超高壓軸向柱塞泵缸體結構強度分析

張 晉，黃橙橙，隋佳鑫，陳冬京，孔祥東

(1.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004;2.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室，河北 秦皇島 066004)

引言

液壓系統由于功率密度大、控制平穩、響應快等優點被廣泛用于航空、工程機械、船舶等高精尖領域。液壓產品的超高壓化具有減小裝機重量、提升裝備制造水平、節省裝機空間以及實現系統高度集成的優勢，是液壓行業發展的方向之一。國內眾多企業已經開始了超高壓泵的設計制造。經過20多年的發展，國內高壓泵制造行業在100 MPa以下的高壓泵設計、制造能力已經超過了國外企業，但是100 MPa以上國內發展現容樂觀[1]，因此對于100 MPa以上的超高壓泵的研制應該給予重視。

柱塞式液壓泵作為重要的動力元件，具有工作效率高、壽命長等一系列優點；在往超高壓的發展方向上存在泵體結構強度不達標、密封性能不佳、三大摩擦副磨損嚴重引起柱塞泵內部載荷增大、流固熱多場耦合效應增強、柱塞泵關鍵摩擦副發生卡死等失效問題，嚴重制約其發展，且由于加工誤差和裝配誤差無法克服，使泵產生軸向不平衡力，影響泵的性能。傳統的柱塞泵設計已不能滿足超高壓柱塞泵的工作要求，亟需對現有的軸向柱塞泵做出改進，使其能夠滿足不同場合、不同規格尺寸的使用要求，此外還應具備節約能源、減少污染、制備簡單適合大規模生產等特點。針對以上現象，梁創記等[2]對不同結構、不同材料進行組合試驗，提高了超高壓泵的柱塞密封問題；龔學知[3]通過仿真與實驗得到了不同材料在不同壓力以及轉速下的磨損情況；MURRENHOFF H團隊[4-6]在活塞試驗機上進行柱塞與柱塞套摩擦磨損試驗研究，試驗表明進行PVD表面涂層的柱塞與柱塞套的配對材料，可以明顯提高材料的抗磨性能；冷如波[7]對高壓注水泵的結構進行了分析以及優化；李俊亮[8]對柱塞泵進行了結構設計及優化，為之后的有限元分析及優化奠定了基礎；蔡金典等[9]通過實驗與仿真研究了EHA三油口非對稱柱塞泵的泄漏特性；耿豪杰等[10]通過分析發現，軸向柱塞雙聯泵中間體結構強度薄弱環節集中分布在排油腔，并進行相關優化；賀偉等[11]對斜盤擺角與泵的頻率影響進行分析；趙江澳等[12]對柱塞泵柱塞腔壓力周期變化規律進行研究，進而對非對稱式配流結構斜盤力矩進行分析；王兆強等[13]對于高壓時柱塞泵配流盤會產生的翹曲變形進行分析，得到了配流盤變形云圖。

本研究針對在實驗中出現的缸體結構強度不達標現象,通過數值模擬對缸體進行仿真，找到設計不合理處并進行優化。

1 超高壓軸向柱塞泵結構

超高壓軸向柱塞泵的結構原理圖如圖1所示，缸體安裝在殼體兩端，主軸貫穿缸體且置于殼體內部，雙側平衡斜盤與主軸同軸安裝在一起，其兩側設置推力球軸承，缸體上繞主軸徑向均分布多個頂部受推力球軸承擠壓的柱塞組件，其吸油口與梭閥的出油口連通，梭閥的一個進油口與油箱連通，另一個進油口與補油泵連通，補油泵通過主軸驅動，進油口與油箱連通。

1.1 雙側平衡斜盤

由于柱塞泵的設計工作壓力為120 MPa，會存在較大的軸向力，若不能將軸向力很好的解決將會造成斜盤由于受力過大發生傾斜、振動，造成動靜部件相互研磨碰撞，從而導致泵發生嚴重破壞；并且軸向力過大會造成泵無法長時間平穩運行，降低其使用壽命和整體性能，嚴重時甚至危及操作人員的安全。因此需要平衡泵的軸向力，以提高泵的整體性能及安全性。本研究的柱塞泵采用對稱斜盤，在兩側相互對稱的柱塞腔通過平衡管路連接，有效減小軸向不平衡力；同時其柱塞數量是單排柱塞泵柱塞數量的2倍，故在保證超高壓壓力的同時，有效的增大了柱塞泵的流量，提高了其功率密度。

1.補油泵 2.梭閥 3.吸入閥組 4.后端蓋 5.壓出閥組 6.回程彈簧 7.對稱斜盤 8.推力球軸承 9.柱塞套 10.柱塞 11.主軸 12.前端蓋圖1 超高壓軸向柱塞泵結構原理圖

1.2 柱塞套

柱塞泵工作環境為120 MPa，若不能夠很好地解決加工精度問題，會造成零部件磨損嚴重，降低使用壽命等等一系列問題。

在柱塞泵中加入柱塞套可以很好地改善缸體的加工工藝，降低加工難度，保證柱塞套與缸體之間的配合間隙，提高柱塞與缸體的配合精度，減小摩擦，降低磨損，提高零部件壽命[14-15]。由于柱塞與柱塞套之間要保證配合間隙，防止兩者在接觸摩擦時有碎屑產生，刮傷工件表面或造成堵塞，所以柱塞表面并不鍍銅。柱塞套與缸體之間采用間隙配合，與柱塞之間為了保證精度采用研磨的方法來控制兩者間隙。

2 三維模型建立

針對超高壓缸體的結構強度進行研究以及優化，因此為了減少各個部件間的相互影響，得到精確地運算結果，只對缸體、柱塞套進行三維建模，如圖2所示，其中泵體臺階長度H,如圖3所示。

圖2 三維建模

圖3 臺階長度H

3 有限元分析

將三維模型進行裝配，導入ANSYS進行材料設置如表1所示[16]。

表1 材料參數設置[16]

將重要分析部位即缸體與柱塞接觸處網格劃為1 mm，其余部位網格劃為2 mm，如圖4所示。

圖4 網格劃分

根據實際工作情況，將柱塞套以及缸體之間的接觸設置在臺階處，如圖5所示。對柱塞套加載120 MPa的壓力進行有限元仿真，結果如圖6、圖7所示。在臺階處所受壓強為393～449 MPa，然而45號鋼屈服強度為355 MPa，所以泵體臺階處會被壓壞，結構強度不達標。

圖5 觸面的設置

圖6 缸體表面變形

圖7 缸體臺階處受力

針對試驗出現的結構強度不達標現象修改臺階長度H，通過增加臺階長度H，來提高結構強度，當H=20 mm時，施加120 MPa的壓力，其缸體臺階處受力情況如圖8所示。由圖可知，臺階壓力為380～435 MPa，結合45鋼屈服強度，得出結論：雖然臺階處所受壓強有所下降，但是缸體結構仍然不達標。

圖8 缸體臺階受力(H=20 mm)

將H修改為28 mm，其缸體臺階受力情況如圖9所示，可以得到臺階受力為372～430 MPa，缸體結構強度仍然不達標。

圖9 缸體臺階受力(H=28 mm)

考慮到缸體整體結構尺寸，不再繼續增加缸體臺階長度，而是增加臺階的寬度，保持臺階長度28 mm 不變，將缸體圓孔直徑D縮小到22 mm，如圖10所示，來增加臺階處寬度，分析結果如圖11所示。

圖10 缸體孔徑

圖11 缸體受力分析

通過仿真可以得到，當臺階長度H=28 mm，缸體圓孔半徑D=22 mm時，缸體強度剛好在屈服強度之下，但是在實際工況中考慮到安全系數以及在增壓時存在瞬時載荷，所以仍認為其結構強度不達標。由于隨著直徑D的減小，會導致柱塞套越來越薄，所以不再繼續減小直徑D。

通過以上仿真得出，本研究所涉及的泵在120 MPa的條件下無法穩定的運作。

4 試驗驗證

將軸向柱塞泵加壓到120 MPa進行實物試驗如圖12所示，施加載荷后的缸體形變如圖13所示。將圖13與圖6比較，可以看出表面變形基本相符，驗證有限元仿真正確。

圖12 超高壓軸向柱塞泵測試

圖13 加壓后泵體表面

5 結論

通過以上分析得出以下結論：

(1) 本研究設計的超高壓軸向柱塞泵加壓到120 MPa 時，缸體表面裂開是由于缸體結構強度不達標造成的。

(2) 用45號鋼作為120 MPa超高壓柱塞泵缸體材料，即使將其結構進行優化，也會存在缸體結構強度不達標的情況。