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用于液压马达的新型连续变位移机构摘要：一个连续变位移机构，就是机械位置反馈给凸轮轴的液压控制阀的一个组成，是为改变传统的低速大转矩液压马达凸轮轴连接杠的位移而设计的。这种机构简单而容易制造。连续变位移机构的机构和原理已经介绍了。我们建立了连续变位移机构的数学模型，并且用计算机仿真了它的静态和动态特性。可以看出，根据输入的流体压力信号，传统的低速大转矩液压马达凸轮轴上的凸轮环可以停在最小和最大偏心之间的任何一个位置上。它可以通过自我调节停在任何一个稳定的位置。另外，它可以在负荷影响和机油渗漏的情况下稳定工作。绪论：凸轮轴连杆式低速高转矩液压马达被广泛应用于许多工业领域，他们通常是固定或单一的位移。如果凸轮轴连杆式低速高转矩液压马达通过流体压力控制凸轮轴上两个不同的柱塞缸位移工作在两个分离的位置，工作模式就是双布置。不同的是，轴向柱塞泵或马达仍然没有机械结构或液压回路完成在径向柱塞泵或马达上的连续变位移的任务。人们只是增加液压和电子阀或电路来固定或双布置马达来连续控制凸轮轴的角速度。因此，凸轮轴连杠式马达可以在恒功率状态下工作，以提高整体效率。基于传统的低速大转矩液压马达具有双位移，这篇论文专门为传统低速大转矩液压马达设计连续变位移机构。特征机构主要是由机械位置反馈给凸轮轴的液压滑阀组成。因此根据输入的流体压力信号或者电气控制信号，凸轮轴上的凸轮环可以停在最低和最高偏心的任何位置。还可以通过自我调节停在任何一个稳定的位置。这种新型连续变位移机构可以简单而容易的制造出来，它可以在负荷影响和机油渗漏的情况下稳定工作。1.结构和原理1.1机械结构在一个典型的具有双位移的径向柱塞凸轮轴连接杠低速大转矩液压马达中，2个流体渠道分别连接着凸轮轴上2个不同的位移柱塞缸。如果一个渠道由马达的进油道提供高压油，相应的柱塞缸会充满高压的油，相应的大或小的不同位移的柱塞会推动凸轮轴上的凸轮环到限制的位置上。因此，马达可以在最大或最小偏心位置上工作，并有最大或最小的流体排放量。当小变位移柱塞被推出，马达就在它的最大偏心位置。反之，大柱塞被推出就在最小的位置。带双位移的凸轮轴连杠低速大转矩液压马达可以通过在图轮轴上增加一个滑阀结构来改善，使凸轮环实现连续变位移功能。图1是一个连续变位移的示意图。第1部分是一个有5对圆形或方形孔的阀套。第2部分是一个3脚阀芯，它有一个长排水孔，以防止堵塞。第3部分是一个作用在阀套开放面的复位弹簧，第4部分是一个制造阀芯的螺钉螺纹结构。第5部分，即凸轮环，发送机械位置反馈信号。第6到9部分分别是小变位移柱塞，复位弹簧，凸轮轴和大变位移柱塞。6，7，9部分是不变的。1．阀套2.阀芯3.复位弹簧4.螺钉螺纹结构5.凸轮环6.小变位移柱塞7.弹簧8.凸轮轴9.大变位移柱塞图1.连续变位移机构示意图从图1和图2可以看出，凸轮轴上有一个阀门，在阀门上有5个槽，用e1～e5表示，e1和e5连接排水道，水压为0p，假设马达主体内的压力为0。e2连接小变位移柱塞，e4连接大变位移柱塞。e3连接供水道，压力为sp。马达的进油道供应流体。阀门的顶端连接控制渠道，液体压力为cp。控制流体压力信号cp由液压回路确定或由电气控制电路调整，作用于阀套的封闭一侧，移动复位弹簧相应的那个阀套。阀套上的5对孔用w1～w5表示，对应e1～e5。在阀套，阀门，阀芯之间形成了5个腔，用Z1～Z5表示。e1～e5：槽w1～w5：孔Z1～Z5：腔图2.连续变位移机构工作原理示意图Z2和Z5内的液体通过卷筒上的孔流入到马达的主体中。1.2原理图2是连续变位移机构工作原理的示意图。工作原理通过4个例子来阐述：例1，例2就如何减少或改善偏心率来加以说明，例3，例4阐述如何从一个较小或较大排放量回到稳定工作状态。（1）例1．如果需要更小的释放的容量，带有调整压力信号cp的控制流体进入腔Z1并且推挤阀套下来克服复位弹簧的抵抗弹力，直到由cp形成的力量等于由复位弹簧形成的。然后阀套停在新的平衡点。假设阀套和卷筒之间的摩擦能中止，卷筒和阀套之间有移动。当阀套向下转移，在阀套上的W3孔打开，压力为cp的流体通过槽e3和孔w3，腔z4，孔w4和槽e3进入大变位移柱塞缸，将大变位移柱塞推出去。因而凸轮环下降，并且偏心距减小。由于机械连接在它们之间，卷筒与凸轮环一起移动。当凸轮环和卷轴移动到阀套的位置，孔w3是闭合的，并且通道是被关闭的。马达在新的偏心位置．这是一典型的机械位置负反馈。当压力为sP的供应流体送进大变化位移柱塞缸，在小变位移柱塞缸中的液体通过槽e2，孔w2，腔z3，孔wl和槽e1注入马达的主体中。两个通道同时开放且关闭，因为控制流体压力信号cp能被持续的调整，机械动作也能连续地改变。连续变位移是能实现的。（2）例2．当马达需要运转在中间位置和更大的释放的容量，降低压力信号cp，复位弹簧将阀套向上推来克服控制流体的阻力，直到由cp来平衡。然后阀套停在一个新的平衡点。当阀套往上，孔w3打开，压力为cp的流体进入小的空间位置并通过槽e3，孔w3，腔za，孔w2和槽e2，将小的变位活塞推出去。因而凸轮环上升，偏心增加。当凸轮环和卷筒移动至阀套，孔w3闭合，通道是关闭的。马达在新的偏心轮点。同时在大变移活塞顶内燃烧室的流体漏入马达的主体，通过槽e4，孔w4，腔z4，孔w5和槽e5。偏心能够持续地变化。当cp等于0时，马达有最大的流体释放量。当复位弹簧被压缩到底部，马达时有最小流体释放量。理论上，偏心距能减少到0。（3）例3．当滑阀机构工作在稳定位置时，所有的流体通道是封闭的。如果偏心距由于装载冲击或缺油而减少，由于机械与凸轮环连接，卷筒向下转移。流体通道与例2相同。供应流体再进入小变位移活塞顶内燃烧室，偏心距增加，直到可变的通道封闭。马达回到它的稳定状态。（4）例4．如果偏心力由于装载冲击或缺油增加，卷筒向下移动。流体通道与例1相同。供应流体进入大变位移活塞顶内燃烧室，并且偏心力再减少，直到可变的通道封闭．马达回到稳定工作状态。2．数学模型凸轮环的运动规则和阀门在凸轮轴的滑阀结构是一个综合线性和转动的运动。低速大转矩马达的转动速度总是相当慢，并且系统压力通常很高。因此转动运动的作用对直线运动是可撤回的。滑阀机构的特性与4向滑阀一样。滑阀机构和二个变位移柱塞缸的特性类似阀控制汽缸（见图3)，除非二个变位移柱塞缸是不对称的。（见图3)图3.阀－控制的不对称缸如果偏心距的变化范围很小，卷筒和凸轮环能被紧连接并且有相同位移。如果偏心距的变化范围很大，卷筒仍然有与凸轮环一样的位移，卷筒结构可能会非常大，那样凸轮轴不会有足够的空间安装滑阀机构。这个问题可以通过增加杠杆作用调整卷筒的位移率来解决。CLJM—F1．5／0．42是一种双位移凸轮轴连接杠低速大转矩液压马达。它最大的偏心距是29．75mm，最小偏心距是8．75mm。马达的偏心变化范围是21mm，额定压力是20MPa，额定转速是100r／min。基于上述原理，一个CLJM—F1．5／0．42型低速大转矩液压马达的滑阀机构（见图3）被设计实现连续位移的功能。通过调整杠杆结构，阀套的最大位移能达到3mm。假设没有泄漏，并且供应流体进入大变化位移柱塞缸，滑阀机构的流体方程由下式给出：Q1,Q2是流入大，小变位移柱塞缸的流体；w是这个区域的梯度；dC是流量系数；1P，2P分别是大，小变位移柱塞缸的压力；ρ是流体密度；vx是孔的开放宽度。两变位移柱塞缸的流体方程由下式：这里，1V，2V是大，小变位移柱塞缸的瞬量；e是体积模量。1V，2V由下式：这里，01V，02V是大小变位移柱塞缸的初使量；1A，2A是大，小变位移柱塞的截面面积；y是凸轮环的位移。该系统的力平衡方程为：这里，m是凸轮环和两变位移柱塞的质量；2cB是粘性阻尼系数；2k是弹性系数；F是作用在凸轮环上的力。阀套的力平衡方程为：这里，sm是阀套的质量；1cB是粘性阻尼系数；1k是复位弹簧系数；x是阀套的位移；LF是摩擦力，假设为0。x,y,vx的关系为：当凸轮轴随时间转动力F，变化规律由低速大转矩马达机构决定：状态方程如下：当供应流体进入小变位移柱塞缸，规律是相似的。图4～6是计算机模拟x，vx，y从最大偏心到最小偏心变化的结果，比较方孔阀套与圆孔阀套。从图4和图5可以看出，一旦阀套转换，凸轮环与阀芯立即运动，直到通道关闭，带方孔或圆孔的阀套都不能达到它的最大宽度。图4.x的变化规律图5.vx的变化规律从图5，图6可以看出，因为加载压紧力F，曲线上升了一点，但它不影响实现不同的位移运动，带方孔的阀套结构比带圆孔的表现要好一点。但2种都能完成变位移的任务。图6.y的变化规律当阀套结构工作在稳定的位置，大和小变位移柱塞缸中的油被定期压缩。阀套的最大摆动宽度大约是0.5mm。如果滑阀机构的正面重叠值是0.5mm，它可以稳定工作。忽略阀套，阀芯和阀内壁之间的摩擦力，控制压力和偏心距(见图7)之间的静态关系为：图7.cp与e的关系当cp从mincp变化到maxcp(0.65～2.61MPa)，偏心距在maxe与mine之间变化(29.75mm～8.75mm)。3.结论(1)通过在传统的带双位移的径向柱塞连接杠低速大转矩液压马达上加入一个滑阀机构，实现了连续变位移的任务。通过连续变位移机构的机械位置反馈和自调节系统，传统低速大转矩液压马达凸轮轴上的凸轮环可以停在最小和最大偏心之间的任何一个位置上，这种新型的连续变位移机构是简单而容易制造的。(2)滑阀机构的特性与4向滑阀相同。滑阀机构和二个变位移柱塞缸的特性类似阀控制汽缸。(3)尽管在负荷影响，机油渗漏的情况下，连续变位移机构仍能稳定工作，尽管有负荷影响，变位移运动仍然能实现。参考文献[1]AhnK，HyunJ.－H．Optimizationofdoubleloopcontrolparametersforavariabledisplacementhydraulicmotorbygeneticalgorithms[J]．JSMEInternationalJournal，SeriesC：MechanicalSystems，MachineElemeritsandManufacturing，2005，48(1)：81-86[2]DUHong—liu．AnE／Hdisplacementandpowercontroldesignforhydraulicvariabledisplacementpumps[C]／／ASMEInternationalMechanicalEngineeringCongressandExposition，Proceedings.NewYork：AmericanSocietyofMechanicalEngineers，2001．2487－2494[3]KimCS,LeeCO．Speedcontro1ofanover-centeredvariable-displacementhydraulicmotorwitha1oad-torqueobserver[J]．ControlEngineeringPractice，1996，4(11)：1563－1570[4]DurtschiWG,KandilM,KilroyD.Design,development,anddemonstrationofahigh-pressure,overcenter,variable-displacementhydraulicmotor[J]．SAETransactions，1990，99(1)：1388-1399[5]DavidFC，AllenJC．Electro-hydraulicdisplacementcontrolsforlowspeedhightorqueradialpistonhydrauliemotors[C]／／Proceedingsof40thNationalConferenceonFluidPower．Chicago：IllinoisInstofTechnology，1984：113-117[6]CHENZhuo-ru.Thetheory，cal