李踐飛，韓凱，夏振盛

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船舶舵機(jī)液壓泵替換研究

李踐飛，韓凱，夏振盛

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042）

針對船舶舵機(jī)液壓泵的維修情況和工作噪聲情況，通過檢測和計(jì)算得出該型液壓泵存在的不足及原因，進(jìn)而從延長工作壽命和降低噪聲兩個(gè)方面，基于該型液壓泵的改進(jìn)和更換新型液壓泵兩個(gè)思路提出改進(jìn)方案，最后經(jīng)過測試對比選擇出最優(yōu)改進(jìn)方案。

軸向柱塞泵 內(nèi)嚙合齒輪泵 螺桿泵 磨損

0 引言

某船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)中目前使用的是軸向柱塞泵，這是設(shè)計(jì)建造時(shí)的最優(yōu)選擇。隨著國內(nèi)外材料、制造等技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓泵的新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。針對在使用中舵機(jī)液壓泵出現(xiàn)的一些問題，結(jié)合現(xiàn)今的技術(shù)和產(chǎn)品，對其進(jìn)行設(shè)計(jì)方案改進(jìn)。

1 現(xiàn)存問題

該型船舶舵機(jī)液壓泵為斜軸式軸向柱塞泵，額定轉(zhuǎn)速=1480 r/min，額定壓力25 MPa，排量=125 mL/r。

根據(jù)多艘該型船舶近5年來的入廠維修情況，列出舵機(jī)液壓泵的主要維修部件如表1所示。

根據(jù)部件更換頻率和對換下故障部件的分析，可以發(fā)現(xiàn)摩擦副的磨損是影響該型液壓泵工作壽命的主要原因。軸向柱塞泵中柱塞副、配流副和柱塞與斜盤(滑靴)的接觸副這三個(gè)摩擦副是產(chǎn)生能量耗散、泄漏、流量脈動的地方，泵的性能和壽命與這些摩擦副息息相關(guān)。

表1 舵機(jī)液壓泵維修情況列表

下面對該型軸向柱塞泵受力情況進(jìn)行計(jì)算，分析摩擦副磨損的主要原因。

該型軸向柱塞泵配流副和斜盤（滑靴）副的設(shè)計(jì)采用剩余壓緊力設(shè)計(jì)法。在滑靴和斜盤之間、缸體和配流盤之間有一定厚度的壓力油膜，用油膜推力來平衡滑靴對斜盤的大部分壓緊力和缸體對配流盤的大部分壓緊力，而剩余的小部分壓緊力則保證滑靴始終壓向斜盤。

1）缸體對配流盤的液壓壓緊力F

s——缸體對配流盤的液壓壓緊力

——柱塞數(shù)，取=9

——柱塞橫截面積

——柱塞孔分布角

s——缸內(nèi)液體壓力

2）配流盤對缸體的反推力0

——配流盤腰型槽的有效總角

1——內(nèi)密封帶的內(nèi)半徑

1——內(nèi)密封帶的外半徑

2——外密封帶的內(nèi)半徑

2——外密封帶的外半徑

s——缸內(nèi)液體壓力

3）彈簧預(yù)壓緊力t

t=（+）

——彈簧剛度

——彈簧預(yù)壓縮長度

——缸體和配流盤間的油膜厚度

4）缸體對配流盤的總壓緊力

=s+t

（5）剩余壓緊力Δ

Δ=-0

由受力分析可知，缸體轉(zhuǎn)角在0￡￡和￡￡時(shí)，s分別為固定值，但0卻隨缸體轉(zhuǎn)角的變化而變化，這就使缸體受不平衡力和不平衡力矩。再加上零件表面受壓變形和軸的撓曲變形等，使摩擦副之間的油膜被破壞，甚至局部會發(fā)生摩擦副材料的直接接觸，從而產(chǎn)生熱量的急劇上升加劇摩擦，引起粘著磨損[1]造成摩擦副損傷。

此外由于柱塞泵本身對油液污染敏感，當(dāng)油液產(chǎn)生嚴(yán)重污染時(shí)引發(fā)的磨料磨損[2]也是造成摩擦副損傷的原因之一。

在舵機(jī)液壓系統(tǒng)中，液壓泵是主要噪聲源。表2列出了舵機(jī)液壓泵在工作壓力（20 MPa）下的噪聲數(shù)據(jù)。

表2 舵機(jī)液壓泵噪聲

軸向柱塞泵由于缸體輸出的油液的不連續(xù)和吸油、壓油腔的分離結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生了較大的流量脈動和液壓噪聲，還有復(fù)雜流道產(chǎn)生的氣穴噪聲。并且由于存在較大的流量脈動，會引起油路管的振動，這一振動隨著管路的延長而越加明顯，產(chǎn)生的振動噪聲也越大。實(shí)際使用中我們發(fā)現(xiàn)特別是當(dāng)兩條油路管相距較近時(shí)很容易引發(fā)共振，產(chǎn)生很大噪聲，可達(dá)90 dB。

2 改進(jìn)目標(biāo)和改進(jìn)思路

根據(jù)該型舵機(jī)液壓泵在實(shí)際使用中存在的問題，提出改進(jìn)目標(biāo)：

1）提高工作壽命,降低故障率。

2）降低噪聲。

針對現(xiàn)有問題及改進(jìn)目標(biāo)提出兩種改進(jìn)思路：

1）基于現(xiàn)有柱塞泵進(jìn)行改進(jìn)，主要是采取降低摩擦副的磨損和噪聲的措施。

2）將柱塞泵更換為其他類型的液壓泵，主要是選擇流量脈動小、噪聲小、對油液污染不敏感、工作壽命長的液壓泵類型。

3 改進(jìn)方案的選擇

3.1 基于該型柱塞泵的改進(jìn)方案

3.1.1減小摩擦副磨損的措施

1）減小剩余預(yù)緊壓力Δ，適當(dāng)增大反推力0

通過前面的受力分析，采用靜壓力平衡原理，作者認(rèn)為適當(dāng)減小剩余預(yù)壓緊力、增大反推力能夠達(dá)到減小摩擦的作用。

2）控制油液污染

控制油液污染，改善液壓泵的潤滑環(huán)境，可以減小磨料磨損。

3）改進(jìn)操作規(guī)程，并嚴(yán)格執(zhí)行

根據(jù)實(shí)際使用情況來看，不按章操作引起的事故磨損也是柱塞泵摩擦副磨損的一大原因，應(yīng)當(dāng)明確舵機(jī)液壓泵的操作規(guī)程，如初次使用時(shí)的工作前準(zhǔn)備、長期使用后停機(jī)的操作步驟等具體規(guī)程。

3.1.2減小液壓泵噪聲的措施

1）采用降噪配流盤

根據(jù)國內(nèi)的研究成果，將現(xiàn)有配流盤更換為降噪配流盤，噪聲平均可下降2.5 dB。

2）確保泵吸油口處的壓力，避免泵吸空

液壓泵一旦吸人空氣，將會在油液內(nèi)部產(chǎn)生氣穴和氣蝕現(xiàn)象，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動和噪聲，并通過油液傳遞到外部?？刹扇∪缭龃笪涂谕◤?，將油箱架高，控制油溫以避免油液粘度過大，在油箱上安裝呼吸器以避免油箱產(chǎn)生負(fù)壓等措施來避免泵吸空，從而減小噪聲。

3）泵與電機(jī)的連接需用帶緩沖墊的柔性聯(lián)軸器，并確保同軸度

通過研究發(fā)現(xiàn)，外部機(jī)械連接處產(chǎn)生的振動噪聲也是液壓泵的主要噪聲來源，在泵與電機(jī)的連接使用帶緩沖墊的柔性聯(lián)軸器，并確保同軸度可降低機(jī)械噪聲。

表3 改進(jìn)后柱塞泵的實(shí)測數(shù)據(jù)

（測試條件：工作壓力20 MPa，驅(qū)動轉(zhuǎn)速1500 r/min）

如表3所示，改進(jìn)后的柱塞泵性能提升并不明顯。基于該型柱塞泵的改進(jìn)方案可以視為一種改進(jìn)性維修，由于柱塞泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其不平衡力不能消除，流量脈動大，從改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)，控制油液污染的角度來提高摩擦副的性能和降低噪聲是非常有限的。

3.2 替換液壓泵的改進(jìn)方案

按目前統(tǒng)計(jì)資料，作者對現(xiàn)有的各類型液壓泵的主要性能進(jìn)行了分析對比，如表4所示：

首先，選用的液壓泵應(yīng)當(dāng)能夠滿足工作要求：

1）輸出壓力≥20 MPa

2）排量≥125 mL/r

3）轉(zhuǎn)速范圍1000~2000 r/min

其次應(yīng)當(dāng)噪聲小，對油液污染不敏感。

綜合比較表4中的各類液壓泵，漸開線式的內(nèi)嚙合齒輪泵和螺桿泵能夠滿足要求。下面進(jìn)行這兩類泵的選型和比較。

1）漸開線式的內(nèi)嚙合齒輪泵的選型

通過對比各類漸開線式的內(nèi)嚙合齒輪泵，作者選擇了IGP型高壓低噪聲內(nèi)嚙合齒輪泵。IGP型內(nèi)嚙合齒輪泵通過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使泵的承載能力和容積效率大為提高，同時(shí)保持工作噪聲在較低水平。在額定工作壓力31.5 MPa下，容積效率可達(dá)91％，噪聲控制在70 dB以下。

2）螺桿泵的選型

表4 各類液壓泵的主要性能

表5 螺桿泵應(yīng)用范圍

泵型流量（L/min）壓力（MPa）最高溫度（℃）輸送液體性質(zhì) 單螺桿泵9200以下0.6~2.4300含小顆粒，有腐蝕性 雙螺桿泵33000以下5~8400含微小顆粒，有腐蝕性 三螺桿泵13000以下25300無腐蝕性的潤滑液體 四螺桿泵其應(yīng)用條件與五螺桿泵相似 五螺桿泵160001.0150無腐蝕性的潤滑液體

如表5所示作者列出了目前幾種螺桿泵的應(yīng)用范圍，不難看出三螺桿泵符合本型船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)的工作要求。并且三螺桿泵是目前產(chǎn)量最高，系列最多，應(yīng)用最為廣泛的一種螺桿泵。對比國內(nèi)三螺桿泵產(chǎn)品，作者選用了天津工業(yè)泵廠的高壓系列三螺桿泵。

3）兩類液壓泵對比選用

IGP型高壓低噪聲內(nèi)嚙合齒輪泵，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，噪聲小，流量脈動小，效率高，還可以做到無困油現(xiàn)象等一系列優(yōu)點(diǎn)。它的不足之處是齒形復(fù)雜，加工要求精度高，工藝復(fù)雜。

高壓系列三螺桿泵，其具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，自吸能力強(qiáng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，流量無脈動，噪聲小，對油液污染不敏感，工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)。它的不足之處是加工工藝復(fù)雜，制造成本高，造價(jià)是現(xiàn)有柱塞泵的3倍。

對同排量（150 mL/min）的兩類液壓泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比，結(jié)果如表6所示。

表6 IGP型高壓低噪聲內(nèi)嚙合齒輪泵和高壓系列三螺桿泵的實(shí)測數(shù)據(jù)

（測試條件：工作壓力20MPa，驅(qū)動轉(zhuǎn)速1500 r/min）

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)將柱塞泵替換為同排量的流量脈動低、噪聲小的液壓泵相較于僅僅是基于現(xiàn)有柱塞泵進(jìn)行改進(jìn)可以更好的提高整套舵機(jī)液壓裝置的性能。

對比表6的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)三螺桿泵相較于內(nèi)嚙合齒輪泵在同等工作條件下具有更低的噪聲，更小的流量脈動率和故障率。并且由于三螺桿泵基本無流量脈動，液壓油路管不會產(chǎn)生振動噪聲，也大大降低了整套舵機(jī)液壓系統(tǒng)的噪聲。

4 結(jié)束語

通過分析該型船舶舵機(jī)液壓泵存在的問題提出改進(jìn)方案，最終得出結(jié)論：將現(xiàn)有的軸向柱塞泵替換為同排量的三螺桿泵，液壓泵噪聲降低到原先的70%，工作壽命延長3倍，可提高該型船舶舵機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性。

注釋：

本文的故障率采用頻率估計(jì)

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Research on Replacement of Ship Steering Pump

Li Jianfei, Han Kai, Xia Zhensheng

( Navy Submarine Academy, Qingdao 266044, Shandong, China)

U671 TH137

A

1003-4862（2014）02-0070-04

李踐飛（1973-），男，碩士，講師。研究方向：通信與信息工程。

2013-09-04