高速柱塞泵油膜涡动现象应用与试验*

牛永生，胡居伟，郭晓聪

(中原工学院，河南郑州 450007)

高速柱塞泵油膜涡动现象应用与试验*

牛永生，胡居伟，郭晓聪

(中原工学院，河南郑州 450007)

活塞是柱塞泵中重要零件，其运动特性对泵的性能、使用寿命、稳定性等影响很大。对活塞回转运动采用柱塞泵缸体固定不动斜盘转动的实验装置，利用涡流式非接触变位计进行摩擦力和活塞运动的测定，发现在对活塞不同工况条件下的运动特性进行实验时，活塞油膜有涡动现象，这对如何提高柱塞泵效率、降低温度、减轻磨损，提高寿命和可靠性都有重要的现实意义。

柱塞泵;活塞;油膜涡动

1 引言

活塞是柱塞泵中重要的零件，活塞的运动特性对泵的性能、使用寿命、稳定性等都有很大的影响。当需要设计高压化、高速化的柱塞泵时，明确活塞的摩擦学运动特性是很有必要的。

活塞头部在高压负荷的条件下，活塞与缸套之间处于动压润滑状态，活塞的流体力学运动特性，即可能产生的油膜涡动现象将会导致初期事故发生。

在研究活塞的回转运动时，实验采用涡流式非接触变位计来对活塞在不同工况及参数下的摩擦力及其运动特性进行测定，发现了活塞的油膜涡动现象。以表面粗糙度对柱塞泵中柱塞油膜运动状态的影响中的计算作为理论依据。

2 测定方法及条件［1］

图1为实验的装置示意图。它用来对活塞与缸体之间摩擦力、活塞回转速度及活塞运动进行测定。

实验装置共有两个缸体。在各缸体内柱塞的顶部作用有一定的压力，柱塞在缸体内随着斜盘的回转作往复运动，由于两个缸体同时处于导通状态，因此向实验机供给的动力较小。活塞在斜盘的上半圈为油泵，下半圈则转换为马达。

活塞与缸体间摩擦力的测定采用文献［2］，［3］中所述的方法。活塞往复运动时产生的力，利用在浮动缸体χyz方向上分别安装力的传感器，将产生的电荷转变为电压信号来进行测出。

图1 设备装置示意图

实验中活塞回转速度的测定采用静电容法，在活塞顶部25 mm范围内，沿其圆周方向有40条微隙(宽及深均为0.2 mm)，与微隙相对的位置有厚0.5 mm和长10 mm的铜片用来形成电极。在实验中，微隙均设在缸体外，避免微隙的存在对活塞运动和润滑特性产生影响。活塞对斜盘的滑动比γ为:式中:r1，r2分别是滑靴密封环的内外径;d为活塞直径;α为斜盘倾角。

式(1)中的分子为滑靴对斜盘的压力和脱离力的差，分母为滑靴对斜盘的压力。

在与缸套相对应的位置，活塞的运动采用4个涡流式非接触变位传感器(AX、AY、BX、BY)进行测定。涡流式变位传感器具有测量线性范围大，抗干扰能力强等特点。在测量活塞环滑过时的油膜厚度时，与被测环间的介质无关，给标定和测量带来了极大的方便。如图2所示，变位计(AX、AY)设在缸套内侧活塞顶部，变位计(BX、BY)设在活塞尾部缸套外侧，其中变位计AX、AY和变位计BX、BY各自在同一平面内，相距35 mm。由于活塞与缸套均为圆柱形，缸套内外的变位计的标定比较困难，但本实验是测定活塞运动的周期，各变位计的输出电压仅需要定性测定即可。

图2 变位传感器的布置

实验采用的柱塞和缸体的型号与参数如表1所列，实验条件与液压油性能如表2、3所列。

表1 柱塞与缸体的型号与参数

表2 实验条件

表2中柱塞的锥角T是从顶部开始的3 mm的范围，外伸比为柱塞在下死点位置时缸体内与缸体外长度的比，值越大，缸体内的柱塞越长。活塞在表2所列条件下运转10 min后，测定系统开始测量，斜板运转8 min后停止。

表3 液压油性能

3 测定结果及分析［4］

图3中横坐标为斜盘的回转相位角(时间)，将油缸供油压力Pd作为参数时，斜盘第4转时的摩擦力Ff及活塞两端的变位计测出的输出电压VAX、VAY、VBX及VBY的测定结果同时显示出。

图3(a)为油缸供油压力Pd为高压时的情况，从活塞两端设置变位计输出电压VAX和VBX、VAY和VBY的变化来看，它们的相位并不一样，但它们的变化都以斜盘的一个回转为一个周期，由此可知，活塞以与斜盘回转角速度一样的角速度在油缸内作回转运动。摩擦力Ff与活塞的滑动运动方向相对应，油泵作用时为负，马达作用时为正，摩擦力的方向随斜盘每旋转半转改变一次，以斜盘转动一周为一个周期。摩擦力Ff的变换周期也与斜盘的回转周期一致。图3(b)与图3(a)所采用的条件一样，但降低了油缸内的供油压力Pd，活塞上的负荷减轻。活塞尾部的变位计Bx和BY的输出电压VBX及VBY的变动具有周期性，与斜盘的回转周期一致，然而活塞顶部的变位计AX和AY的输出电压VAX及VAY也呈现出与斜盘每两转为一周期的变化。这样，在供油压力Pd降低的条件下，活塞虽然也做回转运动，但其角速度与高压时的不同，活塞的回转角速度为斜盘的1/2，即活塞在斜盘每两转完成一个回转运动周期。摩擦力Ff的变动周期也以斜盘的两周为一个变化周期。

图3 摩擦力和活塞运动之间的关系(N=1000 r/min，λ=0.7，C=12.5 μm)

图4与图3(b)的条件相同，将斜盘回转速度N从1 000 r/min降为500 r/min。由图4可知活塞两端变位计的输出电压VAX、VAY、VBX和VBY的变动周期及摩擦力Ff的变动周期与图3(a)一样为斜盘的回转周期，由此可见，在流体油膜厚度变小的条件下活塞的回转角速度与斜盘的相等。

图4 摩擦力和活塞运动之间的关系(N=500 r/min，Pd=10 MPa，λ=0.7，C=12.5 μm)

从上述实验结果可看出，活塞的回转角速度基本上与斜盘的相等，但在斜盘高速或油缸供油压力减小、或流体膜厚变大的情况下，活塞在油缸内均以斜盘1/2的角速度进行回转运动。由此，发现活塞在作回转运动时产生了油膜涡动的现象。

4 结论

实验发现了油膜涡动现象。笔者对活塞在不同工况条件及参数下的运动特性和摩擦力进行了测定。其结果归纳如下:

(1)在活塞有回转运动的情况下，根据不同的工况条件，活塞也会产生油膜涡动现象。

(2)活塞的油膜涡流与摩擦力的变化一致。

(3)实验发现活塞的油膜涡流与滑动轴承的情况一样，可以采用同样的对策来防止。

［1］ 牛永生，黄国辉，胡居伟.表面粗糙度对柱塞泵中柱塞油膜运动状态的影响［J］.机械研究与应用，2012(6):111－113.

［2］ Jia Tsu Akihiko Tanaka，Hiroshi Kyogoku.Society of Mechanical engineers［C］.Rope Light Nakahara，1993，1192－1197.

［3］ Atsushi Yamaguchi.Society of mechanical engineers［C］.Rope Light Nakahara，1975，2399－2406.

［4］ 温诗铸，黄 平.摩擦学原理［M］.北京:清华大学出版社，2002.

Application and Test on the Oil Whirl Phenomenon of High－Speed Piston Pump

NIU Yong－sheng，HU Ju－wei，GUO Xiao－cong
(Zhongyuan Institute of Technology，Zhengzhou Henan 450007，China)

The piston is an important part of the piston pump，its motion characteristics has a great impact on the pump performance，service life，stability and so on.In this paper，the rotary motion of the piston through experiment is mainly researched，The experimental apparatus of piston pump cylinder fixing unmoveable swash plate is adopted and use the eddy current type non－contact displacement meter to test the frictional force and piston motion.As the experiment is clone on the movement characteristic of the piston under different working conditions，the piston oil whirl phenomenon is found.Piston on how to improve efficiency，lower temperature，reducing wear and increased life and reliability are important practical significance.

piston pump;piston;oil whirl

TH322

A

1007－4414(2013)05－0039－02

2013－07－22

牛永生(1959－)，男，河南郑州人，硕导，研究方向:弹性流体润滑研究。