船舶舵機(jī)液壓泵替換研究

李踐飛，韓凱，夏振盛

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船舶舵機(jī)液壓泵替換研究

李踐飛，韓凱，夏振盛

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042）

針對(duì)船舶舵機(jī)液壓泵的維修情況和工作噪聲情況，通過檢測(cè)和計(jì)算得出該型液壓泵存在的不足及原因，進(jìn)而從延長(zhǎng)工作壽命和降低噪聲兩個(gè)方面，基于該型液壓泵的改進(jìn)和更換新型液壓泵兩個(gè)思路提出改進(jìn)方案，最后經(jīng)過測(cè)試對(duì)比選擇出最優(yōu)改進(jìn)方案。

軸向柱塞泵 內(nèi)嚙合齒輪泵 螺桿泵 磨損

0 引言

某船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)中目前使用的是軸向柱塞泵，這是設(shè)計(jì)建造時(shí)的最優(yōu)選擇。隨著國內(nèi)外材料、制造等技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓泵的新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。針對(duì)在使用中舵機(jī)液壓泵出現(xiàn)的一些問題，結(jié)合現(xiàn)今的技術(shù)和產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)方案改進(jìn)。

1 現(xiàn)存問題

該型船舶舵機(jī)液壓泵為斜軸式軸向柱塞泵，額定轉(zhuǎn)速=1480 r/min，額定壓力25 MPa，排量=125 mL/r。

根據(jù)多艘該型船舶近5年來的入廠維修情況，列出舵機(jī)液壓泵的主要維修部件如表1所示。

根據(jù)部件更換頻率和對(duì)換下故障部件的分析，可以發(fā)現(xiàn)摩擦副的磨損是影響該型液壓泵工作壽命的主要原因。軸向柱塞泵中柱塞副、配流副和柱塞與斜盤(滑靴)的接觸副這三個(gè)摩擦副是產(chǎn)生能量耗散、泄漏、流量脈動(dòng)的地方，泵的性能和壽命與這些摩擦副息息相關(guān)。

表1 舵機(jī)液壓泵維修情況列表

下面對(duì)該型軸向柱塞泵受力情況進(jìn)行計(jì)算，分析摩擦副磨損的主要原因。

該型軸向柱塞泵配流副和斜盤（滑靴）副的設(shè)計(jì)采用剩余壓緊力設(shè)計(jì)法。在滑靴和斜盤之間、缸體和配流盤之間有一定厚度的壓力油膜，用油膜推力來平衡滑靴對(duì)斜盤的大部分壓緊力和缸體對(duì)配流盤的大部分壓緊力，而剩余的小部分壓緊力則保證滑靴始終壓向斜盤。

1）缸體對(duì)配流盤的液壓壓緊力F

s——缸體對(duì)配流盤的液壓壓緊力

——柱塞數(shù)，取=9

——柱塞橫截面積

——柱塞孔分布角

s——缸內(nèi)液體壓力

2）配流盤對(duì)缸體的反推力0

——配流盤腰型槽的有效總角

1——內(nèi)密封帶的內(nèi)半徑

1——內(nèi)密封帶的外半徑

2——外密封帶的內(nèi)半徑

2——外密封帶的外半徑

s——缸內(nèi)液體壓力

3）彈簧預(yù)壓緊力t

t=（+）

——彈簧剛度

——彈簧預(yù)壓縮長(zhǎng)度

——缸體和配流盤間的油膜厚度

4）缸體對(duì)配流盤的總壓緊力

=s+t

（5）剩余壓緊力Δ

Δ=-0

由受力分析可知，缸體轉(zhuǎn)角在0￡￡和￡￡時(shí)，s分別為固定值，但0卻隨缸體轉(zhuǎn)角的變化而變化，這就使缸體受不平衡力和不平衡力矩。再加上零件表面受壓變形和軸的撓曲變形等，使摩擦副之間的油膜被破壞，甚至局部會(huì)發(fā)生摩擦副材料的直接接觸，從而產(chǎn)生熱量的急劇上升加劇摩擦，引起粘著磨損[1]造成摩擦副損傷。

此外由于柱塞泵本身對(duì)油液污染敏感，當(dāng)油液產(chǎn)生嚴(yán)重污染時(shí)引發(fā)的磨料磨損[2]也是造成摩擦副損傷的原因之一。

在舵機(jī)液壓系統(tǒng)中，液壓泵是主要噪聲源。表2列出了舵機(jī)液壓泵在工作壓力（20 MPa）下的噪聲數(shù)據(jù)。

表2 舵機(jī)液壓泵噪聲

軸向柱塞泵由于缸體輸出的油液的不連續(xù)和吸油、壓油腔的分離結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生了較大的流量脈動(dòng)和液壓噪聲，還有復(fù)雜流道產(chǎn)生的氣穴噪聲。并且由于存在較大的流量脈動(dòng)，會(huì)引起油路管的振動(dòng)，這一振動(dòng)隨著管路的延長(zhǎng)而越加明顯，產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲也越大。實(shí)際使用中我們發(fā)現(xiàn)特別是當(dāng)兩條油路管相距較近時(shí)很容易引發(fā)共振，產(chǎn)生很大噪聲，可達(dá)90 dB。

2 改進(jìn)目標(biāo)和改進(jìn)思路

根據(jù)該型舵機(jī)液壓泵在實(shí)際使用中存在的問題，提出改進(jìn)目標(biāo)：

1）提高工作壽命,降低故障率。

2）降低噪聲。

針對(duì)現(xiàn)有問題及改進(jìn)目標(biāo)提出兩種改進(jìn)思路：

1）基于現(xiàn)有柱塞泵進(jìn)行改進(jìn)，主要是采取降低摩擦副的磨損和噪聲的措施。

2）將柱塞泵更換為其他類型的液壓泵，主要是選擇流量脈動(dòng)小、噪聲小、對(duì)油液污染不敏感、工作壽命長(zhǎng)的液壓泵類型。

3 改進(jìn)方案的選擇

3.1 基于該型柱塞泵的改進(jìn)方案

3.1.1減小摩擦副磨損的措施

1）減小剩余預(yù)緊壓力Δ，適當(dāng)增大反推力0

通過前面的受力分析，采用靜壓力平衡原理，作者認(rèn)為適當(dāng)減小剩余預(yù)壓緊力、增大反推力能夠達(dá)到減小摩擦的作用。

2）控制油液污染

控制油液污染，改善液壓泵的潤(rùn)滑環(huán)境，可以減小磨料磨損。

3）改進(jìn)操作規(guī)程，并嚴(yán)格執(zhí)行

根據(jù)實(shí)際使用情況來看，不按章操作引起的事故磨損也是柱塞泵摩擦副磨損的一大原因，應(yīng)當(dāng)明確舵機(jī)液壓泵的操作規(guī)程，如初次使用時(shí)的工作前準(zhǔn)備、長(zhǎng)期使用后停機(jī)的操作步驟等具體規(guī)程。

3.1.2減小液壓泵噪聲的措施

1）采用降噪配流盤

根據(jù)國內(nèi)的研究成果，將現(xiàn)有配流盤更換為降噪配流盤，噪聲平均可下降2.5 dB。

2）確保泵吸油口處的壓力，避免泵吸空

液壓泵一旦吸人空氣，將會(huì)在油液內(nèi)部產(chǎn)生氣穴和氣蝕現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，并通過油液傳遞到外部?？刹扇∪缭龃笪涂谕◤?，將油箱架高，控制油溫以避免油液粘度過大，在油箱上安裝呼吸器以避免油箱產(chǎn)生負(fù)壓等措施來避免泵吸空，從而減小噪聲。

3）泵與電機(jī)的連接需用帶緩沖墊的柔性聯(lián)軸器，并確保同軸度

通過研究發(fā)現(xiàn)，外部機(jī)械連接處產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲也是液壓泵的主要噪聲來源，在泵與電機(jī)的連接使用帶緩沖墊的柔性聯(lián)軸器，并確保同軸度可降低機(jī)械噪聲。

表3 改進(jìn)后柱塞泵的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

（測(cè)試條件：工作壓力20 MPa，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速1500 r/min）

如表3所示，改進(jìn)后的柱塞泵性能提升并不明顯?；谠撔椭玫母倪M(jìn)方案可以視為一種改進(jìn)性維修，由于柱塞泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其不平衡力不能消除，流量脈動(dòng)大，從改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)，控制油液污染的角度來提高摩擦副的性能和降低噪聲是非常有限的。

3.2 替換液壓泵的改進(jìn)方案

按目前統(tǒng)計(jì)資料，作者對(duì)現(xiàn)有的各類型液壓泵的主要性能進(jìn)行了分析對(duì)比，如表4所示：

首先，選用的液壓泵應(yīng)當(dāng)能夠滿足工作要求：

1）輸出壓力≥20 MPa

2）排量≥125 mL/r

3）轉(zhuǎn)速范圍1000~2000 r/min

其次應(yīng)當(dāng)噪聲小，對(duì)油液污染不敏感。

綜合比較表4中的各類液壓泵，漸開線式的內(nèi)嚙合齒輪泵和螺桿泵能夠滿足要求。下面進(jìn)行這兩類泵的選型和比較。

1）漸開線式的內(nèi)嚙合齒輪泵的選型

通過對(duì)比各類漸開線式的內(nèi)嚙合齒輪泵，作者選擇了IGP型高壓低噪聲內(nèi)嚙合齒輪泵。IGP型內(nèi)嚙合齒輪泵通過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使泵的承載能力和容積效率大為提高，同時(shí)保持工作噪聲在較低水平。在額定工作壓力31.5 MPa下，容積效率可達(dá)91％，噪聲控制在70 dB以下。

2）螺桿泵的選型

表4 各類液壓泵的主要性能

表5 螺桿泵應(yīng)用范圍

泵型流量（L/min）壓力（MPa）最高溫度（℃）輸送液體性質(zhì) 單螺桿泵9200以下0.6~2.4300含小顆粒，有腐蝕性 雙螺桿泵33000以下5~8400含微小顆粒，有腐蝕性 三螺桿泵13000以下25300無腐蝕性的潤(rùn)滑液體 四螺桿泵其應(yīng)用條件與五螺桿泵相似 五螺桿泵160001.0150無腐蝕性的潤(rùn)滑液體

如表5所示作者列出了目前幾種螺桿泵的應(yīng)用范圍，不難看出三螺桿泵符合本型船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)的工作要求。并且三螺桿泵是目前產(chǎn)量最高，系列最多，應(yīng)用最為廣泛的一種螺桿泵。對(duì)比國內(nèi)三螺桿泵產(chǎn)品，作者選用了天津工業(yè)泵廠的高壓系列三螺桿泵。

3）兩類液壓泵對(duì)比選用

IGP型高壓低噪聲內(nèi)嚙合齒輪泵，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，噪聲小，流量脈動(dòng)小，效率高，還可以做到無困油現(xiàn)象等一系列優(yōu)點(diǎn)。它的不足之處是齒形復(fù)雜，加工要求精度高，工藝復(fù)雜。

高壓系列三螺桿泵，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，自吸能力強(qiáng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，流量無脈動(dòng)，噪聲小，對(duì)油液污染不敏感，工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。它的不足之處是加工工藝復(fù)雜，制造成本高，造價(jià)是現(xiàn)有柱塞泵的3倍。

對(duì)同排量（150 mL/min）的兩類液壓泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果如表6所示。

表6 IGP型高壓低噪聲內(nèi)嚙合齒輪泵和高壓系列三螺桿泵的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

（測(cè)試條件：工作壓力20MPa，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速1500 r/min）

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)將柱塞泵替換為同排量的流量脈動(dòng)低、噪聲小的液壓泵相較于僅僅是基于現(xiàn)有柱塞泵進(jìn)行改進(jìn)可以更好的提高整套舵機(jī)液壓裝置的性能。

對(duì)比表6的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)三螺桿泵相較于內(nèi)嚙合齒輪泵在同等工作條件下具有更低的噪聲，更小的流量脈動(dòng)率和故障率。并且由于三螺桿泵基本無流量脈動(dòng)，液壓油路管不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，也大大降低了整套舵機(jī)液壓系統(tǒng)的噪聲。

4 結(jié)束語

通過分析該型船舶舵機(jī)液壓泵存在的問題提出改進(jìn)方案，最終得出結(jié)論：將現(xiàn)有的軸向柱塞泵替換為同排量的三螺桿泵，液壓泵噪聲降低到原先的70%，工作壽命延長(zhǎng)3倍，可提高該型船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性。

注釋：

本文的故障率采用頻率估計(jì)

[1] 楊爾莊. 二十一世紀(jì)液壓技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 液壓與氣動(dòng), 2001(6).

[2] 陳林強(qiáng). 液壓系統(tǒng)常見故障成因及其頂防與排除[J]. 液壓與氣動(dòng), 2003(7).

[3] 李建宇. 液壓系統(tǒng)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生原因分析[J]. 液壓與氣動(dòng), 2006(5).

[4] 陳志剛. 63CYl4-1B軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2010(1).

[5] 葉清. 內(nèi)嚙合齒輪泵幾何參數(shù)及流量脈動(dòng)的研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學(xué), 2007.

[6] 張寒峭. 螺桿泵及新型組件的新進(jìn)展[J]. 石油機(jī)械, 2005（11）.

[7] 范宗霖, 張翼飛, 陳金海. 我國泵行業(yè)的現(xiàn)狀與未來思考[J]. 水泵技術(shù), 2007 (1).

Research on Replacement of Ship Steering Pump

Li Jianfei, Han Kai, Xia Zhensheng

( Navy Submarine Academy, Qingdao 266044, Shandong, China)

U671 TH137

A

1003-4862（2014）02-0070-04

李踐飛（1973-），男，碩士，講師。研究方向：通信與信息工程。

2013-09-04