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锚杆钻机气动马达效率分析与提高
王彦海
（石家庄煤矿机械有限责任公司，石家庄050031）
摘要：锚杆钻机气动马达是该设备的核心部件。通过对比试验，发现自制马达效率低。通
过理论分析，得出影响马达效率低的因素。通过计算和有效的改进措施，使马达效率有了很大提
高，基本接近进口水平。
关键词：单体气动锚杆钻机；气动马达；效率；对比试验
中图号： 文献标识码：B
! 前言
MQT 单体气动锚杆钻机是煤矿锚杆支护的重
要设备，气动马达是该设备的核心部件。为了提高
产品的质量，对影响马达效率的诸多因素进行了理
论分析，并采取对比试验的方法，通过必要的计算，
对气动马达进行了改进，取得了较好的效果。
气动马达的结构如图1 所示。
图" 马达的结构
Fig." Structure of motor
1. 轴承2. 转子（由轴和轴承组成） 3. 壳体
改造前试验结果表明，在相同的试验条件下，自
制气动马达的输出转矩低于进口样机。说明自制马
达效率低。针对以上试验结果，进行了下面的工作。
" 理论分析
气动马达有效功率
N = 2pTi
fb（1 -ε0
）zηxηmax ne（/ 60 × 75） （1）
式中pTi
———气体入、出口压差；
f———齿槽面积；
b———转子长度；
ε0
———有害气体容积的相对值；
z———转子齿数；
ne
———马达额定转速；
ηx
———充满系数，ηx = 0.37；
ηmax
———马达机械效率。
气动马达额定转速
ne = GV1ηyγ0
2bfz（1 -ε0
）
（2）
式中G———马达耗气量；
V1
———充满气缸时气体的比容；
ηy
———漏损系数。
经上述分析可以得出，气动马达效率低的原因
主要由两大因素引起，（1）马达漏损量；（2）马达的机
械效率。
# 气动马达理论漏损量
漏损量主要包括齿顶隙漏损量，齿轮端面处的
漏损量，齿轮啮合面漏损量三部分。
（1）齿顶隙漏损量
齿顶隙漏损量包括由气压差产生的漏损量和由
连带速度引起的漏损量，其中气压差引起的漏损量
占绝大部分，连带速度引起的漏损量不到1%，由于
试验条件相同，所以此部分漏损量可不考虑。
（2）齿轮啮合面处的漏损量
齿轮啮合面处的漏损量约占全部漏损量的
6%，在相同试验条件下，2 种设备此处都存在漏损，
所以此处的漏损量对试验结果影响很小，因此也可
不做考虑。
（3）齿轮端面漏损量
===============================================================
根据《空气静压轴承设计》的公式
第27 卷第1 期
2006 年1 月
煤矿机械
Coal Mine Machinery
Vol.27No.1
Jan. 2006
p21
- p22
= 24μmRTl
αh3
（3）
式中p1
，p2
———马达进口、出口的压力；
μ———空气的粘度，50 ℃时μ=19.6×10-6Ns/ m2；
m———质量流量，kg / s；
R———气体常数，R = 287 Nm（/ kg·K）；
T———绝对温度，T = 323 K；
l———气体泄漏路径的长度；
α———矩形狭缝泄漏通路的宽度；
h———狭缝的高度。
由式（3）可得出，当马达轴向间隙为0. 125 时，2
个端面泄漏量为1.21 m3 / min。
! 气动马达的机械效率
气动马达的机械效率与组装、制造、设计都有关
系，在组装水平得以保证下，先考虑制造水平，因此
对三号机进行拆检，检测主要参数如表1。
表" 主要参数表
Tab." Chief specification
检测项目图纸要求数据实测数据
齿轮端面跳动0.01 0.02
齿向误差0.018 0.014
马达壳体轴向尺寸公差+ 0.05 + 0.04
两轴线平行度0.02 0.04
检测结果表明，大多数项目符合设计要求，个别
项目有超差情况，但不严重，制造水平影响不大。
接下来，从设计入手，应首先考虑转子的挠曲问
题，因在拆检过程中发现马达内腔有磨损痕迹，说明
转子的刚度不够，引起转子的齿顶面摩擦壳体的内
腔，即所谓的“扫膛”现象，这会大大地降低马达的机
械效率。因此对转子轴的挠度进行核算，从受力情
况来看，转子受力可简化为受均布载荷的简支梁结
构，受力简图如图2。
图# 受力简图
Fig.# Diagram of force
转子轴的最大挠度
ymax = qcl3
384EI （ 8 - 4γ2 +γ3）= 0.12 ～ 0.17 m （4）
式中q———均布载荷；
c———受均布载荷段长度；
l———两支点间距；
E———弹性模量；
I———截面的轴惯性；
γ———长度比值。
齿轮与壳体径向间隙为0. 043 ～ 0. 092，可以看
出，马达在工作状态下，有“扫膛”现象，但径向间隙
不宜再增大，这就有必要提高转子轴的刚度，使挠曲
量减小，尽量避免“扫膛”现象。
$ 改进措施
（1）减小齿轮端面的漏损量，使齿轮端面与壳体
间的间隙，由原来0.1 ～ 0.15 减小到0. 05 ～ 0. 08，选
取原则，在不引起端面摩擦的情况下，提高端面的平
面度，使间隙减小，达到减小齿轮端面漏损量的目
的。
（2）壳体上的轴承孔φ47 的公差由J6 改为J7，
使轴与孔配合稍松些，用来弥补两转子轴线加工不
平行带来的转矩损失。
（3）将转子的轴承由204 改为205，使转子支撑
处的轴径由20 mm 加大到25 mm，增加转子的刚度，
减小挠度，避免“扫膛”现象。
（4）将转子轴（材料20CrMnTi）热处理条件改变，
由渗碳淬火HRC45 ～ 50 改为渗碳淬火HRC55 ～ 60，
以提高转子轴的刚度，减小其工作状态下的挠曲变
形。
% 改进后的效果
改进后再做对比试验，试验结果如表2。
表# 改进后对比试验结果
Tab.# Comparison after improvement
产品编号
转矩/ Nm
本企业产品
1' 2' 3'
进口样机
3 台平均值
1 400 20.3 19.8 20.7 21.2
转速/ r·min- 1 1 300 29.5 27.6 30.5 30.4
1 200 40.0 38.4 40.2 40.5
通过以上试验，可以看出改造后气动马达的转
矩得到了相应的提高，基本接近进口样机的水平，进
而验证了分析的正确性，制定的改进措施是可行的。
参考文献：
［1］J W POWELL. 空气静压轴承设计［M］. 北京：国防工业出版社，
1978.
［2］成大先. 机械设计手册［M］. 北京：化学工业出版社，2002.
作者简介：王彦海（1969 - ），河北晋州人，工程师，1994 年毕业
于山西矿业学院矿山机械专业，一直从事煤矿机械设计工作，曾获河
北省新产品设计一等奖和科技进步三等奖，已发表论文数篇，Tel：
0311 - 85916827.
收稿日期：2005-08-29
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