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液壓馬達(dá)在伺服系統(tǒng)的作用
點(diǎn)擊次數(shù)：1863 發(fā)布時(shí)間：2017-1-4
泵控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)是由變量泵和定量馬達(dá)組成的傳動(dòng)裝置。這種系統(tǒng)的工作原理是通過改變變量泵的斜盤傾角來控制供給液壓馬達(dá)的流量，從而調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。按其結(jié)構(gòu)形式和控制指令給定方式可分為開環(huán)泵控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)(見圖51)、帶位置環(huán)的閉環(huán)泵控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)(見圖52)和不帶位置環(huán)的閉環(huán)泵控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)(見圖53)三種。
(1)開環(huán)泵控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)。這是一個(gè)用位置閉環(huán)系統(tǒng)間接控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速的速度開環(huán)控制系統(tǒng)。由于是開環(huán)控制，沒有速度負(fù)反饋，系統(tǒng)受負(fù)載和溫度的影響大，如當(dāng)壓力從無負(fù)載變化到額定負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)流量變化大約8%～12%，故精度很低，只適用于精度要求不高的場(chǎng)合。
為了改善精度，可以采用壓力反饋補(bǔ)償，用壓力傳感器檢測(cè)負(fù)載壓力，作為第二指令輸入變量泵伺服機(jī)構(gòu)，使變量泵流量隨負(fù)載壓力的升高而增加，以此來補(bǔ)償變量泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)差和泄漏所造成的流量減少。由于這個(gè)壓力反饋是正反饋，因此有可能造成穩(wěn)定性問題，在應(yīng)用時(shí)必須注意。
(2)帶位置環(huán)的閉環(huán)泵控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)。這類系統(tǒng)是在開環(huán)控制的基礎(chǔ)上，增加速度傳感器，將液壓馬達(dá)的速度進(jìn)行反饋，從而構(gòu)成速度閉環(huán)系統(tǒng)。速度反饋信號(hào)與指令信號(hào)的差值經(jīng)調(diào)節(jié)器加到變量機(jī)構(gòu)輸入端，使泵的流量向減小速度誤差的方向變化。與開環(huán)速度控制系統(tǒng)相比，它增加了一個(gè)主反饋通道和一個(gè)積分放大器，構(gòu)成了工型系統(tǒng)，因此其精度遠(yuǎn)比開環(huán)系統(tǒng)高。缺點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)成較復(fù)雜、成本高、設(shè)計(jì)難度大。這里斜盤變量機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)中可看成積分環(huán)節(jié)，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性主要由泵控液壓馬達(dá)決定。此種系統(tǒng)zui有使用價(jià)值，因此應(yīng)用較為廣泛。
(3)不帶位置環(huán)的閉環(huán)泵控液壓馬達(dá)速度伺服系統(tǒng)。從圖53看出，斜盤位置系統(tǒng)反饋回路僅是速度系統(tǒng)中的一個(gè)小閉環(huán)，從控制理論的角度看，此小閉環(huán)可以“打開”，即去掉位置反饋，此時(shí)就構(gòu)成該系統(tǒng)。因?yàn)樽兞恳簤焊妆旧砗蟹e分環(huán)節(jié)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，積分放大器改用比例放大器，系統(tǒng)仍是I型系統(tǒng)。但伺服閥零漂和負(fù)載力變化引起的速度誤差仍然存在。由于省去了位移傳感器和積分放大器，此類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比帶位置環(huán)的泵控系統(tǒng)簡(jiǎn)單。但對(duì)斜盤干擾力來說系統(tǒng)是零型系統(tǒng)，因此為了滿足同一精度要求，需要很高的開環(huán)增益，這不但增加了實(shí)現(xiàn)難度，而且引入了噪聲干擾。
特點(diǎn)
從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來看，液壓泵與液壓馬達(dá)是可逆工作的液壓元件，向任何一種液壓泵輸入工作液體，都可使其變成液壓馬達(dá)工況；反之，當(dāng)液壓馬達(dá)的主軸由外力矩驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，也可變?yōu)橐簤罕霉r。因?yàn)樗鼈兙哂型瑯拥幕窘Y(jié)構(gòu)要素--密閉而又可以周期變化的容積和相應(yīng)的配油機(jī)構(gòu)。
但是，由于液壓馬達(dá)和液壓泵的工作條件不同，對(duì)它們的性能要求也不一樣，所以同類型的液壓馬達(dá)和液壓泵之間，仍存在許多差別。首先液壓馬達(dá)應(yīng)能夠正、反轉(zhuǎn)，因而要求其內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)稱；液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速范圍需要足夠大，特別對(duì)它的zui低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速有一定的要求。因此，它通常都采用滾動(dòng)軸承或靜壓滑動(dòng)軸承；其次液壓馬達(dá)由于在輸入壓力油條件下工作，因而不必具備自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于存在著這些差別，使得液壓馬達(dá)和液壓泵在結(jié)構(gòu)上比較相似，但不能可逆工作。
分類
液壓馬達(dá)按其結(jié)構(gòu)類型來分,可以分為齒輪式、葉片式、柱塞式和其它型式。按液壓馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速分為高速和低速兩大類。額定轉(zhuǎn)速高于500r/min的屬于高速液壓馬達(dá)，額定轉(zhuǎn)速低于500r/min的屬于低速液壓馬達(dá)。高速液壓馬達(dá)的基本型式有齒輪式、螺桿式、葉片式和軸向柱塞式等。它們的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速較高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、便于啟動(dòng)和制動(dòng)、調(diào)節(jié)(調(diào)速及換向)靈敏度高。通常高速液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩不大所以又稱為高速小轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。低速液壓馬達(dá)的基本型式是徑向柱塞式，此外在軸向柱塞式、葉片式和齒輪式中也有低速的結(jié)構(gòu)型式，低速液壓馬達(dá)的主要特點(diǎn)是排量大、體積大轉(zhuǎn)速低(有時(shí)可達(dá)每分鐘幾轉(zhuǎn)甚至零點(diǎn)幾轉(zhuǎn))、因此可直接與工作機(jī)構(gòu)連接；不需要減速裝置，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，通常低速液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩較大，所以又稱為低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)。
徑向柱塞馬達(dá)
軸向柱塞馬達(dá)
斜軸式柱塞馬達(dá)
斜盤式柱塞馬達(dá)
低速液壓馬達(dá)
徑向柱塞馬達(dá)
連桿式液壓馬達(dá)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、品種規(guī)格多、價(jià)格低。其缺點(diǎn)是體積和重量較大，扭矩脈動(dòng)較大 。
無連桿式液壓馬達(dá)
擺缸式液壓馬達(dá)
滾柱式液壓馬達(dá)
軸向柱塞馬達(dá)
雙斜盤式柱塞馬達(dá)
軸向球塞式馬達(dá)
葉片馬達(dá)
齒輪液壓馬達(dá)
結(jié)構(gòu)形式
葉片式
由于壓力油作用，受力不平衡使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。葉片式液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩與液壓馬達(dá)的排量和液壓馬達(dá)進(jìn)出油口之間的壓力差有關(guān)，其轉(zhuǎn)速由輸入液壓馬達(dá)的流量大小來決定。由于液壓馬達(dá)一般都要求能正反轉(zhuǎn)，所以葉片式液壓馬達(dá)的葉片要徑向放置。為了使葉片根部始終通有壓力油，在回、壓油腔通人葉片根部的通路上應(yīng)設(shè)置單向閥，為了確保葉片式液壓馬達(dá)在壓力油通人后能正常啟動(dòng)，必須使葉片頂部和定子內(nèi)表面緊密接觸，以保證良好的密封，因此在葉片根部應(yīng)設(shè)置預(yù)緊彈簧。葉片式液壓馬達(dá)體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)作靈敏、可適用于換向頻率較高的場(chǎng)合；但泄漏量較大、低速工作時(shí)不穩(wěn)定。因此葉片式液壓馬達(dá)一般用于轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小和動(dòng)作要求靈敏的場(chǎng)合。
徑向柱塞式
徑向柱塞式液壓馬達(dá)
工作原理，當(dāng)壓力油經(jīng)固定的配油軸4的窗口進(jìn)入缸體內(nèi)柱塞的底部時(shí)，柱塞向外伸出，緊緊頂住定子的內(nèi)壁，由于定子與缸體存在一偏心距。在柱塞與定子接觸處，定子對(duì)柱塞的反作用力為 。力可分解為和 兩個(gè)分力。當(dāng)作用在柱塞底部的油液壓力為p，柱塞直徑為d，力和之間的夾角為X時(shí)，力對(duì)缸體產(chǎn)生一轉(zhuǎn)矩，使缸體旋轉(zhuǎn)。缸體再通過端面連接的傳動(dòng)軸向外輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。
以上分析的一個(gè)柱塞產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的情況，由于在壓油區(qū)作用有好幾個(gè)柱塞，在這些柱塞上所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩都使缸體旋轉(zhuǎn)，并輸出轉(zhuǎn)矩。徑向柱塞液壓馬達(dá)多用于低速大轉(zhuǎn)矩的情況下。
1.單作用連桿型徑向柱塞馬達(dá)、連桿馬達(dá)圖、軸配流液壓馬達(dá)圖、五角徑向馬達(dá)裝配動(dòng)畫所示為單作用連桿型徑向柱塞馬達(dá)工作原理圖，其外型呈五角星狀。該馬達(dá)由殼體1、曲軸6、配流軸5、連桿3、柱塞2、和偏心輪4等零件組成。
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。
缺點(diǎn)：體積大、重量大，轉(zhuǎn)扭脈動(dòng)，低速穩(wěn)定性較差。
2.多作用內(nèi)曲線柱塞馬達(dá)
該馬達(dá)由配流軸1、缸體2、柱塞3、橫梁4、滾輪5、定子6和輸出軸7等組成。這種馬達(dá)的排量較單行程馬達(dá)增大了1倍。相當(dāng)于有21個(gè)柱塞。由于當(dāng)量柱塞數(shù)增加，在同樣工作壓力下，輸出扭矩相應(yīng)增加，扭矩脈動(dòng)率減小。有時(shí)這種馬達(dá)做成多排柱塞，柱塞數(shù)更多，輸出扭矩進(jìn)一步增加，扭矩脈動(dòng)率進(jìn)一步減小。因此這種馬達(dá)可做成排量很大，并且可在很低轉(zhuǎn)速成下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于馬達(dá)需要雙向旋轉(zhuǎn)，因此葉片槽呈徑向布置。
3.柱塞式高速液壓馬達(dá)
柱塞式高速液壓馬達(dá)一般都是軸向式。
軸向柱塞馬達(dá)
軸向柱塞泵除閥式配流外，其它形式原則上都可以作為液壓馬達(dá)用，即軸向柱塞泵和軸向柱塞馬達(dá)是可逆的。軸向柱塞馬達(dá)的工作原理為，配油盤和斜盤固定不動(dòng)，馬達(dá)軸與缸體相連接一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)壓力油經(jīng)配油盤的窗口進(jìn)入缸體的柱塞孔時(shí)，柱塞在壓力油作用下外伸，緊貼斜盤，斜盤對(duì)柱塞產(chǎn)生一個(gè)法向反力p，此力可分解為軸向分力及和垂直分力Q。Q與柱塞上液壓力相平衡，而Q則使柱塞對(duì)缸體中心產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)馬達(dá)軸逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。軸向柱塞馬達(dá)產(chǎn)生的瞬時(shí)總轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的。若改變馬達(dá)壓力油輸入方向，則馬達(dá)軸按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。斜盤傾角a的改變、即排量的變化，不僅影響馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩，而且影響它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。斜盤傾角越大，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越低。
齒輪馬達(dá)
齒輪馬達(dá)在結(jié)構(gòu)上為了適應(yīng)正反轉(zhuǎn)要求，進(jìn)出油口相等、具有對(duì)稱性、有單獨(dú)外泄油口，將軸承部分的泄漏油引出殼體外；為了減少啟動(dòng)摩擦力矩，采用滾動(dòng)軸承；為了減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，齒輪液壓馬達(dá)的齒數(shù)比泵的齒數(shù)要多。
齒輪液壓馬達(dá)由干密封性差、容租效率較低、輸入油壓力不能過高、不能產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩。并且瞬間轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩隨著嚙合點(diǎn)的位置變化而變化，因此齒輪液壓馬達(dá)僅適合于高速小轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合。一般用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及對(duì)轉(zhuǎn)矩均勻性要求不高的機(jī)械設(shè)備上。
高速馬達(dá)
額定轉(zhuǎn)速高于500r/min的馬達(dá)屬于高速馬達(dá)。高速馬達(dá)的基本形式有齒輪式、葉片式和軸向柱塞式。它們主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，便于啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速和換向。
低速馬達(dá)
轉(zhuǎn)速低于500r/min的液壓馬達(dá)屬于低速液壓馬達(dá)。它的基本形式是徑向柱塞式。低速液壓馬達(dá)的主要特點(diǎn)是：排量大，體積大，轉(zhuǎn)速低，可以直接與工作機(jī)構(gòu)連接，不需要減速裝置，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，低速液壓馬達(dá)的輸出扭矩較大，可達(dá)幾千到幾萬Nm，因此又稱為低速大扭矩液壓馬達(dá)。
案例
葉片馬達(dá)
葉片馬達(dá)與其他類型馬達(dá)相比較具有結(jié)構(gòu)緊湊、輪廓尺寸較小、噪聲低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，其慣性比柱塞馬達(dá)小、但抗污染能力比齒輪馬達(dá)差、且轉(zhuǎn)速不能太高、一般在200r/min 以下工作。葉片馬達(dá)由于泄漏較大，故負(fù)載變化或低速時(shí)不穩(wěn)定。
擺線馬達(dá)
19世紀(jì)50年代末期，zui初的低速大扭矩液壓馬達(dá)是由油泵的一
個(gè)定轉(zhuǎn)子部件發(fā)展而來的，這個(gè)部件由一個(gè)內(nèi)齒圈和一個(gè)與之相配的齒輪或轉(zhuǎn)子組成。內(nèi)齒圈與殼體固定聯(lián)接在一起，從油口進(jìn)入的油推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞一個(gè)中心點(diǎn)公轉(zhuǎn)。這種緩慢旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通過花鍵軸驅(qū)動(dòng)輸出成為擺線液壓馬達(dá)。這種zui初的擺線馬達(dá)問世后，經(jīng)過幾十年演化，另一種概念的馬達(dá)也開始形成。這種馬達(dá)在內(nèi)置的齒圈中安裝了滾子。具有滾子的馬達(dá)能提供較高的啟動(dòng)與運(yùn)行扭矩，滾子減少了摩擦，因而提高了效率，即使在很低的轉(zhuǎn)速下輸出軸也能產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出。通過改變輸入輸出流量的方向使馬達(dá)迅速換向，并在兩個(gè)方向產(chǎn)生等價(jià)值的扭矩。各系列的馬達(dá)都有各種排量的選者，以滿足各種速度和扭矩的要求。