一种新型球塞液压油泵的研制

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(南昌大学 机电工程学院高端泵阀研究室，江西 南昌 330031)

引言

径向柱塞泵因其高压力、大流量、低噪声而广泛应用于各种液压设备之中[1]。而球塞泵则把柱形活塞改进成球形活塞，使得它不仅具有柱塞泵的优点，而且在减少球塞副受力磨损、减小液压泵的体积、降低液压泵的运转噪声方面有很大的优势，可以用于对此方面要求很大的军用和航空领域。实验室研究的新型球塞泵主要应用于中、高排量的液压泵使用场合，其径向尺寸只有220 mm，泵体高160 mm，相比市场上同排量的柱塞泵体积减少近3.6倍，因此对于同体积的液压泵，球塞泵要比柱塞泵的输出流量更大，压力更高。

1 结构与工作原理

该径向球塞液压泵的主要结构如图1、图2所示，主要有转子、定子、球塞、球窝、配流轴、端盖、主轴、联轴器等部分构成。该种新型球塞液压泵共有8个球塞，球塞与转子、定子同心轴装配，以保证球塞在定子球塞轨道面上运动，电机通过联轴器带动主轴转动，主轴又带动转子转动，球塞则跟随转子转动，在惯性力与离心力的作用下，球塞紧贴着定子内壁轨道曲线进行运动，同时球塞沿着定子轨道相对球塞孔作往返运动，使其球塞、球塞孔和配流轴之间形成的工作腔体体积发生周期性变化。

1.端盖 2.定子 3.球塞 4.配流轴 5.联轴器 6.主轴 7.球窝 8.传动销 9.转子图1 新型径向球塞液压泵的结构图

图2 对球窝进行高频淬火

当球塞从轨道曲线短轴运动到长轴时，工作腔体体积变大，从而实现低压吸入传动介质，相反从长轴运动到短轴时，工作腔体体积变小，将高压传动介质压出。在转子的带动下，球塞不断地进行周期性运动，从而源源不断的输出高压传动介质[2]。

2 样机的研制

(1) 针对此泵对液压油清洁度要求较高，吸入流量大的特点，将液压泵由原来的一进油口改装为三进油口，因已有试验台的出油口设计问题，将试验台的二出油管改变成二拖三设计，以便于液压泵进行连接配合并对每个进油口进行加装不锈钢液压油过滤网，要求孔隙小于40 μm，并对液压泵主轴上进油孔与配流轴腔体之间进行增压叶片式设计，加大泵对液压油的吸入压力，使得液压油的流量可以达到泵的设计使用要求。

该液压泵的流量公式为：

(1)

式中，R为钢球半径；n为作用数；z为球塞个数；t为液压泵转数；b为轨道长轴；a为轨道短轴。

(2) 球塞与球塞孔的配合精度要求较高，配合间隙小于3 μm，要保证球塞与球塞孔的密封性能，以减少两者之间的泄漏[3]。

球塞副的泄漏主要是球塞两侧压差泄漏和球塞运动剪切泄漏，其泄漏量公式为[4]：

(2)

式中，R为球塞半径；h0为球塞与球塞孔的间隙；p为球塞泵的压力；μ为动力黏度；ω为转子运动的角速度；E为定子与转子的偏心距(该液压泵为无偏心，即E=0)。

(3) 球塞采用高性能不锈钢制造，直径28 mm，设计加工误差0～5 μm，圆度误差0～4 μm，表面粗糙度最高3 μm。

(4) 球窝、定子轨道、球塞孔的硬度要求达到55 HRC，实际经过高频淬火硬度达到38 HRC，硬度没有达到设计要求，对其使用寿命可能影响较大。

(5) 该球塞泵完全采用轴对称设计，8个球塞等角度分布在转子上，而且配流轴的进出水口与定子长短轴相互对应，这些设计都有助于降低泵的运转噪声。

(6) 在球塞泵的装配过程中，对定子轨道平面、转子球塞孔、球塞配合要求较高，要求其同心度达到3 μm。使得球塞泵运转时其球塞的运动面正好在定子轨道平面上。

(7) 定子与端盖之间(实物如图3所示)的配合采用小锥面(1∶40)定心，定子与配流轴的配合间隙小于4 μm。

图3 除端盖外都已装配好的球塞泵

3 性能试验

要想对液压泵的性能指标有所了解，液压泵的试验是必不可少的，进行试验才能检测液压泵的研制是否能达到设计要求，并在以后的液压泵设计中不断进行改进和完善[5]。在实验室自制的液压试验台进行相关试验，该试验台的设计及完善参照了相应的国家与行业标准，如GB/T 7936-1987液压泵、马达空载排量测定方法、GB/T 2347-1980液压泵及马达公称排量系列、SH/T 0210-1992(2003)液压油过滤性试验等等[6]。液压试验台试验回路采用容积调速开式回路，使得油液在油箱中可以沉淀杂质和析出气体，具体回路如图4所示。

1.油箱 2.吸油过滤器 3.吸入调节阀 4.电机 5.球塞泵 6.大型压力表 7.管道压力过滤器 8.溢流阀 9.节流阀 10.压力表 11.靶式流量计 12.回油过滤器图4 液压试验台试验回路

该液压试验系统主要由油箱、节流阀、溢流阀、吸油过滤器、液压泵、流量计、压力表、温度计、回油过滤器等构成，液压泵由三相异步可调速电机驱动，可调节泵的转速(0～1300 r/min)，得到不同转速下的液压泵相关压力、流量、噪声等试验数据，对液压泵的性能进行评估。

4 性能试验内容与结果

4.1 流量-压力-转速试验

保持液压油温度不变，在不同的转速条件下，研究该球塞泵的流量与转速，压力与转速之间的关系[7-8]，试验得到q-n性能曲线和p-n性能曲线，其中q为球塞泵的输出流量，p为球塞泵的输出压力，n为电机转速。从图5可以看出该泵的输出流量q随着转速n的增大而增大，并且在转速越大时，理论流量与实际流量之差在逐渐增大，说明泵的泄漏量在增大。

4.2 流量-压力特性试验

液压油泵的工作压力是由外界载荷的大小决定的[9]，而流量则是液压泵本身的设计参数与转速大小有关，理论上它们没有直接的关系[10]，但随着液压泵转速的增大，其泄漏量也会有所增大，使得实际流量下降，因此流量-压力的性能关系可以从此试验得到。

从图6可以看出在电机转速不变的情况下，其流量压力曲线是随着泵压力的增大而不断降低的，且转速越高，其曲线变化速率变大，说明其泄漏量随着压力的升高而变大，但从整体效果来看，其变化速率较低，说明压力对液压泵输出流量有影响但影响较小。

图5 流量-压力-转速曲线

图6 流量-压力曲线

4.3 噪声-转速试验

在不同的转速条件下，研究该球塞泵的噪声与转速的关系。如图7所示，得出该球塞泵的最大噪声为66 dB，符合设计初始的噪声要求。

图7 噪声-转速曲线

4.4 容积效率试验

液压泵的容积效率计算方法：

(3)

式中，ηv为容积效率；Q实为实际流量；Q理为理论流量。

在不同的压力状态下，可以得到不同的容积效率，从图8中可以看出随着泵压力的增大，容积效率在逐渐降低。在转速600～1100 r/min的范围内，该球塞泵的容积效率基本在86%～89%之间。

图8 容积效率变化曲线

5 结论

通过对该球塞液压泵的性能试验得出的试验数据表明：

(1) 该球塞泵的性能参数如下：

最大转速1300 r/min，输出流量范围0～130.6 L/min，输出压力范围0～6.7 MPa，运转噪声最大66 dB，重量33 kg，工作介质为液压油。

(2) 该球塞泵经过长时间运转跑合后，性能比较稳定，定子轨道有微量磨损，说明硬度没有达到要求，需要进一步改进工艺方案。

(3) 球塞泵结构简单，虽对加工、装配精度要求较高，但易于加工。

(4) 该球塞泵采用心轴配合，且8个球塞球心与定子轨道处于同心面，易于实现低噪声、大流量的设计要求，并且运转更加平稳。