無活塞環(huán)的斜軸泵柱塞密封結(jié)構(gòu)研究

劉偉濤，羅 斌，王勇剛

(三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

柱塞與缸筒的間隙密封是影響柱塞泵效率和壽命的重要因素[1]。為提高泵的效率和壽命，專家學(xué)者對柱塞缸筒副間隙密封做了大量研究工作：文獻[2]分析了柱塞泵柱塞與缸筒內(nèi)泄漏的影響因素；文獻[3]對柱塞副油膜特性進行了研究，得出油膜形態(tài)對柱塞潤滑的影響；文獻[4]分析了柱塞在缸筒內(nèi)的受力情況和磨損狀態(tài)，提出柱塞泵關(guān)鍵摩擦副新材料。但現(xiàn)在柱塞缸筒副的研究主要集中于斜盤泵，對斜軸泵的研究較少。由于斜軸泵柱塞頭部與主軸是球面約束，另一端需在缸筒內(nèi)作擺動，密封段過長會與缸筒內(nèi)部發(fā)生干涉，所以目前斜軸泵柱塞均采用活塞環(huán)密封[5]，柱塞回轉(zhuǎn)時受實際載荷影響可能會使柱塞偏移，導(dǎo)致間隙一側(cè)油膜變薄，無法起到潤滑支承作用，使得活塞環(huán)直接與缸筒接觸，增大了摩擦阻力和油液泄漏[6]，嚴重時會出現(xiàn)咬死、拉缸現(xiàn)象，需經(jīng)常更換活塞環(huán)，影響缸筒壽命，降低泵的效率。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有活塞環(huán)柱塞存在的問題，設(shè)計了一種新的柱塞密封結(jié)構(gòu)，并通過仿真和實驗驗證了新型柱塞結(jié)構(gòu)能有效提高斜軸泵的效率、降低液壓卡緊力。

1 新型柱塞密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型柱塞密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。柱塞球頭與主軸球窩配合，高壓油液經(jīng)軸向通孔引入主軸球窩油室，為球面配合提供潤滑油膜。柱塞桿采用向球頭漸細的錐形桿，保證柱塞在缸筒孔內(nèi)擺動時不與內(nèi)壁發(fā)生干涉。柱塞尾部取消傳統(tǒng)柱塞上的密封活塞環(huán)，將密封段設(shè)計成薄壁結(jié)構(gòu)，利用金屬材料在高壓作用下的彈性變形補償密封間隙，同時在密封段外壁開設(shè)一條環(huán)形油槽，溝通同一圓周上的壓力油，使環(huán)形間隙流場壓強趨于均勻，降低液壓卡緊力，為密封段與缸筒的間隙提供良好的油膜潤滑。

1-柱塞球頭;2-錐形桿;3-軸向通孔;4-密封段;5-環(huán)形油槽圖1 新型柱塞密封結(jié)構(gòu)

2 仿真模型建立

利用Fluent和ANSYS分別對流體域和固體域進行設(shè)置，利用System Coupling進行耦合求解。流體模型選用層流模型，介質(zhì)選用抗磨液壓油，其密度ρ=870 kg/m3、動力粘度μ=0.04 Pa·s。壓力入口設(shè)置3組壓力，分別為35 MPa、31.5 MPa、15.75 MPa，壓力出口為0.5 MPa，流體內(nèi)壁面為流固耦合面。柱塞材料選用38CrMoAl，密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比υ=0.3，柱塞內(nèi)壁面為均布油壓載荷，外壁面為流固耦合面，流體模型和柱塞模型設(shè)置如圖2所示。為對比新型柱塞與原活塞環(huán)柱塞的性能差異，同時建立活塞環(huán)流體仿真模型。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 柱塞變形分析

柱塞密封段內(nèi)側(cè)受均布油壓載荷，外側(cè)壓力向泄漏出口方向遞減，兩側(cè)壓差逐漸增大，柱塞在油壓作用下發(fā)生微小彈性形變，圖3為密封段在不同入口油壓下的變形云圖。由圖3可知：隨壓力升高，柱塞會受壓膨脹，柱塞的高壓形變可補償密封間隙；最大變形發(fā)生在環(huán)形油槽處，此處為柱塞與缸筒最易產(chǎn)生機械摩擦的位置，通過在該處開環(huán)形油槽可溝通環(huán)形流場壓力油，為柱塞缸筒副提供良好的油膜支承，改善潤滑條件，減小機械磨損。

3.2 柱塞泄漏量

運用Flux Reports分別監(jiān)測新型柱塞和活塞環(huán)柱塞流體模型的壓力出口質(zhì)量流量，由質(zhì)量流量計算的柱塞泄漏量如表1所示。

圖2 仿真模型設(shè)置

圖3 密封段在不同入口油壓下的變形云圖(mm)

表1 柱塞泄漏量

由表1可知：兩種柱塞的泄漏量均隨壓力升高而增大，但同一壓力下活塞環(huán)柱塞的泄漏量比新型柱塞大且活塞環(huán)柱塞泄漏量隨壓力增長速度明顯大于新型柱塞。分析其原因，這是由于新型柱塞發(fā)生了彈性變形，且壓力越高，形變越大，密封間隙越小，泄漏量也越小。通過比較兩者泄漏量可以說明新型柱塞能改善斜軸泵因高壓作用而導(dǎo)致的泄漏量過大、容積效率顯著降低的問題。

3.3 液壓卡緊力

柱塞在缸筒中運動會受到液壓卡緊力，加劇柱塞磨損，降低機械效率[7]。圖4為入口油壓為31.5 MPa時兩種柱塞密封段底部至球頭方向上、下表面的壓力分布曲線，圖中兩曲線所圍成的封閉區(qū)域面積反映了柱塞所受液壓卡緊力的大小。由圖4可知，新型柱塞液壓卡緊力小于活塞環(huán)柱塞，開設(shè)的環(huán)形油槽可以溝通同一圓周上的壓力油，該處壓力曲線呈水平狀態(tài)，兩曲線近似重合，兩側(cè)壓力分布均勻。利用Fluent力監(jiān)測器監(jiān)測活塞環(huán)柱塞所受卡緊力為25.067 N，新型柱塞所受卡緊力為13.461 N，可見開設(shè)一條平衡槽能使液壓卡緊力降低為原來的53.7%，有效降低了柱塞偏磨，提高了機械效率。

圖4 柱塞上、下表面壓力分布曲線

4 效率測試實驗

對新型柱塞結(jié)構(gòu)的泵樣機和原活塞環(huán)柱塞的斜軸泵進行效率測試實驗，圖5為效率實驗原理圖。

圖5 效率實驗原理圖

關(guān)閉節(jié)流閥，打開截止閥，流量計測得空載流量作為理論流量Qt(L/min)；關(guān)閉截止閥，通過節(jié)流閥實現(xiàn)對被試泵加載，測得不同負載壓力p(MPa)下的實際流量Q(L/min)；利用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀測量被試泵的轉(zhuǎn)矩T(N·m)及轉(zhuǎn)速n(r/min)，由效率計算公式計算效率，具體如下:

(1) 容積效率ηv：

ηv=QQt×100%.

(1)

(2) 輸入功率Pin(kW)：

Pin=T×n9 549.

(2)

(3) 輸出功率Pout(kW)：

Pout=p×Q/60.

(3)

(4) 總效率η：

η=PoutPin×100%.

(4)

(5) 機械效率ηm：

ηm=ηηv×100%.

(5)

利用實驗參數(shù)計算出兩種泵效率數(shù)值，如表2所示。由表2可知：在同一壓力下，新型柱塞泵的三種效率均高于活塞環(huán)柱塞泵。該結(jié)果與仿真分析結(jié)果相符，驗證了仿真的正確性。

表2 兩種泵的效率統(tǒng)計

5 結(jié)語

針對柱塞密封泄漏問題，本文設(shè)計了一種新型柱塞結(jié)構(gòu)，并進行了仿真分析和實驗驗證。

研究結(jié)果顯示，無活塞環(huán)的新型柱塞受流場壓力作用會發(fā)生彈性形變，具有間隙自動補償功能，壓力越高補償量越大，能減小泵在高壓狀態(tài)下的密封泄漏，有效提高斜軸泵的容積效率；開設(shè)環(huán)形油槽能溝通間隙內(nèi)部流場壓力油，降低液壓卡緊力，改善油膜分布，防止柱塞偏磨，減少機械磨損，有效提高斜軸泵的機械效率和使用壽命。