一種大型液壓軸向柱塞泵的優化

何浩波，龍雨，羅云，劉尚，許順海

(1.廣東科達液壓技術有限公司技術中心，廣東佛山 528313；2.中鐵工程裝備集團有限公司重大專項研究院，河南鄭州 450016)

0 前言

隨著我國工業發展建設步伐的不斷加快，越來越多的工程項目對工程機械的心臟——泵提出了重載、大排量、高轉速等要求[1]。針對國內工程實踐中的工況，某公司以500 mL/r軸向柱塞泵為基礎，研制了750 mL/r的軸向柱塞泵，其額定壓力35 MPa、額定轉速1 600 r/min。

在研制過程中，泵的試制樣機(以下簡稱樣機)分別在高壓和高轉速工況下試運行時出現一些問題[2]。針對目前市場上的國產柱塞泵排量不高、高轉速時容積效率偏低、噪聲振動過大、核心零部件磨損等問題[3-14]，本文作者采取一些優化措施來改進設計[15-22]，通過優化前后的對比試驗，驗證優化參數的正確性。

1 樣機試驗概述

樣機經過了出廠試驗、型式試驗、整泵試驗三種驗證方式，并記錄了試驗過程的數據。(1)出廠試驗：依照行業標準JB/T 7043—2006《液壓軸向柱塞泵》，驗證排量、效率、功率、噪聲及變量特性等性能指標是否符合設計要求；(2)型式試驗，包括磨合、高溫超載、額定轉速、沖擊試驗等，確保在多種工況下泵能夠穩定運行；(3)整泵測試，主要驗證SDVB50W閥的沖洗溢流性能。

1.1 出廠試驗

出廠試驗包括效率驗證、功率驗證、噪聲驗證和變量特性驗證等4個項目，分別在特定工況下進行。樣機出廠試驗部分結果見表1。

由出廠試驗可得：在空載、額定轉速下樣機的平均流量可達1 190.95 L/min，則排量為

依據項目規定，需在排量750 mL/r、轉速1 000 r/min、壓力25 MPa下的工況下測試效率特性，其容積效率為94.37%，滿足了容積效率不小于94%設計要求。

受限于試驗臺的功率，樣機無法在額定壓力、額定轉速下持續滿排量運行。在40%排量、額定轉速、額定壓力的驗收條件下，噪聲平均值為104.3 dB(A)，已輕微超標，且效率偏低、有待提升。

圖1 單泵試驗(出廠及型式試驗)

1.2 型式試驗

型式試驗主要包括沖擊試驗、高溫重載試驗和額定轉速試驗等3個項目。樣機型式試驗部分結果見表2。

表2 樣機初次型式試驗部分結果

進行20 h沖擊試驗及20 h高溫重載試驗后，同樣在40%排量、額定壓力、額定轉速下進行額定轉速試驗，容積效率和總效率相較出廠試驗下降了10%左右。型式試驗結束后對液壓泵進行拆解檢查發現其關鍵摩擦副的磨損嚴重，實際磨損狀況見圖2—4。

圖2 初次型式試驗后斜盤圓弧面出現磨損和黏銅現象

圖3 初次型式試驗后缸體銅層(a)和配油盤(b)磨損

圖4 初次型式試驗后柱塞燒黑(a)和壓板損壞(b)

1.3 整泵試驗

整泵試驗是將SBVB50W閥(以下簡稱溢流閥)安裝至樣機上，加載后觀察樣機的工作壓力變化，檢驗樣機是否在預設溢流壓力值下發生溢流現象。整泵試驗如圖5所示。

圖5 整泵試驗

設定工況為500 r/min，分別在10、20、30 MPa的溢流壓力下逐步加載至最大排量，記錄相應的工作壓力。不同溢流設定值下的溢流特性曲線見圖6。

可見在溢流壓力較高的情況下，樣機的工作壓力隨著流量的增加明顯下降，溢流特性不理想，需要改進溢流閥的設計。

2 優化措施及試驗驗證結果

針對上述問題，通過大量修正試驗，逐一改良每一處發生損傷的結構。并通過型式試驗及整泵試驗確定最優參數值。

2.1 斜盤圓弧面的優化

初步分析可知，圓弧面硬度不足會導致斜盤跑道的磨損和黏銅現象。因此提出增加圓弧面硬度并對它進行拋光處理的優化方案。斜盤圓弧面優化前后參數見表3。

表3 斜盤圓弧面優化前后參數對比

優化結構后，進行型式試驗，拆解樣機觀察到的斜盤圓弧面如圖7所示，可以看出：圓弧面無明顯磨損痕跡，黏銅現象也得到了解決。

圖7 優化結構后，斜盤圓弧面無磨損或黏銅現象

2.2 配油盤外緣及油窗的優化

觀察樣機配油盤與缸體的配合面可知，磨損最嚴重的部位在油窗外側的2個支撐環處。該泵配油盤尺寸較大，球面配流處pV值較高，在不降低容積效率的前提下，適當增加配油盤球面外緣精磨量，使它不與缸體銅層直接接觸，有利于降低配流盤磨損。

此外，柱塞發生了燒黑現象，初步分析原因為：柱塞與缸體孔之間的油膜失去作用，干磨造成表面燒黑。通過增大配油盤油窗(和后蓋腰形孔)的尺寸，增強泵的吸油能力，補充缸體內的油量，防止柱塞在缸體孔中干磨。優化參數見表4。

表4 配油盤優化前后參數對比 單位：mm Tab.4 Port plate parameters before and after optimization Unit：mm

表5 柱塞優化前后參數對比

改動后，配油盤邊緣高度降低了0.1 mm，進油口的面積由原先的1 608 mm2增大至1 950 mm2，增加了約21%。改進后的試驗效果見圖8。

圖8 第三次型式試驗后缸體銅層(a)和配油盤(b)

由圖8可知：配油盤的整個球面，沒有明顯磨損現象；而缸體銅層原本嚴重磨損的部位上，僅剩腰形孔靠外半圈的摩擦痕跡，并無其他可見的磨損。

2.3 柱塞的優化

針對柱塞在缸體孔內磨損較為嚴重且壓板出現折裂的問題，初步分析是由于排量大、負載高，關鍵摩擦副(柱塞與缸孔、滑靴與斜盤、缸體端面與配流盤)間pV值較高，油膜容易失效。而樣機的柱塞和缸體孔之間配合間隙過小、導致柱塞與缸體孔之間的油膜狀態不理想，可適當降低柱塞體直徑、增大柱塞和缸體孔之間配合間隙進行改善。

在修正柱塞體直徑的公差、粗糙度和圓柱度之后，經過重復試驗，柱塞沒有出現磨損或燒黑的現象，壓板形態也保持完好，見圖9。

圖9 第三次型式試驗后柱塞(a)和壓板(b)

圖10 第三次整泵試驗后溢流特性曲線

2.4 溢流閥的優化

溢流閥優化前，設定30 MPa溢流壓力，樣機平均工作壓力降至22.1 MPa，降幅高達26.33%；設定20 MPa溢流壓力，工作壓力下降12.75%。因此，溢流閥的溢流特性較差，無法滿足實際工作需要。分析其原因為：溢流閥側蓋的溢流壓力變化與導桿的配合間隙有關，配合間隙無法達到要求，應針對導桿進行相關改進。表6所示為溢流閥優化前后參數的變化。

表6 溢流閥優化前后參數對比 單位：mm Tab.6 Relief valve parameters before and after optimization Unit：mm

導桿與閥芯及閥套的配合間隙減小后進行重復試驗，優化后的溢流閥在20 MPa溢流壓力下壓降為2.75%，在30 MPa溢流壓力下壓降為1.00%。壓力降幅都在1 MPa以內，溢流特性平穩，符合設計要求。

2.5 優化后的性能特性

針對以上問題，分析后重新測試樣機性能，測試結果見表7。

表7 樣機第三次型式試驗部分結果

在40%排量、額定壓力、額定轉速工況的驗收條件下，優化后樣機的噪聲降至101.7 dB(A)，符合設計要求；而其容積效率與總效率分別提升13%和15%。

3 結論

(1)將斜盤圓弧面硬度由50HRC提高到60HRC，表面粗糙度由Ra=1.6 μm降低到Ra=0.8 μm，可有效解決斜盤圓弧面磨損及黏銅問題；

(2)通過將配油盤外緣球面半徑縮減0.1 mm、油窗分布直徑φ減小到147.6 mm、油窗開口寬度B增加到21 mm，在降低配油盤邊緣高度的同時增大其進油口的面積，大大降低了配油盤的磨損量，也提供了足夠的油液潤滑柱塞；

(3)優化表面粗糙度為Ra=0.1 μm，圓柱度為0.002 5 mm，修正柱塞直徑公差范圍、增大柱塞與缸體孔的間隙，降低了柱塞在缸體孔內的磨損量，不僅解決了壓板折裂的問題，同時也解決了柱塞表面燒黑問題；

(4)減少溢流閥導桿與閥芯間隙及導桿與閥套間隙為0.02～0.03 mm，使其在溢流壓力20 MPa下壓降僅為2.75%，在溢流壓力30 MPa下壓降僅為1%，保證了溢流特性的平穩；

(5)通過改進關鍵部件結構，優化核心部件參數，使得樣機在排量300 mL/r、轉速1 600 r/min、壓力35 MPa下的容積效率由75.22%升至88.52%，上升13%；噪聲由104.3 dB(A)降至101.7 dB(A)，減少2.5%。

綜合試驗結果可知，對斜盤的圓弧跑道進行硬化和拋光、適當降低配油盤外緣支撐環高度、加大配油盤和后蓋油窗尺寸、合理選擇柱塞-缸體孔間隙和溢流閥導桿配合間隙等優化措施，都能提升大排量泵的性能，使它在重載、高轉速的工況下擁有良好的工作表現。