煤油介質(zhì)軸向柱塞泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

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(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱　150080)

引言

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)航天液壓系統(tǒng)提出了輕量化，集成化的要求，用煤油取代傳統(tǒng)的液壓油或紅油作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)是一個(gè)重要的研究方向。煤油介質(zhì)可直接引自發(fā)動(dòng)機(jī)，省去額外攜帶油箱的麻煩，在液壓系統(tǒng)中完成相應(yīng)的功能后，還可作為燃料為其他子系統(tǒng)提供動(dòng)力，為提高航天飛行器的運(yùn)載能力提供了便利。然而煤油介質(zhì)黏度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的液壓油液，容易泄漏，會(huì)大大增加柱塞泵的容積損失。同時(shí)，由于黏性較差，使得在相互運(yùn)動(dòng)的摩擦副中潤滑油膜難以建立或油膜較薄，支撐能力較差，容易導(dǎo)致摩擦副材料直接接觸，處于混合摩擦甚至是干摩擦的狀態(tài)，致摩擦副過早失效。此外，由于煤油介質(zhì)的特殊性，對(duì)柱塞泵旋轉(zhuǎn)密封的性能提出了更高的要求。如果直接采用傳統(tǒng)液壓油介質(zhì)的軸向柱塞泵，會(huì)使得柱塞泵效率低下，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障，造成不可估量的損失。因此煤油介質(zhì)柱塞泵需要根據(jù)這種介質(zhì)的特殊性，重新考慮柱塞泵的結(jié)構(gòu)形式、摩擦副材料、密封等的設(shè)計(jì)問題。

煤油介質(zhì)柱塞泵由于涉及航空航天等軍事領(lǐng)域，受到國外的技術(shù)封鎖，國內(nèi)的研究報(bào)道也很少[1]，其大多采用逆向工程法設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)運(yùn)動(dòng)特性和相關(guān)技術(shù)的深入研究，因此有必要進(jìn)行深入的研究。

1　煤油介質(zhì)柱塞泵形式的選擇

軸向柱塞泵按照其主軸和缸體轉(zhuǎn)子軸線的位置關(guān)系可分為斜盤式和斜軸式兩種。這兩種柱塞泵的工作原理基本相同，只是運(yùn)動(dòng)形式存在差異，其中主軸、柱塞、缸體的形式和受力也存在差異，這兩種形式的柱塞泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖1所示。

圖1　斜盤式與斜軸式軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖

兩種形式的軸向柱塞泵均是將主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成柱塞的直線運(yùn)動(dòng)，利用配流盤將吸油、排油口隔開，從而實(shí)現(xiàn)吸油和排油。將這兩種形式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比如表1所示。

表1　斜盤式與斜軸式軸向柱塞泵優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

從表1可以看出，煤油介質(zhì)柱塞泵采用斜軸式結(jié)構(gòu)有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1) 沒有線速度較高的滑靴副，同時(shí)減小了由于煤油黏度低導(dǎo)致的泄漏，容積效率更高，同時(shí)可使泵的轉(zhuǎn)速更高；

(2) 相同排量時(shí)斜軸泵體積更小，重量更輕。

2　斜軸式軸向柱塞泵運(yùn)動(dòng)分析

斜軸式軸向柱塞泵的運(yùn)動(dòng)比斜盤式軸向柱塞泵的運(yùn)動(dòng)要復(fù)雜得多，斜軸泵從主軸到缸體相當(dāng)于一個(gè)五連桿機(jī)構(gòu)，中間有4個(gè)消除2個(gè)自由度的約束，故還有2個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，當(dāng)連桿與柱塞內(nèi)壁接觸后，才又消除了1個(gè)多余的自由度，此時(shí)運(yùn)動(dòng)才是確定的。為了避免干涉或卡死，并不是所有連桿都與柱塞孔內(nèi)壁都緊靠，而是有一定的間隙，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)過一定角度之后，其中一個(gè)連桿才靠上去，再驅(qū)動(dòng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)，因此缸體相對(duì)于主軸必然存在一個(gè)轉(zhuǎn)角差ψ。由于在某一時(shí)刻僅有1個(gè)連桿驅(qū)動(dòng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角差ψ的大小及變化規(guī)律將嚴(yán)重影響到連桿交替時(shí)的沖擊和整泵的振動(dòng)特性[2, 3]，因而在煤油泵設(shè)計(jì)時(shí)研究轉(zhuǎn)角差的變化規(guī)律顯得尤為重要。

斜軸泵的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1.缸體　2.柱塞　3.連桿　4.中心桿　5.主軸盤圖2　柱塞運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖

式中：R1——A點(diǎn)在主軸法蘭上的分布圓A的半徑，mm

R2——B點(diǎn)在缸體中的分布圓B的半徑，mm

φ—— 主軸的轉(zhuǎn)角

θ—— 缸體的轉(zhuǎn)角

L—— 連桿長(zhǎng)度，mm

τ—— 連桿相對(duì)于柱塞軸線的傾角

用ψ表示缸體相對(duì)于主軸的轉(zhuǎn)角差，則:

ψ=φ-θ

(2)

將ψ代入式(1)，可得到連桿的傾角τ相對(duì)于轉(zhuǎn)角差ψ的表達(dá)式為:

(3)

為了得到單個(gè)連桿驅(qū)動(dòng)缸體時(shí)轉(zhuǎn)角差ψ相對(duì)于主軸轉(zhuǎn)角φ的變化規(guī)律，將式(3)中的τ用連桿和柱塞的接觸角τg代替，則式(3)變?yōu)?

(4)

式中：A=4R1R2(sin2φ+cos2φcosγ)

B=R1R2(1-cosγ)sin2φ

C=(R1-R2)2sin2φ+(R2-R1cosγ)2cos2φ-

L2sinτg

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單桿驅(qū)動(dòng)的最大轉(zhuǎn)角差約為5°左右，即:

(5)

由于柱塞泵只有一個(gè)轉(zhuǎn)向，因此根式前面取“+”號(hào)。

在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證C≤0，否則當(dāng)主軸轉(zhuǎn)角φ=90°和φ=0°時(shí)連桿會(huì)發(fā)生折斷或卡死。取R1=26 mm，R2=25 mm，當(dāng)L=24 mm，τg=1°42′時(shí)可繪制出轉(zhuǎn)角差ψ隨主軸轉(zhuǎn)角φ的變化曲線，如圖3a所示。多桿驅(qū)動(dòng)時(shí)，各連桿將按1→6→2→7→3→8→4→9→5→1(柱塞數(shù)為9)的順序交替工作，故轉(zhuǎn)角差的變化規(guī)律實(shí)際上應(yīng)為圖3b所示下方的包絡(luò)線。

得到理想轉(zhuǎn)角差的關(guān)鍵是連桿長(zhǎng)度L和最大傾斜角τg的選取，通常需要反復(fù)試算才能得到，因此煤油介質(zhì)柱塞泵的設(shè)計(jì)需要從轉(zhuǎn)角差分析開始。

圖3　轉(zhuǎn)角差ψ隨主軸轉(zhuǎn)角φ的變化

3　軸尾密封的選擇

液壓油介質(zhì)軸向柱塞泵的軸封研究應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，但由于煤油介質(zhì)其黏度低、滲透性強(qiáng)等特殊性，在旋轉(zhuǎn)密封的形式和材料選擇上需要特殊考慮，表2中列舉了軸向柱塞泵常用密封形式的技術(shù)參數(shù)。

表2　軸向柱塞泵常用密封形式的技術(shù)參數(shù)

煤油泵的軸封需要承受1.6 MPa的單向壓力，以軸徑為17 mm計(jì)算，在轉(zhuǎn)速6300 r/min下，密封線速度高達(dá)5.6 m/s，對(duì)比表2可知，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)密封無法滿足要求。

機(jī)械密封是一種用來解決旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)體之間的密封裝置，主要靠彈性元件對(duì)動(dòng)、靜環(huán)端面密封副的預(yù)緊和介質(zhì)壓力與彈性元件壓力的壓緊而實(shí)現(xiàn)密封的，又稱為端面密封。機(jī)械密封技術(shù)理論成熟，廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域中[4]，在一些航空泵中也有應(yīng)用[5]。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。基本組成元件有：端面密封副(動(dòng)環(huán)7和靜環(huán)6，)、彈性元件(如波形彈簧2)、輔助密封(如O形圈4和8)和防轉(zhuǎn)件(如擋塊5)等。依靠1個(gè)動(dòng)密封(動(dòng)、靜環(huán)相互摩擦)和2個(gè)靜密封(O形圈)實(shí)現(xiàn)軸端密封。

1、3.墊片　2.波形彈簧　4.靜環(huán)輔助密封圈　5.擋塊6.靜密封環(huán)　7.動(dòng)密封環(huán)　8.動(dòng)環(huán)輔助密封圈9.軸承　10.端蓋 圖4　機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)

機(jī)械密封作為動(dòng)密封的一種形式，具有如下一些優(yōu)點(diǎn)[6]：

(1) 泄漏量低，甚至可以做到肉眼看不見泄漏；

(2) 摩擦功率損耗小；

(3) 可靠性高，壽命長(zhǎng)；

(4) 適用性強(qiáng)，可用于高壓、高速、高溫等惡劣工況。

因而煤油泵軸尾密封采用機(jī)械密封是一種很好的解決方案，經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，并選用兼具密封性能和摩擦性能的動(dòng)、靜環(huán)材料進(jìn)行配對(duì)，可以滿足軸尾的零泄漏要求。

4　摩擦副材料的選擇

摩擦副壽命是高壓高速煤油介質(zhì)軸向柱塞泵可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，而摩擦副材料的選擇與配對(duì)對(duì)煤油泵的效率及壽命有決定性作用，因此需要對(duì)煤油泵摩擦副材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。

通過調(diào)研國內(nèi)柱塞泵生產(chǎn)廠商材料使用情況可知，傳統(tǒng)液壓油介質(zhì)柱塞泵摩擦副使用的材料為錳黃銅、鉛青銅、QT500、38CrMoAl等，且均為軟硬配合。隨著有機(jī)高分子材料的發(fā)展，聚四氟乙烯(PTFE)等工程塑料開始被用于替代傳統(tǒng)材料。經(jīng)過改性后的PTFE具有不黏、高強(qiáng)度、自潤滑的特性，因而摩擦系數(shù)極低并且能承受較高pv值，是一種很有應(yīng)用前景的摩擦副材料[7,8]。

在斜軸式軸向柱塞泵中，配流副pv值最大，通過對(duì)某煤油泵進(jìn)行分析可知：缸體和配流盤的接觸比壓為1.33 MPa，最大線速度為7.59 m/s，pv值為10.09 MPa·m/s。 采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)試件在端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)煤油泵配流副工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以期找出適合煤油介質(zhì)的摩擦副材料配對(duì)方案。材料配對(duì)方案如表3所示。

表3　摩擦副材料配對(duì)試驗(yàn)方案

由于不知道配對(duì)材料在煤油介質(zhì)中可承受的pv值極限，采用試驗(yàn)力和轉(zhuǎn)速逐級(jí)加載的方式。QT500與38CrMoAl配對(duì)，在試驗(yàn)參數(shù)加載至1000 N、1500 r/min 下試驗(yàn)后摩擦磨損情況如圖5所示?？梢奞T500產(chǎn)生嚴(yán)重的粘著磨損，表面粗糙度惡化嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生了刺耳的噪聲，表明該組配對(duì)方案不適用于煤油介質(zhì)。

圖5　QT500和38CrMoAl試驗(yàn)前后對(duì)比

PTFE和38CrMoAl配對(duì)在試驗(yàn)參數(shù)加載至4000 N、3000 r/min后如圖6所示，可見PTFE上試件接觸面更加光滑，38CrMoAl下試件接觸面顏色稍有變化，但沒有明顯劃痕，粗糙度無明顯變化，可滿足煤油泵的工況要求。

圖6　PTFE和38CrMoAl試驗(yàn)前后對(duì)比

為了更好地分析材料配對(duì)的摩擦性能，將PTFE和38CrMoAl配對(duì)試驗(yàn)過程測(cè)得的數(shù)據(jù)整理，繪制出摩擦系數(shù)隨加載力及轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖7所示。可知隨著加載力和轉(zhuǎn)速的增大，摩擦系數(shù)均呈變小的趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速和加載力增加到一定值后，這種趨勢(shì)變得平緩。此外，PTFE和38CrMoAl配對(duì)在高轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦系數(shù)很小，為普通材料的1/5～1/10，應(yīng)用于煤油介質(zhì)柱塞泵摩擦副中將非常有利。

圖7　PTFE和38CrMoAl配對(duì)試驗(yàn)在不同轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)隨加載力的變化趨勢(shì)

5　結(jié)論

結(jié)合煤油介質(zhì)的特點(diǎn)，研究了煤油介質(zhì)柱塞泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

由表4調(diào)查可知，新開沙荒地蘋果栽植成活率較低，不同區(qū)域成活率差異較大，行間清耕蘋果幼樹成活樹為44. 32%，間作小麥成活率僅為41. 28%，自然生草成活率為73. 32%，這與地面管理、風(fēng)沙大小和防護(hù)林生長(zhǎng)有關(guān)。2016年補(bǔ)栽的蘋果幼苗成活率顯著提高，行間清耕蘋果補(bǔ)栽成活率達(dá)到92. 94%，間作小麥補(bǔ)栽成活率達(dá)到88. 16%，自然生草補(bǔ)栽成活率為87. 13%。蘋果幼樹管理采取滴灌方式灌溉，肥隨水滴入，土壤肥力增加；再則，經(jīng)過一年的管理，防護(hù)林逐漸成林，環(huán)境有所改善，蘋果種植成活率提高。2017年春季蘋果幼樹成活率降低，說明沙荒地種植蘋果存在越冬抽干現(xiàn)象。

(1) 斜軸式柱塞泵比斜盤式柱塞泵少了線速度較高的滑靴副，應(yīng)用于煤油泵可大大降低對(duì)摩擦副材料的要求，同時(shí)減少了泄漏，有利于提高容積效率；

(2) 斜軸式柱塞泵運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)需要先分析多連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，經(jīng)過反復(fù)試算，得到光滑的轉(zhuǎn)角差變化曲線，以改善結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和抗沖擊性能；

(3) 傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)格萊圈不能滿足煤油介質(zhì)柱塞泵高轉(zhuǎn)速高壓力的密封要求，引入機(jī)械密封可同時(shí)滿足高速和高壓的工況；

(4) 通過將傳統(tǒng)摩擦副材料和新材料配對(duì)方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PTFE和38CrMoAl配對(duì)的方案的摩擦系數(shù)較小，僅有傳統(tǒng)材料的1/5～1/10，更適合應(yīng)用于煤油介質(zhì)柱塞泵。

軸向柱塞泵工作時(shí)涉及到多剛體多自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，對(duì)制造工藝、配合精度和材料要求較高，是技術(shù)含量最高的液壓元件之一。除文中提及的幾個(gè)方面之外，軸承配置和配合間隙的選擇等同樣需要特殊考慮，國產(chǎn)煤油介質(zhì)柱塞泵的研發(fā)任重而道遠(yuǎn)。

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