自來水驅(qū)動的多功能液壓馬達

1、自來水驅(qū)動的多功能液壓馬達 . 摘要 這篇論文討論了一種新型的液壓馬達和閥，它可以運用到水下機器人來控制輪動速度，這種馬達的優(yōu)點是它能用于像自來水那樣的低壓驅(qū)動而實現(xiàn)良好的表現(xiàn)。這種機械的關(guān)鍵在于工作的流體是完全的由軟管輸送。并且這種機械的運動部分直接和流體介質(zhì)通訊，換句話說它是軟管變形驅(qū)動馬達。相反地,液壓閥使軟管變形控制馬達。從而不需要密封來實現(xiàn)沒有絲毫的泄漏。另外，控制輪動速度的液壓閥可以由流體力信號控制而無需用到電.那么,它們將能用于某些沒電的領(lǐng)域,比如浴室,水池,水上水下的工作臺,這種理論上的轉(zhuǎn)力矩的驅(qū)動理論和特點,輪動的速度和效率將在本文由實驗結(jié)果來描述!1.導(dǎo)言如果能生產(chǎn)出一種由

2、像自來水或是救火用水那樣的低壓驅(qū)動的液壓動力,那么一個有關(guān)機器人和各種各樣的行動機械的新領(lǐng)域?qū)⒖隙〞玫窖由旌蛿U展。這種液壓裝置很容易操控,和現(xiàn)在使用的大多數(shù)電氣裝置相比,它有以下幾個有點:1: 它能被放置在水中,因此具有良好的抗熱性能2: 它里面沒有點火裝置,不存在電泄漏或是電擊3: 它具有良好的硬度和高度力量密度4: 它沒有任何的電磁噪音,等等.因此,這種液壓裝置能被用于以下幾個領(lǐng)域:1: 為沐浴的人提供能量幫助（圖1）2: 加工肉類的機械的清洗將變成可能3: 草坪上的撒水裝置的驅(qū)動4: 不要噪聲的半導(dǎo)體晶片干凈空間的清洗裝置5: 5：由液壓驅(qū)動的輪子需要沖進地下拱廊的救火機械或是正被烈火

3、包圍的建筑物（圖2）等等同時,油壓裝置或是氣壓裝置由水來驅(qū)動幾乎是不可能的.從泄漏的觀點來看, 由于粘度的不同.油壓裝置無論是結(jié)構(gòu)還是介質(zhì)都不合適,對氣動裝置來說,油液的潤滑性都被水給沖走了,然后,為了改進這些缺點,由高于7MPa(70kgf/cm²)的高壓力驅(qū)動的水壓裝置被設(shè)計生產(chǎn)出來了,最終還走向了市場。但是,現(xiàn)在大約只要0.2MPa的水龍頭的壓力到0.8MPa的救火用水的壓力來驅(qū)動的水壓氣缸正在市場上流行.但是液壓馬達卻幾乎沒有被使用上.然而在理論的水平上,現(xiàn)在卻有一種由0.4MPa驅(qū)動的 水壓馬達正被報導(dǎo).馬達由更低壓力來驅(qū)動由于下面2.1將講到的原因變得非常困難.。 那么,

4、一種用低壓力驅(qū)動的水壓馬達的新型馬達將在本文里通過對新型閥控制輪動速度的新型結(jié)構(gòu)將得到論述。這篇論文的內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下所述：第2節(jié)里適用于由低壓水驅(qū)動的 結(jié)構(gòu)設(shè)計將會得到提出，第3節(jié)里關(guān)于轉(zhuǎn)矩-速度間的關(guān)系和效率問題的理論特點將會得到描述,第4節(jié),里這種已經(jīng)設(shè)計出來的機械模型的實驗結(jié)果將會得到描述。 圖1由水壓馬達舉起的受看護的人 圖2 水壓馬達 2. 驅(qū)動原理2.1基本概念 傳統(tǒng)的油壓機械由于運動部分和工作流體之間不能進行直接的聯(lián)系,當這些機械由水壓來驅(qū)動的時候,因為水的粘性比油要小,造成機械內(nèi)部發(fā)生大量的泄漏,.如果為了防止泄漏而加強密封則會產(chǎn)生很大的摩擦力。結(jié)果,可以用現(xiàn)在的低壓力驅(qū)動的機械

5、裝置卻必須要很高的壓力才能進行驅(qū)動,同時,因為我們以像自來水一樣的低壓驅(qū)動力作為研究目標,這里即將談到的”軟管驅(qū)動”的驅(qū)動原理和傳統(tǒng)的驅(qū)動原理有著根本的區(qū)別.”軟管驅(qū)動原理”是關(guān)于從自來水那樣的彈性變形物體獲得驅(qū)動力,來控制機械的運動方向,盡管這些流體和來自彈性物體的變形壓力來自于外部。這種驅(qū)動原理可以解決傳統(tǒng)設(shè)計方法的下面幾個問題:1: 由于沒有泄漏,所以不用考慮密封的問題。2: 工作流體很容易得到。3: 不用擔(dān)心生銹的問題。 下圖3(a)中所述的掐滾筒可以被看做是軟管驅(qū)動的一個例子，這個例子用來自于一根軟管的水壓力來形成有一個自由度的線性沖擊力，擠壓著軟管的兩個滾筒可以從軟管插入方向的那個

6、構(gòu)件中獲取驅(qū)動力,從而利用這個壓力來實現(xiàn)于工作運動部件的通訊聯(lián)系，這種機械同樣能被運用到所有有關(guān)二維沖擊力和球關(guān)節(jié)的三維沖擊力的裝置當中。當然,這里所沒有談到的其他類型的沖擊力也可以被看做是軟管驅(qū)動。更進一步來說,機器運動部分的運動的方向，速度和力量可以通過外部插入軟管的各種不同的方式來控制。(見圖4).對于速度來講,可以通過改變清除下游部分的軟管來進行控制.對于力量來說,可以通過控制聯(lián)在外部軟管上面的彈簧來控制裝置的壓力提高或是降低。必須注意的是,用于”軟管驅(qū)動”的管子必須非常柔軟但是當它收壓時又不至于膨脹。在本篇論文中,旋轉(zhuǎn)馬達的控制可以通過對線性沖擊力的轉(zhuǎn)換(見圖3),同時通過閥來控制輪

7、動速度也將得到論述。首先,讓我們先把目光放到馬達上來.（a）擠壓滾筒 （b）方向控制 （c）速度控制 （d）力量控制圖3 軟管 驅(qū)動的例子 圖4擠壓滾輪的兩種轉(zhuǎn)動方式2.2 IP馬達的提出 當在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)而管子被破壞時可以有兩種方法從擠壓滾筒獲得轉(zhuǎn)矩.這種情況我們把它分為滾筒的外部接觸類型(見圖5(a)和內(nèi)部接觸類型(見圖5(b).前者的管道結(jié)構(gòu)可能比后者的結(jié)構(gòu)簡單,因為前者的結(jié)構(gòu)不用考慮管子的外面部分.但是, 當它們放到 同樣大小的鼓道當中時前者管道的曲率比后者要小,而且更容易彎曲,.而且前者的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩比后者的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩要小.通過這些事實,滾筒的內(nèi)部接觸類型能被放進一個小鼓,所以這種類型很適合當

8、作基本的設(shè)計。下一步,我們將討論滾筒的裝置數(shù)目和管道數(shù)目之間的關(guān)系。主要地,為了獲得滾筒的驅(qū)動力,必須要能產(chǎn)生不同的壓力,這也就是我們下面要談到的三個特點:1: 即使管子在鼓道里被彎曲成三百六十度. 驅(qū)動力一點都不會增加2: 即使一個滾筒壓碎一根管子,驅(qū)動力也不會增加.3: 三百六十度的管子滾動構(gòu)件中可以存在一點能同時成為滾筒的進口和出口,這個點成為死點,它不能產(chǎn)生驅(qū)動力.關(guān)于特點三,死點可以用下面的方法給予消除和避免:插入不止一根管子,使用不同的管子, 使進口和出口在不同的位置.因此,無限旋轉(zhuǎn)的機械就可以僅需用兩根彎成三百六十度的管子和一個滾筒組成.但是,在這種結(jié)構(gòu)中,滾筒聯(lián)著管道的一次敲擊

9、持續(xù)時間很長從而會引起軟管的皺褶加劇,正如上面所說的材料技術(shù)的限制,變成了一個很大的難題。那么,為了縮短與管道相聯(lián)的滾筒的撞擊持續(xù)時間,下面又將談到一種新的馬達.這種新的馬達所運用的管子被分成兩部分,它們成一百二十度挨著鼓道(當然另外一處時二百四十度),為了能一直都獲得驅(qū)動力,它在每個一百二十度的都需要一個輪子,如圖5所示.這種馬達被稱作為”內(nèi)部接觸擠壓滾輪型水壓馬達”( the Inner Touching Pinch Roller Type Water Hydraulic Motor)簡稱為”IP馬達”,這種馬達具有以下幾個方面的特點: 1: 和那些把軟管彎成三百六十度的的馬達相比,這種馬

10、達對皺褶的抵抗力很強,在一般的壓力下,它的轉(zhuǎn)矩甚至可以是前者的兩倍。 2: 對于”軟管驅(qū)動”,自來水可能被用于驅(qū)動,而地下水不會傷害機械部件。 3: 這種馬達通過增加鼓道里管子的數(shù)量來實現(xiàn)減壓,它的減壓效率相當于圖5所示的減壓器。 擠壓滾輪 齒輪圖5 IP 馬達的驅(qū)動原理 圖6 變形軟管模型3. 理論分析3.1 轉(zhuǎn)矩 圖6中所展示的簡化模型的理論轉(zhuǎn)矩將在這里得到論述.因為和輪子相聯(lián)的軸是通過軸承相聯(lián)的,所以管子和輪子的摩擦力可以忽略不記,如圖6示,變形的管子厚度(記為h)可以這樣計算出來:h=2t+R(1-cosØ) (1)說明: R 代表這里輪子的直徑.聯(lián)著輪子的管道長度L可以這樣

11、計算.L=(2r-h)/2 (2) 管子在Ø點受到的單位切向力等于psinØ.根據(jù)上面得到的結(jié)果,輪子受到的推力可以如下計算得出:考慮到兩個輪子一直都受到推力,理論轉(zhuǎn)矩可以如下計算:說明: k代表了鼓道里管子的數(shù)目，結(jié)果它等價于管子截面的單位力矩.3.2 輪子轉(zhuǎn)動的速度理論的輪動速度w可以如下計算(Q代表馬達內(nèi)總的流動速度,V 代表每個馬達每根管子的水的數(shù)量)W=Q/kv (6)3.3 效率實際輸出轉(zhuǎn)矩和輸出輪動速度要比上面所述的理論值要小,那么在這里我們分別給出T和W來表示實際值和理論值.并且,總的效率可以被劃分成兩大部分，其中有一種是容積效率，另一種是轉(zhuǎn)矩效率。隨著輪子

12、附近的館子擠壓的泄漏量的增大，前種效率變得越來越小，因為軸承迫使軟管變形加劇而導(dǎo)致輪子對軟管壓力的增大，后種效率也會逐漸變小。無論是哪種效率，它們都可以簡單地如下表述：因此，總的效率可以如下表述4 實驗4.1 實驗系統(tǒng)圖7 設(shè)計好的IP馬達和擠壓閥圖7所述的IP馬達被用來校驗上述的理論分析。它包括圖8中的三個部分。這個實驗用的IP馬達要求管子即使受到很大的壓力也不能變形。因此這里采用了用刀片薄的尼龍覆蓋的硅管（見圖9）。 它的外部直徑是140mm，寬為100mm?？偟闹亓繛?.9kg。另外，在它的頭部按11：1（理論上由為想獲得理想的輪動速度而確定的最大動力決定）的比例安裝了行星齒輪。整個實驗

13、系統(tǒng)如圖8組裝而成。單位水壓主要被用作壓力源，它能改變較大區(qū)間的壓力，自來水的運動也就被確定下來。安裝背壓閥來控制提供的壓力：流體力可以在任何時候測量卸載水的重量而知曉，輪動速度、壓力和轉(zhuǎn)矩可以分別利用頻閃觀測儀、壓力表和電磁動力閘來測量。更進一步說，下面所得到的結(jié)果是在行星齒輪減速前從軸的輸出而獲得的。圖8 IP馬達的三個重要部分從左到右，輪子，鼓道，齒輪 圖9 尼龍外層的半導(dǎo)體軟管 4.2 結(jié)果圖10 整個試驗裝置在第一個實驗里，輪子轉(zhuǎn)動的速度由電磁動力閘測量負載的變化從而進行控制，但是水的壓力一直保持不變，圖11展示展示了輪子一點一點慢慢變化時轉(zhuǎn)矩和動力兩者變化的結(jié)果。黑色的標志表示在0

14、.5MPa工作壓力下每單位水所提供的能量，白色的標志表示在0.3MPa的工作壓力下自來水所提供的能量?，F(xiàn)在，讓我們來看看圓圈的意義。它們表示當輪子轉(zhuǎn)動速度增加時轉(zhuǎn)矩以200rpm的速度線性遞減。這種情況是由軟管的彈性變形引起粘性變化而造成的。轉(zhuǎn)矩以小于200rpm的大小遞減改變不大是因為輪子的轉(zhuǎn)動速度不能夠一直保持在很慢的速度。下面，我們將通過這些數(shù)據(jù)計算輸出動力的大小。它們以三角的標志標識。這些三角形展現(xiàn)了對應(yīng)每個供給壓力的輪動速度輸出的最大值。 圖11 輸出轉(zhuǎn)矩和輪動速度的關(guān)系 圖12 容積效率的實驗結(jié)果 圖13 轉(zhuǎn)矩效率的輸出結(jié)果在第二個實驗里的容積效率X1是在沒有負載的情況下測量出來的

15、輪動速度和水流，代入等式7推出的（見圖12）。他們表明，容積效率隨著輪子轉(zhuǎn)動速度的增加而減少。事實上，在這個試驗里，輪子轉(zhuǎn)動速度的增加可歸因于整個系統(tǒng)的動力增加而造成的壓力增大。因此，這可以說成容積效率的減少是因為高壓力而導(dǎo)致的泄漏。無論怎么說，要改進這個系統(tǒng)，就要考慮設(shè)計一根軟管，這種軟管受到?jīng)_擊時它的兩端沒有泄漏。在第三個實驗，轉(zhuǎn)矩效率X2是將測量得到的輪子轉(zhuǎn)動速度和流體代入等式（8）而推出的。（見圖13）測量的轉(zhuǎn)矩是IP馬達第一次停止時，閘刀的流體一點一點變化的數(shù)值。根據(jù)這個結(jié)果，從等式（8）可以看出，轉(zhuǎn)矩效率隨著供給壓力的增加而增加，這意味著當壓力增加時，管子的彈性變形造成的泄漏占的比

16、例變小了。為了減少泄漏，管子的皺褶必須變得更小，這也就有必要提前設(shè)計出新曲率的軟管。最后一個實驗，總效率是在把輸出動力和輸入動力都測量出來后，計算出來的。當輪子轉(zhuǎn)動速度隨著壓力的轉(zhuǎn)換而分別為200rpm，300rpm，和400rpm時，總效率見圖14。在這三種速度中，在同樣的壓力情況下200rpm對應(yīng)的總效率是最大的。因為當輪子轉(zhuǎn)動速度降低時管子變形造成的粘性降低減少了。人們期望隨著輪子轉(zhuǎn)動速度的降低總效率能得到增加。為了在高速區(qū)提高總效率，IP馬達機械還必須做下面的改進。當轉(zhuǎn)輪和鼓道之間的間隔增大時，泄漏引起的損失增大，當然當它們之間的距離變小時，粘性增加引起的損失也增加了。因此，輪子必須調(diào)

17、整適當在鼓道附近，也就是說要與鼓道保持理想的間隔。因為管子的厚度不會一直不變，所以就有必要介紹一種能自動進行調(diào)整的機制，它能用來保正輪子的驅(qū)動力不變（見圖15）。這種裝置由繩針裝置和扭轉(zhuǎn)裝置共同構(gòu)成，它能有助于不受排水量的影響而對輪子的驅(qū)動力進行補償。 圖14 總體效率的試驗結(jié)果 圖15 驅(qū)動力自動調(diào)節(jié)裝置 圖16 擠壓閥裝置4.3 無需用電而進行速度控制的方法為了能夠控制IP 馬達的速度，圖16所示的擠壓閥被設(shè)計了出來，并且這種裝置已經(jīng)被實驗過了。擠壓閥是在軟管驅(qū)動的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的。只要輪子通過一根導(dǎo)線安裝在閥的一邊，它就可以在外面改變管子的變形而控制速度。IP馬達上聯(lián)著兩根軟管，擠壓閥聯(lián)在卸載的一邊比裝在負載的一點要更好。因為：1. 它需要更小的力量驅(qū)動軟管。2. 它能形成表外循環(huán)而很少受到負載的影響。結(jié)果證明，用手拉導(dǎo)線操縱擠壓閥