轻便型乳化液马达设计及其性能测试

2013-07-05成清校许鸿昊任宏杰杨继志

机电产品开发与创新 2013年1期

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）

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。

1 HPM40s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。

图1 HPM40s型乳化液马达结构图Fig.1 Structure diagram of the HPM40s emulsion motor

图2 非圆行星齿轮系Fig.2 Non-circular planetary gear system

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。

1.3 HPM40s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。

表1 HPM40s型乳化液马达主要技术参数Tab.1 Major technical parameters of the HPM40s emulsion motor

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35 MPa，公称流量80 L/min，额定转速1479 r/min；FZ1000J/Y型磁粉制动器，额定转矩1000 Nm，滑差功率20 kW；ZJ型转矩转速传感器，最大转矩1000 Nm，最大转速4000 r/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。

图3 原测试系统原理图Fig.3 Schematic diagram of the original testing system

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。

图4 改进后的测试系统原理图Fig.4 Schematic diagram of the improved testing system

3 HPM40s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1000 r/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。