（机械电子工程专业论文）水压轴向柱塞泵的滑靴静压支承研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 幂 摘要 f 水压驱动技术因具有环保、节能的优点而成为人们广泛关注的新型驱动技 术。、重新发展水压驱动技术要求解决其存在的难题，如润滑性差、对一般金属 腐蚀性强及泄漏量大等，才能促进液压技术步入新的台阶。在水压技术的研究 中，以轴向柱塞泵为代表的水压泵的开发是极其关键的，也具有较大难度。 作为水压轴向柱塞泵的四个关键组件之一，滑靴摩擦副的设计主要采用静 压支承的方法升本文对水压滑靴静压支承的原理、特点、结构设计和支承性能 进行分析和讨论。由于滑靴的静压支承性能较差。因此在推导出简化通用公式 后，提出了计算水静压支承结构和性能参数的方法，利用短阻尼孔的节流作用 来减小水膜设计厚度，提高支承性能。另外，本文提出了一种阶梯浅腔型式的 滑靴结构，将其特点和性能与普通型式的滑靴进行比较，得到更加满意的结果。 在油润滑理论中，一般情况下都忽略惯性对润滑膜流动状态的影响，这是 因为惯性项与粘性项相比要小得多。然而，在水静压支承润滑中，水的流动惯 性项几乎与粘性项具有相同的数量级，对水膜的流速及压力分布具有一定的影 响，因此应予以考虑，才能得出更加准确的研究结果方本文推导出了考虑惯性 时滑靴支承间隙中水膜的压力分布模型，并作出曲线加以形象的说明。 水的高饱和蒸汽压力使得水压泵中极易发生气蚀现象，滑靴静压支承也不 例外。本文介绍了气蚀的概念和形成机理，并推导出气蚀分析模型，从而有利 于从理论上指明气蚀发生的大致区域和程度，并结合实验分析促使研究的全面 化和深入化，为滑靴设计提供更加完善和合理的参考。 侠验是研究水压技禾的有力手段。本文最后介绍了西南交通大学新型驱动 技术中心正在研制的水压试验台，为后续的研究奠定了基础一 关键词水压技术：轴向柱塞泵；滑靴；静压支承；气蚀 a b s t r a c t w a t e rh y d r a u l i c s ，a s ak i n d o fn e wt e c h n o l o g y ，i sw i d e l y c a r e d b e c a u s eo fi t se n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n sa n de n e r g y s a v l n g s s o l v i n gt h e d i f f i c u l t i e si nw a t e rh y d r a u l i c s ，s u c ha sp o o rl u b r i c a t i o n ，s e r l o u s e r o s i o nf o rc o m m o nm e t a l s ，a n dl a r g el e a k a g e ，a r et h er e q u i r e m e n t t o r e d e v e l o pi t w h i c hc a na l s op r o m o t eh y d r a u l i c s t oan e ws t e p o nr e s e a r c h o f w a t e rh y d r a u l i a s ，t h ed e v e l o p m e n to f w a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m p i se x t r e m e l yv i t a la n di sm u c hd i f f i c u l t a so n eo ft h ef o u ri m p o r t a n tp a r t so fw a t e rh y d r a u l i ca x i a lp i s t o n p u m p ，t h ed e s i g n o f s l i d i n g s h o e sf r i c t i o nm a t c h i n gm a i n l y t a k e s h y d r o s t a t i cb e a r i n g t h ep r i n c i p l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h es t r u c t u r e d e s i g n a n dt h e s u p p o r t i n gp e r f o r m a n c e o fs l i d i n gs h o e sh y d r o s t a t i c b e a r i n go fw a t e rh y d r a u l i cp u m pa r ea n a l y z e da n di n v e s t i g a t e di n t h i s t h e s i s a f t e rd e d u c i n gs i m p l i f l e d g e n e r a lf o r m u l a ，a m e t h o df o r c a l c u l a t i n gs t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fw a t e rh y d r o s t a t i c b e a r i n gi sp r e s e n t e d ，i nw h i c ht h et h r o t t l ef u n c t i o no f s h o r td a m p i n g h o l ei se m p l o y e dt od e c r e a s ew a t e rf i i mt h i c k n e s sa n dt oi m p r o v et h e b e a r i n gp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，a k i n do fs li d i n gs h o e ss t r u c t u r en a m e d s t e p s h a l l o wc a v i t yt y p ei sp r e s e n t e da n dc o m p a r e dw i t ht h ec o m m o no n e ， w h i c hg i v em o r es a t i s f a c t o r yr e s u l t s i no i ll u b r i c a t i o nt h e o r y t h ee f f e c to fi n e r t i ao nf l o ws t a t eo f l u b r i c a t i o nf i l mi sg e n e r a l l yi g n o r e db e c a u s et h ei n e r t i ai t e mi sf a r s m a l l e rt h a nt h ev i s c o u so n e i nw a t e rh y d r o s t a t i cb e a r i n gl u b r i c a t i o n ， h o w e v e r ，m o r ea c c u r a t er e s e a r c hr e s u l t sc a n b eo b t a i n e da s l o n g a s i n e r t i ao fw a t e rf l o wi sc o n s i d e r e d ，b e c a u s ei n e r t i ai t e ma l m o s th a st h e s a m eq u a n t i t a t i v el e v e la st h ev i s c o u so n e i nt h i st h e s i s ，p r e s s u r e d i s t r i b u t i o nm o d e lo fw a t e rf i l mi ns l i d i n gs h o e ss u p p o r t i n gc l e a r a n c e w i t hc o n s i d e r i n gi n e r t i ai sd e d u c e da n da c c o r d i n gc u r v ei sd r a w nt o v i v i d l yi l l u s t r a t et h ee f f e c to fi n e r t i ao nw a t e rf i l m h i g hw a t e rs a t u r a t e dv a p o u rp r e s s u r el e a d st ot h e m o r ep o s s i b l e o c c u r r e n c eo fc a v i t a t i o np h e n o m e n ai nw a t e rh y d r a u li cp u m p ，a n ds oa s i ns l i d i n gs h o e sh y d r a u l i cs u p p o r t i n gw i t h o u te x c e p t i o n t h ec o n c e p ta n d t h ep r o d u c i n gm e c h a n i s mo fc a v i t a t i o na r ei n t r o d u c e da n dt h ec a v i t a t i o n a n a l y z i n g m o d e li s d e d u c e d ，w h i c h m a k e si t e a s y t o e x p l a i n t h e 话南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a p p r o x i m a t er e g i o na n dt h ee x t e n to fc a v i t a t i o no c c u r r e n c ei n t h e o r y a n dt h ew i d e ra n dd e e p e rr e s e a r c hc o m b i n i n gw i t he x p e r i m e n t a la n a l y s i s c a np r e s e n taf u r t h e rp e r f e c ta n df e a s i b l er e f e r e n c ef o rs l i d i n gs h o e s d e s i g n e x p e r i m e n ti st h ep o w e r f u lm e a s u r ef o rd e v e l o p i n gw a t e rh y d r a u l i c s t h e r e f o r e ，aw a t e rh y d r a u l i c e x p e r i m e n tp l a t f o r mw h i c hi s b e i n g t r i a l p r o d u c e da tt h en e w d r i v i n gt e c h n o l o g yc e n t e r i n s o u t h w e s t j i a o t o n gu n i v e r s i t yi si n t r o d u c e di no r d e rt ol a yt h eb a s ea n dp r e s e n t a ne n s u r ef o rf o r t hs u c c e s s i v er e s e a r c h k e y w o r d sw a t e r h y d r a u l i c s ：a x i a l p i s t o np u m p ；s l i d i n gs h o e s h y d r o s t a t i cb e a r i n g ：c a v i t a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 夏 符号说明 a 。一柱塞工作面积，( m m 2 ) c 一短阻尼孔的流量系数 g 一细长阻尼孔常数q = ，z 刃0 2 8 l d ) ，( m m 3 ) c ，一泄漏流量系数c ，= 【3 【1 一q 月 。一泄漏功率损失系数= c ，c j = - 2 ，r i n c , 1 3 噼_ l 门， c 耐一支承特性值，也称之为压降系数c 州= p ，p ，= e 艘? 见) c ，一半径比系数c ，= r ，a 。 q 一支承力系数e = 懈一1 ) ( 2 1 n c ) e ，支承刚度系数q = 3 ( 1 一c 0 尸3 c 管 c 水膜厚度系数c 。= 【1 一c w ) c 一 “3 d 一短阻尼节流孔直径，( 唧) d 。一细长阻尼孔直径，( 咖) d 一柱塞的直径，( 岫) f ，一液体摩擦力，( n ) ，一柱塞与缸体间的摩擦系数 h 水膜厚度，( 册) h ，一阶梯浅腔深度，( m ) h 。一最佳水膜厚度，( 姗) 氟一额定水膜厚度，( 哪) k 一弹簧刚度，( n m m ) ，柱塞最小留缸长度，( m ) z 。一细长阻尼孔的实际加工长度，( 哪) 细长阻尼孔的名义长度，( 柚) ，。一柱塞长度，( 唧) m 一柱塞与滑靴的质量，( k g ) m 惯性压紧力，( n ) ，摩擦压紧力，( n ) ，柱塞对滑靴的压紧力，( n ) n , o 一弹簧压紧力，( n ) 。水压压紧力，( n ) 只摩擦功率损失，( k w ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第v 页 只一支承总功率损失，( k w ) 民。一支承泄漏功率损失，( k w ) p 。一供水压力，( m p a ) p ，一水的饱和蒸汽压力，( m p a ) 大气压力，( m p a ) p 一支承腔室中的水压力，( m p a ) p ，一阶梯浅腔边缘处的压力，( m p a ) p ，一滑靴球形槽内的压力，( m p a ) q 一单个滑靴支承间隙中的泄漏流量，( l m i n ) 幺一细长阻尼孔中的泄漏流量，( l m i n ) q 。一滑靴静压支承的总泄漏流量，( l m i n ) r 一柱塞分布圆半径，( 嘞) r e 一雷诺数r e = p 形 2 几蝇) 月一滑靴外圆半径，( 唧) r ，支承腔室半径，( m m ) r 一阶梯浅腔外缘半径，( 啪) s 一水膜支承刚度，( k n m m ) t 一温度，( ) 圪一参考流速屹= q ( 2 斌。h ) ，( m m m i n ) 一弹簧预压缩量，( m ) z 一柱塞数，( 个) 口所研究柱塞相对上死点的转角，( 度) 口一水的体积弹性模量，( p a ) ，斜盘倾角，( 度) 占一支承腔室深度，( 咖) 凤饱和蒸汽压力下水的密度，( k g m ) 风一大气压力下水的密度，( k g m 3 ) 水的动力粘度，( p a s ) z ，。一水在fo c 时的动力粘度，( p a s ) j 一水在o o c 时的动力粘度，( p a s ) 功一缸体的旋转角速度，( r m i n ) ；亘壹銮望奎兰堡主婴壅生堂垡堡茎 笙! ；堕 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。一 第1 章绪论 近年来，环境保护成了全球关注的焦点。因此，由于漏油而污染环境的油 压技术受到了极大的挑战。于是，水压驱动技术又被重新提上日程，成为一种 极具发展前景的驱动技术。本章对水压技术和水压泵进行综述，总结其优缺点， 介绍国内外的研究状况和发展方向。同时，阐明论文的研究背景、意义和研究 内容、目标。 1 1 水压技术综述 矿物型液压油已广泛应用于液压技术中且占据了主导地位。但它始终存在 消耗能源、污染环境及易燃、易爆等缺点，因此，这与科学技术向安全化、生 态化、艺术化、环境系统优化的发展目标相违背。于是，寻求新的液压介质成 了人们关注的问题。 1 1 1 水压技术的优点及难点 水压驱动技术争用水作为传动介质。由于水具有无污染、来源广泛，不占 用能源和废水处理方便等特点，因此是最具潜力的液压介质。用纯水作为液压 介质的水压技术与油压技术相比，具有如下优点“。： 1 、纯水价格低廉、来源广泛，无需运输仓储。水的价格仅为液压油的五千 分之一，而且随地可取，特别是大、特大型的液压系统，可以节省大量的矿物 油，经济效益更是可观； 2 、纯水本身无毒，不污染环境，因此泄漏的纯水无需回收，降低了维护费 用； 3 、纯水的阻燃性好，安全性高，可在易燃易爆环境下安全工作，大大拓宽 了液压系统的应用领域； 4 、纯水技术的生产相容性是很突出的一个优点，这是其它液压技术很难替 代的，在食品工业、制药工业和化学工业中显得尤为重要。在这些工业中，唯 一可行的替代方法便是气动技术，但气动技术耗能较多、功率密度低。 当然，水压技术也存在着明显的缺陷，这也正是水压技术没有得到持续、 快速发展的原因，同时又是研究水压技术所要解决的问题。水压技术存在的难 题及对策列于表卜1 中。 1 1 2 水压技术的主要应用领域 水压技术同时具有环保性、难燃性和生产相容性的优点，这是油压系统不 具备的。因此，水压技术具有自身的应用范围，主要如表卜2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 表卜l 水压技术存在的难题及对策 类别具体现象解决办法 泄漏大，效率低提高加工精度；特种密封方法 水的低粘度使用静压支承( 会增加泄漏量) ；使用 引起的问题 水膜难以形成，润滑性 差，磨损大 抗磨材料；提高表面精度；进行表面处 理( 增加抗磨性) 物质状态引 易发生气蚀现象限制水压系统工作范围；改善吸入条件 电腐蚀现象材质的选择 起的问题 噪音噪音对策 水中的微生物引起间隙、保证流体良好循环；控制水温；提高过 节流处和过滤器阻塞滤精度 化学和微 腐蚀性，使金属生锈材质的选择；表面处理( 液相、气相) 对水压系统进行良好密封；杀菌、消毒； 生物问题细菌污染 监控细菌数 去垢处理( 钝化水的硬度) ；监控水的 水垢的形成 p h 值和水的硬度 表卜2 水压技术的主要应用领域 应用场合具体领域 食品工业；制药业和化学工业；成形、造纸、木材和 要求干净的制造业家具工业：半导体和情报机械生产线：一般产业和制 造生产线 海、河、土木机械；海洋水中开发机械和水闸门开 适合环境保护的作业机械 闭装置；用于自然储备的施工机械和移动式机械 特殊环境范围核工业：废炉作业机械；炉芯内部检查辅修机械 消防器械救援工具；医疗及福利机械；体育休闲装 防火安全用的对人装置 置；游泳池；体感机械：可动式舞台 1 1 3 水压技术的研究状况 对于纯水压技术的研究，目前国内尚属空白，而西方国家处于领先地位， 在某些技术方面已经取得了突破性的进展“1 。 ( 1 ) 德国 德国h a u h i n c o 公司生产出了e h k 一3 k 系列t r i p l e x 轴向柱塞泵、兄k p 系列 径向柱塞泵和品种齐全的纯水液压阀，已广泛应用于焊接机器人和金属压力成 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 型设备等。 汉堡工业大学在水压泵阀陶瓷材料的应用方面走在前列。通过材料对比试 验，一种新型的陶瓷材料r b a o 具有广阔的应用前景。 ( 2 ) 丹麦 丹麦的d a n f o s s 公司已经设计生产出了一系列纯水液压元件。由于广泛采用 了不锈钢、工程塑料和精密的配合，元件的效率和寿命达到甚至超过了矿物油 型液压元件。 ( 3 ) 芬兰 芬兰t a m p e r e 科技大学研究纯水压传动技术起步早，投入的人力也多，至 今已形成规模，并具有一定的影响。 ( 4 ) 日本 日本的荏原研究所、三菱重工、m i y a k a w a 公司、神奈川大学从事纯水液 压传动的研究。此外，日本海水液压传动技术非常领先，水下使用深度可达 1 2 5 0 0 m 。 随着人们对环保的关注以及市场需求的驱动，水压技术将稳定发展，为自 动化设备提供性能良好的液压控制系统。水压技术目前面临的问题也正是今后 水压技术的研究方向。也就是说，水压技术将着重于新材料技术、加工技术、 表面处理技术、润滑技术、水处理技术、流体解析技术、可靠性技术和系统控 制技术等方面的不断发展与完善，它是- - f 综合性较强的技术，需要许多行业 的辅助与支持。可以相信，不远的将来，水压技术将取得新的发展。 1 2 水压泵综述 水压驱动技术发展的关键是开发水压元件，而元件中水压泵( 和马达) 是 关键之关键，其开发的难度也最大。水压泵是整个水压系统能量供应的心脏， 其研究的重点在于如何使以低粘度水介质的水压泵能产生与油压泵相当的高 压，降低振动和减小噪声，以便水压系统能象油压系统一样，以较小的体积、 高效地传递较大的动力。 1 2 1 水压泵发展简述 总的来说，纯水液压泵的发展经历了用油润滑和用纯水润滑的两个阶段。 由于油的润滑特性比纯水要好得多，因此在新型材料及其加工手段尚未完 全成熟之前，纯水仅作为能量传递和控制的载体，其轴承部位用油( 用密封件 把油与水隔开) 来润滑。此时，泵一般为阀配流轴向柱塞式，柱塞与斜盘之间 为点接触或线接触，其优点是泵的结构非常简单，性能稳定，可靠性好，成本 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 低：缺点是体积大，重量大，仅适用于输出压力较小的场合，一般小于l o m p a 。 这是因为在高压状态下，密封件磨损较快、密封效果下降，往往容易引起油和 水的串通，而且柱塞的头部磨损也较快。 随着材料科学和加工技术的进步，陶瓷和高分子材料的性能得以大大提高， 加工和处理也较容易，元件的成本下降。于是，纯水液压泵便用纯水来润滑其 所有的轴承部位，且多为端面配流轴向柱塞式，柱塞与斜盘之间为静压润滑或 混合润滑的面接触。这样，泵的结构紧凑、体积小、重量轻、输出压力高，性 能和可靠性也较好。 1 2 2 水压泵的研究状况 根据介质性质的不同，水压泵可分为淡水液压泵和海水液压泵两种型式。 目前，淡水液压泵主要以丹麦d a n f o s s 公司的n e s s i e 圆轴向柱塞泵为主，已应用 在娱乐场所及肉类加工等领域。现有n e s s i e 轴向柱塞泵具有多个系列的型号， 但它的最高工作压力只有1 6 m p a ，并且最大流量也有限，因此有待进一步开发 高压及大流量的淡水液压泵。海水液压泵已发展到1 4 3 2 m p a 的中、高压力水 平，并投入了实际应用。相对而言，我国海水液压传动技术的研究开发则较晚 ( 淡水技术是空白) ，如今仍处于中压水平( 以华中理工大学海水液压泵为代 表) 。下面介绍几种水压泵“”。 1 2 2 1 n e s s i e 固淡水泵 d a n f o s s 生产的n e s s i e盘式轴向柱塞高压泵以自来水作为传动介质，其 结构如图1 - 1 所示。 1 静压支承2 前端盖 3 斜盘4 工程塑料 5 轴承6 滑靴 7 缸体8 柱塞 9 配流= j ；1 0 后端盖 l l 止推盘1 2 弹簧 1 3 半球形轴瓦 1 4 一h 壳 l 卜咔环 1 6 轴向霍劐装置 1 7 输入轴 图卜ln e s s i e 固轴向柱塞泵的剖面图 n e 3 m e 圆轴向柱塞泵具有如下特点： 西南交通大学硕士研究生学位论文笙! 垂 ( 1 ) 泵的输入轴和缸体做成一体，所用材料为不锈钢，缸体安装在固定于 外壳上的轴承内。为了补偿缸体的倾斜和由于外力作用而引起的变形，使用一 个随缸体旋转的浮动止推盘在弹簧力作用下紧贴在固定的配流盘上； ( 2 ) 配流盘具有特制的腰形开口： ( 3 ) 滑靴和斜盘问用流体静压支承进行润滑； ( 4 ) 所有的摩擦副表面均由工程塑料或不锈钢制成； ( 5 ) 外壳和端盖由特种铬镍铸造黄铜制成以防止腐蚀。 n e s s i e 固轴向柱塞泵运动部件间的润滑问题用水来解决，通过选择适当的材 料，保持运动部件间的小问隙以使泄漏尽量减小。而且，即使在高负荷条件下， 选择的材料亦利于在运动部件间产生动态和静态的流体膜，减小摩擦及相应的 磨损，从而使机械损失减至最小。 1 2 2 2f e n n e r 海水泵 英国皇家海军1 9 7 8 年与国家工程实验室( n e l ) 合作研究海水水下液压 作业工具，1 9 8 5 年跏胡与e s s o 两大石油公司投资加入继续研究。1 9 8 7 年 f e n n e r 公司获得技术产权，并成立s c o t 一乃曲子公司面向市场开发产品，英国 h u l l 大学等成为其技术伙伴。1 9 8 8 年，f e n n e r 公司研制出压力分别为1 4 m p a 和i o m p a 的海水液压泵和马达，其结构如图卜2 所示。 卜轴2 、8 、9 - 滑动轴承 3 一轴承座4 一斜盘 5 一滑靴6 一保持环 7 一回程盘l o - _ | 1 - 推轴承 1 卜柱塞1 2 一缸套 1 3 一缸体1 4 一配流盘 图1 - 2f e n n e r 海水泵马达结构简图 f e n n e r 海水液压泵马达采用轴向柱塞式结构，端面配流，定隙回程，所有 相对运动的摩擦副均由海水润滑。缸体主要由轴承座3 支承，主轴只驱动缸体 旋转，所以不受弯曲应力的作用，大大改善了滑动轴承的工作条件。泵体、端 盖等外壳采用铝合金阳极氧化处理；定隙回程盘、滑靴底面、球窝、柱塞套、 缸体端面、滑动轴承等采用增强聚酰亚胺塑料：斜盘、滑靴、柱塞、缸体、配 流盘、轴等采用m s1 3 1 6 不锈钢。1 9 9 6 年，h u l l 大学采用陶瓷做缸体、配流 一 ：耍宣銮望奎堂堡主堡壅生堂垡丝壅 釜! 基 _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 1 。一 一 盘和柱塞，在1 2 0 o n 粗过滤海水润滑条件下试验，表现出优异的性能。该类泵 马达已用于海洋水下作业工具系统和海底石油天然气井口启闭自给控制系统。 1 2 2 3 h y a t ao y 海水泵 1 9 9 4 年，芬兰h y a t ao y 公司和t a m p e r 理工大学等参与欧洲尤里卡 ( e u r e k a ) 计划，合作研究开发海水液压传动系统，用于驱动海洋水下作业工 具。t t y a t ao y 研制的海水液压泵结构如图卜3 所示。 h y a t ao y 海水泵是端面配流轴向柱塞式结构，全部用海水润滑。缸体与主 轴做成一体，并采用浮动配流盘，因而可以有效改善配流盘的偏磨问题。由于 使用了止推轴承，主轴可以承受轴向力的作用。该类泵有7 个柱塞，变量方便， 而且结构简单、噪声低、压力脉动小，并可以作为马达使用。其关键对偶摩擦 副均采用纤维增强塑料与硬化的金属或陶瓷组合，容积效率超过9 2 。已用于 海洋水下作业工具的便携式动力源。 。 、 、 i ；ojj ， 璩知，jj ，u + ，- i _ | | = w 芝燃闽 小幸= 彳希 雕 k 三墨 斟一廿_ + 卜。l - i i 籀瑟湖e 三黜 l 二二，_ 一j ：。 卜轴2 、1 2 一滑动轴承 3 一止推轴承4 一斜盘 5 一滑靴6 一回程盘 7 一球铰8 一柱塞 9 一缸体1 0 一配流盘 1 卜套管 图卜3 h y a t ao y 海水泵结构简图 1 2 2 4k o m a t s u 海水泵 日本小松( k o m a t s u ) 制作所为开发用于驱动海洋水下作业机械手的海水 液压系统，于1 9 9 1 年研制出端面配流轴向柱塞式海水液压泵，其结构如图卜4 所示。 一 耍童銮望盔堂堡主堑窒生堂垡笙塞 蔓! 戛 卜轴2 、1 0 一滑动轴承 3 一斜盘4 一滑靴 5 一回程盘6 一柱塞 7 一弹簧8 一柱塞 9 一配流盘 图1 - 4k o m a t s u 海水泵结构简图 该泵采用球面配流盘，前、后滑动轴承均开有螺旋槽，以实现动压润滑， 配流盘和滑靴均采用静压支承，而且主轴可以承受轴向力的作用。配流盘、缸 套、滑靴和滑动轴承使用炭纤维增强高分子塑料( c f r p ) ，缸体端面、轴径、 柱塞、斜盘均采用陶瓷材料。小松海水液压泵结构紧凑，单位重量功率( 比功 率) 大，效率高，反映出了目前国际海水液压泵的研究水平。 日本萱扬( k a y a b a ) 工业( 株) 1 9 8 9 年与法国b r o n z a v i aa i r - e q u i p m e n t 公 司合作，研究开发用于驱动海洋极限深度下作业的机器人海水液压传动系统。 其研制出的海水液压泵采用阀配流轴向柱塞式结构，有3 个柱塞，全海水润滑， 其结构所图卜5 所示。 图卜5k a y a b a 海水泵结构简图 卜缸体2 一弹簧 3 一柱塞4 一缸套 5 一水腔6 一回程盘 7 、8 一滑靴 9 、1 2 一滚珠轴承 l o 一止推轴承 l l 一轴 要塑銮望盔堂堡圭堡壅生堂垡丝塞 釜! 戛 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。_ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - - 。”一 该泵的缸体不动，主轴与斜盘做成一体，并采用2 个径向陶瓷球轴承和1 个轴向动压润滑陶瓷止推轴承支承主轴和斜盘旋转。斜盘、柱塞、轴承均采用 陶瓷，滑靴和缸套采用炭纤维拉强塑料( c f r p ) 。 1 2 2 6h a u h i n c o 海水泵 德国h a u h i n c o 公司在其原来乳化液用5 柱塞径向柱塞定量泵的基础上，改 变一些关键部件的配合间隙和使用材料后研制出了新的海水泵，如图卜6 所示。 5 个径向柱塞在周向等距分布，采用平板阀配流，通过偏心轴的旋转使柱 塞往复运动来实现吸、排水工作。每个柱塞有一弹簧保持柱塞球头和滑靴紧贴 偏心轴，原动机直接驱动泵工作而不需中间齿轮减速机构。该类泵的滑动轴承、 配流阀体、柱塞头部滑靴及柱塞套均采用炭纤维增强工程塑料( c f r p ) ，对偶 材料均为耐蚀合金，所有运动部件全部用海水润滑。滑靴底部的p v 值较小， 缸孔受柱塞作用的侧向力也较斜盘式轴向柱塞泵的小。该类泵的流量及压力脉 动较小，抗污染能力强，工作寿命长，效率高，并可以通过增加柱塞个数而获 得较大的排量。h a u h i n c o 海水液压泵有5 个流量系列( 2 0 7 0 0 l m i n ) ，工作 压力可达3 2 m p a ，已用于海洋开发机械设备的海底管道敷设及维护系统等。 卜轴 2 、1 2 - 滑动轴承 3 一偏心凸轮 二= 、4 一滑靴 5 一柱塞 6 一缸套 7 一缸体 8 一吸入阀 9 一压出阀 1 0 一吸水通道 。，1 卜弹簧 图1 - 6h a u h i n c o 海水泵结构简图 总之，水压泵的研制仍处于不成熟的阶段，还有更多、更重要的工作要做。 如果水压泵的问题不能很好解决，则整个水压技术的发展将受到严重的制约。 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! 亟 因此，研制高性能、高压力及大流量的水压泵是一项极其迫切的任务。目前， 我国的液压技术较国外还落后很多，需要充分借鉴国外已有的研究成果，结合 我国相关学科的发展实际，有效地解决水压泵所面临的关键性基础技术问题， 研制出理想的水压泵，发展水压技术，为经济建设服务。 1 2 3 水压泵要解决的几个问题 水的低粘度使得水压泵的密封问题变得非常困难，它将直接影响到泵的容 积效率。润滑性差和对金属具有较强的腐蚀性是水的又一个特点，这就对水压 泵的材料提出了更高的要求，它将直接决定泵的工作性能和使用寿命。因此， 水的理化特性决定了在水压泵的研制过程中存在如下一些问题。 ( i ) 材料的选择 水压泵必须首先解决腐蚀问题，即它不能生锈。并且，纯水的润滑性很差， 摩擦副对偶面上难以形成液体润滑膜，也不能形成良好强度的边界膜，很容易 产生干摩擦。此外，纯水的腐蚀作用也会引起绝大多数金属材料的电化学腐蚀 和某些高分子材料的化学老化，破坏水压泵的材质。纯水的汽化压力高，容易 诱发纯水汽化，导致气蚀，剥蚀零件表面材料，破坏过流的固体表面和密封件。 气蚀还会使泵的流量发生变化，产生压力脉动、振动和噪声，带来许多不良的 影响。 因此在水压泵中，要求对偶副的材料必须具有较高的耐磨性或自润滑性以 及较好的抗气蚀能力。否则，当对偶副处于混合润滑和固体润滑状态时，磨损 现象将十分严重，致使泵的工作性能降低，工作寿命缩短。参照目前的研究状 况，泵的非对偶副一般选用进行化学处理过的铝合金或不锈钢，而对偶副的材 料一般采用不锈钢、工程塑料和陶瓷等。当然，也有全部用陶瓷材料的。 ( 2 ) 工艺 陶瓷是用于水压元件较为理想的材料，但它的加工却十分困难。因此，目 前较为普遍的做法是在对偶副的配合表面上进行陶瓷涂层的处理。然而，陶瓷 涂层的理化性能存在着不足，还有待进步认识与探讨。 水的低粘度性导致的微小间隙对加工精度提出了更高的要求，这无疑增大 了水压泵的工艺难度。因此，加工制造技术是保证水压泵从理论化走向产品化 的根本。 ( 3 ) 密封 在温度相同的情况下，纯水的粘度大约只有矿物型液压油的t 4 0 1 5 0 ，故 在同等压力下，通过相同密封缝间隙的泄漏量将是油的2 0 倍左右，这将大大降 低泵的容积效率。因此，密封是提高水压泵容积效率的关键，但它与机械效率 是对立的。于是，合理的结构设计、润滑方式和高性能、高寿命的密封件是至 关重要的。本文所讨论的润滑问题实质上属于间隙密封的范畴，它应尽量平衡 一一 要童銮望盔兰堡主婴壅生堂垡迨塞 蔓! ! 戛 _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ 。一一 容积效率和机械效率间的对立关系。 ( 4 ) 高压化 商压水压泵的开发对材料和密封提出了更高的要求。当然，新的更加合理 的结构亦十分重要。对于水压泵高压化的研制具有很大的难度，但同时也应看 到，水压泵的高压化是水压技术发展的方向，也是突破1 3 。如果解决了水压泵 的高压化问题，则整个水压技术将呈现出崭新的面貌，进一步巩固并拓宽其应 用范围，这对整个工业发展及环境保护都具有积极的推动作用。 1 3 本文的研究内容和目标 目前，世界上研究的水压泵主要以轴向柱塞泵为主，这是由于它具有工作 压力高、加工方便，结构紧凑等特点。 在水压轴向柱塞泵中，下面四个部分的研究是非常关键的： ( 1 ) 滑靴与斜盘： ( 2 ) 柱塞与缸体： ( 3 ) 缸体与配流盘： ( 4 ) 柱塞与滑靴。 泵在工作过程中，滑靴一直在斜盘上高速旋转，如果滑靴始终紧贴在斜盘 上，那么由于水的润滑性极差引起的固体摩擦将大大缩短滑靴的使用寿命。因 此，应该借助静压支承在滑靴的运动过程中将其与斜盘分开，变干摩擦为液体 摩擦，减小磨损。 本文利用静压支承原理( 在滑靴和斜盘问形成水膜) 研究滑靴与斜盘间的 润滑特性。由于形成水膜的间隙的存在减小了机械摩擦，然而将导致更大的泄 漏量，因此在容积效率与机械效率之间存在一对矛盾。为此，本文采用最小功 率法进行滑靴静压支承的设计计算，使摩擦损失功率与泄漏损失功率之和在滑 靴结构和静压支承可靠性的允许下尽量小，较好地解决了二者之间的关系。 本文介绍了滑靴静压支承设计的理论后，就具体的水压泵实例进行了滑靴 设计计算，并充分说明了水压泵滑靴设计的特点。针对水静压支承自身的特点， 还讨论了滑靴中惯性对压力分布的影响和滑靴中的气蚀现象，并提出了一种提 高支承性能的滑靴结构。最后，文末还介绍了水压泵( 马达) 性能试验装置的 研制。 由于水压技术正处于发展的初始阶段，因此，笔者首先希望能通过本文让 大家对水压技术水压泵有一个总体认识。因为水和油的物性相差甚远，所以笔 者也希望能探究出水静压润滑自身的特点( 与油静压润滑相比) ，从而有助于设 计出更加合理的水压轴向柱塞泵。同时，应对设计出的水压泵进行性能试验， 找出它存在的问题以待解决，促使水压泵的设计得到进一步的发展与完善。为 此，笔者还在论文中对水压泵( 马达) 性能试验装置进行一些说明和讨论，希 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 望在设计和制造装置的过程中加强对水压元件结构及系统配置的认识，并且也 进一步认识水压技术在发展过程中所需要迫切解决的关键技术问题。 亘塑銮望盔堂堡主堑壅生兰垡鲨奎 星! ! 蔓 - ，- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - 一一 第2 章水静压润滑 水压轴向柱塞泵中，存在滑靴与斜盘、柱塞与缸体、缸体与配流盘和柱塞 与滑靴间的运动配合( 绪论中已提及) ，因此必须对运动配合表面间的润滑问题 加以研究，才能设计出高性能、长寿命的水压泵。 由于摩擦引起能量的转换、磨损则导致表面损坏和材料损耗，而润滑是降 低摩擦和减少磨损的最有效的措施，因此本章对润滑进行简要的介绍，这对后 续部分的分析、讨论是很有意义的。本章还将对水静压润滑的相关知识加以介 绍，并通过与油静压润滑相比，体现出其自身的特点。 2 1 润滑总述 润滑的目的是在摩擦表面之间形成低剪切强度的润滑膜，用它来减少摩擦 阻力和降低材料磨损。润滑膜可以是由液体或气体组成的流体膜或者固体膜。 根据润滑膜的形成原理和特征，润滑状态可以分为：( 1 ) 流体动压润滑；( 2 ) 流体静压润滑；( 3 ) 弹性流体动压润滑；( 4 ) 边界润滑；( 5 ) 干摩擦状态等五 种基本类型。 各种润滑状态所形成的润滑膜厚度不同，而润滑膜形成的机理也有区别， 总结成表2 - i 所示。 表2 - 1 各种润滑状态的基本特征 润滑状态典型膜厚( t t m )润滑膜形成机理 由摩擦表面的相对运动所产生的动压 流体动压润滑1 1 0 0 效应或挤压效应形成流体润滑膜 通过外界压力将流体送到摩擦表面之 流体静压润滑 1 1 0 0 间，强制形成润滑膜 形成机理与流体动压润滑相同，应用于 弹性流体动压润滑0 1 1 中高速下的点线接触摩擦副 润滑流体中的成份与金属表面产生物 边界润滑 1 0 一5 1 0 。 理或化学作用而形成润滑膜 干摩擦状态1 0 。1 0 1它无润滑剂，主要是表面间的氧化膜 润滑流体的粘度是决定润滑膜厚度的主要因素，低粘度将导致润滑膜的厚 度减小；另一方面，粘度也是影响液体摩擦力的重要因素，高粘度的润滑剂不 仅引起很大的摩擦损失和发热，而且难以对流散热。这样，由于摩擦温度的升 高，可能导致润滑膜破裂和表面磨损。 一一 要堕銮望盔堂堡圭婴壅生堂垡垒奎 苎! ! 夏 - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。一一一 粘度和密度是随温度、压力等参数而变化的，在实际问题中视具体情况对 它们的变化加以考虑。 由于水的粘度很小，水作润滑剂产生的弹性流体动压润滑水膜和流体动压 润滑水膜都特别的小，不能起到液体润滑的作用。因此，水压泵中的滑靴与斜 盘间的润滑采用水压静压润滑，但它具有泄漏流量功率损失，会降低容积效率。 2 2 水静压支承 目前，静压支承理论所涉及的液体都是以油类为基础的。并且，静压轴承 和油压泵的设计也都是以油( 静压轴承中也有空气作润滑剂的) 来进行分析、 计算的。由于水也是流体，因此根据流体力学知识可同理推导出水压静压支承 的计算。 水静压支承也属于流体润滑，其作用就是通过在两个具有相对运动的固体 表面间产生一定厚度的水膜来改善其摩擦状态，把固体间的干摩擦变为液体摩 擦，从而减小摩擦阻力，降低材料磨损，提高元件的工作性能和使用寿命。 水静压支承属于外部供压支承( 润滑) ，其原理十分简单，就是把压力水送 到两固体表面间，形成水膜，以隔开两固体表面。水静压支承的形成必须具备 两个基本的条件，以图2 - 1 作为参考，分别介绍如下“”。 支承腔室 图2 - 1 静压支承示意图 2 2 1 支承腔室的设置 若两固体表面问的间隙关闭，则支承腔室内的压力将等于供水压力p ，。因 此，只要支承腔室的半径r ：满足础；0 ，一p o ) i 这个条件，便可保证间隙能 够产生。显然，没有支承腔室的静压支承能否产生间隙是不言而喻的。在此说 一 堕堕銮望盔堂堡主塑塞竺堂笪笙奎 釜! 兰夏 明一点，在本文后续部分的分析中，都假定支承腔室内的压力处处相等，用p 。 表示。 2 2 2 节流孔的设置 由能量方程知，通过节流孔的流量与压力p 有关，而通过支承间隙处的流 量与间隙高度 有关，由连续方程知这两个流量应该相等，所以p ，与 之间必 成某种关系。也就是说，承载能力。与 之间成某种关系。如果没有节流孔， 支承腔室内的压力将为固定常数见，即p 。= p ，。当条件f = 斌；0 。一儿) m 成立时，间隙产生。此时，如果。增大，使。 f = 咒r ；( p