内曲线液压马达滚子与导轨设计加工中的若干技术问题

1、内曲线液压马达滚子与导轨设计、加工中的若干技术问题赵崇碧 陈卓如（宁波斯达弗液压传动有限公司）摘要：内曲线液压马达滚子、导轨合理凸度设计可有效减弱闭合效应，能有效的改善滚动接触区的压力分布奇异性，减小或消除滚子边缘应力集中，减小运行时的温升，有利于形成弹性流体润滑，从而降低液压马达运行时的振动和噪声，提高液压马达的动态使用特性及使用寿命。关键词：内曲线液压马达 滚子凸度设计 对数滚子 导轨一、径向低速大扭矩液压马应用的现状 低速大扭矩液压马达种类较多、依据产品的压力等级分为高压与低压低速大扭矩液压马达。高压低速大扭矩液压马达在欧美等少数发达国家的工程机械、船舶、港口、钻探、矿山、水泥、冶金等行

2、业有较为广泛的应用，其中英国（川琦）staffa曲轴连杆液压马达和瑞典hagglunds、法国poclain为代表的内曲线多作用径向低速大扭矩液压马达，以其产品的压力等级高、功率密度大、低速稳定性好、抗冲击能力强、模块化生产等特点广泛应用在静液压传动装置（简称hst）中。国外内曲线液压马达在制造、应用经过六十多年的发展已比较成熟。国内内曲线液压马达的设计、制造也已有近四十年的历史，但国内企业因进行调整而时断时续，没有形成一定规模。国外已成熟生产的滚子式内曲线液压马达,国内目前还处于起步阶段，性能还不稳定，且因生产制造水平较低及使用使用中油液污染等问题而使液压马达存在故障率偏高，寿命短等一系列问

3、题，相信随着材料选取和工艺水平及油液清洁度的提高，上述问题将逐渐得到解决。二、内曲线多作用径向低速大扭矩液压马设计、制造过程中的问题自20世纪70年代以来，我国在内曲线液压马达的参数选择和导轨曲线的输出无脉动设计等方面取得了不低于国外的进步。但近20多年来，国外出现的滚子柱塞副取代滚轮柱塞副的新结构，我们在滚子柱塞副的材料匹配选择设计、滚子外形设计及柱塞内圆柱面的设计加工等方面与国外尚有明显差距，影响了这类液压马达性能和寿命的提高。我们经过大量的台架试验、工业性试验，发现液压马达在中低压状态下运行时的使用状况较好，高压状态下使用时液压马达的寿命会出现下降，经过仔细观察及分析后发现这不仅与滚子柱

4、塞副，滑动轴承结构和材料的选取及液压马达使用中的油液清洁度有关，而在设计、加工、装配过程中一直忽略了导轨曲面的母线及滚动体(以下简称滚子)母线型式对液压马达承载能力及接触疲劳寿命的重要性影响。其中滚子母线型式对内曲线液压马达功能部件损坏的影响较大（同滚子轴承的受力状态及失效型式十分相近）。三、滚子与导轨相互作用机理及其凸度设计分析内曲线液压马达滚子与导轨形成一对线接触重载的滚动摩擦（高副），在工作过程中滚子与导轨接触面形成油膜润滑。此摩擦副中的行为，属弹性流体动力润滑特性，它决定了零件的承载力及运行使用寿命。借鉴低速重载情况下滚子轴承的应用状况，在弹流润滑工况下滚子端部的油膜变薄，形成闭合效应

5、，并成为滚子摩擦副弹流的重要特征。闭合效应使端泄阻力增大，油膜压力局部升高，形成端部的压力峰值，相应的油膜厚度减薄，其值比线接触理论计算值小得多。滚子端部的闭合效应在随载荷的增大过程中，其端部边缘应力也会随之升高，其压力的奇异分布有可能切断端部的油膜。闭合效应在弹流中具有双重特性：一方面，它能减弱以阻止端泄，把润滑油封在摩擦副内，有利于内部形成和增厚润滑油膜；另一方面，过高的端部油膜压力会使材料的局部早期失效。以下前两张图片为自制导轨与外购滚子匹配因闭合效应产生滚子端部压力分布奇异而出现的现象，采用幅角修正等加速运动规律曲线导轨在加速区起点处所受接触应力最大，在图片中可以明显看到在加速区起点处

6、受到滚子端部压力分布奇异现象产生的状态。后面两张图片为改进后生产的内曲线多作用径向低速大扭矩液压马达滚子与导轨，未见有因闭合效应产生明显的滚子端部压力分布奇异现象。改进前滚子改进前导轨改进滚子改进导轨 四、滚子与导轨凸度设计在液压马达中应用状态及改进我们现在应用于内曲线液压马达滚子的母线为直母线，两端为正截面的几何真圆柱形有限长弹性滚子，摩擦副端部出现很高的油膜压力峰值，削弱了油膜的承载能力，低速重载时不能形成全膜润滑。提高速度会使润滑油膜增厚，而且中部与两端油膜厚度之差相对减少，承受载荷的能力有所提高。为了消除因闭合效应而引起的边缘应力，对滚子进行凸度技术改进，在对直母线形式滚子凸度设计过程

7、中，滚子母线几何形状的微小改变会使滚子的弹流特性发生很大改变。通常滚子凸度设计改进不改变原有滚子几何尺寸，凸度设计修形部分占滚子长度的20-30%。合理的滚子凸度修形可减弱闭合效应，能有效的改善滚动接触区的压力分布奇异性，减小或消除滚子边缘应力集中，减小运行时的温升，有利于形成弹性流体润滑，从而降低液压马达运行时的振动和噪声，提高液压马达的动态使用特性及使用寿命。现在轴承厂家设计、制造的滚子一般均有凸度设计，但为降低加工成本，其凸度设计修正的滚子边缘突变较大，虽有凸度设计修正，但并不能减弱或消除闭合效应，只是将端部压力的奇异分布位置向中心部转移，减低了滚子的有效接触长度，不符合我们内曲线液压马

8、达中的使用要求。我们现在滚子凸度设计时所要求的滚子母线型式可为对数母线型滚子或修正线型滚子（凸型为两段圆弧相切形成），均在滚子超精加工时进行修形。对数母线型滚子在中部70%的长度上接近于直线，在滚子两端曲率变化较快，接触压力沿长度方向均匀分布，这是最为理想的压力分布，最有利于承载，其接触压力集中系数为零。当受偏载荷时，它的压力分布优于其它各类凸度线型滚子。修正线型滚子由光滑连续的曲线形成，其切点附近基本不存在压力奇异分布现象，但曲率有阶跃，压力集中现象并未完全消除。一般情况下，能满足较高的精度要求，其接触压力集中系数为0.14，是目前应用较为广泛的滚子。直母线滚子对液压马达的零件加工、安装等都

9、有严格的要求，当受到偏载荷时，滚子的边缘效应急剧增大。我们往往在未达到系统额定工作压力时，就已接近滚子的额定载荷。内曲线液压马达导轨母线也应进行凸度设计，由数控内曲线磨床来完成导轨曲线凸度的加工（需要对现有机床加工程序进行调整来进行砂轮的修整，以满足导轨曲线凸度的加工或通过机床宏程序调整来达到），与滚子进行配对使用，用以消除由于安装和加工误差等原因而产生轴心偏斜及因旋转产生的挠曲度而导致的滚子偏载现象。同时用以改善滚动接触区的压力分布状态，减小或消除滚子边缘应力集中，降低运行时的温升，提升滚动摩擦的承载力。五、液压马达导轨在磨削中注意事项液压马达导轨与滚子采用gcr15simn、gcr15材料

10、或其它中碳合金钢，热处理后在加工过程中还应通过加工的工艺方法去除表面变质层。表面变质层为金属材料表面薄层的物理、化学性质和机械性能发生变化的特殊层，由表至里是由吸附层，氧化层、白层及过回火塑性变形层组成。磨削瞬时高温使工作表面层局部高温回火，致使该面软化变质，硬度下降，这就是磨削变质层。在磨削过程中还应控制磨削变质层，磨削变质层的厚度会随砂轮径向进给速度增加而加厚。磨削变质层的硬度比硬化层硬度低5-11%，且耐磨性极差，在机械振动、电磁振动、热循环等交变载荷作用下，磨削变质层会导致硬化层界面处的裂纹扩展，导致大块颗粒层状脱落以及疲劳裂纹的萌生。加工过程中应严格控制磨削规范, 不允许产生裂纹和烧

11、伤, 并应尽量减少或消除磨削变质层的出现。砂轮应按高硬轴承钢的磨削要求进行选取，应由微小磨粒组成、由韧性大、强度高、自锐性好的中软微晶刚玉进行磨削（其它导轨材料应根据具体成份进行砂轮选取），其粒度选用可在80#（应对现有的60#白刚玉砂轮进行更换）。在砂轮修整时应采用性能较高的金刚笔进行修整，以得到符合要求的砂轮精整外形用以满足磨削。在切入磨削过程中应控制砂轮吃刀深度，逐级减少吃刀深度, 粗磨初始阶段时就应进行小进给磨削控制，以降低磨削热的产生，磨削结束前进行无火花磨削循环（具体磨削过程的进刀参数还应通过试磨削得出）。冷却液压采用h1高精度磨削液。从以上三个方面进行控制是为了减少磨削纹路、磨削

12、变质层等表面状态在初期磨损过程中的作用, 磨削之后可用碳纤维抛光刷进行干抛导轨表面。在这三个方面调整过程中还需工艺人员进行耐心、仔细的观察及试验才能达到更好的效果。材料的热处理是另一个需要重视的技术环节。内曲线液压马达的导轨、滚子均采用的轴承钢材料或其它中碳合金钢，毛坯加工结束后，在淬火前应进行球化退火，并在进行淬火处理时防止材料脱碳，以求降低材料表面的软层厚度。在众多淬火处理中真空淬火有下述特点： 1、不氧化、不脱碳、不增碳，因对工件内部和表面有良好的保护作用（钢表面氧化皮往往是造成淬火软点和淬火开裂的根源，氧化使钢件强度降低，力学性能、耐磨性及疲劳性能下降）。2、被处理的工件在炉内靠热辐射加热，内外温差较小，热应力小，因而决定了真空热处理工艺处理的零件变形较小。3、可减少工件合金元素挥发,保证了工件的热处理质量，因此导轨、滚子的真空淬火可以为内曲线液压马达的可靠性和寿命提供加工基础保障作用。我们在长时间的生产制造过程中已在导轨、滚子的设计、加工方面有了较大的改观，通过上述调整会使内曲线多作用径向低速大扭矩液压马达的整体性能、寿命有一定幅度的提升。参考文献：陈卓如，低速大扭矩液压马达理论、计