水压泵柱塞密封性能实验装置的设计

罗龙君 贺小峰 刘珣 张洽璇 黄贺文

摘要 ：为解决油水分离式柱塞泵的柱塞与缸套的密封可靠性及选型设计问题，研制了模拟水压柱塞泵实际运行工况的柱塞密封性能实验装置及其加载系统，并对实验装置进行了动平衡设计。在建立实验装置加载系统的仿真模型后，通过仿真对比确定了合理的加载方式。该实验装置的加载实验和稳定性实验表明，实验装置运行稳定可靠，且容积效率在合理范围内。

关键词 ：柱塞密封；水压柱塞泵；加载系统；实验装置

中图分类号 ：TP137.9

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.006

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Experimental Device for Sealing Performance of Hydraulic

Pump Plungers

LUO Longjun 1 HE Xiaofeng 2 LIU Xun 2 ZHANG Qiaxuan 2 HUANG Hewen 2

1.Engineering Practice Innovation Center， Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan，430074

2.School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan，430074

Abstract ： In order to solve the sealing reliability and selective design problems of the plungers and cylinder liners of oil-water separated plunger pump， a plunger sealing performance experimental device and the loading system were developed to simulate the actual operating conditions of the hydraulic plunger pump， and the dynamic balance design of the experimental device was carried out. The simulation model of the loading system for the experimental device was established， and then a reasonable loading method was determined through simulation and comparison. The loading test and stability test of the experimental device show that the operation of the experimental device is stable and reliable， and the volumetric efficiency is within a reasonable range.

Key words ： plunger seal; hydraulic plunger pump; loading system; experimental device

0 引言

水作为液压介质具有安全、环保的优点，但低黏度使其润滑性较差  ［1-3］ 。油水分离式水压柱塞泵以油润滑、以水为液压介质，结合了二者的优势  ［4-5］ 。柱塞副密封性能是此类泵的关键，直接关系到泵的容积效率、工作可靠性及使用寿命。柱塞做往复运动并承受一定径向力，这使柱塞副动密封尤为困难。

针对此类往复动密封问题，各国学者开展了相应研究。NIKAS等  ［6］ 设计了利用高速摄像机直接观察往复运动密封圈油膜的实验台，實验时摄像机伸入透明的空心活塞杆，对活塞杆两侧所布置的密封圈的磨损、油膜的产生与破灭等现象进行动态观测。王世强  ［7］ 通过分析液压往复密封的工作过程，设计了一款往复密封的实验装置，并研究了数据采集技术、控制技术、结构设计等液压往复密封件实验装置的关键技术。王军  ［8］ 利用高水基柱塞泵的往复密封数值计算模型，分析了密封元件的安装预压缩量、流体密封压力等多种因素对高水基柱塞泵密封组件的往复密封与润滑性能的影响。王冰清  ［9］ 设计了液压往复密封实验台，建立了O形圈的等温软弹流润滑模型、热弹流混合润滑模型、瞬态热弹流混合润滑模型，利用液压往复实验台验证了所建立的润滑模型的正 确性。

从以上往复密封实验装置来看，研究的均是单一介质下往复动密封问题，并且大部分实验工作载荷小、转速低，受力工况与柱塞泵的实际工况有很大差别。针对油水分离式柱塞泵密封性能的研究尚不多见，因此本文设计了能模拟油水分离式水压柱塞泵中的柱塞副运动和受力工况的实验装置，选择合适的加载模式对实验系统进行加载，并通过实验对实验装置的性能进行了验证。

1 实验装置的结构方案

为模拟柱塞泵实际工况，确定实验装置的基本设计参数如下：最高工作转速1500 r/min，额定工作压力10 MPa，理论流量78.3 L/min（额定转速985 r/min时）。柱塞泵为往复式容积泵，其工作端具有循环往复的特点。综合现有的轴向柱塞泵、径向柱塞泵等主流柱塞泵的结构  ［10-12］ ，动力端机构选用曲柄滑块机构。由于曲柄滑块机构的工作特点，实验装置工作过程中，连杆会有小幅摆动角度，从而在柱塞上产生径向载荷。本实验装置中的柱塞设计为柱塞体和陶瓷柱塞的组合结构，柱塞体的左端设计有辅助支撑，以减小陶瓷柱塞两端的主导向滑动轴承所受的径向载荷，实验装置主体结构如图1所示。

现有的实验装置  ［7-9］ 一般在往复运动的柱塞处设置恒定的高压或低压，让柱塞在稳定压力下工作，以测试柱塞密封组件的密封性能，没有完全模拟柱塞的实际工作状态，得出的实验结果和实际情况有差别。本实验装置在设计时参照传统水液压泵的设计结构，在柱塞出口处设计了配流阀（包括吸入阀和压出阀），模拟柱塞在水压泵工作时始终处于高低压变换的实际工况，从而对柱塞密封组件的密封性能进行实验。

图1a中，偏心轴由三相异步电机驱动，圆柱滚子轴承和连杆装配在偏心轴上，连杆的末端通过柱销与柱塞组件连接，柱塞组件与缸体、缸套的柱塞孔构成大小可变的工作容腔，吸入阀组件和压出阀组件安装在阀体上，构成实验装置的配流机构。偏心轴通过旋转带动连杆摆动，实现柱塞组件的往复运动。柱塞组件在缩回行程中，工作容腔增大，产生负压，压出阀组件关闭，吸入阀组件打开，实验装置吸水。柱塞组件在伸出行程中，工作容腔减小，产生高压，压出阀组件打开，吸入阀组件关闭，实验装置排水。偏心轴旋转一周，柱塞组件在工作容腔内完成一次吸水和压水过程。

密封组件采用油水分离的密封结构，如图1b所示，油侧装配了密封座、密封圈、泄水套，泄漏的工作介质可经泄水口排出。 油侧密封圈主要用于防止油液在柱塞往复运动的影响下进入水侧。同样，在水侧装配了密封座及密封圈，以减少柱塞腔内液体在柱塞在工作过程中的泄漏。

实验装置应能适应多种尺寸的柱塞及不同结构密封圈的实验，因此安装密封组件的油侧和水侧密封座均有结构冗余，使其在不更换缸套、缸体等较大零部件的情况下，只需要改变密封座的结构尺寸（以适应柱塞与密封圈）就可以完成实验。同时，密封座设计成油侧、水侧分开的密封结构，扩大了实验装置的应用范围，更符合油水分离式水压柱塞泵的工作特点。

2 实验装置动平衡设计与仿真分析

实验装置动力端的偏心轴旋转时，除了质心与回转中心重合的构件外，其余运动构件都会产生惯性力。不平衡惯性力在运动中引起的额外载荷集中在2个圆柱滚子轴承NJ211E上，加剧轴承的磨损，且惯性力的不断变化会加剧实验装置的振动。因此，需借助ADAMS软件对实验装置进行动力学分析，通过动平衡设计尽量消除惯性力的影响，以减小磨损、振动，提高机械效率及装置的稳定性。

图2所示为实验装置的动力学仿真模型，空载情况下，动力端的惯性力主要作用在两侧的圆柱滚子轴承上。因此，在ADAMS中主要观察2个轴承的受力情况。

图3所示为最高转速1500 r/min、空载条件下的主轴两端轴承的受力仿真曲线，可以看出，动力端两侧轴承所受惯性力在4000～5500 N之间，轴承承受的不平衡惯性力较大，不利于装置的稳定运行，影响实验的结果，因此需对动力端进行动平衡设计。

动平衡设计采用加装配重块的方式实现惯性力的部分平衡。为使两侧轴承受力均匀，在偏心轴两侧对称安装配重块，通过不断优化配重块的质量与偏心距，调整两侧轴承的受力，使其尽可能的小。如图3所示，动平衡后，轴承受力为500～1200 N，与动平衡前相比，轴承所受不平衡力减小了80％左右，大大延长了轴承的使用寿命、提高了实验装置的工作稳定性。

3 实验系统仿真分析

对采用单个柱塞的水压泵而言，需要在泵出口选择合适的加载方案，以减小流量脉动和压力脉动引起的冲击振动和噪声对实验过程及设备安全造成的影响。目前，液压实验系统常用的加载方式主要有两种：①节流阀加载，即通过调节节流阀开度加载到指定压力；②溢流阀加载，即利用溢流阀的定压溢流功能实现加载  ［13-15］ 。对于存在较大压力脉动、流量脉动的液压系统，还需加入蓄能器来吸收脉动。

蓄能器有不同的体积型号，因此对6种体积（0.63 L、1.6 L、2.5 L、4 L、6.3 L、10 L）的囊式蓄能器A型（符合标准JB/T 7035-1）进行仿真，结果如图4所示。随着蓄能器体积的增大，压力脉动率从5.09%逐渐减小到0.67%，可知蓄能器体积越大，对压力脉动的减弱效果越明显，因此试验应尽量选用体积大的蓄能器。随着蓄能器体积的增大，流量脉动率从14.47%逐渐减小到1.89%，可知大容量蓄能器有助于减小流量脉动，且效果明显，但蓄能器体积到达2.5L后，减弱效果不显著。结合现有实验条件并考虑经济性，系统采用2个初始体积0.8 L的蓄能器。

本文对加载系统设计了3种方案，运用AMESIM液压仿真分析软件建立仿真模型并进行对比分析，3种方案的電机转速为985 r/min，工作压力为10 MPa。仿真步长为0.1 ms，仿真时间为10 s。电机选用变频电机，实验时变频电机转速通过变频器调节。

3.1 采用节流阀加载的实验系统仿真

采用节流阀加载的实验系统如图5所示，电机驱动单柱塞泵（主要由曲柄连杆、柱塞缸、压出阀、吸入阀等组成）。在泵出口设置2个蓄能器来减小泵的压力脉动，泵的工作压力由节流阀调节。压力表和涡轮流量传感器分别用于测量泵出口的压力和流量。水箱温度采用温度计测量。安全阀对系统起安全保护作用。

根据实验系统原理图（图5）建立仿真模型，如图6所示，在实验装置模型的基础上增加了蓄能器、节流阀、流量计模型。

仿真时，通过调整节流孔直径来调节泵出口的工作压力。图7所示为泵的出口压力和流量变化曲线。系统稳定时，泵出口的最高、最低压力分别为10.14 MPa和9.93 MPa，压力脉动率为 2.09%； 最大流量、最小流量分别为77.66 L/min和76.83 L/min，流量脉动率为1.07%。

3.2 采用溢流阀加载的实验系统仿真

采用溢流阀加载时，仅将图5中的节流阀更换为溢流阀（根据实验室现有的实物结构参数设计的模型）即可得到仿真模型，如图8所示。

通过调节溢流阀弹簧的预压缩量来调定系统压力。图9所示为工作压力10 MPa时，泵出口的压力、流量变化曲线。系统稳定时，最大压力为10.15 MPa，最小压力为9.95 MPa，压力脉动率为1.99%；最大流量为84.94 L/min，最小流量为 69.9 L/min， 流量脉动率为19.43%。与采用节流阀加载的方式相比，采用溢流阀时，系统压力脉动略有降低，而流量脉动率大大高于节流阀模式，其原因是溢流阀定压工作的模式能使系统压力更加稳定，而溢流阀阀芯开度在工作过程中的波动及溢流量的变化会增大泵的瞬时最大流量、减小瞬时最小流量，使流量脉动加剧。

3.3 采用溢流阀与节流孔加载的实验系统仿真

与图8相比，采用溢流阀与节流孔加载的方案在溢流阀入口前串联了一个直径1 mm的节流孔板，其余模型结构和参数不变。图10所示为工作压力10 MPa时泵出口的压力和流量变化曲线。系统稳定后，泵的最高、最低壓力分别为 10.18 MPa 和9.97 MPa，压力脉动率为2.08%；最大流量、最小流量分别为81.29 L/min和73.53 L/min，流量脉动率为 10.02%。

3.4 仿真结果对比分析

为便于对比分析，对以上3种加载方案的仿真结果进行汇总，如表1所示。3种加载方案的压力脉动率差别很小。采用节流阀加载时，泵出口的流量脉动最小。在溢流阀前加装节流孔板可使泵出口的流量脉动由未加装时的19.43%降至10.02%，其原因是：①在溢流阀入口增加节流孔板相当于在溢流阀阀芯之前设置阻尼容腔，增加了阀芯的运动阻尼，减小了阀芯开度的波动；②增加节流孔板后，溢流阀的工作压力降低，阀芯开度增加，阀芯开度波动时引起的流量变化减小，使实验系统的流量脉动减小。

已有合适的溢流阀可直接使用，因此将溢流阀前加节流孔板的方式作为实验系统的加载 方案。

4 实验结果与分析

根据仿真结果及实验系统原理图，在实验室搭建了实验装置，如图11所示。首先进行压力加载实验，在系统运行正常，电机转速稳定为985  r/min 时，将开关阀关闭，溢流阀开启，并按压力3，4，5，6，7，8，9，10 MPa依次给实验装置加载，每种开启压力下加载30 min，记录泵出口压力及流量，如表2所示。电机转速设定为985 r/min时，实验装置的理论流量为78.3 L/min。随着加载压力的不断升高，实验装置流量下降，容积效率由89.6%下降至82.9%，流量衰减较小。与一般的水压泵相比，该实验装置的容积效率偏低，其原因是： ①装置需要针对不同结构尺寸的密封件进行实验，其结构不能过于紧凑；②该单柱塞泵的转速较高、流量较大，使配流阀的惯性较大，在高转速下易产生运动滞后，影响输出流量，但其容积效率在合理范围内。

电机转速稳定为985 r/min、泵出口压力10 MPa条件下对实验装置进行稳定性实验。实验用密封圈组合如下：油侧密封圈为两道2型特康埃落特密封，埃落特密封安装朝向油侧；水侧密封圈为两道特康格莱圈，格莱圈密封安装朝向水侧。18 h的稳定性实验中，每隔1 h记录一次流量，如图12所示，流量最大值、最小值为72.67 L/min和64.38 L/min，流量脉动率为11.96%，比仿真值10.02%略大，对应的容积效率最大值、最小值为92.8%和82.3%，比仿真时的最小容积效率 93.9% 略小，但容积效率保持在合理范围内。

5 结论

针对油水分离式水压柱塞泵柱塞密封件的密封性能，设计并制造出模拟实际工况的柱塞密封实验装置，通过ADAMS仿真软件对装置进行了动平衡设计和仿真。利用AMESIM仿真软件对实验加载系统方案进行仿真分析，将溢流阀前加装节流孔板的方式作为实验系统的加载方案。根据加载方案搭建了实验装置，并进行了4 h的加载实验和18 h的稳定性实验。实验证明装置设计可靠，容积效率稳定且在合理范围。

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（ 編辑 张 洋 ）

作者简介 ：

罗龙君 ，男，1988年生，硕士研究生。研究方向为工程实践创新教育。发表论文3篇。E-mail： luolj@hust.edu.cn。

贺小峰  （通信作者），男，1968年生，副教授、硕士研究生导师。研究方向为流体机械传动与控制。发表论文20篇。E-mail： hexiaofeng @ mail.hust.edu.cn。