一種大型液壓軸向柱塞泵的優(yōu)化

何浩波，龍雨，羅云，劉尚，許順海

(1.廣東科達液壓技術(shù)有限公司技術(shù)中心，廣東佛山 528313；2.中鐵工程裝備集團有限公司重大專項研究院，河南鄭州 450016)

0 前言

隨著我國工業(yè)發(fā)展建設(shè)步伐的不斷加快，越來越多的工程項目對工程機械的心臟——泵提出了重載、大排量、高轉(zhuǎn)速等要求[1]。針對國內(nèi)工程實踐中的工況，某公司以500 mL/r軸向柱塞泵為基礎(chǔ)，研制了750 mL/r的軸向柱塞泵，其額定壓力35 MPa、額定轉(zhuǎn)速1 600 r/min。

在研制過程中，泵的試制樣機(以下簡稱樣機)分別在高壓和高轉(zhuǎn)速工況下試運行時出現(xiàn)一些問題[2]。針對目前市場上的國產(chǎn)柱塞泵排量不高、高轉(zhuǎn)速時容積效率偏低、噪聲振動過大、核心零部件磨損等問題[3-14]，本文作者采取一些優(yōu)化措施來改進設(shè)計[15-22]，通過優(yōu)化前后的對比試驗，驗證優(yōu)化參數(shù)的正確性。

1 樣機試驗概述

樣機經(jīng)過了出廠試驗、型式試驗、整泵試驗三種驗證方式，并記錄了試驗過程的數(shù)據(jù)。(1)出廠試驗：依照行業(yè)標準JB/T 7043—2006《液壓軸向柱塞泵》，驗證排量、效率、功率、噪聲及變量特性等性能指標是否符合設(shè)計要求；(2)型式試驗，包括磨合、高溫超載、額定轉(zhuǎn)速、沖擊試驗等，確保在多種工況下泵能夠穩(wěn)定運行；(3)整泵測試，主要驗證SDVB50W閥的沖洗溢流性能。

1.1 出廠試驗

出廠試驗包括效率驗證、功率驗證、噪聲驗證和變量特性驗證等4個項目，分別在特定工況下進行。樣機出廠試驗部分結(jié)果見表1。

由出廠試驗可得：在空載、額定轉(zhuǎn)速下樣機的平均流量可達1 190.95 L/min，則排量為

依據(jù)項目規(guī)定，需在排量750 mL/r、轉(zhuǎn)速1 000 r/min、壓力25 MPa下的工況下測試效率特性，其容積效率為94.37%，滿足了容積效率不小于94%設(shè)計要求。

受限于試驗臺的功率，樣機無法在額定壓力、額定轉(zhuǎn)速下持續(xù)滿排量運行。在40%排量、額定轉(zhuǎn)速、額定壓力的驗收條件下，噪聲平均值為104.3 dB(A)，已輕微超標，且效率偏低、有待提升。

圖1 單泵試驗(出廠及型式試驗)

1.2 型式試驗

型式試驗主要包括沖擊試驗、高溫重載試驗和額定轉(zhuǎn)速試驗等3個項目。樣機型式試驗部分結(jié)果見表2。

表2 樣機初次型式試驗部分結(jié)果

進行20 h沖擊試驗及20 h高溫重載試驗后，同樣在40%排量、額定壓力、額定轉(zhuǎn)速下進行額定轉(zhuǎn)速試驗，容積效率和總效率相較出廠試驗下降了10%左右。型式試驗結(jié)束后對液壓泵進行拆解檢查發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵摩擦副的磨損嚴重，實際磨損狀況見圖2—4。

圖2 初次型式試驗后斜盤圓弧面出現(xiàn)磨損和黏銅現(xiàn)象

圖3 初次型式試驗后缸體銅層(a)和配油盤(b)磨損

圖4 初次型式試驗后柱塞燒黑(a)和壓板損壞(b)

1.3 整泵試驗

整泵試驗是將SBVB50W閥(以下簡稱溢流閥)安裝至樣機上，加載后觀察樣機的工作壓力變化，檢驗樣機是否在預(yù)設(shè)溢流壓力值下發(fā)生溢流現(xiàn)象。整泵試驗如圖5所示。

圖5 整泵試驗

設(shè)定工況為500 r/min，分別在10、20、30 MPa的溢流壓力下逐步加載至最大排量，記錄相應(yīng)的工作壓力。不同溢流設(shè)定值下的溢流特性曲線見圖6。

可見在溢流壓力較高的情況下，樣機的工作壓力隨著流量的增加明顯下降，溢流特性不理想，需要改進溢流閥的設(shè)計。

2 優(yōu)化措施及試驗驗證結(jié)果

針對上述問題，通過大量修正試驗，逐一改良每一處發(fā)生損傷的結(jié)構(gòu)。并通過型式試驗及整泵試驗確定最優(yōu)參數(shù)值。

2.1 斜盤圓弧面的優(yōu)化

初步分析可知，圓弧面硬度不足會導(dǎo)致斜盤跑道的磨損和黏銅現(xiàn)象。因此提出增加圓弧面硬度并對它進行拋光處理的優(yōu)化方案。斜盤圓弧面優(yōu)化前后參數(shù)見表3。

表3 斜盤圓弧面優(yōu)化前后參數(shù)對比

優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，進行型式試驗，拆解樣機觀察到的斜盤圓弧面如圖7所示，可以看出：圓弧面無明顯磨損痕跡，黏銅現(xiàn)象也得到了解決。

圖7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)后，斜盤圓弧面無磨損或黏銅現(xiàn)象

2.2 配油盤外緣及油窗的優(yōu)化

觀察樣機配油盤與缸體的配合面可知，磨損最嚴重的部位在油窗外側(cè)的2個支撐環(huán)處。該泵配油盤尺寸較大，球面配流處pV值較高，在不降低容積效率的前提下，適當增加配油盤球面外緣精磨量，使它不與缸體銅層直接接觸，有利于降低配流盤磨損。

此外，柱塞發(fā)生了燒黑現(xiàn)象，初步分析原因為：柱塞與缸體孔之間的油膜失去作用，干磨造成表面燒黑。通過增大配油盤油窗(和后蓋腰形孔)的尺寸，增強泵的吸油能力，補充缸體內(nèi)的油量，防止柱塞在缸體孔中干磨。優(yōu)化參數(shù)見表4。

表4 配油盤優(yōu)化前后參數(shù)對比 單位：mm Tab.4 Port plate parameters before and after optimization Unit：mm

表5 柱塞優(yōu)化前后參數(shù)對比

改動后，配油盤邊緣高度降低了0.1 mm，進油口的面積由原先的1 608 mm2增大至1 950 mm2，增加了約21%。改進后的試驗效果見圖8。

圖8 第三次型式試驗后缸體銅層(a)和配油盤(b)

由圖8可知：配油盤的整個球面，沒有明顯磨損現(xiàn)象；而缸體銅層原本嚴重磨損的部位上，僅剩腰形孔靠外半圈的摩擦痕跡，并無其他可見的磨損。

2.3 柱塞的優(yōu)化

針對柱塞在缸體孔內(nèi)磨損較為嚴重且壓板出現(xiàn)折裂的問題，初步分析是由于排量大、負載高，關(guān)鍵摩擦副(柱塞與缸孔、滑靴與斜盤、缸體端面與配流盤)間pV值較高，油膜容易失效。而樣機的柱塞和缸體孔之間配合間隙過小、導(dǎo)致柱塞與缸體孔之間的油膜狀態(tài)不理想，可適當降低柱塞體直徑、增大柱塞和缸體孔之間配合間隙進行改善。

在修正柱塞體直徑的公差、粗糙度和圓柱度之后，經(jīng)過重復(fù)試驗，柱塞沒有出現(xiàn)磨損或燒黑的現(xiàn)象，壓板形態(tài)也保持完好，見圖9。

圖9 第三次型式試驗后柱塞(a)和壓板(b)

圖10 第三次整泵試驗后溢流特性曲線

2.4 溢流閥的優(yōu)化

溢流閥優(yōu)化前，設(shè)定30 MPa溢流壓力，樣機平均工作壓力降至22.1 MPa，降幅高達26.33%；設(shè)定20 MPa溢流壓力，工作壓力下降12.75%。因此，溢流閥的溢流特性較差，無法滿足實際工作需要。分析其原因為：溢流閥側(cè)蓋的溢流壓力變化與導(dǎo)桿的配合間隙有關(guān)，配合間隙無法達到要求，應(yīng)針對導(dǎo)桿進行相關(guān)改進。表6所示為溢流閥優(yōu)化前后參數(shù)的變化。

表6 溢流閥優(yōu)化前后參數(shù)對比 單位：mm Tab.6 Relief valve parameters before and after optimization Unit：mm

導(dǎo)桿與閥芯及閥套的配合間隙減小后進行重復(fù)試驗，優(yōu)化后的溢流閥在20 MPa溢流壓力下壓降為2.75%，在30 MPa溢流壓力下壓降為1.00%。壓力降幅都在1 MPa以內(nèi)，溢流特性平穩(wěn)，符合設(shè)計要求。

2.5 優(yōu)化后的性能特性

針對以上問題，分析后重新測試樣機性能，測試結(jié)果見表7。

表7 樣機第三次型式試驗部分結(jié)果

在40%排量、額定壓力、額定轉(zhuǎn)速工況的驗收條件下，優(yōu)化后樣機的噪聲降至101.7 dB(A)，符合設(shè)計要求；而其容積效率與總效率分別提升13%和15%。

3 結(jié)論

(1)將斜盤圓弧面硬度由50HRC提高到60HRC，表面粗糙度由Ra=1.6 μm降低到Ra=0.8 μm，可有效解決斜盤圓弧面磨損及黏銅問題；

(2)通過將配油盤外緣球面半徑縮減0.1 mm、油窗分布直徑φ減小到147.6 mm、油窗開口寬度B增加到21 mm，在降低配油盤邊緣高度的同時增大其進油口的面積，大大降低了配油盤的磨損量，也提供了足夠的油液潤滑柱塞；

(3)優(yōu)化表面粗糙度為Ra=0.1 μm，圓柱度為0.002 5 mm，修正柱塞直徑公差范圍、增大柱塞與缸體孔的間隙，降低了柱塞在缸體孔內(nèi)的磨損量，不僅解決了壓板折裂的問題，同時也解決了柱塞表面燒黑問題；

(4)減少溢流閥導(dǎo)桿與閥芯間隙及導(dǎo)桿與閥套間隙為0.02～0.03 mm，使其在溢流壓力20 MPa下壓降僅為2.75%，在溢流壓力30 MPa下壓降僅為1%，保證了溢流特性的平穩(wěn)；

(5)通過改進關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)，優(yōu)化核心部件參數(shù)，使得樣機在排量300 mL/r、轉(zhuǎn)速1 600 r/min、壓力35 MPa下的容積效率由75.22%升至88.52%，上升13%；噪聲由104.3 dB(A)降至101.7 dB(A)，減少2.5%。

綜合試驗結(jié)果可知，對斜盤的圓弧跑道進行硬化和拋光、適當降低配油盤外緣支撐環(huán)高度、加大配油盤和后蓋油窗尺寸、合理選擇柱塞-缸體孔間隙和溢流閥導(dǎo)桿配合間隙等優(yōu)化措施，都能提升大排量泵的性能，使它在重載、高轉(zhuǎn)速的工況下?lián)碛辛己玫墓ぷ鞅憩F(xiàn)。