径向活塞式气动马达的运动学分析

2017-11-13  来自: 永嘉县圣邦自动化仪表有限公司 浏览次数:384

  气动绞车以活塞式气动马达为动力,广泛应用于采掘矿场、建筑工程拖运矿车、井下提升牵引工具以及海洋和陆地钻井平台上吊装钻杆等。活塞式气动马达以压缩空气为工作介质,具有防爆性能好、不受高温及振动的影响,可长期满载工作;而且其温升较小、功率范围及转速范围较宽,具有较高的启动转矩;并具有带载启动、结构简单、操纵方便、维修容易及成本低等优点。

  在给定的气压条件下,研究气动马达的运动和转速变化规律,对于确定马达负荷、额定负荷及额定转速的关系,即研究活塞式气动马达的运动特性具有重要的意义。

  1 数学模型的建立与分析

  1.1 气动马达数学模型

  该研究项目的气动马达有 6 个活塞缸,且每个活塞对曲轴的旋转 (提升负载) 作用一致,因此,可先以单个活塞与曲轴之间的运动规律进行研究。并以曲柄连杆机构作为活塞式气动马达的基本运动学模型[1]。如图 1 所示,连杆长度 L 等于活塞连杆长度,旋转半径 r 为曲轴偏心距,滑块 A 的行程 x 等于活塞的有效位移。

  

曲柄连杆结构


  2 能量守恒

  把压缩空气的消耗量折算到温度为 293 K、绝对压力为 1 kg/ cm2 时的耗气量 (不考虑泄漏)

  

公式


  式中:Z 为气缸个数,取 3~6;V 为进气容积,m3;n 为气动马达转速,r/ s;T 为进气的绝对温度,K。

  气动马达内气体所做总功即活塞位移产生的总功

  W总 = pq,

  式中:p 为输入气体额定气压,Pa。气动马达输出功即曲轴转动形成的总功

  W输出 = M 

  式中:M 为曲轴输出力矩,N·m; 为曲轴角速度,rad/ s。

  气缸排气需要一定的压力,需消耗部分功

  W消耗 =  pq, (13)

  式中: p 为排气所需压力,与排气量 q 的平方成正

  比,即  p = Kq2,K 为排气孔常数[3]。

  在忽略部件间的摩擦、泄漏和惯性力做功情况

  下,根据能量守恒定律 W总= W输出 + W消耗。

  2 实例分析

  JQH-5×48 型气动绞车上的气动马达有 6 个气缸,输入气体额定气压 p = 0.6 MPa,进气容积 V =0.12×10-3 m3,排气孔常数 K = 2.5×109,根据式 (15)即可得出 n - M 变化曲线,如图 2 所示。

  

M 关系曲


  JQH-5×48 型气动绞车上的气动马达曲轴偏心距 r = 25 mm,连杆 L = 110 mm,连杆比 = r/ L =5/ 22。当气动马达的输出转矩 M = 26 N·m 时,计算可得马达转速 n = 17 r/ s,即曲轴角速度 w = 106.76rad/ s。为了便于分析说明,将 6 个气缸进行编号,如图 3 所示。

  

气缸编号


  由图 3 可知,相对于曲轴 6 个气缸呈环形均匀排布,当曲轴顺时针旋转一圈,活塞各往复运动一个周期,且各个活塞运动相位依次滞后 60°,如Ⅱ号活塞运动相位滞后于Ⅰ号活塞 60°,Ⅲ号活塞运动相位滞后于Ⅱ号活塞 60°。根据式 (7) ~ (9),依次可得出各个活塞运动与曲轴转角之间的关系[5],使用 MATLAB软件绘制相应的曲线,如图 4 所示。

  

活塞位移与曲轴转角


  

活塞运动与曲轴转角的关系曲线


  3 结语

  在给定的气压条件下,确定活塞式气动马达的机械结构和供气相位,并根据气动马达和阻力矩的关系,研究气动马达的运动特性,对于优化马达结构参数、供气排气和工作效率有重要的意义。网站导航

 

关键词: 径向活塞式气动马达的运动学分析           

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