构模型， 该马达使用静压支承技 术和间隙密封的形式， 能够解决在高频振动工况下马达寿命低的问题。针对马达的静压轴承刚度、 泄漏特性 摘 进行分析， 证明其具有液压固有频率高、 摩擦力矩小、 寿命 高、 输 出 能 力 强 等 优 点， 说 明 该 马 达 在 液 压 角振 动 台的工况下有着良好的表现。 关键词：摆动液压马达; 角振动台; 静压支承 中图分类号：TH137． 51 文献标志码：B 4858 （ 2014 ） 11012803 文章编号：1000-