斜軸式柱塞泵內(nèi)部微流量泵的研究

趙鐵軍

(邵陽維克液壓股份有限公司，湖南邵陽422001)

0 引言

斜軸式柱塞泵因其體積小排量大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，額定壓力35MPa以上的優(yōu)良性能而得到越來越廣泛的應(yīng)用.從斜軸式柱塞泵結(jié)構(gòu)圖1(A7V泵)可以看出，主軸1軸線與其旋轉(zhuǎn)組件5的中軸線的夾角α可達(dá)25°～40°［1］，柱塞排油時(shí)，主軸軸承 2 承受大的軸向推力，這將帶來軸承的發(fā)熱，溫度升高，軸承常時(shí)間連續(xù)處于高溫高載荷的工作環(huán)境中，極易造成軸承的失效，導(dǎo)致泵的損壞，使主機(jī)液壓系統(tǒng)不能正常，造成嚴(yán)重事故.目前常采用泵外部供油強(qiáng)制冷卻和通過泵內(nèi)部微流量泵進(jìn)行連續(xù)冷卻這兩種冷卻軸承方法，泵外部供油強(qiáng)制冷卻需要附加冷卻油動(dòng)力部分，成本較高.本文就A7V泵內(nèi)部的微流量泵的結(jié)構(gòu)及其對(duì)主軸軸承進(jìn)行連續(xù)冷卻的機(jī)理進(jìn)行分析研究，并以試驗(yàn)驗(yàn)證了微流量泵對(duì)主軸軸承的冷卻效果.

圖1 A7V斜軸式柱塞泵結(jié)構(gòu)Fig.1 A7V bent piston pump structure

1 微流量油泵的結(jié)構(gòu)與工作原理

典型斜軸式柱塞泵A7V的微流量泵結(jié)構(gòu)如圖1，在泵主軸1中設(shè)計(jì)了流道孔a、b，流道孔a位于主軸的旋轉(zhuǎn)中心，流道孔b偏離主軸的旋轉(zhuǎn)中心;中心桿中流道孔c通過配流盤6和后蓋7與泵的液體溫度低的吸油口相通;流道孔a、b、c相互溝通.主軸靜止時(shí)，流道孔a、b、c內(nèi)油液處于一種均壓的靜止?fàn)顟B(tài);主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，b流道孔油液受離心力作用而被甩出，進(jìn)入主軸軸承之間，從而冷卻主軸軸承，此時(shí)流道孔a、b、c內(nèi)油液靜止?fàn)顟B(tài)被打破，冷的液體開始從流道孔c流向流道孔a，再從流道孔a流向流道孔b，直至被加速甩出，這樣就形成了一種泵的功能，因流道孔a、b、c結(jié)構(gòu)尺寸較小，排出的流量較小，故文中將之稱為微流量泵，并進(jìn)行理論分析.

2 微流量泵的理論分析

微流量泵結(jié)構(gòu)示圖2，取c流道孔最右端液體截面c-c，b流道孔最下端液體截面b-b進(jìn)行分析，c流道孔c-c截面直徑D，b流道孔b-b截面直徑d，且D＞d，b流道孔位置偏離主軸旋轉(zhuǎn)中心軸距離L，主軸轉(zhuǎn)速ω，不計(jì)流道對(duì)液體的阻力.

圖2 微流量泵結(jié)構(gòu)Fig.2 Micro-flow pump structure

由伯努利方程可得［2］

式中:Pc為c流道孔c-c截面液體壓力，Pb為b流道孔b-b截面液體壓力，Vc為 c流道孔c-c截面液體流速，Vb為 b流道孔b-b截面液體流速，ρ為流體密度.b流道孔位置偏離主軸旋轉(zhuǎn)中心軸L，在主軸轉(zhuǎn)速ω時(shí)，b流道孔內(nèi)液體的流速

又由流量連續(xù)性方程:

式中:Qc為c流道孔c-c截面流過的液體體積，Qb為b流道孔b-b截面流過的液體體積.即有:

由式(1)，(2)，(4)可得

由式(2)，(4)可得出微流量泵的理論排量計(jì)算式:

從式(5)得出，由于主軸的旋轉(zhuǎn)，b流道孔液體獲得動(dòng)能，并以L*ω的流速甩出，從而產(chǎn)生一個(gè)Pc-Pb＞0壓力差，壓差的大小取決于b，c流道孔直徑(d，D)，b流道孔的偏心距離(L)和主軸的轉(zhuǎn)速(ω);從式(6)得出，微流量泵的理論排量取決于b流道孔的直徑(d)和其偏心距離(L).

3 對(duì)主軸軸承的冷卻作用

從圖1可以看出，斜軸泵的主軸軸承承受大的載荷，且全部安裝在泵的前部區(qū)域，液體在此區(qū)域不易流動(dòng)，軸承產(chǎn)生的大量熱量不能進(jìn)行有效的交換，造成軸承升溫快，影響軸承壽命，而由于微流量泵作用，把溫度較低的液體注入主軸軸承高溫區(qū)，驅(qū)動(dòng)軸承區(qū)液體向軸承區(qū)外部流動(dòng)，帶走軸承產(chǎn)生的熱量，達(dá)到冷卻軸承的目的.設(shè)斜軸泵的吸油腔溫度為T1，，軸承區(qū)的溫度為T2，，液體的熱交換系數(shù)為C，那么主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，微流量泵輸出流量可交換熱量以Ω表示，則有:

軸承在高負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，由于摩擦力矩的作用，導(dǎo)致功率損耗，產(chǎn)生熱量，使軸承溫度升高;軸承每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，所產(chǎn)生的熱量可表達(dá)為［3］:

式中:E表示軸承每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所產(chǎn)生的熱量，ξ扭矩-熱量轉(zhuǎn)換系數(shù)，M摩擦扭矩(與軸承的摩擦系數(shù)，當(dāng)量載荷和軸承內(nèi)徑尺寸有關(guān))，那么，在軸承溫度保持穩(wěn)定的條件下，建立起熱量平衡，可表達(dá)為:

式中:∑表示軸承與外部環(huán)境熱交換量，與軸承溫度，環(huán)境溫度，散熱面積等有關(guān).

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

筆者在下列試驗(yàn)條件下對(duì)斜軸式柱塞泵SY-A7V107進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn).

試驗(yàn)產(chǎn)品:斜軸式柱塞泵SY-A7V107

環(huán)境溫度 :25℃

試驗(yàn)壓力:35MPa

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速:1500rpm

每次試驗(yàn)時(shí)間:連續(xù)運(yùn)行8小時(shí)

進(jìn)油口油溫:45℃

通過調(diào)整參數(shù)d和L的數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)，取得了主軸軸承部分的溫度不超過65℃(軸承位置外部殼體處測(cè)得)良好效果，進(jìn)一步驗(yàn)證了微流量泵冷卻主軸軸承的作用機(jī)理.

5 結(jié)束語

通過對(duì)斜軸式柱塞泵的結(jié)構(gòu)分析，從理論上闡述斜軸式柱塞泵內(nèi)部微流量泵存在的機(jī)理，分析了微流量泵的冷卻效果，并在試驗(yàn)中加以驗(yàn)證;推到出了微流量泵的排量計(jì)算公式，對(duì)斜軸泵的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值;在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)注意(1)流道孔的粗糙度應(yīng)盡量提高以減小流體阻力;(2)偏心孔的設(shè)置時(shí)，要考慮其加工性能;(3)中心桿的機(jī)械強(qiáng)度.

［1］雷天覺.新編液壓工程手冊(cè)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1998.

［2］蘇爾皇.液壓流體力學(xué)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1982.

［3］SKF.軸承樣本.5000C［Z］.瑞典:瑞典SKF 軸承集團(tuán)，2004.