浮板配流泵用球面型連通套摩擦副的一種設計方法

權云晴 李冀鵬 劉會祥 王宇浩 朱 熠

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浮板配流泵用球面型連通套摩擦副的一種設計方法

權云晴 李冀鵬 劉會祥 王宇浩 朱 熠

（北京精密機電控制設備研究所，北京 100076）

針對浮板配流結構，采用剩余壓緊力法進行球面型連通套環形摩擦副設計。對球面型連通套進行受力分析，給出了工程可用的壓緊系數計算公式，并利用Fluent軟件的流場仿真結果確定了球面型連通套環形摩擦副的壓緊系數范圍。

浮板配流結構；剩余壓緊力法；環形摩擦副；流場

1 引言

伺服泵是機電靜壓系統的關鍵元件之一，其液壓性能的好壞一定程度上取決于泵的配流機構工作性能的優劣。軸向柱塞泵的“浮動體”一般為泵缸體或配流盤。泵缸體為浮動體時，配流盤是固定的，有時存在泵缸體因受力不平衡而發生傾覆的情況。泵缸體傾覆將導致配流盤不均勻磨損并增大泄漏[1]。在浮板配流結構中，浮板配流盤始終保持浮動，當泵缸體發生微小傾斜時，浮板配流盤在貼緊泵缸體的同時也發生微小傾斜，可有效減少泵缸體傾覆對配流盤的磨損。

球面型連通套的球面凹臺與固定盤形成環形摩擦副。在球面型連通套環形摩擦副設計中，若壓緊系數過小，則會增大伺服泵的泄漏量；若壓緊系數過大，則會影響球面型連通套的靈活性，最終導致浮板配流盤跟隨性差。

針對浮板配流結構，以球面型連通套為研究對象，采用剩余壓緊力法進行球面型連通套環形摩擦副設計，考慮多種受力因素，得到了工程可用的壓緊系數計算公式。為得到壓緊系數計算公式中的液膜承載力，利用Fluent軟件對環形摩擦副內液膜進行三維流場數值模擬，根據數值模擬結果確定了球面型連通套環形摩擦副的壓緊系數范圍。

2 浮板配流結構

浮板配流結構如圖1所示。泵缸體2剛性地固定在伺服泵轉軸1上，由轉軸1帶動旋轉。球頭螺釘5對浮板配流盤3進行定位，使浮板配流盤3與固定盤4保持一定的浮動間隙，但允許浮板配流盤3輕微轉動。在浮板配流盤3吸油、壓油側各均勻配置2組球面型連通套以產生足夠的壓緊力。球面型連通套6內放推力彈簧7。在伺服泵未工作或起動瞬時，推力彈簧7一方面以較小的壓緊力將球面型連通套6壓向固定盤4，另一方面使浮板配流盤3貼緊泵缸體2。在伺服泵正常工作后，作用在球面型連通套6右側端面上的液壓力使之與固定盤4保持貼緊；作用在球面型連通套孔內的高壓油對浮板配流盤3的液壓力稍大于柱塞腔中的高壓油對柱塞腔底部的液壓力，也就是說，浮板配流盤3受到的向右的液壓力略大于泵缸體2對浮板配流盤3向左的軸向力，因此浮板配流盤3將與泵缸體2保持貼緊。

1—轉軸 2—泵缸體 3—浮板配流盤 4—固定盤 5—球頭螺釘6—球面型連通套 7—推力彈簧

3 球面型連通套結構

D1、d1—密封端面外徑、內徑 D2、d2—環形端面外徑、內徑

1—固定盤 2—浮板配流盤 3—球面型連通套 4—推力彈簧

球面型連通套的作用在于實現浮板配流盤上的高、低壓配流腰形槽與固定盤上的進、出油口的溝通。球面型連通套由球面凹臺、球面凸臺兩部分組成，左端面是與固定盤接觸的密封端面，右端面是環形端面，基本結構如圖2所示。當伺服泵工作時，作用在球面型連通套環形端面上的液壓力對球面凸臺有向左的壓緊作用，使球面凹臺與固定盤保持貼緊，二者形成球面型連通套環形摩擦副，如圖3所示。

4 確定壓緊系數公式

4.1 剩余壓緊力法

環形摩擦副的設計要求是保證球面凹臺與固定盤之間存在一定厚度的油膜，但二者間隙不能過大。這與泵缸體、配流盤形成的配流副的設計要求相似，因此借鑒配流副的設計方法，采用剩余壓緊力法進行環形摩擦副設計。

剩余壓緊力法的基本思想是使摩擦副間壓緊力略大于分離力，這樣摩擦副既可以緊密接觸，又可以在小的比壓下工作[2]。

4.2 球面型連通套受力情況

環形摩擦副內液膜對球面凹臺有一定的承載力，有促使固定盤與球面凹臺兩接觸端面相互分開的作用。承載力（分離力）open計算公式為：

式中：——液膜上的分布壓力，Pa；1=1/2；1=1/2。

在工程實際中，有必要考慮振動沖擊對球面型連通套的影響。振動沖擊有促使固定盤與球面凹臺兩接觸端面相互分開的作用。用沖擊加速度與球面型連通套質量的乘積表示振動沖擊力a，計算公式為：

a=·（2）

式中：——沖擊加速度，m/s2；——球面型連通套質量，kg。

伺服泵工作時，高壓油作用在球面型連通套右側端面上形成液壓力y。彈簧推力spring與液壓力y都對球面型連通套有向左的壓緊作用，促使球面凹臺與固定盤相互接觸?？紤]到液壓力y遠大于彈簧推力spring，故在此忽略spring不計。閉合力close計算公式為：

close=y=πs(22_22) （3）

式中：s——伺服泵工作壓力，Pa；2=2/2；2=2/2。

引入壓力脈動系數來體現浮板配流結構內部壓力變化，式（3）變為：

close=πs(22_22)=πi(22_22) （4）

式中：——壓力脈動系數；i——液膜入口壓力，Pa。

綜合上述分析，球面型連通套的受力情況如圖4所示。

圖4 球面型連通套受力情況示意圖

4.3 壓緊系數計算公式

對球面型連通套受力分析后，得到環形摩擦副壓緊系數計算公式：

由式（5）可知，壓緊系數與壓力脈動系數、沖擊加速度、球面型連通套質量、液膜上的分布壓力有關。其中前三項為定值，而液膜上的壓力在液膜模型入口端面處為伺服泵工作壓力24MPa，而在出口端面處為泵內腔壓力0.5MPa。基于此，可采用Fluent軟件對環形摩擦副內液膜進行三維流場數值模擬，利用液膜壓力場分布，計算出承載力open，從而確定壓緊系數。

5 液膜流場的求解問題

5.1 環形摩擦副內液膜模型

D1、d1—液膜外徑、內徑 h—液膜厚度

環形摩擦副的密封結構可簡化如圖5所示。液膜模型為圓環狀，厚度為，液膜外徑1為15.6mm≤1≤19.6mm，內徑1=10mm，基本結構如圖6所示。ANSYS軟件是目前國際上很流行的大型通用有限元分析軟件[3]。本文利用ANSYS中的Fluent軟件進行液膜的三維流場數值模擬。按表1內液膜幾何參數建立三維模型。環形摩擦副內液膜的工況條件如表2所示。

圖6 環形摩擦副內液膜模型

表1 液膜幾何參數

表2 液膜工況條件

5.2 基本假設

為便于分析，進行以下基本假設：

a. 考慮到液膜厚度為微米級，故在此忽略體積力（如重力、磁力）作用；

b. 視間隙內流體為連續介質，粘度保持不變且為完整的流體膜潤滑；

c. 間隙內流體為牛頓粘性不可壓流體；

d. 液膜在密封表面無滑動；

e. 液膜厚度保持不變，且不考慮壓力沿液膜厚度方向變化。

5.3 控制方程

a. 連續性方程：

式中：——速度矢量在、、方向上的分量。

b. 動量守恒方程：

方向：

方向：

方向：

式中：——微元體所受壓力；——流體動力粘度。

5.4 網格劃分

利用Creo軟件完成液膜三維實體造型設計[4]后，將該實體輸出為x_t后綴的文件，然后將該文件導入ANSYS ICEM CFD軟件進行六面體結構網格劃分。由于液膜厚度為微米級，與液膜內、外徑尺寸差4個數量級，所以在液膜厚度方向加密成5層?，F已進行網格無關性假設，液膜網格單元數為186140，節點為148400，劃分結果如圖7所示。

圖7 液膜網格劃分

5.5 分析求解設置

5.5.1 邊界條件

入口邊界條件：液膜內端面采用壓力進口（pressure-inlet）邊界條件。出口邊界條件：液膜外端面采用壓力出口（pressure-outlet）邊界條件。

壁面邊界條件：所有壁面均采用標準壁面函數邊界條件（wall）。

5.5.2 求解設置

由文獻[5]知，利用流動因子可判斷流體所處流動狀態。當>1時，流動處于湍流狀態；當<(9/16)時，流動處于層流狀態。

=[(ec/1600)2+(ep/900)2]1/2（10）

ec=/106（11）

ep=r/106（12）

式中：ec——單獨考慮庫埃特（Couette flow）時的雷諾數；ep——單獨考慮泊肅葉（Poiseuille flow）時的雷諾數；——流體密度，kg/m3；——端面旋轉線速度，m/s；——液膜厚度，μm；——流體動力粘度，kg/m·s；r——流體徑向流速，m/s；

將=870kg/m3，=0，μm，8.7×10-3，r=5m/s帶入式（10）、式（11）、式（12）中，經計算發現球面型連通套環形摩擦副內液膜流態為層流。

在Viscous Model模型中選擇laminar層流模型。采用SIMPLE算法對速度、壓力進行耦合，選用一階迎風格式對連續性方程、動量方程進行迭代。

6 確定壓緊系數范圍

圖8 摩擦副內液膜壓力云圖

經Fluent軟件數值模擬后得到球面型連通套環形摩擦副內液膜壓力場分布，如圖8所示。由圖8可直觀看出：液膜壓力呈、軸對稱分布，且由內向外依次減小。如圖9所示，對后處理軟件進一步操作可得到承載力open值。相同工況條件、不同液膜外徑1下的液膜承載力open的計算結果如表3所示。

圖9 液膜承載力計算

表3 不同液膜外徑下的液膜承載力

把球面型連通套球面凸臺右側端面尺寸2、2、液膜入口壓力i，表3中open計算結果代入式（5）得到球面型連通套環形摩擦副的壓緊系數范圍：

/[1.03+4.88×10-4(·)]≤≤/[0.58+4.88×10-4（·）]

式中：——壓力脈動系數；——沖擊加速度，m/s2；——球面型連通套質量，kg。

7 結束語

本文針對一種可應用于機電靜壓伺服泵的浮板配流結構，以球面型連通套為研究對象，采用剩余壓緊力法進行球面型連通套環形摩擦副設計。在環形摩擦副設計中，壓緊系數的確定很大程度上影響浮板配流結構功能的實現。對球面型連通套進行受力分析，得到了工程可用的壓緊系數計算公式。為得到壓緊系數計算公式中液膜承載力open，利用Fluent軟件對環形摩擦副內液膜進行三維流場數值模擬，得到了液膜壓力分布，對后處理軟件進一步操作得到了承載力open值。將其他設計參數與承載力open計算結果代入壓緊系數計算公式，得到了球面型連通套環形摩擦副的壓緊系數范圍。這種采用理論分析與數值模擬相結合的設計方法，對球面型連通套環形摩擦副的合理設計有一定的參考價值。

1 李元勛，陳卓如，鐘廷修. 一種新型傾側力矩全平衡端面配流機構及其優化設計[J]. 中國機械工程，1999，10(1)：67

2 嚴金坤，張培生. 液壓傳動[M]. 北京：國防工業出版社，1979

3 李朔東，馬綱. 基于ANSYS的模態分析二次開發及應用[J]. 航天制造技術，2004(5)：8

4 趙佳琪. 基于CREO的虛擬裝配路徑規劃技術研究[J]. 航天制造技術，2016(1)：61

5 Ruddy A.V, Smith S. The mechanism of film generation in mechanical face seals[J]. Tribology International, 1982：227～231

A Design Method of SphericalConnecting Sleeve’s Friction Pair on A Kind of Floating Plate’s Pump

Quan Yunqing Li Jipeng Liu Huixiang Wang Yuhao Zhu Yi

(Beijing Research Institute of Precise Electromechanical Control Equipment, Beijing 100076)

According to the structure of a kind of floating plate, the residual compacting force method is used to design spherical connecting sleeve’s friction pair. After analyzing the spherical connecting sleeve’s loads, the balance factor’s computational formula is provided, and the balance factor’s range is determined based on the flow-field simulation results of Fluent software.

floating plate structure；residual compacting force method；friction pair；flow-field

權云晴（1991），碩士，機械工程專業；研究方向：航天流體控制及自動化。

2018-03-05