內(nèi)曲線液壓馬達滾子與導(dǎo)軌設(shè)計加工中的若干技術(shù)問題

1、內(nèi)曲線液壓馬達滾子與導(dǎo)軌設(shè)計、加工中的若干技術(shù)問題趙崇碧 陳卓如（寧波斯達弗液壓傳動有限公司）摘要：內(nèi)曲線液壓馬達滾子、導(dǎo)軌合理凸度設(shè)計可有效減弱閉合效應(yīng)，能有效的改善滾動接觸區(qū)的壓力分布奇異性，減小或消除滾子邊緣應(yīng)力集中，減小運行時的溫升，有利于形成彈性流體潤滑，從而降低液壓馬達運行時的振動和噪聲，提高液壓馬達的動態(tài)使用特性及使用壽命。關(guān)鍵詞：內(nèi)曲線液壓馬達 滾子凸度設(shè)計 對數(shù)滾子 導(dǎo)軌一、徑向低速大扭矩液壓馬應(yīng)用的現(xiàn)狀 低速大扭矩液壓馬達種類較多、依據(jù)產(chǎn)品的壓力等級分為高壓與低壓低速大扭矩液壓馬達。高壓低速大扭矩液壓馬達在歐美等少數(shù)發(fā)達國家的工程機械、船舶、港口、鉆探、礦山、水泥、冶金等行

2、業(yè)有較為廣泛的應(yīng)用，其中英國（川琦）staffa曲軸連桿液壓馬達和瑞典hagglunds、法國poclain為代表的內(nèi)曲線多作用徑向低速大扭矩液壓馬達，以其產(chǎn)品的壓力等級高、功率密度大、低速穩(wěn)定性好、抗沖擊能力強、模塊化生產(chǎn)等特點廣泛應(yīng)用在靜液壓傳動裝置（簡稱hst）中。國外內(nèi)曲線液壓馬達在制造、應(yīng)用經(jīng)過六十多年的發(fā)展已比較成熟。國內(nèi)內(nèi)曲線液壓馬達的設(shè)計、制造也已有近四十年的歷史，但國內(nèi)企業(yè)因進行調(diào)整而時斷時續(xù)，沒有形成一定規(guī)模。國外已成熟生產(chǎn)的滾子式內(nèi)曲線液壓馬達,國內(nèi)目前還處于起步階段，性能還不穩(wěn)定，且因生產(chǎn)制造水平較低及使用使用中油液污染等問題而使液壓馬達存在故障率偏高，壽命短等一系列問

3、題，相信隨著材料選取和工藝水平及油液清潔度的提高，上述問題將逐漸得到解決。二、內(nèi)曲線多作用徑向低速大扭矩液壓馬設(shè)計、制造過程中的問題自20世紀(jì)70年代以來，我國在內(nèi)曲線液壓馬達的參數(shù)選擇和導(dǎo)軌曲線的輸出無脈動設(shè)計等方面取得了不低于國外的進步。但近20多年來，國外出現(xiàn)的滾子柱塞副取代滾輪柱塞副的新結(jié)構(gòu)，我們在滾子柱塞副的材料匹配選擇設(shè)計、滾子外形設(shè)計及柱塞內(nèi)圓柱面的設(shè)計加工等方面與國外尚有明顯差距，影響了這類液壓馬達性能和壽命的提高。我們經(jīng)過大量的臺架試驗、工業(yè)性試驗，發(fā)現(xiàn)液壓馬達在中低壓狀態(tài)下運行時的使用狀況較好，高壓狀態(tài)下使用時液壓馬達的壽命會出現(xiàn)下降，經(jīng)過仔細觀察及分析后發(fā)現(xiàn)這不僅與滾子柱

4、塞副，滑動軸承結(jié)構(gòu)和材料的選取及液壓馬達使用中的油液清潔度有關(guān)，而在設(shè)計、加工、裝配過程中一直忽略了導(dǎo)軌曲面的母線及滾動體(以下簡稱滾子)母線型式對液壓馬達承載能力及接觸疲勞壽命的重要性影響。其中滾子母線型式對內(nèi)曲線液壓馬達功能部件損壞的影響較大（同滾子軸承的受力狀態(tài)及失效型式十分相近）。三、滾子與導(dǎo)軌相互作用機理及其凸度設(shè)計分析內(nèi)曲線液壓馬達滾子與導(dǎo)軌形成一對線接觸重載的滾動摩擦（高副），在工作過程中滾子與導(dǎo)軌接觸面形成油膜潤滑。此摩擦副中的行為，屬彈性流體動力潤滑特性，它決定了零件的承載力及運行使用壽命。借鑒低速重載情況下滾子軸承的應(yīng)用狀況，在彈流潤滑工況下滾子端部的油膜變薄，形成閉合效應(yīng)

5、，并成為滾子摩擦副彈流的重要特征。閉合效應(yīng)使端泄阻力增大，油膜壓力局部升高，形成端部的壓力峰值，相應(yīng)的油膜厚度減薄，其值比線接觸理論計算值小得多。滾子端部的閉合效應(yīng)在隨載荷的增大過程中，其端部邊緣應(yīng)力也會隨之升高，其壓力的奇異分布有可能切斷端部的油膜。閉合效應(yīng)在彈流中具有雙重特性：一方面，它能減弱以阻止端泄，把潤滑油封在摩擦副內(nèi)，有利于內(nèi)部形成和增厚潤滑油膜；另一方面，過高的端部油膜壓力會使材料的局部早期失效。以下前兩張圖片為自制導(dǎo)軌與外購滾子匹配因閉合效應(yīng)產(chǎn)生滾子端部壓力分布奇異而出現(xiàn)的現(xiàn)象，采用幅角修正等加速運動規(guī)律曲線導(dǎo)軌在加速區(qū)起點處所受接觸應(yīng)力最大，在圖片中可以明顯看到在加速區(qū)起點處

6、受到滾子端部壓力分布奇異現(xiàn)象產(chǎn)生的狀態(tài)。后面兩張圖片為改進后生產(chǎn)的內(nèi)曲線多作用徑向低速大扭矩液壓馬達滾子與導(dǎo)軌，未見有因閉合效應(yīng)產(chǎn)生明顯的滾子端部壓力分布奇異現(xiàn)象。改進前滾子改進前導(dǎo)軌改進滾子改進導(dǎo)軌 四、滾子與導(dǎo)軌凸度設(shè)計在液壓馬達中應(yīng)用狀態(tài)及改進我們現(xiàn)在應(yīng)用于內(nèi)曲線液壓馬達滾子的母線為直母線，兩端為正截面的幾何真圓柱形有限長彈性滾子，摩擦副端部出現(xiàn)很高的油膜壓力峰值，削弱了油膜的承載能力，低速重載時不能形成全膜潤滑。提高速度會使?jié)櫥湍ぴ龊?，而且中部與兩端油膜厚度之差相對減少，承受載荷的能力有所提高。為了消除因閉合效應(yīng)而引起的邊緣應(yīng)力，對滾子進行凸度技術(shù)改進，在對直母線形式滾子凸度設(shè)計過程

7、中，滾子母線幾何形狀的微小改變會使?jié)L子的彈流特性發(fā)生很大改變。通常滾子凸度設(shè)計改進不改變原有滾子幾何尺寸，凸度設(shè)計修形部分占滾子長度的20-30%。合理的滾子凸度修形可減弱閉合效應(yīng)，能有效的改善滾動接觸區(qū)的壓力分布奇異性，減小或消除滾子邊緣應(yīng)力集中，減小運行時的溫升，有利于形成彈性流體潤滑，從而降低液壓馬達運行時的振動和噪聲，提高液壓馬達的動態(tài)使用特性及使用壽命?，F(xiàn)在軸承廠家設(shè)計、制造的滾子一般均有凸度設(shè)計，但為降低加工成本，其凸度設(shè)計修正的滾子邊緣突變較大，雖有凸度設(shè)計修正，但并不能減弱或消除閉合效應(yīng)，只是將端部壓力的奇異分布位置向中心部轉(zhuǎn)移，減低了滾子的有效接觸長度，不符合我們內(nèi)曲線液壓馬

8、達中的使用要求。我們現(xiàn)在滾子凸度設(shè)計時所要求的滾子母線型式可為對數(shù)母線型滾子或修正線型滾子（凸型為兩段圓弧相切形成），均在滾子超精加工時進行修形。對數(shù)母線型滾子在中部70%的長度上接近于直線，在滾子兩端曲率變化較快，接觸壓力沿長度方向均勻分布，這是最為理想的壓力分布，最有利于承載，其接觸壓力集中系數(shù)為零。當(dāng)受偏載荷時，它的壓力分布優(yōu)于其它各類凸度線型滾子。修正線型滾子由光滑連續(xù)的曲線形成，其切點附近基本不存在壓力奇異分布現(xiàn)象，但曲率有階躍，壓力集中現(xiàn)象并未完全消除。一般情況下，能滿足較高的精度要求，其接觸壓力集中系數(shù)為0.14，是目前應(yīng)用較為廣泛的滾子。直母線滾子對液壓馬達的零件加工、安裝等都

9、有嚴(yán)格的要求，當(dāng)受到偏載荷時，滾子的邊緣效應(yīng)急劇增大。我們往往在未達到系統(tǒng)額定工作壓力時，就已接近滾子的額定載荷。內(nèi)曲線液壓馬達導(dǎo)軌母線也應(yīng)進行凸度設(shè)計，由數(shù)控內(nèi)曲線磨床來完成導(dǎo)軌曲線凸度的加工（需要對現(xiàn)有機床加工程序進行調(diào)整來進行砂輪的修整，以滿足導(dǎo)軌曲線凸度的加工或通過機床宏程序調(diào)整來達到），與滾子進行配對使用，用以消除由于安裝和加工誤差等原因而產(chǎn)生軸心偏斜及因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的撓曲度而導(dǎo)致的滾子偏載現(xiàn)象。同時用以改善滾動接觸區(qū)的壓力分布狀態(tài)，減小或消除滾子邊緣應(yīng)力集中，降低運行時的溫升，提升滾動摩擦的承載力。五、液壓馬達導(dǎo)軌在磨削中注意事項液壓馬達導(dǎo)軌與滾子采用gcr15simn、gcr15材料

10、或其它中碳合金鋼，熱處理后在加工過程中還應(yīng)通過加工的工藝方法去除表面變質(zhì)層。表面變質(zhì)層為金屬材料表面薄層的物理、化學(xué)性質(zhì)和機械性能發(fā)生變化的特殊層，由表至里是由吸附層，氧化層、白層及過回火塑性變形層組成。磨削瞬時高溫使工作表面層局部高溫回火，致使該面軟化變質(zhì)，硬度下降，這就是磨削變質(zhì)層。在磨削過程中還應(yīng)控制磨削變質(zhì)層，磨削變質(zhì)層的厚度會隨砂輪徑向進給速度增加而加厚。磨削變質(zhì)層的硬度比硬化層硬度低5-11%，且耐磨性極差，在機械振動、電磁振動、熱循環(huán)等交變載荷作用下，磨削變質(zhì)層會導(dǎo)致硬化層界面處的裂紋擴展，導(dǎo)致大塊顆粒層狀脫落以及疲勞裂紋的萌生。加工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制磨削規(guī)范, 不允許產(chǎn)生裂紋和燒

11、傷, 并應(yīng)盡量減少或消除磨削變質(zhì)層的出現(xiàn)。砂輪應(yīng)按高硬軸承鋼的磨削要求進行選取，應(yīng)由微小磨粒組成、由韌性大、強度高、自銳性好的中軟微晶剛玉進行磨削（其它導(dǎo)軌材料應(yīng)根據(jù)具體成份進行砂輪選取），其粒度選用可在80#（應(yīng)對現(xiàn)有的60#白剛玉砂輪進行更換）。在砂輪修整時應(yīng)采用性能較高的金剛筆進行修整，以得到符合要求的砂輪精整外形用以滿足磨削。在切入磨削過程中應(yīng)控制砂輪吃刀深度，逐級減少吃刀深度, 粗磨初始階段時就應(yīng)進行小進給磨削控制，以降低磨削熱的產(chǎn)生，磨削結(jié)束前進行無火花磨削循環(huán)（具體磨削過程的進刀參數(shù)還應(yīng)通過試磨削得出）。冷卻液壓采用h1高精度磨削液。從以上三個方面進行控制是為了減少磨削紋路、磨削

12、變質(zhì)層等表面狀態(tài)在初期磨損過程中的作用, 磨削之后可用碳纖維拋光刷進行干拋導(dǎo)軌表面。在這三個方面調(diào)整過程中還需工藝人員進行耐心、仔細的觀察及試驗才能達到更好的效果。材料的熱處理是另一個需要重視的技術(shù)環(huán)節(jié)。內(nèi)曲線液壓馬達的導(dǎo)軌、滾子均采用的軸承鋼材料或其它中碳合金鋼，毛坯加工結(jié)束后，在淬火前應(yīng)進行球化退火，并在進行淬火處理時防止材料脫碳，以求降低材料表面的軟層厚度。在眾多淬火處理中真空淬火有下述特點： 1、不氧化、不脫碳、不增碳，因?qū)ぜ?nèi)部和表面有良好的保護作用（鋼表面氧化皮往往是造成淬火軟點和淬火開裂的根源，氧化使鋼件強度降低，力學(xué)性能、耐磨性及疲勞性能下降）。2、被處理的工件在爐內(nèi)靠熱輻射加熱，內(nèi)外溫差較小，熱應(yīng)力小，因而決定了真空熱處理工藝處理的零件變形較小。3、可減少工件合金元素揮發(fā),保證了工件的熱處理質(zhì)量，因此導(dǎo)軌、滾子的真空淬火可以為內(nèi)曲線液壓馬達的可靠性和壽命提供加工基礎(chǔ)保障作用。我們在長時間的生產(chǎn)制造過程中已在導(dǎo)軌、滾子的設(shè)計、加工方面有了較大的改觀，通過上述調(diào)整會使內(nèi)曲線多作用徑向低速大扭矩液壓馬達的整體性能、壽命有一定幅度的提升。參考文獻：陳卓如，低速大扭矩液壓馬達理論、計