水压泵柱塞摩擦副间隙优化及影响因素分析

黄国勤 贺小峰 朱玉泉

1.重庆大学,重庆,400044 2.华中科技大学,武汉,430074

0 引言

柱塞摩擦副是水压柱塞泵的一对非常关键的摩擦副,该摩擦副直接与水(海水或淡水)接触,润滑性能差,容易发生磨损和泄漏,其性能的好坏直接影响到水压泵的整体工作状况[1]。柱塞与缸套间隙的选取是柱塞泵设计的一个重点和难点问题。间隙过大,则泄漏加剧,造成容积效率下降;间隙过小会给加工和装配造成困难,运行时会加剧柱塞和缸孔的黏着磨损,甚至会使得柱塞在缸孔中楔死,乃至将柱塞球头从滑靴中拔出,即所谓的“咬缸”和“脱靴”现象。据资料显示,目前各种油压泵的柱塞摩擦副间隙的选取一般取柱塞直径的0.13%～0.15%[2]。由于水的理化性能与液压油差别很大,这种近似取值方法对于水压泵的设计是不合适的,因此水压泵柱塞摩擦副的间隙优化设计显得尤为重要。

1 水压泵柱塞摩擦副间隙优化原理

反复的试验表明,水压泵的柱塞摩擦副的“咬缸”现象常常发生在启动不久的低压运行阶段,有时伴随着“脱靴”,同时泵体的温度会明显升高[3]。经分析,这种现象的产生与摩擦副的热平衡状态密切相关[4]。

由于介质在摩擦副中的作用时间很短,可认为是绝热过程,则有能量平衡方程:

式中,c为水的质量热容;ρ为水的密度;Ff为柱塞和缸套之间的摩擦力;v为柱塞摩擦副平均相对运动速度;q为摩擦副的泄漏流量;φ为柱塞泵结构参数,一般取1,可忽略不计;f为摩擦因数;d为柱塞直径;β为斜盘倾角;D为缸孔分布圆直径;ω为缸体转动角速度;p为柱塞腔压力;Δt为水的温升。

在充分考虑柱塞在缸套中存在偏心运动和密封长度变化的前提下,得到柱塞摩擦副泄漏流量[5]:

式中,h为柱塞与缸套的初始间隙;l为柱塞与缸套间的最大密封长度;μ0为流体的平均黏度。

其中,b为黏温系数,对水介质可取b=1/57K-1,此处柱塞的允许温升Δt为10～30℃,因此可将bΔt的值近似取为0.5,式(3)简化为

μ0的值与温升有关,设入口介质黏度为μs,则

式中,R为缸孔分布圆半径。

整理以上方程得到摩擦副的最高温升:

如果缸体与柱塞温升相同,泵将正常工作。但实际上,由于缸体热容量大,散热条件好,温升会低于Δt。设在达到热平衡过程中柱塞获得热量为Q1,缸体获得热量为Q2,则有如下关系式:

设摩擦副的热平衡间隙为δ,则

式中,α1、α2分别为柱塞与缸体的材料线膨胀系数。

联立式(5)～式(7)并整理后可得

式中,K1为泵的结构性能参数;K2为泵的摩擦副材料的物理性能参数;K3为其他环境参数。

对式(8)求极值,得到摩擦副正常工作的临界最小间隙δc,也就是柱塞摩擦副的最优间隙,公式如下:

根据式(8)绘出摩擦副热平衡间隙曲线,如图1所示。当δ大于临界值δc时(如δ=δ1),摩擦副可以在某一间隙下(h1)达到热平衡。对应着有一个由于线膨胀不均引起的间隙减小量(如Δh1),此时摩擦副可以正常工作。但当δ＜δc时,就找不到一个热平衡点,此时摩擦副工作后,温升导致线膨胀不均,使间隙减小。间隙减小时冷却水变少,又使温升增加,如此恶性循环,直至产生黏着磨损,最终将摩擦副卡死。

图1 热平衡摩擦副间隙曲线

2 热平衡间隙影响因素分析

柱塞摩擦副的热平衡间隙受多种因素的影响,在此以笔者自行研制的水压柱塞泵[6](300L/min,6.3MPa)为例进行仿真分析和试验研究。

2.1 结构尺寸对最小间隙的影响

由式(8)和式(9)可以看出,柱塞摩擦副的最小热平衡间隙δc受结构尺寸柱塞直径d、最大密封长度l以及缸孔分布圆直径D的影响,其关系为:δc与 d3/5成正比,δc与 l1/10和D1/5近似成正比。显然,柱塞直径对柱塞摩擦副热平衡间隙影响更大。因此在设计水压泵时,如柱塞直径加大,其柱塞摩擦副的初始间隙需要适当增加。此外在结构允许的情况下,可以考虑适当减小缸孔分布圆直径和最大密封长度。

如图2所示,在其他条件相同的情况下,取该泵斜盘倾角 β分别为 15°、20°和 25°时 ,δc分别为6.9μ m 、8.2μ m 和 9.2μ m 。可见,斜盘倾角 是一个对泵的性能影响较大的参数,这是由于柱塞的温升和斜盘倾角的正切函数近似成正比,斜盘倾角的增大会引起柱塞的温升增加,从而导致最小配合间隙的增大。

图2 不同斜盘倾角对最小热平衡间隙的影响

2.2 对偶材料对最小间隙的影响

从式(8)可知泵的摩擦副对偶材料的物理性能参数K2对柱塞摩擦副的热平衡性能有很大影响,柱塞的线膨胀系数 α1和热导率 α′1越大,则柱塞摩擦副的最小热平衡间隙δc越大;柱塞的质量热容c和密度ρ越大,则δc越小。而缸套或缸体材料的上述4个参数对δc的影响正好相反。

选择不同的材料配对进行热平衡间隙分析。本文所选材料包括水介质中常用金属如沉淀硬化不锈钢PH 17-4、合金铝 LD5、铝青铜QAl9-4、碳纤维填充的工程塑料PEEK以及特种耐磨陶瓷如Al2O3、Si3N4等,其物理性能参数详见表1。

表1 摩擦副材料物理性能参数[7]

不同材料配对情况下的热平衡曲线如图3所示。从图3a可知,采用不锈钢做柱塞,缸体采用其他不同材料,摩擦副最小间隙δc从小到大排列(括号内为缸体材料)依次为:3.9μ m(LD5)＜9.2μ m(QAl9-4)＜11μ m(TC4)＜13.1μ m(Al2O3)＜15μ m(PEEK)。其中 LD5最小,PEEK最大。这主要是由于铝合金的导热性能好,线性膨胀系数大,因而变形量也大,这就使得达到热平衡时柱塞副所需的初始间隙减小。而PEEK的导热性能很差,因而PEEK缸套的变形量很小,柱塞副需要的初始间隙显著增大。

图3 不同对偶材料对最小热平衡间隙的影响

图3b显示,采用铝青铜做缸体,柱塞采用其他不同材料,此时,摩擦副最小间隙从小到大排列依次为 :3.1μ m(PEEK)＜5.1μ m(TC4)＜8.5μ m(Al2O3)＜9.2μ m(PH17-4)＜11.5μ m(LD5)。前三种材料做柱塞比采用不锈钢材料时需要的初始间隙均小,这主要是因为前三者的线性膨胀系数或热导率均比不锈钢的小,因而柱塞变形量小,所需的热平衡间隙也就相应减小。

不锈钢和铝青铜配对,二者分别用作柱塞和缸体材料时,最小热平衡间隙δc相差不大,这是因为铝青铜同不锈钢的变形十分接近。不锈钢与铝合金配对,采用不锈钢做柱塞时 δc是 3.9μ m;反之,采用铝合金做柱塞,经计算,则 δc为 14.7μ m。这是由于铝合金比不锈钢的变形量大得多的缘故。

另外一种配对方案是一种极端情况,采用氮化硅陶瓷Si3N4做柱塞,铝合金做缸体,计算出的摩擦副的物理性能参数K2＜0,这说明最小间隙值不存在,即铝合金的径向线膨胀要比氮化硅陶瓷的径向线膨胀大,所以达到热平衡时的热平衡配合间隙比初始配合间隙还要大,说明摩擦副材料是安全的[8]。反之,如果K2很大,则摩擦副材料配对对抗温升变形的配合性能变差,很有可能发生卡死现象。

因此,进行摩擦副材料的选择一定要注意材料的线膨胀和导热性能。对于柱塞,应当尽量选取线膨胀系数和热导率小的材料;对于缸套则正好相反。

2.3 其他影响因素

对于水压泵来说,其介质水的物理参数c、密度ρ以及黏温系数b为恒定常数,而摩擦因数 f、介质入口黏度μs和转速n受外部条件的影响会发生一定的变化。从式(9)可知,δc与这三个参数的1/5次方成正比关系。为了增大柱塞摩擦副的最小热平衡间隙,应当减小K3值,通常比较有效的措施是减小摩擦因数 f,如提高柱塞与缸套的几何精度及减小表面粗糙度值,对摩擦表面加减摩涂层等。新泵的摩擦副配合紧密,摩擦因数较大,此时的最小热平衡间隙会偏大,不宜直接在加压和高转速下工作,否则容易出现卡死,因此需要在低转速下进行充分的跑合。

水压泵在工作过程中,柱塞摩擦副的间隙尺寸除了受热平衡性能的影响外,还受其他因素的影响,包括压力、材料的吸水性能和加工精度等[9],因此在间隙设计时都要予以考虑,即在最小热平衡间隙的基础上增加适当的间隙余量。

3 试验验证

该水压泵[6]初样机的柱塞摩擦副均采用陶瓷材料,各组摩擦副的配合间隙经测量在10～14μ m的范围内。在加压试验20min后出现异常噪声,停机检查发现有两个缸套出现破损,而其余缸套和柱塞表面也有明显的划痕,见图4。

图4 失效后的陶瓷缸套和柱塞外观

根据式(9)计算出此时最小热平衡间隙为10.9μ m,由于加工误差,部分柱塞摩擦副的初始间隙小于该值,因而不能形成热平衡,这样就会出现卡死现象,最终导致柱塞和缸套损伤。在随后的改进样机中,把该泵的缸套材料全部换成铝青铜材料,经计算此时的最小热平衡间隙减小到8.5μ m,比所有柱塞摩擦副的初始间隙小。在随后的加压试验中,该泵工作正常,运行上百小时后柱塞和缸套表面无明显损伤。试验表明,本文的水压泵柱塞摩擦副热平衡间隙优化方法是可行的。

4 结论

(1)为了提高水压柱塞泵的容积效率,同时又要防止摩擦副的卡死现象,在设计水压柱塞泵摩擦副时,需要在保证摩擦副初始间隙大于最小热平衡间隙的前提下尽量减小初始间隙。可以按热平衡间隙计算公式(式(9))来选取适当的值进行校核,并在此基础上考虑一定的间隙裕度。

(2)缩小泵的结构尺寸,如减小斜盘倾角或柱塞直径等,可以有效减小柱塞摩擦副的最小热平衡间隙。

(3)泵体和柱塞需要采用合理的材料配对,应选择线膨胀系数比缸体材料线膨胀系数小的材料做柱塞。

(4)尽量选择合理的环境参数,如减小摩擦因数、新泵在额定工况前应进行充分跑合。

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