水壓泵柱塞摩擦副間隙優化及影響因素分析

黃國勤 賀小峰 朱玉泉

1.重慶大學,重慶,400044 2.華中科技大學,武漢,430074

0 引言

柱塞摩擦副是水壓柱塞泵的一對非常關鍵的摩擦副,該摩擦副直接與水(海水或淡水)接觸,潤滑性能差,容易發生磨損和泄漏,其性能的好壞直接影響到水壓泵的整體工作狀況[1]。柱塞與缸套間隙的選取是柱塞泵設計的一個重點和難點問題。間隙過大,則泄漏加劇,造成容積效率下降;間隙過小會給加工和裝配造成困難,運行時會加劇柱塞和缸孔的黏著磨損,甚至會使得柱塞在缸孔中楔死,乃至將柱塞球頭從滑靴中拔出,即所謂的“咬缸”和“脫靴”現象。據資料顯示,目前各種油壓泵的柱塞摩擦副間隙的選取一般取柱塞直徑的0.13%～0.15%[2]。由于水的理化性能與液壓油差別很大,這種近似取值方法對于水壓泵的設計是不合適的,因此水壓泵柱塞摩擦副的間隙優化設計顯得尤為重要。

1 水壓泵柱塞摩擦副間隙優化原理

反復的試驗表明,水壓泵的柱塞摩擦副的“咬缸”現象常常發生在啟動不久的低壓運行階段,有時伴隨著“脫靴”,同時泵體的溫度會明顯升高[3]。經分析,這種現象的產生與摩擦副的熱平衡狀態密切相關[4]。

由于介質在摩擦副中的作用時間很短,可認為是絕熱過程,則有能量平衡方程:

式中,c為水的質量熱容;ρ為水的密度;Ff為柱塞和缸套之間的摩擦力;v為柱塞摩擦副平均相對運動速度;q為摩擦副的泄漏流量;φ為柱塞泵結構參數,一般取1,可忽略不計;f為摩擦因數;d為柱塞直徑;β為斜盤傾角;D為缸孔分布圓直徑;ω為缸體轉動角速度;p為柱塞腔壓力;Δt為水的溫升。

在充分考慮柱塞在缸套中存在偏心運動和密封長度變化的前提下,得到柱塞摩擦副泄漏流量[5]:

式中,h為柱塞與缸套的初始間隙;l為柱塞與缸套間的最大密封長度;μ0為流體的平均黏度。

其中,b為黏溫系數,對水介質可取b=1/57K-1,此處柱塞的允許溫升Δt為10～30℃,因此可將bΔt的值近似取為0.5,式(3)簡化為

μ0的值與溫升有關,設入口介質黏度為μs,則

式中,R為缸孔分布圓半徑。

整理以上方程得到摩擦副的最高溫升:

如果缸體與柱塞溫升相同,泵將正常工作。但實際上,由于缸體熱容量大,散熱條件好,溫升會低于Δt。設在達到熱平衡過程中柱塞獲得熱量為Q1,缸體獲得熱量為Q2,則有如下關系式:

設摩擦副的熱平衡間隙為δ,則

式中,α1、α2分別為柱塞與缸體的材料線膨脹系數。

聯立式(5)～式(7)并整理后可得

式中,K1為泵的結構性能參數;K2為泵的摩擦副材料的物理性能參數;K3為其他環境參數。

對式(8)求極值,得到摩擦副正常工作的臨界最小間隙δc,也就是柱塞摩擦副的最優間隙,公式如下:

根據式(8)繪出摩擦副熱平衡間隙曲線,如圖1所示。當δ大于臨界值δc時(如δ=δ1),摩擦副可以在某一間隙下(h1)達到熱平衡。對應著有一個由于線膨脹不均引起的間隙減小量(如Δh1),此時摩擦副可以正常工作。但當δ＜δc時,就找不到一個熱平衡點,此時摩擦副工作后,溫升導致線膨脹不均,使間隙減小。間隙減小時冷卻水變少,又使溫升增加,如此惡性循環,直至產生黏著磨損,最終將摩擦副卡死。

圖1 熱平衡摩擦副間隙曲線

2 熱平衡間隙影響因素分析

柱塞摩擦副的熱平衡間隙受多種因素的影響,在此以筆者自行研制的水壓柱塞泵[6](300L/min,6.3MPa)為例進行仿真分析和試驗研究。

2.1 結構尺寸對最小間隙的影響

由式(8)和式(9)可以看出,柱塞摩擦副的最小熱平衡間隙δc受結構尺寸柱塞直徑d、最大密封長度l以及缸孔分布圓直徑D的影響,其關系為:δc與 d3/5成正比,δc與 l1/10和D1/5近似成正比。顯然,柱塞直徑對柱塞摩擦副熱平衡間隙影響更大。因此在設計水壓泵時,如柱塞直徑加大,其柱塞摩擦副的初始間隙需要適當增加。此外在結構允許的情況下,可以考慮適當減小缸孔分布圓直徑和最大密封長度。

如圖2所示,在其他條件相同的情況下,取該泵斜盤傾角 β分別為 15°、20°和 25°時 ,δc分別為6.9μ m 、8.2μ m 和 9.2μ m 。可見,斜盤傾角 是一個對泵的性能影響較大的參數,這是由于柱塞的溫升和斜盤傾角的正切函數近似成正比,斜盤傾角的增大會引起柱塞的溫升增加,從而導致最小配合間隙的增大。

圖2 不同斜盤傾角對最小熱平衡間隙的影響

2.2 對偶材料對最小間隙的影響

從式(8)可知泵的摩擦副對偶材料的物理性能參數K2對柱塞摩擦副的熱平衡性能有很大影響,柱塞的線膨脹系數 α1和熱導率 α′1越大,則柱塞摩擦副的最小熱平衡間隙δc越大;柱塞的質量熱容c和密度ρ越大,則δc越小。而缸套或缸體材料的上述4個參數對δc的影響正好相反。

選擇不同的材料配對進行熱平衡間隙分析。本文所選材料包括水介質中常用金屬如沉淀硬化不銹鋼PH 17-4、合金鋁 LD5、鋁青銅QAl9-4、碳纖維填充的工程塑料PEEK以及特種耐磨陶瓷如Al2O3、Si3N4等,其物理性能參數詳見表1。

表1 摩擦副材料物理性能參數[7]

不同材料配對情況下的熱平衡曲線如圖3所示。從圖3a可知,采用不銹鋼做柱塞,缸體采用其他不同材料,摩擦副最小間隙δc從小到大排列(括號內為缸體材料)依次為:3.9μ m(LD5)＜9.2μ m(QAl9-4)＜11μ m(TC4)＜13.1μ m(Al2O3)＜15μ m(PEEK)。其中 LD5最小,PEEK最大。這主要是由于鋁合金的導熱性能好,線性膨脹系數大,因而變形量也大,這就使得達到熱平衡時柱塞副所需的初始間隙減小。而PEEK的導熱性能很差,因而PEEK缸套的變形量很小,柱塞副需要的初始間隙顯著增大。

圖3 不同對偶材料對最小熱平衡間隙的影響

圖3b顯示,采用鋁青銅做缸體,柱塞采用其他不同材料,此時,摩擦副最小間隙從小到大排列依次為 :3.1μ m(PEEK)＜5.1μ m(TC4)＜8.5μ m(Al2O3)＜9.2μ m(PH17-4)＜11.5μ m(LD5)。前三種材料做柱塞比采用不銹鋼材料時需要的初始間隙均小,這主要是因為前三者的線性膨脹系數或熱導率均比不銹鋼的小,因而柱塞變形量小,所需的熱平衡間隙也就相應減小。

不銹鋼和鋁青銅配對,二者分別用作柱塞和缸體材料時,最小熱平衡間隙δc相差不大,這是因為鋁青銅同不銹鋼的變形十分接近。不銹鋼與鋁合金配對,采用不銹鋼做柱塞時 δc是 3.9μ m;反之,采用鋁合金做柱塞,經計算,則 δc為 14.7μ m。這是由于鋁合金比不銹鋼的變形量大得多的緣故。

另外一種配對方案是一種極端情況,采用氮化硅陶瓷Si3N4做柱塞,鋁合金做缸體,計算出的摩擦副的物理性能參數K2＜0,這說明最小間隙值不存在,即鋁合金的徑向線膨脹要比氮化硅陶瓷的徑向線膨脹大,所以達到熱平衡時的熱平衡配合間隙比初始配合間隙還要大,說明摩擦副材料是安全的[8]。反之,如果K2很大,則摩擦副材料配對對抗溫升變形的配合性能變差,很有可能發生卡死現象。

因此,進行摩擦副材料的選擇一定要注意材料的線膨脹和導熱性能。對于柱塞,應當盡量選取線膨脹系數和熱導率小的材料;對于缸套則正好相反。

2.3 其他影響因素

對于水壓泵來說,其介質水的物理參數c、密度ρ以及黏溫系數b為恒定常數,而摩擦因數 f、介質入口黏度μs和轉速n受外部條件的影響會發生一定的變化。從式(9)可知,δc與這三個參數的1/5次方成正比關系。為了增大柱塞摩擦副的最小熱平衡間隙,應當減小K3值,通常比較有效的措施是減小摩擦因數 f,如提高柱塞與缸套的幾何精度及減小表面粗糙度值,對摩擦表面加減摩涂層等。新泵的摩擦副配合緊密,摩擦因數較大,此時的最小熱平衡間隙會偏大,不宜直接在加壓和高轉速下工作,否則容易出現卡死,因此需要在低轉速下進行充分的跑合。

水壓泵在工作過程中,柱塞摩擦副的間隙尺寸除了受熱平衡性能的影響外,還受其他因素的影響,包括壓力、材料的吸水性能和加工精度等[9],因此在間隙設計時都要予以考慮,即在最小熱平衡間隙的基礎上增加適當的間隙余量。

3 試驗驗證

該水壓泵[6]初樣機的柱塞摩擦副均采用陶瓷材料,各組摩擦副的配合間隙經測量在10～14μ m的范圍內。在加壓試驗20min后出現異常噪聲,停機檢查發現有兩個缸套出現破損,而其余缸套和柱塞表面也有明顯的劃痕,見圖4。

圖4 失效后的陶瓷缸套和柱塞外觀

根據式(9)計算出此時最小熱平衡間隙為10.9μ m,由于加工誤差,部分柱塞摩擦副的初始間隙小于該值,因而不能形成熱平衡,這樣就會出現卡死現象,最終導致柱塞和缸套損傷。在隨后的改進樣機中,把該泵的缸套材料全部換成鋁青銅材料,經計算此時的最小熱平衡間隙減小到8.5μ m,比所有柱塞摩擦副的初始間隙小。在隨后的加壓試驗中,該泵工作正常,運行上百小時后柱塞和缸套表面無明顯損傷。試驗表明,本文的水壓泵柱塞摩擦副熱平衡間隙優化方法是可行的。

4 結論

(1)為了提高水壓柱塞泵的容積效率,同時又要防止摩擦副的卡死現象,在設計水壓柱塞泵摩擦副時,需要在保證摩擦副初始間隙大于最小熱平衡間隙的前提下盡量減小初始間隙。可以按熱平衡間隙計算公式(式(9))來選取適當的值進行校核,并在此基礎上考慮一定的間隙裕度。

(2)縮小泵的結構尺寸,如減小斜盤傾角或柱塞直徑等,可以有效減小柱塞摩擦副的最小熱平衡間隙。

(3)泵體和柱塞需要采用合理的材料配對,應選擇線膨脹系數比缸體材料線膨脹系數小的材料做柱塞。

(4)盡量選擇合理的環境參數,如減小摩擦因數、新泵在額定工況前應進行充分跑合。

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