柱塞泵摩擦副受力分析与可靠性研究

马利云 田毛提 宋要斌 李仁伟

柱塞泵摩擦副受力分析与可靠性研究

马利云 田毛提 宋要斌 李仁伟

（吕梁学院，吕梁 033001）

对柱塞泵轴向摩擦副柱塞、转子、滑靴、配流盘等进行受力分析，根据工作要求和材料性能确定各部件的材料成分，并对不同材料的摩擦副部件在一定载荷条件下以以受力最大的情况做有限元分析与强度校核，确保这些摩擦副工作可靠。

受力分析 材料 有限元 可靠性

引言

随着液压系统越来越多用于工程机械、航空航天等行业，而作为其心脏元件液压泵的性能至关重要。液压泵中应用最多的为柱塞式液压泵，柱塞式液压泵的性能很大程度上取决于起关键摩擦副性能（即磨损、可靠性等）。为模拟工矿条件下进行了摩擦磨损对比试验，通过采用不同表面处理技术使摩擦副配对零部件具有良好的摩擦学性能，以便在轴向柱塞式液压泵关键摩擦副上得以实际应用，以提高液压泵的使用寿命。

1 摩擦副的受力分析

轴向柱塞泵摩擦副的性能是制约轴向柱塞泵寿命的主要因素，其受力如图1所示。所以合理材料匹配是提高轴向柱塞泵性能的重要途径之一。

图1　柱塞受力分析图

柱塞副的比功率pcv值

要求(pc1vp)max值不应超过材料的许用值，(pc1vp)max≤[pcv]。其中[pcv]为柱塞（缸孔）材料的许用比功率。

滑靴受力分析如图2所示，最大比功率值为

要求(pc1vp)max≤[pcv]，其中[pcv]为斜盘与滑靴材料中最小的比功率值。

图2　滑靴受力图

在盘式配油的轴向柱塞泵中，配油部位是最关键部位之一，直接影响着液压泵的可靠性和寿命。配油机构有平面和球面之分，在所述及的柱塞泵中，多采用平面配油机构。

轴向柱塞泵的缸体是一个形状特殊、受力复杂的零件。既要求高强度，又要求高的耐磨性。长期以来都是影响这种泵压力提高的最薄弱环节。因此，对强度设计和材料选择要求较高。

缸体主要受柱塞和配油盘的作用力，其大小等于上述各力的大小仅方向相反。随着轴向泵压力和转速的提高，提高缸体的强度以防止出现疲劳损坏，是轴向泵缸体设计的重要内容。由于缸体形状复杂，运用一般材料力学的方法设计，已经不能满足轴向泵发展的需要，本文将利用有限元发对缸体的进行受力计算。

2 材料选择与匹配

（1）选择原则。我国现在对于轴向柱塞泵关键摩擦副材料配对主要为：硬基材与硬基材配对、硬基材与软基材配对、（硬+软）基材与硬基材配对等等，其中最常用的为硬基材与软基材配对。

表1　部分力学性能参数

（2）试验材料。柱塞泵关键摩擦常用材料通过理论分析以及以往经验本文以38CrMoAlA（柱塞）、QT500-7、ZCuSn10Pb11Ni3（配流盘）、ZY331608（滑靴）为实验研究对象，力学性能见表1。

3 应力计算与校核

本文利用有限元软件对轴向柱塞泵关键零部件，即柱塞、滑靴、转子、配流盘等零件进行应力分析，以便于判断所选材料是否满足要求。

3.1 有限元分析以及强度校核

柱塞、转子、滑靴、配流盘等零件构成轴向柱塞泵关键摩擦副，并是其最重要的零件，它们也是轴向柱塞泵的高危零件，本文以A10V中零件为例做有限元分析载荷条件为35MPa,并且均以受力最大的情况做有限元分析。

（1）滑靴的强度校核。通过有限元分析软件计算滑靴的受力分布如图3。从图得知，最大应力为181MPa。其最大应力部位为天蓝色部位。

该滑靴采用材料为ZY331608，其最低抗拉强度为540MPa，故可得：通过仿真计算出的最大应力为所以强度要求满足。

图3　滑靴（ZY331608）受力分布图

（2）转子的强度校核。通过有限元分析软件计算缸体（转子）的受力分布如图4。从图得知，最大应力为175MPa，其最大应力部位为两受高压缸孔的正中间的位置，如图4中的天蓝色部位。QT500-7的最低抗拉强度为560MPa，可得：而该柱塞的最大应力所以强度要求满足。此外缸体材料也可选择ZY331608。

图4　转子（缸体，QT500-7） 受力分布图

（3）柱塞的强度校核。利用有限元分析软件计算柱塞的受力分布如图5。从图得知，最大应力为351MPa，其最大应力部位为柱塞颈部直径最小位置，如图5中的天蓝色部位。

图5　柱塞（38CrMoAlA）受力分布图

（4）柱塞的强度校核。轴向柱塞泵工作时，缸体对配流盘所施加的力主要是都在高压区，即承受载荷面积只有配流盘实体面积的一半。利用有限元分析软件计算配流盘的受力分布如图6。从图得知，最大应力为351MPa，其最大应力部位为直径最大位置，如图6中的黑色部位。

图6　配流盘（ZcuSn10Pb11Ni3）受力分布图

ZCuSn10Pb11Ni3的最低抗拉强度为190MPa，而配流盘的最大应力，所以强度要求满足。此外，本问所选择的ZY331608、QSn6.5-0.1、ZQSn10-2-3均可以作为配流盘。

3.2 试验验证

通过ZCuSn10Pb11Ni3、QT500-7、ZY331608、38CrMoAlA材料加工的配流盘、转子、滑靴、柱塞等零件用于实际应用试验，试验结果显示均未发生断裂、变形等失效形式。

4 总结

本文主要正对轴向柱塞泵关键摩擦副零件材料选择以及固体润滑剂的选择。首先通过过对柱塞泵关键摩擦副进行力学分析，建立各个零件的受力模型。随后通过参照一般零部件材料选择选择原则并联系轴向柱塞泵关键摩擦副零部件以往选材标准选择材料。将所选材料与受力模型相联系进行有限元分析，并做强度校核。

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The Force Analysis and Reliability Study on Friction Pair for Ram-type Pump

MA Liyun, TIAN Maoti，SONG Yaobin, LI Renwei
(Luliang University. Luliang 033001)

Through the analysis of different treatment processes on the effects of riction pair of piston pump with 38CrMoAlA and LZQT500-7，this article seeks the best surface treatment technology. The experimental results analyzed the minimum amount of wear with pairing of 38CrMoAlA nitriding surface plasma spraying molybdenum disulfide solid lubricant film and QT500-7 (nitriding) and the effect is best.

force analysis ，material , FEM，reliability

吕梁学院校级基金资助项目(ZRXN201305)。