變距液壓集成泵站輕量化設(shè)計及試驗

胡云波 陳香潤

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011；2.上海海迅機電工程有限公司 上海 201100）

0 引言

氣墊船作為非常規(guī)水面船型，由船上設(shè)置的墊升風機提供墊升氣流，通過船體四周的圍裙系統(tǒng)形成氣墊，使船體脫離水面進行快速航行。由于氣墊船體積小、快速性要求高的航行特點，對機電設(shè)備的質(zhì)量和空間尺寸有著較高要求，使輕量化、集成化理念貫穿于整個氣墊船機電設(shè)備的設(shè)計過程。

變距液壓泵站是氣墊船上重要的機電設(shè)備，為空氣螺旋槳裝置提供液壓動力源，實現(xiàn)空氣螺旋槳裝置螺距角度的調(diào)節(jié)，進而滿足氣墊船不同航行工況下的推力需求。因此在液壓泵站設(shè)計過程中，除了保證裝置核心功能以外，還應充分考慮其輕量化、集成化等因素。

常規(guī)液壓變距系統(tǒng)采用液壓油箱與泵站分離式布置[1]，且該系統(tǒng)一般采用鑄鐵材質(zhì)，整體較重、對空間尺度要求也較高，故不滿足氣墊船使用需求。本文基于某型船液壓泵站設(shè)計要求，首先對液壓泵站進行了集成化設(shè)計和常規(guī)方案設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上開展輕量化優(yōu)化設(shè)計，最終形成集成化、輕量化液壓泵站設(shè)計方案；而后，通過開展變距液壓泵站性能試驗，驗證了本文所設(shè)計的集成化、輕量化變距液壓泵站設(shè)計的合理性。

1 變距液壓系統(tǒng)概述

氣墊船的變距液壓系統(tǒng)主要由變距液壓泵站、變距控制閥組及相關(guān)管路組成。其通過變距液壓泵站為蓄能器進行充能，使蓄能器的壓力處于系統(tǒng)設(shè)計定值，而后通過變距控制閥組調(diào)節(jié)液壓油源的方向和壓力，驅(qū)動空氣螺旋槳變距推桿進行水平移動，實現(xiàn)空氣螺旋槳的變距。

依據(jù)某型氣墊船變距系統(tǒng)設(shè)計要求，蓄能器可將供給閥組的液壓源保持在7～ 13 MPa。變距液壓泵需要為蓄能器提供不小于13 MPa 的液壓源，同時為快速完成蓄能器充能，其流量不得小于7 L/min。另外，為保證變距閥組工作的穩(wěn)定性，需保證油源的清潔度。因此，本文將根據(jù)表1 所示的性能要求，開展變距液壓泵站的輕量化、集成化設(shè)計。

表1 變距液壓泵站設(shè)計參數(shù)

2 變距液壓集成泵站集成化設(shè)計

本章節(jié)將依據(jù)變距液壓系統(tǒng)設(shè)計分析，開展變距液壓集成泵站的設(shè)計。

2.1 泵站原理

變距液壓泵站由液壓泵、驅(qū)動電動機、手動泵、油箱、節(jié)流閥、溢流閥、聯(lián)軸節(jié)及相關(guān)連接安裝附件等構(gòu)成?？紤]到船上空間尺寸的要求，將各設(shè)備進行集成設(shè)計，形成1 套變距液壓集成泵站的設(shè)計方案。變距液壓集成泵站原理圖見圖1。

圖1 變距液壓集成泵站原理圖

變距液壓集成泵站的工作原理為：液壓泵從油箱中吸油后對外泵油，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓油的勢能，液壓油通過集成閥塊實現(xiàn)方向、壓力、流量調(diào)節(jié)后經(jīng)外接管路傳輸?shù)较嚓P(guān)液壓機械?？紤]到液壓泵故障時造成的安全問題，還需設(shè)置手動泵為蓄能器進行應急充能；同時，為保證泵站工作壓力穩(wěn)定，泵站需設(shè)置溢流閥，從而使過量或壓力過大的液壓油溢流回液壓油箱，起到穩(wěn)壓、控制流量的作用。為防止系統(tǒng)中雜質(zhì)流回油箱，在回油路上設(shè)置過濾器；為防止液壓油中混入空氣，影響液壓系統(tǒng)運行，在油箱設(shè)置空氣濾清器；為便于液壓系統(tǒng)的維護和監(jiān)測，在系統(tǒng)中主要路段裝設(shè)必要的檢測元件（如壓力表、溫度計、高低位報警等）。

由表1 可知，系統(tǒng)的設(shè)計壓力為16 MPa、需要達到的流量為7 L/min，根據(jù)流量及設(shè)計壓力，選取管路系統(tǒng)管徑為Φ10 mm×1.5 mm。為檢查管路的流量是否滿足相關(guān)的設(shè)計規(guī)范推薦要求，對液壓油出口管路的流速v1進行計算，見式（1）：

式中：Q1為系統(tǒng)設(shè)計流量，L/min；S1為出口管路流通面積，m2。

所得結(jié)果滿足設(shè)計規(guī)范推薦的壓力管路流速要求（2.5～ 6 m/s）[2]。

回油管路的壓力一般比較低，回油背壓一般為0.05 MPa。根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計的一般原則，回油管路應比出油口的管路內(nèi)徑大，以確?；亓鬟^程順利，根據(jù)流量及設(shè)計壓力選取回油管路系統(tǒng)管徑為Φ12 mm×1 mm 的管路，對回油口的管路流速v2進行計算，見式（2）：

式中：S2為回油管路流通面積，m2。

所得結(jié)果滿足設(shè)計規(guī)范推薦的回油管路流速要求（1～ 3 m/s）[2]。

2.2 泵站布置形式

液壓泵站按泵裝置的布置位置可分為以下 3 種[3]：

（1）上置立式：泵裝置立式安裝于油箱蓋板上，主要用于定量泵系統(tǒng)。

（2）上置臥式：泵裝置臥式安裝于油箱蓋板上，主要用于變量泵系統(tǒng)，以便于流量調(diào)節(jié)。

（3）旁置式：泵裝置臥式安裝在油箱旁單獨的基座上，旁置式可裝備備用泵，主要用于油箱容量、電機功率較大的系統(tǒng)。

通過分析變距液壓集成泵站的工作要求和工作條件，得出其所需油箱容積較小，而且對流量調(diào)節(jié)精度要求不高，設(shè)計額定流量為7 L/min 并采用定量泵，就可以完成相關(guān)的功能設(shè)計；其次，由于變距液壓泵站安裝的空間狹窄，泵站的總體設(shè)計需要設(shè)備緊湊且集成度高。因此，采用上置立式布置方式可滿足布置空間和工作環(huán)境的要求。

3 液壓泵站常規(guī)設(shè)計

本章節(jié)基于液壓泵站集成化設(shè)計方案，開展常規(guī)部件選型設(shè)計。

3.1 液壓泵設(shè)計選型

根據(jù)液壓泵的不同結(jié)構(gòu)形式，液壓泵分為齒輪泵（內(nèi)嚙合和外嚙合）、葉片泵（單作用和雙作用）、柱塞泵（徑向和軸向）和螺桿泵。

齒輪泵的優(yōu)點[4]主要為結(jié)構(gòu)簡單、工藝性較好且成本較低。與同樣流量的其他各類泵相比，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、自吸性能好，無論在高、低轉(zhuǎn)速甚至在手動情況下都能可靠地實現(xiàn)自吸且轉(zhuǎn)速范圍大。因泵的傳動部分和齒輪基本上都是平衡的，在高轉(zhuǎn)速下不會產(chǎn)生較大的慣性力。油液中污物對其工作影響不嚴重，不易咬死。其缺點主要為工作壓力較低、容積效率較低、流量脈動大，因此導致壓力脈動與振動噪聲較大。

葉片泵的優(yōu)點[4]為流量均勻、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小，轉(zhuǎn)子所受徑向液壓力彼此平衡；軸承使用壽命長、耐久性好；容積效率較高，可達95%以上。目前雙作用葉片泵的工作壓力為6.86～ 10.3 MPa，有時可達20.6 MPa；結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小且排量大。其缺點為葉片易咬死，工作可靠性差，對油液污染敏感，故要求工作環(huán)境清潔，油液要求嚴格過濾。結(jié)構(gòu)較齒輪泵復雜，零件制造精度要求較高。要求吸油的可靠轉(zhuǎn)速在8.3～ 25 r/s 范圍內(nèi)。若轉(zhuǎn)速低于8.3 r/s，因離心力不夠，葉片無法緊貼于定子內(nèi)表面，便不能形成密封良好的封閉容積，從而無法順利抽吸；若轉(zhuǎn)速太高，會因吸油速度太快而產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，導致無法抽吸或吸油不連續(xù)的情況。

柱塞泵的優(yōu)點[4]為額定壓力高、轉(zhuǎn)速高、泵的驅(qū)動功率大；效率高、容積效率約95%、總效率約90%；壽命長、變量方便、形式多；單位功率的泵質(zhì)量輕；主要零件均受壓應力，材料強度性能可得以充分利用。其缺點為結(jié)構(gòu)較復雜、零件數(shù)較多、自吸性差、制造工藝要求較高、成本較貴；對油液污染較敏感，要求較高的過濾精度，對使用和維護要求較高。

螺桿泵的優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、流量和壓力脈動小、無紊流擾動、噪聲小且轉(zhuǎn)速高、工作可靠壽命長，而且對油中雜質(zhì)顆粒度不太敏感；其缺點為齒形加工困難；額定工況的壓力不能過高，否則容易導致軸向尺寸很大。

綜合考慮泵的制作成本、工作環(huán)境、后期維護等各方面因素，最終選擇定量齒輪泵為集成泵站的主要部件。常規(guī)齒輪泵的額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。齒輪泵的容積效率因不同廠商而不同，此處選取容積效率為0.9 進行設(shè)計。經(jīng)選型得到滿足系統(tǒng)額定設(shè)計流量要求的齒輪泵公稱排量為4 mL/r，泵的額定工作壓力為16 MPa，常規(guī)泵體材質(zhì)為鑄鐵。[5-6]據(jù)此，得到齒輪泵總質(zhì)量為3.5 kg，如 圖2 所示。

圖2 端蓋為鑄鐵的齒輪泵示意圖

3.2 電機設(shè)計選型

為滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，采用常規(guī)選型電機，質(zhì)量為34 kg、殼體為鑄鐵材質(zhì)。該電機主要參數(shù)為：電壓380 V、頻率50 Hz、功率3 kW、電流6.4 A、轉(zhuǎn)速2 880 r/min、效率82%、功率因素0.87、額定轉(zhuǎn)矩2.2 N·m、額定電流7 A。

3.3 油箱的設(shè)計

在常規(guī)的集成油箱設(shè)計過程中，通常會選用普通鋼板來制作油箱。普通鋼板制作的箱體采用5～ 6 mm 厚的鋼板焊接，面板采用10～ 12 mm 厚度鋼板，若開孔過多，可適當加厚或增添加強筋。普通鋼板制作完成后一般還需要對箱體內(nèi)外噴涂防銹油漆，噴涂的漆層較厚。

設(shè)計輸入的箱體容量為35 L，根據(jù)相關(guān)規(guī)范推薦值[7]，優(yōu)選油箱公稱容量中滿足此容量要求的為40 L。此處選用5 mm 厚的普通鋼板計算油箱質(zhì)量，油箱外形尺寸（長×寬×高）為350 mm×330 mm×370 mm，有效內(nèi)部容積為41 L。需注意的是，此處的油箱質(zhì)量尚未包含部分結(jié)構(gòu)加強及相關(guān)的安裝底座和接口。經(jīng)核算，該油箱質(zhì)量為 28.8 kg。

3.4 其他相關(guān)部件

在常規(guī)設(shè)計過程中采用碳鋼作為閥塊設(shè)計的材料，閥塊采用Q345 的鍛件進行制作，如圖3 所示，質(zhì)量為2.06 kg。

圖3 閥塊示意圖

其他部件包括手動泵、壓力表、各種接頭、濾器和控制檢測系統(tǒng)均較輕，在使用過程中采用常規(guī)的選型配套。

本常規(guī)方案初始設(shè)計的液壓泵站如圖4 所示。系統(tǒng)質(zhì)量合計為91.55 kg，常規(guī)配置選型相關(guān)的型號和質(zhì)量統(tǒng)計見下頁表2。

圖4 常規(guī)液壓泵站示意圖

表2 常規(guī)選型設(shè)計

4 液壓泵站輕量化設(shè)計

常規(guī)選型設(shè)計液壓泵站的質(zhì)量較重。本文綜合考慮變距液壓集成泵站的使用環(huán)境和技術(shù)參數(shù)要求，通過對主要組成部件（如手動泵、齒輪泵、油箱、電動機及閥組等）進行輕量化設(shè)計分析，以實現(xiàn)對集成泵站的優(yōu)化設(shè)計。

4.1 齒輪泵輕量化設(shè)計

通過相關(guān)產(chǎn)品調(diào)研，主要從齒輪泵的材料上進行輕量化考慮，選用高強度的鋁合金材料制作齒輪泵。

常規(guī)設(shè)計選用全鋼制齒輪泵，現(xiàn)采用高強度全鋁合金殼體齒輪泵（如圖5 所示）。其流量3 mL/r、工作額定壓力可達20 MPa，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，質(zhì)量僅0.92 kg。

圖5 全鋁合金殼體齒輪泵

4.2 電機輕量化設(shè)計

電機作為變距液壓集成油箱的重要組成部件之一，其質(zhì)量幾乎占整個油箱系統(tǒng)的一半，減輕電機質(zhì)量便可以有效減輕系統(tǒng)的質(zhì)量。根據(jù)表1 設(shè)計參數(shù)，核算電機功率及轉(zhuǎn)速。泵的總驅(qū)動功率見 式（3）：

式中：p為液壓泵站額定工作壓力，MPa；q為液壓泵站流量，L/min；η為齒輪泵的總效率，取0.85。

電機轉(zhuǎn)速見式（4）：

式中：V為齒輪泵的排量，L/r；ηv為齒輪泵容積效率。

通過計算，泵的驅(qū)動功率為2.2 kW，轉(zhuǎn)速大于2 593 r/min 就可滿足工作條件的要求，比初步確定的電機功率3 kW 更小。通過優(yōu)化驅(qū)動電機的功率參數(shù)來控制電機的總體質(zhì)量。此外，電機的極數(shù)不同，質(zhì)量也不一樣。綜合考慮各因素，選定某型三相鋁殼電機，額定功率2.2 kW，滿載時轉(zhuǎn)速 2 840 r/min，質(zhì)量為16 kg，如下頁圖6 所示。相對于鑄鐵機殼電機，鋁殼電機質(zhì)量較輕。

圖6 鋁殼三相異步電動機

4.3 油箱輕量化設(shè)計

油箱的輕量化設(shè)計是液壓集成油箱輕量化設(shè)計重點之一。普通鋼板油箱內(nèi)部防銹處理較難實現(xiàn)，鐵銹一旦進入油循環(huán)系統(tǒng)，便會造成很多故障，采用全鋁合金設(shè)計的油箱則解決了這一難題。

根據(jù)油箱的容積要求及散熱要求計算油箱所需承載的負荷，在滿足油箱應力強度的條件下，盡量減小油箱壁厚、支座等結(jié)構(gòu)的尺寸。相同尺寸大?。?50 mm×330 mm×370 mm）的油箱，壁厚選擇2.5～ 4 mm 的鋁合金油箱，油箱有效容積可以達到43 L。鋁合金油箱一般有2 種形式：一是采用鑄鋁進行鑄造，鑄造之后進行一定的工藝處理，相同容積的鑄造鋁合金油箱的質(zhì)量為15 kg；二是采用鋁合金板材進行焊接，然后對焊接部位進行一定的工藝處理并考慮加強油箱結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝底座和人孔的設(shè)計結(jié)構(gòu)，油箱的質(zhì)量約11 kg。

綜上所述，綜合考慮制作成本、制作工藝加工的難易程度，決定選擇鋁合金板材5A02 進行油箱的設(shè)計，這種材質(zhì)的鋁合金常用來制作航空油箱。油箱外形結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 鋁合金液壓箱體

4.4 閥塊輕量化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計后的閥塊材質(zhì)由原Q345 改為高強度鋁合金2A12-T4，與牌號為2024 的鋁合金材料有相同的物理性能。在常溫條件下，其拉伸強度可達420 MPa、屈服強度可達275 MPa[8]，強度可以滿足閥塊的設(shè)計要求。

鋁合金閥塊雖較常規(guī)的碳鋼或不銹鋼閥塊質(zhì)量有所減輕，但是由于鋁合金的承壓能力及螺紋的強度問題，閥塊的外形尺寸比常規(guī)不銹鋼材質(zhì)的多路閥塊外形尺寸稍大。因此，采用取消保護板，將壓力表直接安裝在閥塊的壓力出口處等措施、既可節(jié)約安裝空間，也減輕了設(shè)備的總體質(zhì)量。閥塊的材質(zhì)改為為鋁合金后，其質(zhì)量可以降至1.36 kg。

4.5 其他部件輕量化選型設(shè)計

集成泵站中除電機、齒輪泵、油箱及閥塊等主要部件外，還有很多的其他輔助部件組成。

本節(jié)中分析的相關(guān)液壓組成部件，部分有成熟的產(chǎn)品可以進行輕量化的設(shè)計替換，比如：鐘形罩和回油濾器可采用鋁合金材質(zhì)進行替換；部分產(chǎn)品由于目前使用的量不大，還是采用不銹鋼材質(zhì)的產(chǎn)品進行設(shè)計，比如系統(tǒng)中的高壓球閥、回油濾器中的單向閥及用于壓力調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡單的直動型溢流閥。

4.6 輕量化設(shè)計方案

優(yōu)化后的集成泵站的方案如圖8 所示。

圖8 優(yōu)化后的集成泵站示意圖

如下頁表3 所示，通過對各部件的輕量化設(shè)計，優(yōu)化后的集成液壓泵站質(zhì)量為42.97 kg，較常規(guī)方案質(zhì)量減輕了53%，達到了輕量化設(shè)計目的。

表3 輕量化選型設(shè)計

5 集成化、輕量化液壓泵站性能試驗

為充分驗證集成泵站輕量化設(shè)計的可靠性，同時對設(shè)備主要參數(shù)進行考核試驗，本文開展變距液壓泵站的試制與試驗，主要包括油箱的焊接（圖9）、電控箱的搭建（圖10）、設(shè)備集成裝配等。試制完成的變距液壓集成泵站如圖11 所示。

圖9 油箱焊接后

圖10 電控箱的搭建

圖11 變距液壓集成泵站實物圖

試驗原理圖以及試驗模型如下頁圖12 和圖13所示。通過分析液壓泵站的主要功能指標，搭建試驗臺架。

圖12 試驗原理圖

圖13 試驗模型

通過開展一系列性能試驗項目，驗證所試制的輕量化液壓泵站是否滿足設(shè)計要求：

（1）油箱強度試驗

通過氣壓測試鋁合金制作的油箱箱體的強度，根據(jù)規(guī)范要求[1]，非充壓油箱應能承受0.06 MPa的內(nèi)壓，無泄漏且無永久變形。

（2）壓力試驗

逐級升高集成油箱出口的壓力，確定液壓集成油箱可以達到額定的工作壓力16 MPa，穩(wěn)壓 5 min，所有連接點壓力測試過程中不應有滲油現(xiàn)象，壓力保持穩(wěn)定。

（3）啟停試驗

檢查變距液壓集成油箱的啟停試驗，能夠滿足自動、遙控和手動這3 種操縱方式。在自動工況下，壓力降至7 MPa 時，電動泵自動啟動；當壓力升至13 MPa 時，電動泵自動停止。

（4）報警試驗

報警試驗分為兩部分：一是液壓油液的高/低位報警；二是液壓油箱液壓油高溫報警，液壓油溫度應不高于70 ℃，故設(shè)定的報警溫度為60 ℃。以上報警通過輸入模擬信號進行模擬試驗。

（5）流量測試

液壓集成油箱的額定流量可以達到7 L/min 的流量要求。

（6）溢流閥試驗

測試變距液壓集成油箱的壓力設(shè)定額定壓力16 MPa，當壓力達到16 MPa 后，在泵站不停機的情況下，系統(tǒng)壓力不會超過設(shè)定的額定壓力 16 MPa。

上述各項試驗結(jié)果顯示，液壓泵站的主要性能指標均滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，從而驗證了本文所提出的輕量化、集成化液壓泵站設(shè)計方案的合理性。

6 結(jié)語

本文通過分析變距液壓系統(tǒng)設(shè)計原理，得到變距液壓集成泵站的設(shè)計輸入?yún)?shù)，并據(jù)此開展液壓泵站集成化設(shè)計，形成常規(guī)設(shè)計初步方案；然后，針對主要部件開展輕量化設(shè)計，對集成液壓泵站進行輕量化優(yōu)化設(shè)計；此外，還依據(jù)輕量化優(yōu)化設(shè)計方案開展了集成泵站的制造，并搭建試驗臺架，進行壓力、自動啟停和箱體耐壓等多方面的試驗，試驗表明輕量化設(shè)計的集成泵站各項指標參數(shù)滿足設(shè)計要求。

本文通過開展集成泵站的輕量化設(shè)計及試驗，既驗證了集成泵站輕量化設(shè)計的可行性，也可為后續(xù)氣墊船變距液壓泵站的設(shè)計制造提供參考依據(jù)。