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1、自来水自来水 驱动驱动 的多功能液的多功能液 压马压马 达达 .摘要 这篇论文讨论了一种新型的液压马达和阀，它可以运用到水下机器人来控制轮动速度，这种马达的优点是它能用于像自来水那样的低压驱动而实现良好的表现。这种机械的关键在于工作的流体是完全的由软管输送。并且这种机械的运动部分直接和流体介质通讯，换句话说它是软管变形驱动马达。相反地,液压阀使软管变形控制马达。从而不需要密封来实现没有丝毫的泄漏。另外，控制轮动速度的液压阀可以由流体力信号控制而无需用到电.那么,它们将能用于某些没电的领域,比如浴室,水池,水上水下的工作台,这种理论上的转力矩的驱动理论和特点,轮动的速度和效率将在本文由实验结果来
2、描述!1.导言如果能生产出一种由像自来水或是救火用水那样的低压驱动的液压动力,那么一个有关机器人和各种各样的行动机械的新领域将肯定会得到延伸和扩展。这种液压装置很容易操控,和现在使用的大多数电气装置相比,它有以下几个有点:1: 它能被放置在水中,因此具有良好的抗热性能2: 它里面没有点火装置,不存在电泄漏或是电击3: 它具有良好的硬度和高度力量密度4: 它没有任何的电磁噪音,等等.因此,这种液压装置能被用于以下几个领域:1: 为沐浴的人提供能量帮助（图 1）2: 加工肉类的机械的清洗将变成可能3: 草坪上的撒水装置的驱动4: 不要噪声的半导体晶片干净空间的清洗装置5: 5：由液压驱动的轮子需要
3、冲进地下拱廊的救火机械或是正被烈火包围的建筑物（图 2）等等同时,油压装置或是气压装置由水来驱动几乎是不可能的.从泄漏的观点来看, 由于粘度的不同.油压装置无论是结构还是介质都不合适,对气动装置来说,油液的润滑性都被水给冲走了,然后,为了改进这些缺点,由高于7MPa(70kgf/cm)的高压力驱动的水压装置被设计生产出来了,最终还走向了市场。但是,现在大约只要 0.2MPa 的水龙头的压力到 0.8MPa 的救火用水的压力来驱动的水压气缸正在市场上流行 .但是液压马达却几乎没有被使用上.然而在理论的水平上,现在却有一种由 0.4MPa 驱动的 水压马达正被报导.马达由更低压力来驱动由于下面 2
4、.1 将讲到的原因变得非常困难.。 那么,一种用低压力驱动的水压马达的新型马达将在本文里通过对新型阀控制轮动速度的新型结构将得到论述。这篇论文的内容结构如下所述：第 2 节里适用于由低压水驱动的 结构设计将会得到提出，第 3 节里关于转矩- 速度间的关系和效率问题的理论特点将会得到描述,第 4 节,里这种已经设计出来的机械模型的实验结果将会得到描述。 图 1 由水压马达举起的受看护的人 图 2 水压马达 2. 驱动原理2.1 基本概念传统的油压机械由于运动部分和工作流体之间不能进行直接的联系,当这些机械由水压来驱动的时候,因为水的粘性比油要小,造成机械内部发生大量的泄漏,.如果为了防止泄漏而加
5、强密封则会产生很大的摩擦力。结果,可以用现在的低压力驱动的机械装置却必须要很高的压力才能进行驱动,同时,因为我们以像自来水一样的低压驱动力作为研究目标,这里即将谈到的”软管驱动” 的驱动原理和传统的驱动原理有着根本的区别 .”软管驱动原理”是关于从自来水那样的弹性变形物体获得驱动力,来控制机械的运动方向,尽管这些流体和来自弹性物体的变形压力来自于外部。这种驱动原理可以解决传统设计方法的下面几个问题:1: 由于没有泄漏,所以不用考虑密封的问题。2: 工作流体很容易得到。3: 不用担心生锈的问题。下图 3(a)中所述的掐滚筒可以被看做是软管驱动的一个例子，这个例子用来自于一根软管的水压力来形成有一
6、个自由度的线性冲击力，挤压着软管的两个滚筒可以从软管插入方向的那个构件中获取驱动力,从而利用这个压力来实现于工作运动部件的通讯联系，这种机械同样能被运用到所有有关二维冲击力和球关节的三维冲击力的装置当中。当然,这里所没有谈到的其他类型的冲击力也可以被看做是软管驱动。更进一步来说,机器运动部分的运动的方向，速度和力量可以通过外部插入软管的各种不同的方式来控制。( 见图 4).对于速度来讲 ,可以通过改变清除下游部分的软管来进行控制.对于力量来说,可以通过控制联在外部软管上面的弹簧来控制装置的压力提高或是降低。必须注意的是,用于”软管驱动” 的管子必须非常柔软但是当它收压时又不至于膨胀。在本篇论文
7、中,旋转马达的控制可以通过对线性冲击力的转换(见图 3),同时通过阀来控制轮动速度也将得到论述。首先,让我们先把目光放到马达上来.（a）挤压滚筒 （b ）方向控制 （c ）速度控制 （d）力量控制图 3 软管 驱动的例子 图 4 挤压滚轮的两种转动方式2.2 IP 马达的提出当在旋转状态而管子被破坏时可以有两种方法从挤压滚筒获得转矩.这种情况我们把它分为滚筒的外部接触类型(见图 5(a)和内部接触类型(见图 5(b).前者的管道结构可能比后者的结构简单,因为前者的结构不用考虑管子的外面部分.但是, 当它们放到 同样大小的鼓道当中时前者管道的曲率比后者要小,而且更容易弯曲,.而且前者的驱动转矩比
8、后者的驱动转矩要小.通过这些事实,滚筒的内部接触类型能被放进一个小鼓,所以这种类型很适合当作基本的设计。下一步,我们将讨论滚筒的装置数目和管道数目之间的关系。主要地,为了获得滚筒的驱动力,必须要能产生不同的压力,这也就是我们下面要谈到的三个特点:1: 即使管子在鼓道里被弯曲成三百六十度. 驱动力一点都不会增加2: 即使一个滚筒压碎一根管子,驱动力也不会增加 .3: 三百六十度的管子 滚动构件中可以存在一点能同时成为滚筒的进口和出口,这个点成为死点,它不能产生驱动力.关于特点三,死点可以用下面的方法给予消除和避免:插入不止一根管子,使用不同的管子, 使进口和出口在不同的位置.因此,无限旋转的机械
9、就可以仅需用两根弯成三百六十度的管子和一个滚筒组成.但是,在这种结构中 ,滚筒联着管道的一次敲击持续时间很长从而会引起软管的皱褶加剧,正如上面所说的材料技术的限制,变成了一个很大的难题。那么,为了缩短与管道相联的滚筒的撞击持续时间,下面又将谈到一种新的马达.这种新的马达所运用的管子被分成两部分,它们成一百二十度挨着鼓道(当然另外一处时二百四十度),为了能一直都获得驱动力,它在每个一百二十度的都需要一个轮子,如图 5 所示.这种马达被称作为” 内部接触挤压滚轮型水压马达”( the Inner Touching Pinch Roller Type Water Hydraulic Motor)简称
10、为”IP 马达 ”,这种马达具有以下几个方面的特点:1: 和那些把软管弯成三百六十度的的马达相比,这种马达对皱褶的抵抗力很强,在一般的压力下,它的转矩甚至可以是前者的两倍。2: 对于”软管驱动”, 自来水可能被用于驱动,而地下水不会伤害机械部件。3: 这种马达通过增加鼓道里管子的数量来实现减压,它的减压效率相当于图 5 所示的减压器。挤压滚轮 齿轮图 5 IP 马达的驱动原理 图 6 变形软管模型3. 理论分析3.1 转矩图 6 中所展示的简化模型的理论转矩将在这里得到论述.因为和轮子相联的轴是通过轴承相联的,所以管子和轮子的摩擦力可以忽略不记,如图 6 示,变形的管子厚度(记为 h)可以这样
11、计算出来:h=2t+R(1-cos) (1)说明: R 代表这里轮子的直径.联着轮子的管道长度 L 可以这样计算.L=(2r-h)/2 (2)管子在 点受到的单位切向力等于 psin.根据上面得到的结果,轮子受到的推力可以如下计算得出 :考虑到两个轮子一直都受到推力,理论转矩可以如下计算:说明: k 代表了鼓道里管子的数目，结果它等价于管子截面的单位力矩.3.2 轮子转动的速度理论的轮动速度 w 可以如下计算(Q 代表马达内总的流动速度,V 代表每个马达每根管子的水的数量)W=Q/kv (6)3.3 效率实际输出转矩和输出轮动速度要比上面所述的理论值要小,那么在这里我们分别给出 T 和 W 来
12、表示实际值和理论值.并且,总的效率可以被划分成两大部分，其中有一种是容积效率，另一种是转矩效率。随着轮子附近的馆子挤压的泄漏量的增大，前种效率变得越来越小，因为轴承迫使软管变形加剧而导致轮子对软管压力的增大，后种效率也会逐渐变小。无论是哪种效率，它们都可以简单地如下表述：因此，总的效率可以如下表述4 实验4.1 实验系统图 7 设计好的 IP 马达和挤压阀图 7 所述的 IP 马达被用来校验上述的理论分析。它包括图 8 中的三个部分。这个实验用的 IP 马达要求管子即使受到很大的压力也不能变形。因此这里采用了用刀片薄的尼龙覆盖的硅管（见图 9） 。 它的外部直径是 140mm，宽为 100mm
13、。总的重量为 1.9kg。另外，在它的头部按 11：1（理论上由为想获得理想的轮动速度而确定的最大动力决定）的比例安装了行星齿轮。整个实验系统如图 8 组装而成。单位水压主要被用作压力源，它能改变较大区间的压力，自来水的运动也就被确定下来。安装背压阀来控制提供的压力：流体力可以在任何时候测量卸载水的重量而知晓，轮动速度、压力和转矩可以分别利用频闪观测仪、压力表和电磁动力闸来测量。更进一步说，下面所得到的结果是在行星齿轮减速前从轴的输出而获得的。图 8 IP 马达的三个重要部分从左到右，轮子，鼓道，齿轮 图 9 尼龙外层的半导体软管4.2 结果图 10 整个试验装置在第一个实验里，轮子转动的速度
14、由电磁动力闸测量负载的变化从而进行控制，但是水的压力一直保持不变，图 11 展示展示了轮子一点一点慢慢变化时转矩和动力两者变化的结果。黑色的标志表示在 0.5MPa工作压力下每单位水所提供的能量，白色的标志表示在 0.3MPa 的工作压力下自来水所提供的能量。现在，让我们来看看圆圈的意义。它们表示当轮子转动速度增加时转矩以 200rpm 的速度线性递减。这种情况是由软管的弹性变形引起粘性变化而造成的。转矩以小于 200rpm 的大小递减改变不大是因为轮子的转动速度不能够一直保持在很慢的速度。下面，我们将通过这些数据计算输出动力的大小。它们以三角的标志标识。这些三角形展现了对应每个供给压力的轮动
15、速度输出的最大值。图 11 输出转矩和轮动速度的关系 图 12 容积效率的实验结果 图 13 转矩效率的输出结果在第二个实验里的容积效率 X1 是在没有负载的情况下测量出来的轮动速度和水流，代入等式 7 推出的（见图 12） 。他们表明，容积效率随着轮子转动速度的增加而减少。事实上，在这个试验里，轮子转动速度的增加可归因于整个系统的动力增加而造成的压力增大。因此，这可以说成容积效率的减少是因为高压力而导致的泄漏。无论怎么说，要改进这个系统，就要考虑设计一根软管，这种软管受到冲击时它的两端没有泄漏。在第三个实验，转矩效率 X2 是将测量得到的轮子转动速度和流体代入等式（ 8）而推出的。 （见图13）测量的转矩是 IP 马达第一次停止时，闸刀的流体一点一点变化的数值。根据这个结果，从等式（8）可以看出，转矩效率随着供给压力的增加而增加，这意味着当压力增加时，管子的弹性变形造成的泄漏占的比例变小了。为了减少泄漏，管子的皱褶必须变得更小，这也就有必要提前设计出新曲率的软管。最后一个实验，总效率是在把输出动力和输入动力都测量出来后，计算出来的。当轮子转动速度随着压力的转换而分别为 200rpm，300rpm，和 400rpm 时，总效率见图 1
