高壓軸向柱塞泵滑靴副性能測(cè)試液壓系統(tǒng)的研究

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(1.清華大學(xué) 摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100084；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng)　550025)

引言

軸向柱塞泵是大功率液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的心臟，不但在工程機(jī)械、冶金礦山設(shè)備和石油化工設(shè)備等主機(jī)行業(yè)，而且在水利工程、航海物流等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。在航空領(lǐng)域，軸向柱塞泵的應(yīng)用更是舉足輕重，目前，A380和B787等國(guó)際先進(jìn)客機(jī)已采用35 MPa壓力體制的高壓軸向柱塞泵，而國(guó)產(chǎn)飛機(jī)還停留于21 MPa壓力體制。因而，隨著國(guó)內(nèi)大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，研制國(guó)產(chǎn)35 MPa高壓軸向柱塞泵刻不容緩。

眾所周知，軸向變量柱塞泵中有三對(duì)關(guān)鍵摩擦副：滑靴副、配流副和柱塞副，軸向柱塞泵的性能和壽命與此三對(duì)摩擦副的性能息息相關(guān)，其中，滑靴副是最為復(fù)雜的一對(duì)摩擦副，也是柱塞泵實(shí)際工作中容易發(fā)生故障一對(duì)摩擦副[2,3]。由此可見(jiàn)，揭示35 MPa高壓軸向變量柱塞泵滑靴副的性能是研制國(guó)產(chǎn)35 MPa高壓軸向變量柱塞泵過(guò)程中必須要解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)軸向變量柱塞泵滑靴副性能的研究主要是實(shí)測(cè)滑靴副油膜的性能參數(shù)或者搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬測(cè)試。早在1978年，英國(guó)學(xué)者Hooke等對(duì)排量為90 mL/r和330 mL/r的泵進(jìn)行了實(shí)際工況的油膜測(cè)量[4]；1984年，日本防衛(wèi)大學(xué)的井星正氣等人實(shí)測(cè)了靜壓支承滑靴的油膜厚度，給出了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)滑靴底面油膜厚度及壓力的變化情況[2]；自20世紀(jì)90年代以來(lái)，土耳其學(xué)者 Koc對(duì)滑靴副的油膜厚度以及壓力損失等進(jìn)行了測(cè)量分析[5-7]。在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)在對(duì)滑靴副油膜性能參數(shù)測(cè)量方面做出了比較突出的貢獻(xiàn)，分別搭建了滑靴副潤(rùn)滑特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)[3]。但這些實(shí)驗(yàn)對(duì)臺(tái)均屬于模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，與泵的實(shí)際工況還是存在一定差距。

為了在35 MPa運(yùn)行工況下實(shí)測(cè)高壓軸向變量柱塞泵滑靴副的油膜性能參數(shù)，并盡可能使測(cè)試過(guò)程方便和簡(jiǎn)捷，需研制出一套專門的滑靴副性能測(cè)試液壓系統(tǒng)。為此，擬在這方面做一些前期的工作。

1　高壓軸向變量柱塞泵及滑靴副的結(jié)構(gòu)

高壓軸向變量柱塞泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由斜盤、滑靴、柱塞、缸體、回程盤、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、泵殼、主軸以及軸承組成。其中，滑靴副的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由斜盤、滑靴和柱塞組成，由滑靴底面和斜盤表面構(gòu)成一對(duì)高速摩擦副，在這兩表面之間有一層薄薄的潤(rùn)滑油膜作為靜壓支承。

1.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)　2.泵殼　3.缸體　 4.主軸　5.軸承 6.回程盤　7.柱塞　8.滑靴　9.斜盤圖1　高壓軸向變量柱塞泵的結(jié)構(gòu)

1.斜盤　2.滑靴　3.柱塞圖2　高壓軸向變量柱塞泵滑靴副的結(jié)構(gòu)

滑靴底面和斜盤表面之間的這層油膜是整個(gè)泵工作的基礎(chǔ)，它直接決定泵的工作性能。一旦這層油膜失效，將會(huì)出現(xiàn)金屬與金屬的直接接觸，摩擦磨損產(chǎn)生大量的熱量將會(huì)導(dǎo)致“燒靴”等現(xiàn)象的發(fā)生，從而嚴(yán)重影響整臺(tái)泵的壽命。因而，為了研制出國(guó)產(chǎn)35 MPa高壓軸向變量柱塞泵，需要對(duì)滑靴副的這層油膜的性能進(jìn)行深入的研究。而要開(kāi)展此研究，首要的是要設(shè)計(jì)出其性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行揭示。

2　柱塞泵滑靴副性能測(cè)試液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其AMESim仿真模型

為了測(cè)量出35 MPa高壓軸向變量柱塞泵滑靴副的油膜性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出的液壓系統(tǒng)要能使被測(cè)泵在35 MPa的高壓下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，該液壓系統(tǒng)如圖3所示。

1.液位液溫計(jì)　2、13、15.過(guò)濾器　3.節(jié)流閥　4.二位二通電磁換向閥 5.先導(dǎo)式溢流閥　6.被測(cè)軸向變量柱塞泵　7.電動(dòng)機(jī)　8.截止閥 9.壓力表　10.單向閥　11.比例溢流閥　12.流量計(jì)　14.恒溫控制箱圖3　柱塞泵滑靴副性能測(cè)試液壓系統(tǒng)的原理圖

如圖3所示，被測(cè)軸向變量柱塞泵6的壓力由比例溢流閥11調(diào)節(jié)和控制。由于該系統(tǒng)的最高壓力達(dá)35 MPa，液壓沖擊是不得不考慮的問(wèn)題。為此，在啟動(dòng)時(shí)，要求逐漸調(diào)大比例溢流閥11的控制電流，使泵的壓力逐漸升至35 MPa；在停止時(shí)，除了需逐漸調(diào)小其控制電流外，還要求其卸壓性能要好，從而以防35 MPa的高壓突然減小而造成嚴(yán)重的液壓沖擊。另一方面，為了便于操控該液壓系統(tǒng)，需要在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)卸荷回路，同時(shí)，在泵短時(shí)的卸荷過(guò)程中， 亦要避免液壓沖擊，為此，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了由先導(dǎo)式溢流閥5和二位二通電磁換向閥4共同構(gòu)成的卸荷回路，并在卸荷回路中增加了節(jié)流閥3以抑制卸荷過(guò)程中可能產(chǎn)生的液壓沖擊。

圖4　柱塞泵滑靴副性能測(cè)試液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型

為了揭示如圖3所示液壓系統(tǒng)的性能，在搭建實(shí)際液壓系統(tǒng)前，需要對(duì)其液壓性能進(jìn)行仿真分析。為此，利用AMESim軟件，建立了如圖4所示的該液壓系統(tǒng)的仿真模型。

3　仿真結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，得到了圖5～圖8的仿真結(jié)果。圖5為泵的壓力曲線，由該圖可以看出，在啟動(dòng)階段，泵的壓力上升曲線是線性的，在35 MPa工作階段，泵的壓力很平穩(wěn)，在卸壓階段，泵的壓力下降曲線亦是線性的，由此可見(jiàn)，在啟動(dòng)和停止過(guò)程中，泵的壓力是隨著比例溢流閥的控制電流線性增大(減小)而增大(減小)的，從而說(shuō)明在該液壓系統(tǒng)中，比例溢流閥能夠平穩(wěn)控制泵的壓力，一方面為泵在35 MPa高壓下運(yùn)行提供了保障，另一方面亦有效地防止了液壓沖擊。

圖5　泵的壓力曲線

圖6為不同電磁力下泵的壓力曲線，該曲線說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以根據(jù)需要調(diào)整比例溢流閥電磁力的大小來(lái)獲得系統(tǒng)所需的工作壓力，從而為在不同工作壓力下測(cè)量泵滑靴副油膜性能提供了前提保障。

圖6　不同電磁力下泵的壓力曲線

圖7為泵的卸荷曲線，該曲線說(shuō)明此系統(tǒng)的卸荷過(guò)程比較平穩(wěn)，有效地抑制了系統(tǒng)的液壓沖擊；圖8為在不同流量下泵的壓力曲線，該曲線說(shuō)明在在不同流量下泵能維持在高壓下運(yùn)行，從而為在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變泵的流量進(jìn)行測(cè)量提供了前提保障。

圖7　泵的卸荷曲線

圖8　不同流量下泵的壓力曲線

4　結(jié)論

滑靴副是軸向變量柱塞泵中一對(duì)非常關(guān)鍵的摩擦副，其油膜性能直接決定整臺(tái)泵的工作性能。為了測(cè)量出滑靴副的油膜性能參數(shù)，需要專門搭建一套滑靴副性能測(cè)試液壓系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行揭示。通過(guò)仿真研究，可得出如下結(jié)論：

(1) 設(shè)計(jì)的柱塞泵滑靴副性能測(cè)試液壓系統(tǒng)的壓力特性良好，其卸壓性能滿足工作要求，其卸荷性能良好；

(2) 盡管該液壓系統(tǒng)最高工作壓力達(dá)35 MPa，因采用了比例溢流閥的控制方式和節(jié)流卸荷的措施，無(wú)論是卸壓還是卸荷過(guò)程，液壓沖擊均得到了有效的抑制。

由此可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的柱塞泵滑靴副性能測(cè)試液壓系統(tǒng)能夠滿足泵在35 MPa高壓工況下平穩(wěn)運(yùn)行的要求，從而為其滑靴副油膜性能參數(shù)的測(cè)量提供了強(qiáng)有力的硬件支撐。

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