第九節　異型柱塞泵及馬達

該類泵及馬達打破了傳統的軸向泵和馬達的柱塞截面只能是圓形的概念，用滑塊代替了傳統的圓形柱塞，其滑塊可以做成多種截面形狀（如矩形、三角形、梯形等），增加了該類泵及馬達的種類。該新型液壓泵及馬達的創新點之一是不用進行結構改動就可以直接當做一個多輸出的泵或者多輸出馬達來使用。

一、異型柱塞馬達的結構特點

異型柱塞馬達是指柱塞界面非圓形的一類馬達的總稱，可形成一系列的馬達。由于其工作原理和結構相似，為了簡化說明，現以三角形滑塊的軸向液壓馬達為例說明。

在結構上，該類馬達與傳統的軸向柱塞式液壓馬達的不同之處在于，其內部有一個轉子對應兩個定子和兩個直立的配流盤，可實現多個等倍的轉速、轉矩的輸出。而且一個該型馬達只需要改變馬達前后定子間的等寬曲線樣式，就可以改進成為多作用馬達，提供更多的轉速和轉矩輸出種類，以滿足更多的工農業實際需求，從而進一步擴展了該馬達的適用范圍，圖2-157為該馬達的結構原理。

如圖2-157所示，三角形滑塊軸向馬達的內部主要結構類似一個滾子直動從動件圓柱凸輪結構。三角形雙定子滑塊軸向馬達是在一個馬達殼體內設計了一個轉子主軸11；兩個定子（前定子8和后定子6）和兩個直立的配流盤（在原理試驗中，兩個直立配流盤分別與前、后馬達體加工鑲嵌成為一體）；通過轉子10、前馬達體9（帶有直立配流盤）、前定子8、滑塊12所圍成的周期性變化密閉容積組成一個前馬達；由轉子10、后定子6、后馬達體5（帶有直立配流盤）、滑塊12圍成周期性變化密閉容積組成一個后馬達。與同作用、同體積的中低壓單定子馬達或單缸體柱塞馬達相比，在一個殼體內多出一倍的壓油區和排油區（即多出一個馬達），明顯提高了馬達的比功率。前定子8的內側曲線與后定子6的內側曲線之間為等寬曲線，在結構上形成一個等寬曲線槽供滑塊上的軸承11運動，由其內部結構可以看出無需回程彈簧等零部件，可作為一個多速馬達使用。當改變前、后定子間的曲線槽形狀，使得滑塊在轉子旋轉一圈時在滑塊槽內往返多次就可研制出多種作用的滑塊型軸向馬達（雙作用、三作用等），圖2-158、圖2-159就是通過改變前后定子間的等寬曲線槽形狀，使得滑塊在轉子旋轉一周時在滑塊槽內往返兩次所形成的可實現雙作用（同樣流量下轉速能提高一倍）的前后定子組合。而改變滑塊截面形狀（如梯形、半圓形、三角形等），就會衍生出多種新馬達結構。

二、異型柱塞馬達的工作原理

在原理上，該馬達與傳統的軸向柱塞式液壓馬達的不同是：該馬達實現了在一個馬達殼體內多個內馬達同步工作，有多輸入、體積小、重量輕、比功率大的優點。

如圖2-157所示，馬達工作時通過高壓油口2向馬達體內注入一定流量的高壓油，高壓油通過前馬達體9、后馬達體5的直立配流盤進入前、后馬達的密閉容腔內，從而驅動滑塊12沿轉子10上的滑塊槽向增大密閉容積體積的方向軸向移動，而滑塊12的另一端的密閉容積體積減小，此處液壓油通過回油口14排出，前馬達體9與后馬達體5配流時，不能同時驅動同一滑塊，而是分別驅動不同區域相對應的滑塊。滑塊12在軸向移動的過程中，通過銷軸13帶動軸承11一起軸向移動，由于軸承11被限定在由前定子8與后定子6形成的等寬相似曲線槽內，因此軸承11在橫向移動的同時，還受到等寬相似曲線槽的限制而被迫做圓周運動。通過銷軸13、滑塊12、轉子10帶動馬達軸一起旋轉，從而輸出轉矩與轉速。當滑塊12橫向移動到終點時，通過兩端馬達體的配流作用，壓油腔與高壓油口2斷開，與回油口14接通，開始回油；而另一端的回油腔與回油口14斷開，與高壓油口2接通，開始進油，滑塊反向移動，繼續通過銷軸帶動軸承11在定子曲線槽內做圓周運動，持續不斷地輸入高壓油，馬達就實現連續運轉，因此在整個工作過程中無需回程彈簧回程。

在輸入油液流量一定時，當只有一個進油口通入壓力油時，則只有一側的馬達（前馬達或后馬達）單獨工作，比兩端同時輸入高壓油時輸出轉速提高一倍，此時為高速馬達，所以，該馬達能作為雙速馬達使用，有較廣的應用范圍。

當前后定子間等寬曲線在旋轉一周有兩個或多個周期時，滑塊組（滑塊12、銷軸13、軸承11）在一周內因為等寬曲線槽的作用而沿滑塊槽往復兩次或多次，即前后定子等寬曲線槽形狀改變，則可形成雙作用或多作用馬達。

三、三角形滑塊軸向馬達的參數分析

1.馬達工作時的輸出轉矩

由圖2-160可以推出馬達每轉理論排量為：

　?。?-526）

式中　z——該馬達的滑塊數；

A——三角形滑塊的截面積，m²；

R——滑塊槽在軸上的分布圓半徑，m；

α——滑槽所在平面傾角，rad。

當一個馬達單獨工作時，單個滑塊受力為：

　?。?-527）

式中　p——高壓腔的壓力。

則切向力為：

　?。?-528）

單個滑塊產生的瞬時轉矩為：

　?。?-529）

式中　θ——旋轉體某時刻t與y軸的夾角。

則馬達瞬時轉矩表示為：

　?。?-530）

當液壓馬達滑塊數為z時，則任意兩相鄰滑塊柱塞的夾角為：

即：

所以：

當z為偶數時：

當z為奇數時：

由數學三角公式和馬達的瞬時轉矩公式（2-530）可得以下公式。

（1）滑塊數為奇數時

　?。?-531）

由式（2-531）可知，T_sh最小為：

　?。?-532）

T_sh最大為：

　?。?-533）

T_sh是周期函數，周期為，在一個周期內馬達的平均理論轉矩為：

　　（2-534）

轉矩不均勻系數δ_t1為：

　?。?-535）

轉矩脈動系數為：

　　（2-536）

（2）當滑塊數為偶數時

由和轉矩公式可得：

　?。?-537）

由式（2-537）可知，T_sh最小為：

　?。?-538）

T_sh最大為：

　?。?-539）

T_sh是周期函數，周期為，在一個周期內馬達的平均理論轉矩為：

　　（2-540）

轉矩不均勻系數δ_t2為：

　　（2-541）

轉矩脈動系數為：

　?。?-542）

2.單個馬達的瞬時角速度

由于馬達轉速和輸入流量有很大關系，所以可以先推導出馬達的理論流量表達式，再推出其轉速表達式。

該馬達單個滑塊運動時的瞬時理論流量為：

　?。?-543）

由于馬達含有多個滑塊在同一瞬間處于高壓油區，所以馬達瞬時理論流量為同一時刻所有在高壓油區滑塊的瞬時流量之和：

　?。?-544）

設馬達的滑塊數量為z，則相鄰兩滑塊之間的夾角為：

　?。?-545）

假設此時馬達體內共有m個滑塊處于高壓油區一側，而第一個滑塊轉角為φ₁（0≤φ_i≤2π/z），則后幾個滑塊轉角分別為φ₂=φ₁+2β，…，φ_i=φ₁+2（i-1）β，…，φ_m=φ₁+2（m-1）β。因此瞬時流量之和可以表示為：

　?。?-546）

由三角函數可以推出：

　?。?-547）

（1）奇數滑塊數

圖2-161所示為該液壓馬達采用奇數滑塊時的滑塊布置圖。由圖中我們可以看到各個滑塊之間的夾角為2β。

①當0≤φ₁≤β時，。

此時該馬達的瞬時理論流量為：

　　（2-548）

②當β≤φ₁≤2β時，。

此時該馬達的瞬時理論流量為：

　　（2-549）

綜上所述，奇數滑塊瞬時理論流量可以表示為：

　?。?-550）

在式（2-550）中，當0≤φ₁≤β時，取負號，當β≤φ₁≤2β時，取正號。結合前面已經進行分析過的滑塊組的運動情況和規律就可以看出，q_sh是一個周期為2β的周期性函數，所以奇數滑塊馬達輸出的瞬時角速度可以表示為：

　?。?-551）

由奇數滑塊馬達瞬時角速度ω公式可以看出，在輸入流量一定時，奇數滑塊馬達輸出的瞬時角速度是一個周期性變化函數，所以，在馬達的轉速輸出上，就表現為轉速不平穩，有脈動性。

最大瞬時角速度為：

　?。?-552）

最小瞬時角速度為：

　　（2-553）

馬達瞬時角速度的理論平均值ω_t為（取半個周期，即）：

　?。?-554）

所以，此時奇數滑塊馬達轉速不均勻系數為（取z=7）：

　?。?-555）

（2）偶數滑塊

圖2-162所示為該液壓馬達采用偶數滑塊時的滑塊布置圖。

對于滑塊數為偶數的馬達，，可得：

　?。?-556）

所以滑塊數為偶數的馬達輸出瞬時角速度可以表示為：

　　（2-557）

由偶數滑塊馬達輸出瞬時角速度ω公式可以看出，在輸入流量一定時，偶數滑塊馬達輸出的瞬時角速度也是一個周期性變化函數，馬達的轉速輸出上就也表現出轉速不平穩且有脈動現象。

最大瞬時角速度為：

　　（2-558）

最小瞬時角速度為：

　?。?-559）

馬達瞬時角速度的理論平均值ω_t：

　?。?-560）

所以，此時偶數滑塊馬達轉速不均勻系數為：

　?。?-561）

對比上面得出的奇數和偶數滑塊馬達的轉速不均勻系數δ_ω可以看出，奇數滑塊馬達的轉速不均勻系數明顯低于偶數滑塊馬達的轉速不均勻系數，并且轉速不均勻系數隨滑塊數的增加而降低。而且奇數滑塊馬達的瞬時角速度幅值高于偶數滑塊的馬達，也就是轉速高。所以，在設計此馬達時為了實現轉速均勻性，應該采用奇數滑塊數量的設計來滿足要求。

3.兩個馬達工作時的輸出轉速

（1）奇數滑塊時的瞬時角速度輸出

當兩個進油口同時接通高壓油時，馬達體內兩個內馬達同時工作，所有滑塊的兩側都同時受到高壓油和低壓油的交變作用。設輸入流量仍然為q_sh，則每側高壓油口輸入流量為q_sh/2。奇數滑塊馬達工作時，可以得出此時馬達瞬時角速度輸出為：

　?。?-562）

最大瞬時角速度為：

　　（2-563）

最小瞬時角速度為：

　?。?-564）

（2）偶數滑塊時的瞬時角速度輸出

此時馬達瞬時角速度輸出為：

　?。?-565）

最大瞬時角速度為：

　　（2-566）

最小瞬時角速度為：

　?。?-567）

在流量一定情況下，采用奇數滑塊輸出的瞬時角速度峰值明顯大于采用偶數滑塊的馬達，而且轉速波動性較偶數滑塊的小，從側面說明了采用奇數滑塊時的轉速輸出的不均勻性好于采用偶數滑塊。所以該馬達在設計時，應盡可能采用奇數滑塊，以保證轉速輸出的平穩性和均勻性。兩個內馬達同時工作時的轉速輸出的平均值和幅值均為單個內馬達工作時的一半，也就是輸出轉速降低一倍，所以該馬達可以作為多速馬達使用。在系統中使用時，一個馬達就可以通過換向閥的作用為系統提供兩種轉速轉矩輸出。

四、三角形滑塊軸向馬達的原理性試驗

1.主要零部件與試驗樣機

圖2-163～圖2-166為馬達的零部件及試驗樣機。

2.試驗原理

三角形滑塊雙定子軸向馬達的試驗系統回路如圖2-167所示，由泵1給試驗馬達4提供壓力油，節流閥10用于控制馬達的進油口流量，M型機能三位四通換向閥3用于馬達油路的通斷，即馬達的運行與停止，馬達的回油背壓由背壓閥8控制，二位三通換向閥7控制馬達回油路與流量計11的通斷，系統各部分壓力由各部位壓力表2顯示，馬達輸出的轉速轉矩由轉速轉矩測量儀5測量并輸出。試驗馬達的供油壓力由溢流閥9控制，從而可以使液壓馬達試驗臺根據不同類型的被測馬達調定出其相應的流量和壓力，使得液壓馬達試驗臺有較高通用性，能夠滿足各種不同型號和類別的液壓馬達的試驗需求。

圖2-168為試驗時所采用的液壓綜合試驗臺，圖2-169為轉速測量儀示意圖，圖2-170為已經連接好管路的試驗馬達。

五、異型柱塞泵的工作原理

異型柱塞泵是指柱塞界面為非圓形的一類泵的總稱，和馬達一樣，不用進行結構改動就可以直接當做一個多輸出的泵來使用也是該類型液壓泵的創新點之一，該泵能同時供給兩個不同系統相同的流量或者供給一個系統不同的流量，節省了空間和成本，該泵實現了滑塊雙向工作，將普通柱塞泵柱塞的回程也利用起來，多提供了一倍流量。由于工作原理相似，為了簡化說明，現以三角形滑塊的軸向液壓泵為例對其工作原理進行介紹。

該泵的結構原理如圖2-171所示，在一個泵殼體內設計了一個轉子10；兩個定子（前定子8和后定子6）和兩個直立的配流盤（在原理試驗中，兩個直立配流盤分別與前、后泵體加工鑲嵌成為一體）。當該泵工作時，轉子由電動機帶動，由于軸承在定子6和8組成的等寬曲線槽運動，通過銷軸13強迫滑塊12在滑塊槽內往復運動，當轉子旋轉一圈，滑塊12就在滑塊槽中有一次往返運動，轉子旋轉多圈，滑塊就有多次往復運動。與此同時，同后泵體5（后馬達體5）、后定子6、滑塊12所組成的密閉空間體積就產生周期性變化，而由前泵體9（前馬達體9）、前定子8、滑塊12組成的密閉空間就產生相反的周期性變化，這樣就組成了兩個流量完全相同的泵，這兩個泵一個吸油時另一個壓油，當改變等寬曲線槽形狀使滑塊在轉子旋轉一周時，多次往返就形成了雙輸出的多作用泵。

與同作用、同體積的中低壓單定子泵或單缸體柱塞泵相比，在一個殼體內多出一倍的壓油區和排油區（即多出一個內泵），泵的比功率明顯提高了。前定子8的內側曲線與后定子6的內側曲線之間為等寬曲線，在結構上形成一個等寬曲線槽供滑塊上的軸承11運動，由其內部結構可以看出無需回程彈簧等零部件，大大簡化了泵的結構。

如圖2-172所示，該泵能同時給兩個不同的系統供給同樣流量的液壓油，比傳統的兩個單泵供應兩個系統節省了空間和成本，有很大的使用價值和明顯的優勢。

如圖2-173所示，該泵通過換向閥的作用可以給一個系統提供兩種不同的成倍的流量，在一定程度上代替了一部分變量泵，而且變量準確快速，有較高實用價值。該型泵是在液壓泵原理和結構上的新突破，屬于獨創技術，對我國液壓元件的發展將起到極大的推動作用。

六、異型柱塞泵的流量分析

由于泵有多個柱塞，同一時刻就會有多個柱塞位于排油區?？梢缘玫酱丝桃簤罕玫牧髁繛椋?/p>

　?。?-568）

式中　ω——缸體轉動的角速度，rad/s；

R——滑塊槽在軸上分布圓的半徑，m；

φ——缸體的轉角，rad；

S——滑塊面積，m²；

γ——滑塊槽所在平面傾角，rad。

由數學三角函數關系式可知：

　?。?-569）

式中　β——滑塊和垂直方向的夾角。

當滑塊數為偶數時，有，可得：

　?。?-570）

此刻的瞬時流量為：

　?。?-571）

得到最小的瞬時流量為：

　　（2-572）

最大的瞬時流量為：

　?。?-573）

其中，可得：

　?。?-574）

偶數滑塊的流量脈動為：

　?。?-575）

當滑塊為奇數的時候，當0≤φ₁≤β時，可得：

　?。?-576）

　?。?-577）

當β≤φ₁≤2β，，有：

　?。?-578）

此時滑塊泵的瞬時流量為：

　?。?-579）

最大瞬時流量為：

　　（2-580）

最小瞬時流量為：

　?。?-581）

此時，流量脈動為：

　　（2-582）

由此可知，在奇數滑塊下流量脈動要小于偶數滑塊的情況，所以，在該新型回路中，選用奇數滑塊的液壓泵更為合理。