一種新型球塞液壓油泵的研制

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(南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院高端泵閥研究室，江西 南昌 330031)

引言

徑向柱塞泵因其高壓力、大流量、低噪聲而廣泛應(yīng)用于各種液壓設(shè)備之中[1]。而球塞泵則把柱形活塞改進(jìn)成球形活塞，使得它不僅具有柱塞泵的優(yōu)點(diǎn)，而且在減少球塞副受力磨損、減小液壓泵的體積、降低液壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲方面有很大的優(yōu)勢(shì)，可以用于對(duì)此方面要求很大的軍用和航空領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室研究的新型球塞泵主要應(yīng)用于中、高排量的液壓泵使用場(chǎng)合，其徑向尺寸只有220 mm，泵體高160 mm，相比市場(chǎng)上同排量的柱塞泵體積減少近3.6倍，因此對(duì)于同體積的液壓泵，球塞泵要比柱塞泵的輸出流量更大，壓力更高。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

該徑向球塞液壓泵的主要結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，主要有轉(zhuǎn)子、定子、球塞、球窩、配流軸、端蓋、主軸、聯(lián)軸器等部分構(gòu)成。該種新型球塞液壓泵共有8個(gè)球塞，球塞與轉(zhuǎn)子、定子同心軸裝配，以保證球塞在定子球塞軌道面上運(yùn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸又帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，球塞則跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，在慣性力與離心力的作用下，球塞緊貼著定子內(nèi)壁軌道曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)球塞沿著定子軌道相對(duì)球塞孔作往返運(yùn)動(dòng)，使其球塞、球塞孔和配流軸之間形成的工作腔體體積發(fā)生周期性變化。

1.端蓋 2.定子 3.球塞 4.配流軸 5.聯(lián)軸器 6.主軸 7.球窩 8.傳動(dòng)銷(xiāo) 9.轉(zhuǎn)子圖1 新型徑向球塞液壓泵的結(jié)構(gòu)圖

圖2 對(duì)球窩進(jìn)行高頻淬火

當(dāng)球塞從軌道曲線短軸運(yùn)動(dòng)到長(zhǎng)軸時(shí)，工作腔體體積變大，從而實(shí)現(xiàn)低壓吸入傳動(dòng)介質(zhì)，相反從長(zhǎng)軸運(yùn)動(dòng)到短軸時(shí)，工作腔體體積變小，將高壓傳動(dòng)介質(zhì)壓出。在轉(zhuǎn)子的帶動(dòng)下，球塞不斷地進(jìn)行周期性運(yùn)動(dòng)，從而源源不斷的輸出高壓傳動(dòng)介質(zhì)[2]。

2 樣機(jī)的研制

(1) 針對(duì)此泵對(duì)液壓油清潔度要求較高，吸入流量大的特點(diǎn)，將液壓泵由原來(lái)的一進(jìn)油口改裝為三進(jìn)油口，因已有試驗(yàn)臺(tái)的出油口設(shè)計(jì)問(wèn)題，將試驗(yàn)臺(tái)的二出油管改變成二拖三設(shè)計(jì)，以便于液壓泵進(jìn)行連接配合并對(duì)每個(gè)進(jìn)油口進(jìn)行加裝不銹鋼液壓油過(guò)濾網(wǎng)，要求孔隙小于40 μm，并對(duì)液壓泵主軸上進(jìn)油孔與配流軸腔體之間進(jìn)行增壓葉片式設(shè)計(jì)，加大泵對(duì)液壓油的吸入壓力，使得液壓油的流量可以達(dá)到泵的設(shè)計(jì)使用要求。

該液壓泵的流量公式為：

(1)

式中，R為鋼球半徑；n為作用數(shù)；z為球塞個(gè)數(shù)；t為液壓泵轉(zhuǎn)數(shù)；b為軌道長(zhǎng)軸；a為軌道短軸。

(2) 球塞與球塞孔的配合精度要求較高，配合間隙小于3 μm，要保證球塞與球塞孔的密封性能，以減少兩者之間的泄漏[3]。

球塞副的泄漏主要是球塞兩側(cè)壓差泄漏和球塞運(yùn)動(dòng)剪切泄漏，其泄漏量公式為[4]：

(2)

式中，R為球塞半徑；h0為球塞與球塞孔的間隙；p為球塞泵的壓力；μ為動(dòng)力黏度；ω為轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的角速度；E為定子與轉(zhuǎn)子的偏心距(該液壓泵為無(wú)偏心，即E=0)。

(3) 球塞采用高性能不銹鋼制造，直徑28 mm，設(shè)計(jì)加工誤差0～5 μm，圓度誤差0～4 μm，表面粗糙度最高3 μm。

(4) 球窩、定子軌道、球塞孔的硬度要求達(dá)到55 HRC，實(shí)際經(jīng)過(guò)高頻淬火硬度達(dá)到38 HRC，硬度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)其使用壽命可能影響較大。

(5) 該球塞泵完全采用軸對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，8個(gè)球塞等角度分布在轉(zhuǎn)子上，而且配流軸的進(jìn)出水口與定子長(zhǎng)短軸相互對(duì)應(yīng)，這些設(shè)計(jì)都有助于降低泵的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲。

(6) 在球塞泵的裝配過(guò)程中，對(duì)定子軌道平面、轉(zhuǎn)子球塞孔、球塞配合要求較高，要求其同心度達(dá)到3 μm。使得球塞泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其球塞的運(yùn)動(dòng)面正好在定子軌道平面上。

(7) 定子與端蓋之間(實(shí)物如圖3所示)的配合采用小錐面(1∶40)定心，定子與配流軸的配合間隙小于4 μm。

圖3 除端蓋外都已裝配好的球塞泵

3 性能試驗(yàn)

要想對(duì)液壓泵的性能指標(biāo)有所了解，液壓泵的試驗(yàn)是必不可少的，進(jìn)行試驗(yàn)才能檢測(cè)液壓泵的研制是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并在以后的液壓泵設(shè)計(jì)中不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善[5]。在實(shí)驗(yàn)室自制的液壓試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，該試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及完善參照了相應(yīng)的國(guó)家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 7936-1987液壓泵、馬達(dá)空載排量測(cè)定方法、GB/T 2347-1980液壓泵及馬達(dá)公稱(chēng)排量系列、SH/T 0210-1992(2003)液壓油過(guò)濾性試驗(yàn)等等[6]。液壓試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)回路采用容積調(diào)速開(kāi)式回路，使得油液在油箱中可以沉淀雜質(zhì)和析出氣體，具體回路如圖4所示。

1.油箱 2.吸油過(guò)濾器 3.吸入調(diào)節(jié)閥 4.電機(jī) 5.球塞泵 6.大型壓力表 7.管道壓力過(guò)濾器 8.溢流閥 9.節(jié)流閥 10.壓力表 11.靶式流量計(jì) 12.回油過(guò)濾器圖4 液壓試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)回路

該液壓試驗(yàn)系統(tǒng)主要由油箱、節(jié)流閥、溢流閥、吸油過(guò)濾器、液壓泵、流量計(jì)、壓力表、溫度計(jì)、回油過(guò)濾器等構(gòu)成，液壓泵由三相異步可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速(0～1300 r/min)，得到不同轉(zhuǎn)速下的液壓泵相關(guān)壓力、流量、噪聲等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)液壓泵的性能進(jìn)行評(píng)估。

4 性能試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

4.1 流量-壓力-轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

保持液壓油溫度不變，在不同的轉(zhuǎn)速條件下，研究該球塞泵的流量與轉(zhuǎn)速，壓力與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系[7-8]，試驗(yàn)得到q-n性能曲線和p-n性能曲線，其中q為球塞泵的輸出流量，p為球塞泵的輸出壓力，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。從圖5可以看出該泵的輸出流量q隨著轉(zhuǎn)速n的增大而增大，并且在轉(zhuǎn)速越大時(shí)，理論流量與實(shí)際流量之差在逐漸增大，說(shuō)明泵的泄漏量在增大。

4.2 流量-壓力特性試驗(yàn)

液壓油泵的工作壓力是由外界載荷的大小決定的[9]，而流量則是液壓泵本身的設(shè)計(jì)參數(shù)與轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，理論上它們沒(méi)有直接的關(guān)系[10]，但隨著液壓泵轉(zhuǎn)速的增大，其泄漏量也會(huì)有所增大，使得實(shí)際流量下降，因此流量-壓力的性能關(guān)系可以從此試驗(yàn)得到。

從圖6可以看出在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，其流量壓力曲線是隨著泵壓力的增大而不斷降低的，且轉(zhuǎn)速越高，其曲線變化速率變大，說(shuō)明其泄漏量隨著壓力的升高而變大，但從整體效果來(lái)看，其變化速率較低，說(shuō)明壓力對(duì)液壓泵輸出流量有影響但影響較小。

圖5 流量-壓力-轉(zhuǎn)速曲線

圖6 流量-壓力曲線

4.3 噪聲-轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

在不同的轉(zhuǎn)速條件下，研究該球塞泵的噪聲與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。如圖7所示，得出該球塞泵的最大噪聲為66 dB，符合設(shè)計(jì)初始的噪聲要求。

圖7 噪聲-轉(zhuǎn)速曲線

4.4 容積效率試驗(yàn)

液壓泵的容積效率計(jì)算方法：

(3)

式中，ηv為容積效率；Q實(shí)為實(shí)際流量；Q理為理論流量。

在不同的壓力狀態(tài)下，可以得到不同的容積效率，從圖8中可以看出隨著泵壓力的增大，容積效率在逐漸降低。在轉(zhuǎn)速600～1100 r/min的范圍內(nèi)，該球塞泵的容積效率基本在86%～89%之間。

圖8 容積效率變化曲線

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該球塞液壓泵的性能試驗(yàn)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

(1) 該球塞泵的性能參數(shù)如下：

最大轉(zhuǎn)速1300 r/min，輸出流量范圍0～130.6 L/min，輸出壓力范圍0～6.7 MPa，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲最大66 dB，重量33 kg，工作介質(zhì)為液壓油。

(2) 該球塞泵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)跑合后，性能比較穩(wěn)定，定子軌道有微量磨損，說(shuō)明硬度沒(méi)有達(dá)到要求，需要進(jìn)一步改進(jìn)工藝方案。

(3) 球塞泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，雖對(duì)加工、裝配精度要求較高，但易于加工。

(4) 該球塞泵采用心軸配合，且8個(gè)球塞球心與定子軌道處于同心面，易于實(shí)現(xiàn)低噪聲、大流量的設(shè)計(jì)要求，并且運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。