关于喷嘴转板式摆动液压马达的设计与仿真研究

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关于喷嘴转板式摆动液压马达的设计与仿真研究

       摘要：通过构建合理的喷嘴转板式摆动液压马达工作原理，对其具体结构进行设计。然后经过理论计算，推算出喷嘴转板式摆动液压马达的传递函数，用Workbench进行有限元分析、用 AMESim系统仿真软件对其进行动、静态性能分析，验证设计结构的合理性和工作的稳定性，并进一步探讨结构功能与主要参数之间的一般规律，对其进行优化设计。

       关键词：马达；伺服；仿真；参数；优化

一、国内外研究现状

（一）摆动液压马达

       主要集中在以下几个方面展开研究：(1)通过改变摆动马达的结构形式，使马达实现一种新的功能；(2)通过改变摆动马达零部件的局部结构或加工工艺来提高其性能和使用寿命；(3)对摆动马达的控制方式进行研究；(4)对摆动马达的密封方式进行研究，以提高其容积效率。

       在国内，北京航空航天大学焦宗夏、李树立等人将静压支承技术应用在摆动马达结构设计中，设计了静压支承摆动液压马达。考虑了马达轴向间隙形成的节流液阻以及转速和油温变化对静压支承的影响。该结构能使马达转子具有轴向自动对中能力，提高了摆动马达的使用寿命及控制特性。

       北京航空航天大学的王亮、胡永杨等人研究了一种串联式超全周摆动液压马达，将两级摆动马达轴向布置，结构简单紧凑有利于减小转动惯量，液压回路串联，配油简洁，实现了转轴转角的叠加，解决了传统摆动液压马达摆角小于 360 度的限制，适用于转角要求在一周以上，两周以下的直接驱动液压伺服动力机构。

       哈尔滨工程大学的王立权、王才东等人发明了一种水下机器人用油路内置式摆动马达，此摆动马达结构紧凑、重量轻，同时避免了油管外置与外界物体发生干涉，增大了机器人的作业范围。

       哈尔滨工业大学的刘庆和等人设计了新型结构的双叶片插板式摆动马达，与普通双叶片摆动马达相比，这种新型结构马达具有回转角度有所增大、端盖螺钉因不承受轴向液压力作用而可使马达整体结构有所减小、动叶片与容腔内圆表面的摩擦略有一定的调节柔性等特点。

       航天科工 8359 所与浙江玉环环球润电有限公司联合研制的 BM-2000 型单叶片摆动液压马达，动叶片和定叶片与两侧端盖的接触面均加工成半圆形，并对要求密封的相邻表面进行研磨，做成相对密合的镜面；对应使用的密封件也做成圆弧状，当高压油进入油腔空腔时撑开唇形密封板，达到密封的效果，油压越大密封效果越好，降低了传统单叶片摆动液压马达的泄漏量。

      上海交通大学陶建峰、王旭永等人对分体型叶片式摆动液压马达壳体与定叶片的连接方法进行了深入研究，提出用圆柱销来固定叶片和壳体之间的周向相对位置，圆柱销承受马达运动过程中的主要切应力，而降低螺钉被切断的风险。螺钉头部下端使用组合密封垫片，螺钉孔内加装弹簧，当螺钉拧紧后可同时达到防止油液外泄漏和防止落定松动两种功能。

       在国外，美国卡特彼勒公司研究了一种恢复摆动马达动能的控制系统，其将摆动马达工作时生成的动能转换成液压势能，并将液压势能重新用于摆动马达的加速。此方法减小了能耗，提高了液压系统的效率。

       德国 S·贝茨、K·赖歇尔等人设计了一种径向摆动马达密封装置，该密封装置由一个软的内密封元件和多个硬的外密封元件组成。这种密封装置不但有良好的密封效果，而且能适用于很高的温度场合，在温度为-40℃～130℃范围内，仍能使摆动马达保持较高的容积效率。

       Busak+Shamban 丹麦公司于 2005 年创新性的使用冲压烧结 Turcon PTFE 板材的方法实现了不规则密封件的批量生产，克服了原来制造叶片式摆动液压马达不规则密封件的复杂切削过程，降低了密封件的生产成本，提高叶片式摆动马达的密封性能，拓展了叶片式摆动液压马达的适用范围。

       芬兰坦佩雷科技大学教授 A. Raneda, M. Siuko 等人为了将摆动液压马达应用于国际热核实验反应堆的操纵设备上，研究设计了一种以纯水为传动介质的摆动马达，并对其转矩控制进行了仿真和实验研究，结果表明水液压摆动马达的输出转矩特性与油压摆动马达基本相同。但由于水的粘度较低，组成系统的元件内部的摩擦、腐蚀、密封等问题还需要做进一步研究。

（二）电液伺服技术

       液压技术与现代数学、力学和微电子技术、计算机技术、控制科学等紧密结合，出现了微处理器机、电子放大器、传感测量元件和液压控制单元相互集成的机电一体化产品，提高了液压系统的智能化程度和可靠性，并应用计算机技术开展了对液压元件和系统的动、静性能数字仿真及结构的辅助设计和制造。近年研究了以纯水为工作介质的新型水液压元件，并在理论上和应用上得到了一定的发展，正在逐步成为现代液压传动技术中的热点技术(Emerging Technology)和新的发展方向之一。

       近年来，在国内外随着工程机械的发展及电液伺服系统应用领域的拓宽，对电液伺服阀提出了更高的技术要求：如高压、大流量、抗干扰、抗油液污染、高频响、使用方便和成本低廉等，而传统的电液伺服阀己经难以达到这些要求，因此新型电液伺服阀的研制成为流体传动控制领域发展的一大难题。随着基于新型功能材料的转换器的研制开发，机械制造、设计技术和微电子技术的发展，近期电液伺服阀的技术进展主要体现在两个方面：新材料的应用以及新型结构的设计开发。

       其一，新型材料包括压电陶瓷、超磁致伸缩材料、形状记忆合金等，它们各自具有优良的特性。其中压电陶瓷、超磁致伸缩材料具有工作频率高、输出大的性能优点，但压电陶瓷存在零漂、滞回以及高压击穿等问题，超磁致伸缩材料在应用中需要解决热补偿的问题:形状记忆合金有独特的形状记忆效应，但频响不高;此外功能材料普遍存在输出位移偏小的不足。

       其二，新型伺服阀结构既包括伺服电机、步进电机采用不同的输入信号(正弦、脉冲等)对电液伺服阀进行试验，求出其动态数学模型。还可用一种新的混沌遗传算法，结合混沌优化方法与改进型遗传算法IGA(Improved Genetic Algorithm)各自的优点，能够解决传统上用伪随机信号进行系统辨识时参数选择的不确定性问题，而且准确、快速。利用多目标优化理论，建立统一的目标函数，然后运用优化算法对模型进行优化，获得改善阀动态性能的一组结构参数，从而达到改善电液伺服阀动态性能的目的。

       目前，国内生产伺服阀的厂家主要有：中船重工704研究所、航空工业总公司第六零九研究所、第六一八研究所、秦峰机床厂、中国运载火箭技术研究院第十八研究所等。国外生产伺服阀的厂家主要有：美国Moog公司、英国Dowry公司、俄罗斯的“祖国” 设计局、沃斯霍得工厂等，此外美国Park公司、Eaton Vickers公司、德国Boscil公司、Rexroth公司等亦有自己的伺服阀产品。

       国内生产的伺服阀大部分以喷嘴挡板式为主，虽然在研究、生产及使用伺服阀方面虽然形成了一定的规模，然而生产的产品主要用于航空、航天、舰船等军工领域，在民用市场占有率不大，而在国内的民用市场，以美国Moog公司生产的伺服阀占有率最高。

       由上述研究现状可以看出，影响马达性能的原因是结构参数，它需要科技工作者继续做改善其性能的基础研究。为了使我国自己的伺服元件能更好的进入民用市场，就要求对伺服元件的具体结构进行改进，并要进一步做深入的研究。

二、研究的方法

（一）理论对比分析方法

       在流体力学、射流理论、理论力学，自动控制原理等理论的基础上，通过对现有摆动液压马达结构的综合分析，参考挡板伺服阀的设计理论和设计方法，提出了喷嘴转板式摆动液压马达的工作原理，根据此原理设计了一种新型摆动液压马达的典型结构。

（二）AMESim系统仿真

       AMESim 为多学科领域复杂系统建模仿真解决方案（英文缩写：Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems），引领世界协同仿真之路。AMESim提供了一个系统工程设计的完整平台，使得可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。可以在AMESim平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。例如在燃油喷射、制动系统、动力传动、液压系统、机电系统和冷却系统中的应用。面向工程应用的定位使得AMESim成为在汽车、液压和航天航空工业研发部门的理想选择。完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统，所有的这些来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的。AMESim使得能够迅速达到建模仿真的最终目标：分析和优化设计，从而帮助用户降低开发的成本和缩短开发的周期。

（三）Workbench有限元分析

       ANSYS公司长期以来为用户提供成熟的CAE产品，现在决定把自己的CAE产品拆散形成组件。公司不只提供整合的、成熟的软件，而且提供软件的组件（API）。用户可以根据本企业产品研发流程将这些拆散的技术重新组合，并集成为具有自主知识产权的技术，形成既能够充分满足自身的分析需求，又充分融入产品研发流程的仿真体系。Workbench则是专门为重新组合这些组件而设计的专用平台。它提供了一个加载和管理API的基本框架。在此框架中，各组件（API）通过Jscript、VBscript和HTML脚本语言组织，并编制适合自己的使用界面（GUI）。另外，第三方CAE技术和用户具有自主知识产权的技术也可以像ANSYS的技术一样编制成API溶入这个程序中。

三、存在的问题

       关于执行机构摆动液压马达，设计它及其他液压元件及系统是要考虑工况的。

       其一，摆动液压马达的摆角一般不能调整，当它的输出轴直接和负载紧固时, 最大摆角应与负载所需的摆角相等。工作压力和输出转矩在摆动液压马达的结构尺寸决定后, 输出转矩只取决于工作压力和机械效率,它应略大于负载所需的转矩(约大20% 左右)。负载所需转矩包括负载摩擦转矩、负载重量引起的转矩和使负载获得必要的角加速度所需的转矩这3 部分，否则, 负载有可能不转或虽转但达不到应有的速度。

       其二，内泄漏增加造成了流量从排油腔逸走, 使负载速度降低。内泄漏也会因其瞬时改变而引起压力的变化, 造成不希望的输出转矩的变化所产生的不需要的负载加速度。研究表明, 内泄漏的变化是影响负载低速平稳的决定性因素。尤其是在负载大时, 甚至会使摆动液压马达产生爬行。缓冲与止动负载的摆动速度通常都较低，负载不大时, 转到极限位置所产生的冲击力, 摆动液压马达自身就能承受,无需另设缓冲和止动装置。但当负载大、转速高时, 惯性力会使止挡损坏。此时, 就必须考虑缓冲和止动措施。缓冲机构可以设计在摆动液压马达内部。当高压、高速造成的冲击力很大时可采用减速回路、装流量阀或在进出油口处设置小型溢流阀或顺序阀。

       关于伺服控制机构，它是伺服系统的核心元件，伺服结构的性能的优劣直接决定了伺服系统的水平。从可靠性角度分析，伺服机构的可靠性是伺服系统中最重要的一环。由于伺服机构被污染是导致伺服元件失效的最主要原因。在测试方法改进方面，随着计算机技术的高速发展，生产单位均采用计算机技术对伺服阀的静、动态性能进行测试与计算。某些单位还对如何提高测量精度，降低测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频干扰对测量结果的影响，作了深入的研究。如采用测频，测周法、寻优信号测试法、小波消噪法、正弦输入法及数字滤波等新技术对伺服阀测试设备及方法进行了研制和改进，所以该元件研发所设计的工作量很大。

四、总结

       该马达属于摆动液压马达，与传统摆动液压马达的区别是：输入扭矩低；换向阀和液压马达配油盘合一, 整个液压伺服马达较之现在通用的回转往复伺服阀式液压伺服马达重量减少25%以上, 长度减短25%以上。在工作时, 换向阀不是由步进电机直接带动, 而是由换向阀两端的压力差来推动。换向阀任一端压力取决于阀芯、换向阀间节流口流阻和喷嘴转板间流阻的大小。所以换向阀和喷嘴转板间是个靠压差作用的随动环节, 换向阀从对中位置上的偏移量与喷嘴转板相对偏转量成正比。转板相对于喷嘴转过一定角度后,换向阀将从对中位置上偏移,使液压马达转动,由于两喷嘴就在液压马达的轴端上只要转动方向正确(即各个随动系统有负反馈),喷嘴转板及换向阀将恢复对中。总之转板怎么转,液压马达就随着怎么转。

       随着全球气候暖化、能源和资源紧缺的加剧，人们对节能环保、低碳排放的要求越来越高，也促使液压技术的创新发展更快地步入节能环保、低碳制造、人机友好的发展轨道的时代。从节能化、紧凑化、模块化和低碳制造的发展理念出发，我们作为新的科技工作者要突破传统液压元件离散式构型的束缚，设计出新型的液压伺服马达，并对其进行优化，来迎合现代社会节能与环保的发展主题，从而推动液压技术向更高方向的发展。

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姓名：李文祺            学号：122085206011