高速柱塞泵油膜渦動(dòng)現(xiàn)象應(yīng)用與試驗(yàn)*

牛永生，胡居偉，郭曉聰

(中原工學(xué)院，河南鄭州 450007)

高速柱塞泵油膜渦動(dòng)現(xiàn)象應(yīng)用與試驗(yàn)*

牛永生，胡居偉，郭曉聰

(中原工學(xué)院，河南鄭州 450007)

活塞是柱塞泵中重要零件，其運(yùn)動(dòng)特性對(duì)泵的性能、使用壽命、穩(wěn)定性等影響很大。對(duì)活塞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用柱塞泵缸體固定不動(dòng)斜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置，利用渦流式非接觸變位計(jì)進(jìn)行摩擦力和活塞運(yùn)動(dòng)的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)在對(duì)活塞不同工況條件下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，活塞油膜有渦動(dòng)現(xiàn)象，這對(duì)如何提高柱塞泵效率、降低溫度、減輕磨損，提高壽命和可靠性都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

柱塞泵;活塞;油膜渦動(dòng)

1 引言

活塞是柱塞泵中重要的零件，活塞的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)泵的性能、使用壽命、穩(wěn)定性等都有很大的影響。當(dāng)需要設(shè)計(jì)高壓化、高速化的柱塞泵時(shí)，明確活塞的摩擦學(xué)運(yùn)動(dòng)特性是很有必要的。

活塞頭部在高壓負(fù)荷的條件下，活塞與缸套之間處于動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)，活塞的流體力學(xué)運(yùn)動(dòng)特性，即可能產(chǎn)生的油膜渦動(dòng)現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致初期事故發(fā)生。

在研究活塞的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用渦流式非接觸變位計(jì)來(lái)對(duì)活塞在不同工況及參數(shù)下的摩擦力及其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)了活塞的油膜渦動(dòng)現(xiàn)象。以表面粗糙度對(duì)柱塞泵中柱塞油膜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響中的計(jì)算作為理論依據(jù)。

2 測(cè)定方法及條件［1］

圖1為實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖。它用來(lái)對(duì)活塞與缸體之間摩擦力、活塞回轉(zhuǎn)速度及活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)裝置共有兩個(gè)缸體。在各缸體內(nèi)柱塞的頂部作用有一定的壓力，柱塞在缸體內(nèi)隨著斜盤(pán)的回轉(zhuǎn)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于兩個(gè)缸體同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此向?qū)嶒?yàn)機(jī)供給的動(dòng)力較小?；钊谛北P(pán)的上半圈為油泵，下半圈則轉(zhuǎn)換為馬達(dá)。

活塞與缸體間摩擦力的測(cè)定采用文獻(xiàn)［2］，［3］中所述的方法?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力，利用在浮動(dòng)缸體χyz方向上分別安裝力的傳感器，將產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)出。

圖1 設(shè)備裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)中活塞回轉(zhuǎn)速度的測(cè)定采用靜電容法，在活塞頂部25 mm范圍內(nèi)，沿其圓周方向有40條微隙(寬及深均為0.2 mm)，與微隙相對(duì)的位置有厚0.5 mm和長(zhǎng)10 mm的銅片用來(lái)形成電極。在實(shí)驗(yàn)中，微隙均設(shè)在缸體外，避免微隙的存在對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)和潤(rùn)滑特性產(chǎn)生影響?；钊麑?duì)斜盤(pán)的滑動(dòng)比γ為:式中:r1，r2分別是滑靴密封環(huán)的內(nèi)外徑;d為活塞直徑;α為斜盤(pán)傾角。

式(1)中的分子為滑靴對(duì)斜盤(pán)的壓力和脫離力的差，分母為滑靴對(duì)斜盤(pán)的壓力。

在與缸套相對(duì)應(yīng)的位置，活塞的運(yùn)動(dòng)采用4個(gè)渦流式非接觸變位傳感器(AX、AY、BX、BY)進(jìn)行測(cè)定。渦流式變位傳感器具有測(cè)量線性范圍大，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在測(cè)量活塞環(huán)滑過(guò)時(shí)的油膜厚度時(shí)，與被測(cè)環(huán)間的介質(zhì)無(wú)關(guān)，給標(biāo)定和測(cè)量帶來(lái)了極大的方便。如圖2所示，變位計(jì)(AX、AY)設(shè)在缸套內(nèi)側(cè)活塞頂部，變位計(jì)(BX、BY)設(shè)在活塞尾部缸套外側(cè)，其中變位計(jì)AX、AY和變位計(jì)BX、BY各自在同一平面內(nèi)，相距35 mm。由于活塞與缸套均為圓柱形，缸套內(nèi)外的變位計(jì)的標(biāo)定比較困難，但本實(shí)驗(yàn)是測(cè)定活塞運(yùn)動(dòng)的周期，各變位計(jì)的輸出電壓僅需要定性測(cè)定即可。

圖2 變位傳感器的布置

實(shí)驗(yàn)采用的柱塞和缸體的型號(hào)與參數(shù)如表1所列，實(shí)驗(yàn)條件與液壓油性能如表2、3所列。

表1 柱塞與缸體的型號(hào)與參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)條件

表2中柱塞的錐角T是從頂部開(kāi)始的3 mm的范圍，外伸比為柱塞在下死點(diǎn)位置時(shí)缸體內(nèi)與缸體外長(zhǎng)度的比，值越大，缸體內(nèi)的柱塞越長(zhǎng)?；钊诒?所列條件下運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后，測(cè)定系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量，斜板運(yùn)轉(zhuǎn)8 min后停止。

表3 液壓油性能

3 測(cè)定結(jié)果及分析［4］

圖3中橫坐標(biāo)為斜盤(pán)的回轉(zhuǎn)相位角(時(shí)間)，將油缸供油壓力Pd作為參數(shù)時(shí)，斜盤(pán)第4轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦力Ff及活塞兩端的變位計(jì)測(cè)出的輸出電壓VAX、VAY、VBX及VBY的測(cè)定結(jié)果同時(shí)顯示出。

圖3(a)為油缸供油壓力Pd為高壓時(shí)的情況，從活塞兩端設(shè)置變位計(jì)輸出電壓VAX和VBX、VAY和VBY的變化來(lái)看，它們的相位并不一樣，但它們的變化都以斜盤(pán)的一個(gè)回轉(zhuǎn)為一個(gè)周期，由此可知，活塞以與斜盤(pán)回轉(zhuǎn)角速度一樣的角速度在油缸內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。摩擦力Ff與活塞的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng)，油泵作用時(shí)為負(fù)，馬達(dá)作用時(shí)為正，摩擦力的方向隨斜盤(pán)每旋轉(zhuǎn)半轉(zhuǎn)改變一次，以斜盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一周為一個(gè)周期。摩擦力Ff的變換周期也與斜盤(pán)的回轉(zhuǎn)周期一致。圖3(b)與圖3(a)所采用的條件一樣，但降低了油缸內(nèi)的供油壓力Pd，活塞上的負(fù)荷減輕?；钊膊康淖兾挥?jì)Bx和BY的輸出電壓VBX及VBY的變動(dòng)具有周期性，與斜盤(pán)的回轉(zhuǎn)周期一致，然而活塞頂部的變位計(jì)AX和AY的輸出電壓VAX及VAY也呈現(xiàn)出與斜盤(pán)每?jī)赊D(zhuǎn)為一周期的變化。這樣，在供油壓力Pd降低的條件下，活塞雖然也做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但其角速度與高壓時(shí)的不同，活塞的回轉(zhuǎn)角速度為斜盤(pán)的1/2，即活塞在斜盤(pán)每?jī)赊D(zhuǎn)完成一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)周期。摩擦力Ff的變動(dòng)周期也以斜盤(pán)的兩周為一個(gè)變化周期。

圖3 摩擦力和活塞運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系(N=1000 r/min，λ=0.7，C=12.5 μm)

圖4與圖3(b)的條件相同，將斜盤(pán)回轉(zhuǎn)速度N從1 000 r/min降為500 r/min。由圖4可知活塞兩端變位計(jì)的輸出電壓VAX、VAY、VBX和VBY的變動(dòng)周期及摩擦力Ff的變動(dòng)周期與圖3(a)一樣為斜盤(pán)的回轉(zhuǎn)周期，由此可見(jiàn)，在流體油膜厚度變小的條件下活塞的回轉(zhuǎn)角速度與斜盤(pán)的相等。

圖4 摩擦力和活塞運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系(N=500 r/min，Pd=10 MPa，λ=0.7，C=12.5 μm)

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，活塞的回轉(zhuǎn)角速度基本上與斜盤(pán)的相等，但在斜盤(pán)高速或油缸供油壓力減小、或流體膜厚變大的情況下，活塞在油缸內(nèi)均以斜盤(pán)1/2的角速度進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由此，發(fā)現(xiàn)活塞在作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了油膜渦動(dòng)的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了油膜渦動(dòng)現(xiàn)象。筆者對(duì)活塞在不同工況條件及參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)特性和摩擦力進(jìn)行了測(cè)定。其結(jié)果歸納如下:

(1)在活塞有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況下，根據(jù)不同的工況條件，活塞也會(huì)產(chǎn)生油膜渦動(dòng)現(xiàn)象。

(2)活塞的油膜渦流與摩擦力的變化一致。

(3)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)活塞的油膜渦流與滑動(dòng)軸承的情況一樣，可以采用同樣的對(duì)策來(lái)防止。

［1］ 牛永生，黃國(guó)輝，胡居偉.表面粗糙度對(duì)柱塞泵中柱塞油膜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(6):111－113.

［2］ Jia Tsu Akihiko Tanaka，Hiroshi Kyogoku.Society of Mechanical engineers［C］.Rope Light Nakahara，1993，1192－1197.

［3］ Atsushi Yamaguchi.Society of mechanical engineers［C］.Rope Light Nakahara，1975，2399－2406.

［4］ 溫詩(shī)鑄，黃 平.摩擦學(xué)原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

Application and Test on the Oil Whirl Phenomenon of High－Speed Piston Pump

NIU Yong－sheng，HU Ju－wei，GUO Xiao－cong
(Zhongyuan Institute of Technology，Zhengzhou Henan 450007，China)

The piston is an important part of the piston pump，its motion characteristics has a great impact on the pump performance，service life，stability and so on.In this paper，the rotary motion of the piston through experiment is mainly researched，The experimental apparatus of piston pump cylinder fixing unmoveable swash plate is adopted and use the eddy current type non－contact displacement meter to test the frictional force and piston motion.As the experiment is clone on the movement characteristic of the piston under different working conditions，the piston oil whirl phenomenon is found.Piston on how to improve efficiency，lower temperature，reducing wear and increased life and reliability are important practical significance.

piston pump;piston;oil whirl

TH322

A

1007－4414(2013)05－0039－02

2013－07－22

牛永生(1959－)，男，河南鄭州人，碩導(dǎo)，研究方向:彈性流體潤(rùn)滑研究。