內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)滾子與導(dǎo)軌設(shè)計(jì)加工中的若干技術(shù)問(wèn)題

1、內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)滾子與導(dǎo)軌設(shè)計(jì)、加工中的若干技術(shù)問(wèn)題趙崇碧 陳卓如（寧波斯達(dá)弗液壓傳動(dòng)有限公司）摘要：內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)滾子、導(dǎo)軌合理凸度設(shè)計(jì)可有效減弱閉合效應(yīng)，能有效的改善滾動(dòng)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(yùn)行時(shí)的溫升，有利于形成彈性流體潤(rùn)滑，從而降低液壓馬達(dá)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，提高液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)使用特性及使用壽命。關(guān)鍵詞：內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá) 滾子凸度設(shè)計(jì) 對(duì)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(dá)種類(lèi)較多、依據(jù)產(chǎn)品的壓力等級(jí)分為高壓與低壓低速大扭矩液壓馬達(dá)。高壓低速大扭矩液壓馬達(dá)在歐美等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的工程機(jī)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(guó)（川琦）staffa曲軸連桿液壓馬達(dá)和瑞典hagglunds、法國(guó)poclain為代表的內(nèi)曲線(xiàn)多作用徑向低速大扭矩液壓馬達(dá)，以其產(chǎn)品的壓力等級(jí)高、功率密度大、低速穩(wěn)定性好、抗沖擊能力強(qiáng)、模塊化生產(chǎn)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在靜液壓傳動(dòng)裝置（簡(jiǎn)稱(chēng)hst）中。國(guó)外內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)在制造、應(yīng)用經(jīng)過(guò)六十多年的發(fā)展已比較成熟。國(guó)內(nèi)內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)、制造也已有近四十年的歷史，但國(guó)內(nèi)企業(yè)因進(jìn)行調(diào)整而時(shí)斷時(shí)續(xù)，沒(méi)有形成一定規(guī)模。國(guó)外已成熟生產(chǎn)的滾子式內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá),國(guó)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(wèn)題而使液壓馬達(dá)存在故障率偏高，壽命短等一系列問(wèn)

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(wèn)題將逐漸得到解決。二、內(nèi)曲線(xiàn)多作用徑向低速大扭矩液壓馬設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的問(wèn)題自20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)在內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)的參數(shù)選擇和導(dǎo)軌曲線(xiàn)的輸出無(wú)脈動(dòng)設(shè)計(jì)等方面取得了不低于國(guó)外的進(jìn)步。但近20多年來(lái)，國(guó)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?cè)跐L子柱塞副的材料匹配選擇設(shè)計(jì)、滾子外形設(shè)計(jì)及柱塞內(nèi)圓柱面的設(shè)計(jì)加工等方面與國(guó)外尚有明顯差距，影響了這類(lèi)液壓馬達(dá)性能和壽命的提高。我們經(jīng)過(guò)大量的臺(tái)架試驗(yàn)、工業(yè)性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液壓馬達(dá)在中低壓狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的使用狀況較好，高壓狀態(tài)下使用時(shí)液壓馬達(dá)的壽命會(huì)出現(xiàn)下降，經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀(guān)察及分析后發(fā)現(xiàn)這不僅與滾子柱

4、塞副，滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)和材料的選取及液壓馬達(dá)使用中的油液清潔度有關(guān)，而在設(shè)計(jì)、加工、裝配過(guò)程中一直忽略了導(dǎo)軌曲面的母線(xiàn)及滾動(dòng)體(以下簡(jiǎn)稱(chēng)滾子)母線(xiàn)型式對(duì)液壓馬達(dá)承載能力及接觸疲勞壽命的重要性影響。其中滾子母線(xiàn)型式對(duì)內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)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(jī)理及其凸度設(shè)計(jì)分析內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)滾子與導(dǎo)軌形成一對(duì)線(xiàn)接觸重載的滾動(dòng)摩擦（高副），在工作過(guò)程中滾子與導(dǎo)軌接觸面形成油膜潤(rùn)滑。此摩擦副中的行為，屬?gòu)椥粤黧w動(dòng)力潤(rùn)滑特性，它決定了零件的承載力及運(yùn)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(rùn)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(xiàn)接觸理論計(jì)算值小得多。滾子端部的閉合效應(yīng)在隨載荷的增大過(guò)程中，其端部邊緣應(yīng)力也會(huì)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(rùn)滑油封在摩擦副內(nèi)，有利于內(nèi)部形成和增厚潤(rùn)滑油膜；另一方面，過(guò)高的端部油膜壓力會(huì)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(gòu)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(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線(xiàn)導(dǎo)軌在加速區(qū)起點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)后生產(chǎn)的內(nèi)曲線(xiàn)多作用徑向低速大扭矩液壓馬達(dá)滾子與導(dǎo)軌，未見(jiàn)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(jìn)前滾子改進(jìn)前導(dǎo)軌改進(jìn)滾子改進(jìn)導(dǎo)軌 四、滾子與導(dǎo)軌凸度設(shè)計(jì)在液壓馬達(dá)中應(yīng)用狀態(tài)及改進(jìn)我們現(xiàn)在應(yīng)用于內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)滾子的母線(xiàn)為直母線(xiàn)，兩端為正截面的幾何真圓柱形有限長(zhǎng)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(shí)不能形成全膜潤(rùn)滑。提高速度會(huì)使?jié)櫥湍ぴ龊瘢抑胁颗c兩端油膜厚度之差相對(duì)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(duì)滾子進(jìn)行凸度技術(shù)改進(jìn)，在對(duì)直母線(xiàn)形式滾子凸度設(shè)計(jì)過(guò)程

7、中，滾子母線(xiàn)幾何形狀的微小改變會(huì)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(jì)改進(jìn)不改變?cè)袧L子幾何尺寸，凸度設(shè)計(jì)修形部分占滾子長(zhǎng)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(dòng)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(yùn)行時(shí)的溫升，有利于形成彈性流體潤(rùn)滑，從而降低液壓馬達(dá)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，提高液壓馬達(dá)的動(dòng)態(tài)使用特性及使用壽命?，F(xiàn)在軸承廠(chǎng)家設(shè)計(jì)、制造的滾子一般均有凸度設(shè)計(jì)，但為降低加工成本，其凸度設(shè)計(jì)修正的滾子邊緣突變較大，雖有凸度設(shè)計(jì)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(zhǎng)度，不符合我們內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬

8、達(dá)中的使用要求。我們現(xiàn)在滾子凸度設(shè)計(jì)時(shí)所要求的滾子母線(xiàn)型式可為對(duì)數(shù)母線(xiàn)型滾子或修正線(xiàn)型滾子（凸型為兩段圓弧相切形成），均在滾子超精加工時(shí)進(jìn)行修形。對(duì)數(shù)母線(xiàn)型滾子在中部70%的長(zhǎng)度上接近于直線(xiàn)，在滾子兩端曲率變化較快，接觸壓力沿長(zhǎng)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(shí)，它的壓力分布優(yōu)于其它各類(lèi)凸度線(xiàn)型滾子。修正線(xiàn)型滾子由光滑連續(xù)的曲線(xiàn)形成，其切點(diǎn)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(mǎn)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(xiàn)滾子對(duì)液壓馬達(dá)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(shí)，滾子的邊緣效應(yīng)急劇增大。我們往往在未達(dá)到系統(tǒng)額定工作壓力時(shí)，就已接近滾子的額定載荷。內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)導(dǎo)軌母線(xiàn)也應(yīng)進(jìn)行凸度設(shè)計(jì)，由數(shù)控內(nèi)曲線(xiàn)磨床來(lái)完成導(dǎo)軌曲線(xiàn)凸度的加工（需要對(duì)現(xiàn)有機(jī)床加工程序進(jìn)行調(diào)整來(lái)進(jìn)行砂輪的修整，以滿(mǎn)足導(dǎo)軌曲線(xiàn)凸度的加工或通過(guò)機(jī)床宏程序調(diào)整來(lái)達(dá)到），與滾子進(jìn)行配對(duì)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(shí)用以改善滾動(dòng)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(yùn)行時(shí)的溫升，提升滾動(dòng)摩擦的承載力。五、液壓馬達(dá)導(dǎo)軌在磨削中注意事項(xiàng)液壓馬達(dá)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(guò)程中還應(yīng)通過(guò)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(jī)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(guò)回火塑性變形層組成。磨削瞬時(shí)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(guò)程中還應(yīng)控制磨削變質(zhì)層，磨削變質(zhì)層的厚度會(huì)隨砂輪徑向進(jìn)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(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)、熱循環(huán)等交變載荷作用下，磨削變質(zhì)層會(huì)導(dǎo)致硬化層界面處的裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致大塊顆粒層狀脫落以及疲勞裂紋的萌生。加工過(guò)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(jìn)行選取，應(yīng)由微小磨粒組成、由韌性大、強(qiáng)度高、自銳性好的中軟微晶剛玉進(jìn)行磨削（其它導(dǎo)軌材料應(yīng)根據(jù)具體成份進(jìn)行砂輪選?。?，其粒度選用可在80#（應(yīng)對(duì)現(xiàn)有的60#白剛玉砂輪進(jìn)行更換）。在砂輪修整時(shí)應(yīng)采用性能較高的金剛筆進(jìn)行修整，以得到符合要求的砂輪精整外形用以滿(mǎn)足磨削。在切入磨削過(guò)程中應(yīng)控制砂輪吃刀深度，逐級(jí)減少吃刀深度, 粗磨初始階段時(shí)就應(yīng)進(jìn)行小進(jìn)給磨削控制，以降低磨削熱的產(chǎn)生，磨削結(jié)束前進(jìn)行無(wú)火花磨削循環(huán)（具體磨削過(guò)程的進(jìn)刀參數(shù)還應(yīng)通過(guò)試磨削得出）。冷卻液壓采用h1高精度磨削液。從以上三個(gè)方面進(jìn)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(guò)程中的作用, 磨削之后可用碳纖維拋光刷進(jìn)行干拋導(dǎo)軌表面。在這三個(gè)方面調(diào)整過(guò)程中還需工藝人員進(jìn)行耐心、仔細(xì)的觀(guān)察及試驗(yàn)才能達(dá)到更好的效果。材料的熱處理是另一個(gè)需要重視的技術(shù)環(huán)節(jié)。內(nèi)曲線(xiàn)液壓馬達(dá)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(jìn)行球化退火，并在進(jìn)行淬火處理時(shí)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(diǎn)： 1、不氧化、不脫碳、不增碳，因?qū)ぜ?nèi)部和表面有良好的保護(hù)作用（鋼表面氧化皮往往是造成淬火軟點(diǎn)和淬火開(kāi)裂的根源，氧化使鋼件強(qiáng)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?fù)]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(xiàn)液壓馬達(dá)的可靠性和壽命提供加工基礎(chǔ)保障作用。我們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)制造過(guò)程中已在導(dǎo)軌、滾子的設(shè)計(jì)、加工方面有了較大的改觀(guān)，通過(guò)上述調(diào)整會(huì)使內(nèi)曲線(xiàn)多作用徑向低速大扭矩液壓馬達(dá)的整體性能、壽命有一定幅度的提升。參考文獻(xiàn)：陳卓如，低速大扭矩液壓馬達(dá)理論、計(jì)