提高气动马达效率的有效途径

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1、提高气动马达效率的有效途径广东工学院机械工程系张绍裘摘要本文论述了通过改 进结构设 计,可使活塞式气动马达和叶片式气动马达的气知和气腔 有效工作容积增大,并 消除排气过 程的压缩负功,从而有效地 增大气动马达的 功率和提高效率。文中用了这两种气动马达的 改进设计 计算实例来加以论证。叙词:气动马达效率j一目工作容积配气机构排气角度气动马达有很多优点,但效率低是它的一大缺点。当前,在世界能源比较短缺的情况下,如何提高气动马达的效率,尤其是提高大功率气动马达的效率,这是一个很值得研究的问题。通常,在设计气动马达时,考虑尽量减少进气、排气的压力损失,并且提高制造精度,采取这些措施可使气动马达的效率有

2、所提高。但是,对于正反转性能相同 的气动马达来说,通过改进设计配气机构,尽 可能充分地合理地提高压缩空气能量 利用率,并消除排气过程的压缩负功,是提高气动马达效率的最有效、最有潜力可挖的途 径。运动,使气缸有规律的进气、排气而实现的。一般正反转性能相同 的径向活塞式气动马达,其配气阀芯 的进、排气孔是对称结构,如图1或 图2所示。二、正反转性能相同的径向活塞式气动马达1.对称结构阀芯的气动马达径向活塞式气动马达 的 工作,是靠其与曲轴同步旋转的配气阀芯与阀套配气孔相对田2凿岩机械气动工具,199 5(1图1所示配气阀芯 的径向活塞式气动马达,由于阀芯 的中角与阀套孔的刀角相等,气缸进气结束后就

3、立即开始排气,只靠进入气缸压力为p工的压缩空气直接推动活塞做功,完全没有利用 压 缩空气膨胀的能量来 做功,因此压缩空气的能量利 用率很低。其理论示功图如图3所示,压缩空气对活塞所做PlVi=VZ图3钓理 论 功为:L=P:犷:一P:犷2=(P,一PZ)犷(1)图2所示配气阀芯 的气动马达,由于 阀芯 上 的甲角大于阀套孔的刀角,气缸进气结束后并不立 即排 气,而是 要继续转过(甲一刀)角后才 开始排气。在此期间,气缸内的压缩空气由压力p,膨胀到压 力 降为pZ ,继续推动活塞做功,压缩空气的能量 利用率比前者高。但由于阀 芯是对称结构,其排气过程存在压缩负功,并且 主排气孔所占的角度 较大,

4、因而排气提前角也较大,气缸 的有效工作容积犷2不能达 到应有 的最大值。这种 配气阀芯 的气动马达,其工作过程及理论示功图分别如图4、图5所示。一个理论 工作循 环 中,压 缩空气对气动 马达一个气缸 的活塞所做 的总理论功为“:巾丰月 肇。一一 石石1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1申令馨。图4a.开始进气b.进气终了c.膨胀终了d.第一次排气终了e.压缩终了f.开始下一次进气一一祝 可可可可可可 卜卜,二二二二夕夕3一巧_ _ _乙=,1厂1+攀:。:一答:,、:一PZ不厂31,、l 万戈乡,一夕2)十,二二一不 七Vr 上(要一六卜,2“一甲七7厂、Jr.P2r. . . .LV

5、X一一式中p,、犷1图5(2)pZ一一分别为进气、排气绝对 压力V:分别为进气终了、膨胀终了时 的气缸容积凿岩机械气动工具,1995(1):多变过程指数,一般n=1.2 51.3,一膨胀比,甲黔一般取!一1.151.32.改进设计 配气机构 的 气动马达将气动马达正转和反转时阀芯 的进、排气分别布置在阀芯不 同轴向位置的两个截面上,正转时 由(a )截面配气,反转时 由(b )截面配气,如图6所示。两个配气截面 的转换,由控制气动马达换向的换向阀并联气路推动阀芯轴向移动来实现。采用这种结构配气阀芯的气动马达,可使气缸的有效工作容积V:增大(当然要有适当的排气提前角),并使膨胀功增大而又消除了排

6、气过程的压缩负功,从而提高了压缩空气的能量利用率。这种马达的工作过程及理论示功 图分别如图7、图8所示。一个理论工作循环中,压缩空气对气动马达一个气缸的活塞所做的总理论功为3:丁2口(a)正转(b)反 转图6巾成娜。奋南馨书由餐(a)(b) 丈一一一一 巨戒、 图7a.开始进气b.进气终了c.膨胀终了d.开始下一次进气式中各符号与式(2)相 同。,可取比前者偏大。:二,:二;+荟:,J:一,2:2三、正反转性能相 同的i厂1 =厂:布p工I 万+、 、CV1了生_奥、 ) n一1, /夕叶片式气动马达一PZ(3)1.主排气孔位 置固定的气 动马达一般正反转性能相同的叶片式 气动马凿岩机械气动工

7、具,1 995(1)达,其进(排)气孔和 主排气孔对称布置在气缸上,位置固定不变。这种马 达的工作过程如图9所示,其理 论示功图与图5相同。在一个理论工作循环 中,压缩 空气对气动马达一 个气腔的叶片所做的总理论功为弓:二,1:!+丁暮:p d:一J荟:pd二一P:犷a=VZ1 二一气P-一pZ) 甲1厂 二 二一于lp-,.二、x借一奋)+,2“一一(4)式中p:、pZ分别为进气、排气绝对压力V:、V:分别为进气终了、膨胀终了时气腔的容积”多变过程指数,一般取n=1.251.3e,一膨胀比,。,=牛,一般可 一 一一犷l”取。:,=1.316这种配气机构的叶片式气动马 达,其缺点与前述的对称

8、结构阀芯 的活塞式气动马达相似,其排气过程存在压缩 负功,而且气腔主排气孔进(排)气孔排(进丫 今川奈卿a.开始进气e.压缩终了图9b.进气终了。.膨胀终了d.第一次排气终 了f.开始下一次进气有效工作容积犷:远 远未 达到应有的最大 值。2.具有正反转 换 排气角度机构的叶 片式气动马达5.针对上述 主排气孔位置固定的叶片式气动马达的缺点,把主排气孔 设置在马达两个端盖上。当马达正、反转 时能自动控制两个端盖转过某一角度,也就是改变了 主排气孔的角度,如图1 0所示。这样就使马 达的气腔有效工作容积犷:达到应有的最大 值(提 前10。一1 5。开始排气),并消除排气过程的压缩负功,从而增大马

9、达的功率和提高效率。这种配气机构的马达,其理论示功图和图8相反转时_i排气孔 转到此位置时主排气孔 此位置进(排)气孔排(进)气孔图10凿岩机械气动工具,19 95(1)同。在一个 理论工作循环中,压缩 空气对气动马 达一个气腔 的 叶片所做的 总理论功为:二,1:1+!荟洲:一。:2f厂11/11 、 =厂2飞P J眨瓦十石二万又歹一了少J进气角度0,二90。+30。二1 200开始排气时曲轴相对于上死点的转角0:“14 0“进气终了和 开始排气时 活塞端面相对于曲轴回转中心 的距离分别 为一PZ(5)Xl=一“!+了卜仔)“S;一。,式中各符号与式(4)相 同,。,可取比前者偏大。=0.0

10、3e os1 2 0四、设计计算实例+” 2了卜(黯)2522 0=0.102(m)例1有一正 反转性能相 同的五缸曲轴连 杆径向活塞式气动 马 达,气缸内径D=g om m,偏心距e=3 om m,连杆长度l=1 2 0m m,配气阀芯及阀套的进排气孔 角度如图n所示,进气绝对压 力为O.6MPa,排气压力为o.iMPa,额定转速为s s or/min,计算气动马达 的输出功率。当配气阀的结构改为 图1 2所示 时,其输出功率为多大?-一月.,/_/e、2.环2一cVs a“,闷工一气了/“ n口2=0.03Xeos1 40+。 2了卜(黯25nZ“。=0.0 9 5 5(m)进气终了时和

11、开始排气时(膨胀终了时)气缸容积分别为:二罕(十一“1_兀x0.092,八.。.。_。、一气U.1 乙一U.U吞一U.I U 乙少 4犷:=3.05兀D“4x10一(皿3)(l+e一xZ)参图1 1卯坚令翌(“2+”3一”0 9 55=3.4 7X10一(皿3)膨胀比。甲=华=厂13.4 7义1 0一43.0 5x1 0一4气动马达一个理论工作循环中,压缩空气对一个气缸 的活塞所做的总理论 功为(取过程指数n二1.3 ):(a )正转配气截面(b )反转配气截面fl,、1 乙=厂2飞忑气p一p“+石二丁图1 2计算方法可参看文献1、3。1.配气阀如图n所示时X,:(会一劲+,2(卜一)=3.4

12、 7、1。一x万兴(6一1)、10.tl14凿岩机械气动工具,19 95(1)1_,/1 +r万巧 L匕XI。X又正砚1 一2.1 4,“/+1x10(1一11 41一)=171.2( J )气动 马达的理 论功率为:N=L Zn=1 7 1.2x5X85 0/60=1 2 1 27(W)气动马 达 的有效输出功率为(取气动马达的多变总效率:=0.5 ):N.二N刀=1 2127X0.5=606 3(W)幻6.0 6(kw)2.配气阀结构如图1 2所 示时01=80“+3 0“=1 10“0:=16 0“劣一=0.03eosl lo“卜(黑)“S“。=1 7 6(J)N尸=1 76x5X850

13、/60=12 46 7(W)N.产=1 24 67x0.5=6 2 3 3(W)澎6.2 3(kw)前后两者相比厂:尹/犷:=2.77x10一/3.05x1 0一4=0.9N.尸/N。=6.2 3/6.0 6=1.0 28计算结果相比表明,后者 的耗气量仅为前者的9 0%,而 后者功率却比前者大2.8%。例2某正反转性能相同 的叶片式气动马达,其气缸内半径R=67.5mm,转子半径r二57.5mm,偏心距e=1 0mm,气缸、转子长度l=1 75 mm,叶片数Z=4,叶片厚 度占=6m m,配气角度如图1 3所示。马达 的进气绝 对压 力为O.6MPa,排气绝 对 压 力 为0.IMPa,额定

14、转速为28 0 0r/min,计算其输出功率。若马达主排气孔改进 设计成 图 1 4所示 的可 转换角度,其输出功率为多大?计算方法参看文献4。1.图13所示配气 角度的马达进气角甲:=甲。一刀/2=130“一90。2 /=85“进气终了时气腔理论 面积为了/口洲 O自. 0+=0.1 064(皿)劣:=0.0 3e os16 o。+”2足卜(黑)“51一1 6。=0.0 9 1 4( m)犷l一兀X0.0 924(0.12+0.0 3一0.1 064)A,=e2sin北兀 玄“ 。 “了c os2甲-=2.7 7义10一(m3)犷2_兀X0.0924(0.0 2+0.0 3一0.091 4)

15、=3.73x1 0一月(m3)3.7 3义1 0一42.7了x1 0一4=1.35L尸=犷2一PZ,1乡燕(汁一约 =3.7 3、1。一、6又1。义;书LLlOJ1/1 十丁 -二尸- -丁.丁-气万二 1.j一11.吞匀1_,x1 051.351(1)图13甲,=1300一90“/2=55.印:=1 5。+。o“/2=60“、. . .J、,了凿岩机械气动工具,1 995忿气腔面积收缩系数浇=卜二典)=1一份华熟 艺扛左乙兀 入01一口图14印:“850甲:=一510+900/2=30+2*一in誉。S,1+(誓+R=0.9 43 4进气终了、膨胀终了时气腔有效面积为:人:=久A:=0.9434xl.0796x10一= =1.0 1 8 5x10一3(mZ)选2=久A:=0.9434xl.4s5sxi0一=1.41X1 0一。(mZ)进气终了、膨胀终了时气腔容积为犷:=A一l=1.018 5又1 0一“义0.175=1.7 8 2X10一(ms)犷:=月。21=1.41义1 0一“x0.175=24 6 7 5义1 0一(m3)忍甲=。、兀一r一/万犷2_犷12.4 6 75X1 0一4_.二一-二 , , 吧- - - - , 月 r二二一1 1.了8 2XIU一万“ n九兀 牙“0 “了二0.0 1Zsin兀兀 了c o “了“ 。“+2一个理论