自來水驅(qū)動(dòng)的多功能液壓馬達(dá)

1、自來水驅(qū)動(dòng)的多功能液壓馬達(dá) . 摘要 這篇論文討論了一種新型的液壓馬達(dá)和閥，它可以運(yùn)用到水下機(jī)器人來控制輪動(dòng)速度，這種馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是它能用于像自來水那樣的低壓驅(qū)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)良好的表現(xiàn)。這種機(jī)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(jī)械的運(yùn)動(dòng)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(dòng)馬達(dá)。相反地,液壓閥使軟管變形控制馬達(dá)。從而不需要密封來實(shí)現(xiàn)沒有絲毫的泄漏。另外，控制輪動(dòng)速度的液壓閥可以由流體力信號(hào)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(tái),這種理論上的轉(zhuǎn)力矩的驅(qū)動(dòng)理論和特點(diǎn),輪動(dòng)的速度和效率將在本文由實(shí)驗(yàn)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(dòng)的液壓動(dòng)力,那么一個(gè)有關(guān)機(jī)器人和各種各樣的行動(dòng)機(jī)械的新領(lǐng)域?qū)⒖隙〞?huì)得到延伸和擴(kuò)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(gè)有點(diǎn):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(diǎn)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(gè)領(lǐng)域:1: 為沐浴的人提供能量幫助（圖1）2: 加工肉類的機(jī)械的清洗將變成可能3: 草坪上的撒水裝置的驅(qū)動(dòng)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(dòng)的輪子需要沖進(jìn)地下拱廊的救火機(jī)械或是正被烈火

3、包圍的建筑物（圖2）等等同時(shí),油壓裝置或是氣壓裝置由水來驅(qū)動(dòng)幾乎是不可能的.從泄漏的觀點(diǎn)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(duì)氣動(dòng)裝置來說,油液的潤(rùn)滑性都被水給沖走了,然后,為了改進(jìn)這些缺點(diǎn),由高于7MPa(70kgf/cm²)的高壓力驅(qū)動(dòng)的水壓裝置被設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來了,最終還走向了市場(chǎng)。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(dòng)的水壓氣缸正在市場(chǎng)上流行.但是液壓馬達(dá)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(dòng)的 水壓馬達(dá)正被報(bào)導(dǎo).馬達(dá)由更低壓力來驅(qū)動(dòng)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(dòng)的水壓馬達(dá)的新型馬達(dá)將在本文里通過對(duì)新型閥控制輪動(dòng)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(dòng)的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)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(diǎn)將會(huì)得到描述,第4節(jié),里這種已經(jīng)設(shè)計(jì)出來的機(jī)械模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)得到描述。 圖1由水壓馬達(dá)舉起的受看護(hù)的人 圖2 水壓馬達(dá) 2. 驅(qū)動(dòng)原理2.1基本概念 傳統(tǒng)的油壓機(jī)械由于運(yùn)動(dòng)部分和工作流體之間不能進(jìn)行直接的聯(lián)系,當(dāng)這些機(jī)械由水壓來驅(qū)動(dòng)的時(shí)候,因?yàn)樗恼承员扔鸵?造成機(jī)械內(nèi)部發(fā)生大量的泄漏,.如果為了防止泄漏而加強(qiáng)密封則會(huì)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(dòng)的機(jī)械

5、裝置卻必須要很高的壓力才能進(jìn)行驅(qū)動(dòng),同時(shí),因?yàn)槲覀円韵褡詠硭粯拥牡蛪候?qū)動(dòng)力作為研究目標(biāo),這里即將談到的”軟管驅(qū)動(dòng)”的驅(qū)動(dòng)原理和傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理有著根本的區(qū)別.”軟管驅(qū)動(dòng)原理”是關(guān)于從自來水那樣的彈性變形物體獲得驅(qū)動(dòng)力,來控制機(jī)械的運(yùn)動(dòng)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(dòng)原理可以解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的下面幾個(gè)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(dòng)的一個(gè)例子，這個(gè)例子用來自于一根軟管的水壓力來形成有一個(gè)自由度的線性沖擊力，擠壓著軟管的兩個(gè)滾筒可以從軟管插入方向的那個(gè)

6、構(gòu)件中獲取驅(qū)動(dòng)力,從而利用這個(gè)壓力來實(shí)現(xiàn)于工作運(yùn)動(dòng)部件的通訊聯(lián)系，這種機(jī)械同樣能被運(yùn)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(dāng)中。當(dāng)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(dòng)。更進(jìn)一步來說,機(jī)器運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)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(duì)于速度來講,可以通過改變清除下游部分的軟管來進(jìn)行控制.對(duì)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(dòng)”的管子必須非常柔軟但是當(dāng)它收壓時(shí)又不至于膨脹。在本篇論文中,旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的控制可以通過對(duì)線性沖擊力的轉(zhuǎn)換(見圖3),同時(shí)通過閥來控制輪

7、動(dòng)速度也將得到論述。首先,讓我們先把目光放到馬達(dá)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(dòng)的例子 圖4擠壓滾輪的兩種轉(zhuǎn)動(dòng)方式2.2 IP馬達(dá)的提出 當(dāng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)而管子被破壞時(shí)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(jiǎn)單,因?yàn)榍罢叩慕Y(jié)構(gòu)不用考慮管子的外面部分.但是, 當(dāng)它們放到 同樣大小的鼓道當(dāng)中時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩比后者的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩要小.通過這些事實(shí),滾筒的內(nèi)部接觸類型能被放進(jìn)一個(gè)小鼓,所以這種類型很適合當(dāng)

8、作基本的設(shè)計(jì)。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(dòng)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(gè)特點(diǎn):1: 即使管子在鼓道里被彎曲成三百六十度. 驅(qū)動(dòng)力一點(diǎn)都不會(huì)增加2: 即使一個(gè)滾筒壓碎一根管子,驅(qū)動(dòng)力也不會(huì)增加.3: 三百六十度的管子滾動(dòng)構(gòu)件中可以存在一點(diǎn)能同時(shí)成為滾筒的進(jìn)口和出口,這個(gè)點(diǎn)成為死點(diǎn),它不能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力.關(guān)于特點(diǎn)三,死點(diǎn)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(jìn)口和出口在不同的位置.因此,無限旋轉(zhuǎn)的機(jī)械就可以僅需用兩根彎成三百六十度的管子和一個(gè)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(shí)間很長(zhǎng)從而會(huì)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(gè)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(shí)間,下面又將談到一種新的馬達(dá).這種新的馬達(dá)所運(yùn)用的管子被分成兩部分,它們成一百二十度挨著鼓道(當(dāng)然另外一處時(shí)二百四十度),為了能一直都獲得驅(qū)動(dòng)力,它在每個(gè)一百二十度的都需要一個(gè)輪子,如圖5所示.這種馬達(dá)被稱作為”內(nèi)部接觸擠壓滾輪型水壓馬達(dá)”( the Inner Touching Pinch Roller Type Water Hydraulic Motor)簡(jiǎn)稱為”IP馬達(dá)”,這種馬達(dá)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn): 1: 和那些把軟管彎成三百六十度的的馬達(dá)相比,這種馬

10、達(dá)對(duì)皺褶的抵抗力很強(qiáng),在一般的壓力下,它的轉(zhuǎn)矩甚至可以是前者的兩倍。 2: 對(duì)于”軟管驅(qū)動(dòng)”,自來水可能被用于驅(qū)動(dòng),而地下水不會(huì)傷害機(jī)械部件。 3: 這種馬達(dá)通過增加鼓道里管子的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)減壓,它的減壓效率相當(dāng)于圖5所示的減壓器。 擠壓滾輪 齒輪圖5 IP 馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化模型的理論轉(zhuǎn)矩將在這里得到論述.因?yàn)楹洼喿酉嗦?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(jì)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(zhǎng)度L可以這樣

11、計(jì)算.L=(2r-h)/2 (2) 管子在Ø點(diǎn)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(jì)算得出:考慮到兩個(gè)輪子一直都受到推力,理論轉(zhuǎn)矩可以如下計(jì)算:說明: k代表了鼓道里管子的數(shù)目，結(jié)果它等價(jià)于管子截面的單位力矩.3.2 輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度理論的輪動(dòng)速度w可以如下計(jì)算(Q代表馬達(dá)內(nèi)總的流動(dòng)速度,V 代表每個(gè)馬達(dá)每根管子的水的數(shù)量)W=Q/kv (6)3.3 效率實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩和輸出輪動(dòng)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(shí)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?yàn)檩S承迫使軟管變形加劇而導(dǎo)致輪子對(duì)軟管壓力的增大，后種效率也會(huì)逐漸變小。無論是哪種效率，它們都可以簡(jiǎn)單地如下表述：因此，總的效率可以如下表述4 實(shí)驗(yàn)4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖7 設(shè)計(jì)好的IP馬達(dá)和擠壓閥圖7所述的IP馬達(dá)被用來校驗(yàn)上述的理論分析。它包括圖8中的三個(gè)部分。這個(gè)實(shí)驗(yàn)用的IP馬達(dá)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(dòng)速度而確定的最大動(dòng)力決定）的比例安裝了行星齒輪。整個(gè)實(shí)驗(yàn)

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(yùn)動(dòng)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(shí)候測(cè)量卸載水的重量而知曉，輪動(dòng)速度、壓力和轉(zhuǎn)矩可以分別利用頻閃觀測(cè)儀、壓力表和電磁動(dòng)力閘來測(cè)量。更進(jìn)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(dá)的三個(gè)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(gè)試驗(yàn)裝置在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)里，輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度由電磁動(dòng)力閘測(cè)量負(fù)載的變化從而進(jìn)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(diǎn)一點(diǎn)慢慢變化時(shí)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力兩者變化的結(jié)果。黑色的標(biāo)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(biāo)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(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加時(shí)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?yàn)檩喿拥霓D(zhuǎn)動(dòng)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(jì)算輸出動(dòng)力的大小。它們以三角的標(biāo)志標(biāo)識(shí)。這些三角形展現(xiàn)了對(duì)應(yīng)每個(gè)供給壓力的輪動(dòng)速度輸出的最大值。 圖11 輸出轉(zhuǎn)矩和輪動(dòng)速度的關(guān)系 圖12 容積效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖13 轉(zhuǎn)矩效率的輸出結(jié)果在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)里的容積效率X1是在沒有負(fù)載的情況下測(cè)量出來的

15、輪動(dòng)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(dòng)速度的增加而減少。事實(shí)上，在這個(gè)試驗(yàn)里，輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增加可歸因于整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)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?yàn)楦邏毫Χ鴮?dǎo)致的泄漏。無論怎么說，要改進(jìn)這個(gè)系統(tǒng)，就要考慮設(shè)計(jì)一根軟管，這種軟管受到?jīng)_擊時(shí)它的兩端沒有泄漏。在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)矩效率X2是將測(cè)量得到的輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度和流體代入等式（8）而推出的。（見圖13）測(cè)量的轉(zhuǎn)矩是IP馬達(dá)第一次停止時(shí)，閘刀的流體一點(diǎn)一點(diǎn)變化的數(shù)值。根據(jù)這個(gè)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(dāng)壓力增加時(shí)，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(jì)出新曲率的軟管。最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)，總效率是在把輸出動(dòng)力和輸入動(dòng)力都測(cè)量出來后，計(jì)算出來的。當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨著壓力的轉(zhuǎn)換而分別為200rpm，300rpm，和400rpm時(shí)，總效率見圖14。在這三種速度中，在同樣的壓力情況下200rpm對(duì)應(yīng)的總效率是最大的。因?yàn)楫?dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度降低時(shí)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(dòng)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(dá)機(jī)械還必須做下面的改進(jìn)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪和鼓道之間的間隔增大時(shí)，泄漏引起的損失增大，當(dāng)然當(dāng)它們之間的距離變小時(shí)，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(dāng)在鼓道附近，也就是說要與鼓道保持理想的間隔。因?yàn)楣茏拥暮穸炔粫?huì)一直不變，所以就有必要介紹一種能自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的機(jī)制，它能用來保正輪子的驅(qū)動(dòng)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(duì)輪子的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償。 圖14 總體效率的試驗(yàn)結(jié)果 圖15 驅(qū)動(dòng)力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置 圖16 擠壓閥裝置4.3 無需用電而進(jìn)行速度控制的方法為了能夠控制IP 馬達(dá)的速度，圖16所示的擠壓閥被設(shè)計(jì)了出來，并且這種裝置已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)過了。擠壓閥是在軟管驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(dá)上聯(lián)著兩根軟管，擠壓閥聯(lián)在卸載的一邊比裝在負(fù)載的一點(diǎn)要更好。因?yàn)椋?. 它需要更小的力量驅(qū)動(dòng)軟管。2. 它能形成表外循環(huán)而很少受到負(fù)載的影響。結(jié)果證明，用手拉導(dǎo)線操縱擠壓閥