無(wú)活塞環(huán)的斜軸泵柱塞密封結(jié)構(gòu)研究

劉偉濤，羅 斌，王勇剛

(三一重工股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

柱塞與缸筒的間隙密封是影響柱塞泵效率和壽命的重要因素[1]。為提高泵的效率和壽命，專家學(xué)者對(duì)柱塞缸筒副間隙密封做了大量研究工作：文獻(xiàn)[2]分析了柱塞泵柱塞與缸筒內(nèi)泄漏的影響因素；文獻(xiàn)[3]對(duì)柱塞副油膜特性進(jìn)行了研究，得出油膜形態(tài)對(duì)柱塞潤(rùn)滑的影響；文獻(xiàn)[4]分析了柱塞在缸筒內(nèi)的受力情況和磨損狀態(tài)，提出柱塞泵關(guān)鍵摩擦副新材料。但現(xiàn)在柱塞缸筒副的研究主要集中于斜盤泵，對(duì)斜軸泵的研究較少。由于斜軸泵柱塞頭部與主軸是球面約束，另一端需在缸筒內(nèi)作擺動(dòng)，密封段過(guò)長(zhǎng)會(huì)與缸筒內(nèi)部發(fā)生干涉，所以目前斜軸泵柱塞均采用活塞環(huán)密封[5]，柱塞回轉(zhuǎn)時(shí)受實(shí)際載荷影響可能會(huì)使柱塞偏移，導(dǎo)致間隙一側(cè)油膜變薄，無(wú)法起到潤(rùn)滑支承作用，使得活塞環(huán)直接與缸筒接觸，增大了摩擦阻力和油液泄漏[6]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)咬死、拉缸現(xiàn)象，需經(jīng)常更換活塞環(huán)，影響缸筒壽命，降低泵的效率。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有活塞環(huán)柱塞存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的柱塞密封結(jié)構(gòu)，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型柱塞結(jié)構(gòu)能有效提高斜軸泵的效率、降低液壓卡緊力。

1 新型柱塞密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型柱塞密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。柱塞球頭與主軸球窩配合，高壓油液經(jīng)軸向通孔引入主軸球窩油室，為球面配合提供潤(rùn)滑油膜。柱塞桿采用向球頭漸細(xì)的錐形桿，保證柱塞在缸筒孔內(nèi)擺動(dòng)時(shí)不與內(nèi)壁發(fā)生干涉。柱塞尾部取消傳統(tǒng)柱塞上的密封活塞環(huán)，將密封段設(shè)計(jì)成薄壁結(jié)構(gòu)，利用金屬材料在高壓作用下的彈性變形補(bǔ)償密封間隙，同時(shí)在密封段外壁開(kāi)設(shè)一條環(huán)形油槽，溝通同一圓周上的壓力油，使環(huán)形間隙流場(chǎng)壓強(qiáng)趨于均勻，降低液壓卡緊力，為密封段與缸筒的間隙提供良好的油膜潤(rùn)滑。

1-柱塞球頭;2-錐形桿;3-軸向通孔;4-密封段;5-環(huán)形油槽圖1 新型柱塞密封結(jié)構(gòu)

2 仿真模型建立

利用Fluent和ANSYS分別對(duì)流體域和固體域進(jìn)行設(shè)置，利用System Coupling進(jìn)行耦合求解。流體模型選用層流模型，介質(zhì)選用抗磨液壓油，其密度ρ=870 kg/m3、動(dòng)力粘度μ=0.04 Pa·s。壓力入口設(shè)置3組壓力，分別為35 MPa、31.5 MPa、15.75 MPa，壓力出口為0.5 MPa，流體內(nèi)壁面為流固耦合面。柱塞材料選用38CrMoAl，密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=210 GPa，泊松比υ=0.3，柱塞內(nèi)壁面為均布油壓載荷，外壁面為流固耦合面，流體模型和柱塞模型設(shè)置如圖2所示。為對(duì)比新型柱塞與原活塞環(huán)柱塞的性能差異，同時(shí)建立活塞環(huán)流體仿真模型。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 柱塞變形分析

柱塞密封段內(nèi)側(cè)受均布油壓載荷，外側(cè)壓力向泄漏出口方向遞減，兩側(cè)壓差逐漸增大，柱塞在油壓作用下發(fā)生微小彈性形變，圖3為密封段在不同入口油壓下的變形云圖。由圖3可知：隨壓力升高，柱塞會(huì)受壓膨脹，柱塞的高壓形變可補(bǔ)償密封間隙；最大變形發(fā)生在環(huán)形油槽處，此處為柱塞與缸筒最易產(chǎn)生機(jī)械摩擦的位置，通過(guò)在該處開(kāi)環(huán)形油槽可溝通環(huán)形流場(chǎng)壓力油，為柱塞缸筒副提供良好的油膜支承，改善潤(rùn)滑條件，減小機(jī)械磨損。

3.2 柱塞泄漏量

運(yùn)用Flux Reports分別監(jiān)測(cè)新型柱塞和活塞環(huán)柱塞流體模型的壓力出口質(zhì)量流量，由質(zhì)量流量計(jì)算的柱塞泄漏量如表1所示。

圖2 仿真模型設(shè)置

圖3 密封段在不同入口油壓下的變形云圖(mm)

表1 柱塞泄漏量

由表1可知：兩種柱塞的泄漏量均隨壓力升高而增大，但同一壓力下活塞環(huán)柱塞的泄漏量比新型柱塞大且活塞環(huán)柱塞泄漏量隨壓力增長(zhǎng)速度明顯大于新型柱塞。分析其原因，這是由于新型柱塞發(fā)生了彈性變形，且壓力越高，形變?cè)酱螅芊忾g隙越小，泄漏量也越小。通過(guò)比較兩者泄漏量可以說(shuō)明新型柱塞能改善斜軸泵因高壓作用而導(dǎo)致的泄漏量過(guò)大、容積效率顯著降低的問(wèn)題。

3.3 液壓卡緊力

柱塞在缸筒中運(yùn)動(dòng)會(huì)受到液壓卡緊力，加劇柱塞磨損，降低機(jī)械效率[7]。圖4為入口油壓為31.5 MPa時(shí)兩種柱塞密封段底部至球頭方向上、下表面的壓力分布曲線，圖中兩曲線所圍成的封閉區(qū)域面積反映了柱塞所受液壓卡緊力的大小。由圖4可知，新型柱塞液壓卡緊力小于活塞環(huán)柱塞，開(kāi)設(shè)的環(huán)形油槽可以溝通同一圓周上的壓力油，該處壓力曲線呈水平狀態(tài)，兩曲線近似重合，兩側(cè)壓力分布均勻。利用Fluent力監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)活塞環(huán)柱塞所受卡緊力為25.067 N，新型柱塞所受卡緊力為13.461 N，可見(jiàn)開(kāi)設(shè)一條平衡槽能使液壓卡緊力降低為原來(lái)的53.7%，有效降低了柱塞偏磨，提高了機(jī)械效率。

圖4 柱塞上、下表面壓力分布曲線

4 效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

對(duì)新型柱塞結(jié)構(gòu)的泵樣機(jī)和原活塞環(huán)柱塞的斜軸泵進(jìn)行效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，圖5為效率實(shí)驗(yàn)原理圖。

圖5 效率實(shí)驗(yàn)原理圖

關(guān)閉節(jié)流閥，打開(kāi)截止閥，流量計(jì)測(cè)得空載流量作為理論流量Qt(L/min)；關(guān)閉截止閥，通過(guò)節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)對(duì)被試泵加載，測(cè)得不同負(fù)載壓力p(MPa)下的實(shí)際流量Q(L/min)；利用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀測(cè)量被試泵的轉(zhuǎn)矩T(N·m)及轉(zhuǎn)速n(r/min)，由效率計(jì)算公式計(jì)算效率，具體如下:

(1) 容積效率ηv：

ηv=QQt×100%.

(1)

(2) 輸入功率Pin(kW)：

Pin=T×n9 549.

(2)

(3) 輸出功率Pout(kW)：

Pout=p×Q/60.

(3)

(4) 總效率η：

η=PoutPin×100%.

(4)

(5) 機(jī)械效率ηm：

ηm=ηηv×100%.

(5)

利用實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算出兩種泵效率數(shù)值，如表2所示。由表2可知：在同一壓力下，新型柱塞泵的三種效率均高于活塞環(huán)柱塞泵。該結(jié)果與仿真分析結(jié)果相符，驗(yàn)證了仿真的正確性。

表2 兩種泵的效率統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)柱塞密封泄漏問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種新型柱塞結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

研究結(jié)果顯示，無(wú)活塞環(huán)的新型柱塞受流場(chǎng)壓力作用會(huì)發(fā)生彈性形變，具有間隙自動(dòng)補(bǔ)償功能，壓力越高補(bǔ)償量越大，能減小泵在高壓狀態(tài)下的密封泄漏，有效提高斜軸泵的容積效率；開(kāi)設(shè)環(huán)形油槽能溝通間隙內(nèi)部流場(chǎng)壓力油，降低液壓卡緊力，改善油膜分布，防止柱塞偏磨，減少機(jī)械磨損，有效提高斜軸泵的機(jī)械效率和使用壽命。