劉海龍，郭志平，王景祥

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

由于氣動(dòng)馬達(dá)使用壓縮空氣作為動(dòng)力源，將氣源壓力轉(zhuǎn)換成機(jī)械動(dòng)力輸出，這種特性具有優(yōu)秀的防爆性能，且對(duì)環(huán)境污染很輕，在很多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用， 比如： 石油鉆探、造紙、制藥、化工、煤炭等等。 隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展與馬達(dá)功率的不斷提高，一個(gè)問題擺在研究人員面前， 那就是氣動(dòng)馬達(dá)的效率遲遲不能滿足要求，制約因素是多方面的。 下面就以氣動(dòng)馬達(dá)核心部件之一的配氣閥芯進(jìn)行對(duì)比討論，它在馬達(dá)工作過程中起到舉足輕重的作用，直接關(guān)系到馬達(dá)能否正常工作，同時(shí)也是影響馬達(dá)轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素之一。為此對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)配氣閥芯的配氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)對(duì)馬達(dá)效率的提高尤為重要。目前對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)配氣閥芯的研究還很少，主要集中在配氣閥芯配氣角度研究[1]，及配氣閥芯控制系統(tǒng)原理研究[2]。

本文源于泰安巨菱鉆探裝備有限責(zé)任公司（山東）與內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的合作項(xiàng)目。針對(duì)該公司生產(chǎn)的5T 系列氣動(dòng)馬達(dá)配氣閥芯進(jìn)行結(jié)構(gòu)合理化改進(jìn)，對(duì)該配氣閥芯的優(yōu)化改進(jìn)是項(xiàng)目的一部分，這里將目前氣動(dòng)馬達(dá)所使用的配氣閥芯與結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的配氣閥芯進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證后者在馬達(dá)輸出效能上能否有所提高以及提高的幅度大小。

1 氣動(dòng)馬達(dá)配氣理論

1.1 氣動(dòng)馬達(dá)配氣過程

氣動(dòng)馬達(dá)的配氣相位如圖1 所示，曲軸在轉(zhuǎn)過活塞上止點(diǎn)6°的時(shí)候，進(jìn)氣門開啟，氣缸開始充氣，在距活塞下止點(diǎn)66°的時(shí)候進(jìn)氣門關(guān)閉，完成充氣過程。在接下來的39°的行程內(nèi)，氣缸是密封的，是氣缸內(nèi)氣體膨脹做正功的過程，然后主排氣門開啟，開始第一次排氣，該過程曲軸的行程是54°。第一次排氣結(jié)束后，氣缸又處于密封狀態(tài)， 在39°的行程內(nèi)， 氣缸內(nèi)的氣體被壓縮做負(fù)功。緊接著次排氣門開啟，開始第二次排氣，在距上止點(diǎn)6°的時(shí)候，次排氣門關(guān)閉，完成第二次排氣。 曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)[3]。

圖1 配氣相位

1.2 閥芯主進(jìn)、排氣孔通流截面積計(jì)算

由閥芯進(jìn)、排氣口截面連續(xù)方程[4]得：

式中 ve——閥芯氣口截面處氣體流速

ρe——?dú)怏w密度

由式（1-1）得出

式中 qm——質(zhì)量流量，由實(shí)驗(yàn)得出

將式（2）、（3）帶入到上式中得：

p0——為截面處氣體壓強(qiáng)

k——為氣體等熵指數(shù)，對(duì)于空氣來說，k=1.4

pe——為閥芯截面開口處壓強(qiáng)

Ae——為閥芯開口處流通截面積

根據(jù)上面的公式可以看出，閥芯開口處流通截面積與多種因素有關(guān)，而這些因素又與氣動(dòng)馬達(dá)的工作效率密切相關(guān)，由此可知閥芯開口處流通截面積的大小必定能夠?qū)︸R達(dá)的性能影響深遠(yuǎn)。

2 配氣閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化

配氣閥芯的結(jié)構(gòu)是為滿足馬達(dá)正常工作而設(shè)計(jì)，它的主要作用是協(xié)調(diào)配置圓周排列的五個(gè)氣缸能夠有序地進(jìn)行工作，它不僅要滿足如圖1所示的配氣相位， 而且還要滿足馬達(dá)在不同負(fù)載、不同轉(zhuǎn)速下合理地配氣工作，同時(shí)滿足以上兩種條件是考驗(yàn)配氣閥芯性能好壞的重要指標(biāo)。

2.1 傳統(tǒng)配氣閥芯結(jié)構(gòu)分析

圖2 傳統(tǒng)配氣閥芯

如圖2 所示， 配氣閥芯設(shè)計(jì)成三段結(jié)構(gòu)，閥芯最上端為第一段，稱為主配氣孔，分別為：名義正轉(zhuǎn)配氣孔、名義反轉(zhuǎn)配氣孔和副排氣孔，可以看出在名義正轉(zhuǎn)配氣孔處有一道寬度為3 mm，跨度為25°的開孔，設(shè)計(jì)功用為輔助正轉(zhuǎn)配氣，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角超過120°時(shí)， 由于氣缸內(nèi)氣體膨脹做功，此時(shí)所需外界壓縮空氣供給量逐漸減小或中斷，為提高氣動(dòng)馬達(dá)功率，通過此輔助開孔持續(xù)供給壓縮氣體。而在名義反轉(zhuǎn)配氣孔中則沒有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上的處理，從而在反轉(zhuǎn)的時(shí)候不會(huì)起到任何作用，以此得出馬達(dá)在正、反轉(zhuǎn)上其效率是不同的。副排氣孔的主要功用是在氣動(dòng)馬達(dá)運(yùn)行過程中起到首次排氣作用，避免在活塞返程過程中因背壓過大而影響氣動(dòng)馬達(dá)輸出效率；第二段和第三段分別為名義正轉(zhuǎn)進(jìn)、排氣孔、名義反轉(zhuǎn)進(jìn)、排氣孔，正轉(zhuǎn)時(shí)由分配閥控制壓縮氣體進(jìn)入到位于第二段的開口，由于配氣閥配氣孔的合理設(shè)計(jì)，配氣閥控制壓縮氣體推動(dòng)氣動(dòng)馬達(dá)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，產(chǎn)生的廢氣靠副排氣孔與相應(yīng)反轉(zhuǎn)進(jìn)、排氣孔進(jìn)行釋放。

2.2 新型配氣閥芯結(jié)構(gòu)分析

如圖3 所示， 配氣閥芯同樣設(shè)計(jì)成三段結(jié)構(gòu)， 但與傳統(tǒng)配氣閥芯相比有著明顯的差距，首先，取消了名義正轉(zhuǎn)配氣孔上的3mm 開口，其原因是（1）活塞受壓縮氣體推動(dòng)做功結(jié)束后由壓縮氣體剩余膨脹力繼續(xù)做功，而這個(gè)時(shí)間段里不需要新的氣體充入。 （2）保證氣動(dòng)馬達(dá)在正反轉(zhuǎn)的時(shí)候效率一樣，拓展應(yīng)用領(lǐng)域；

圖3 新型配氣閥芯

其次，由公式（4）計(jì)算出在實(shí)際使用時(shí)配氣閥芯配氣口截面面積，對(duì)比傳統(tǒng)配氣閥芯各開口截面平均增加了32.7%，

閥芯直徑增加了45.3%，同時(shí)新型配氣閥芯增加了四道密封環(huán)，以提高密封性能。

3 測(cè)試平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證新型配氣閥芯理論研究的正確性以及與傳統(tǒng)配氣閥芯性能對(duì)比，采用中國(guó)石油大學(xué)與泰安巨菱鉆探裝備有限責(zé)任公司共同搭建的主要針對(duì)氣動(dòng)馬達(dá)的性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如圖4 所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由受測(cè)對(duì)象（氣動(dòng)馬達(dá)）、減速器、支架、扭矩檢測(cè)模塊、速度檢測(cè)模塊等組成。測(cè)試氣源壓力為0.7 MPa，馬達(dá)輸出扭矩及轉(zhuǎn)速通過減速器傳遞給扭矩檢測(cè)模塊和速度檢測(cè)模塊進(jìn)行扭矩及速度的檢測(cè)。

圖4 氣動(dòng)馬達(dá)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4 測(cè)試結(jié)果分析

圖5 所示為氣動(dòng)馬達(dá)扭矩特性曲線，可以看出新型配氣閥芯與傳統(tǒng)配氣閥芯對(duì)馬達(dá)扭矩的影響非常明顯， 馬達(dá)輸出最大扭矩出現(xiàn)在129r/min 的時(shí)候， 對(duì)于新型配氣閥芯最大扭矩為37.1N﹒m，相對(duì)于傳統(tǒng)配氣閥芯下最大扭矩為33.2 N﹒m 時(shí)增加了10.5%，而在其他轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)其增加的數(shù)值不盡相同，在氣動(dòng)馬達(dá)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速的時(shí)候（通常為900 r/min）兩者之間的差別可以忽略，而此時(shí)的氣動(dòng)馬達(dá)扭矩最小。但在整個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以看出新型配氣閥芯下氣動(dòng)馬達(dá)輸出扭矩對(duì)比傳統(tǒng)配氣閥芯下的氣動(dòng)馬達(dá)輸出扭矩普遍有所提升。 由此可以說明，對(duì)傳統(tǒng)的配氣閥芯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)證了理論上的正確性，對(duì)馬達(dá)輸出扭矩的提高起到了一定的作用。

圖5 馬達(dá)扭矩特性曲線

圖6 所示為氣動(dòng)馬達(dá)功率特性曲線，可以看出新型配氣閥芯與傳統(tǒng)配氣閥芯對(duì)馬達(dá)功率特性曲線變化趨勢(shì)相同，只是在某一時(shí)刻的具體量值不同。 功率曲線在馬達(dá)轉(zhuǎn)速為131 r/min 的時(shí)候開始爬升， 當(dāng)轉(zhuǎn)速在430 r/min 的時(shí)候馬達(dá)功率值最高，在傳統(tǒng)配氣閥芯下功率為7.68 kW，相應(yīng)的在新型配氣閥芯為8.16 kW， 功率較前者高出6%。 隨著轉(zhuǎn)速不斷提高， 馬達(dá)的功率逐漸降低， 在接近900 r/min 的時(shí)候兩者的功率值達(dá)到最低點(diǎn)， 此時(shí)傳統(tǒng)配氣閥芯下功率為0.9 kW，新型配氣閥芯下的為1.33 kW。由此可以說明，新型配氣閥芯對(duì)馬達(dá)輸出扭矩的提高起到了一定的作用。

圖6 馬達(dá)功率特性曲線

5 結(jié)論

由以上分析結(jié)果可知，對(duì)傳統(tǒng)配氣閥芯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在一定程度上增大了氣動(dòng)馬達(dá)扭矩輸出、提高了馬達(dá)輸出功率，驗(yàn)證了新型配氣閥芯理論上的正確性，在提高氣動(dòng)馬達(dá)效率方面起到了一定的作用。配氣閥芯在制約氣動(dòng)馬達(dá)工作效率方面占有主要因素，但并不是決定性因素，影響馬達(dá)效率的因素很多，配氣閥芯只是一個(gè)方面，對(duì)配氣閥芯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化在一定程度上提高了馬達(dá)使用效率，但與指示功率還有一定差距，若想在根本上提高馬達(dá)效率需要多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

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