陳緒林，李亞洲，陶雪娟，郭 元

(1.重慶文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 402160； 2.重慶紅江機(jī)械有限公司， 重慶 402160)

軸向液壓柱塞泵具有工作壓力高(32 MPa)、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域。由于工作壓力高，解決泵的泄漏問題成為設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵。目前，在電控共軌高壓油泵柱塞偶件設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用有限元分析技術(shù)對(duì)柱塞偶件的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論分析計(jì)算，解決了超高壓工作條件下柱塞泵柱塞偶件因其間隙大而產(chǎn)生泄漏與間隙小所引發(fā)的卡滯之間的矛盾[1-5]。在二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)直列隔膜式燃料泵柱塞偶件設(shè)計(jì)時(shí)，有用AMESim軟件[6]對(duì)柱塞偶件間隙泄漏特性進(jìn)行仿真分析，探討間隙大小、配合面長(zhǎng)度及柱塞直徑對(duì)瞬時(shí)泄漏量的影響，通過仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿足泄漏要求的柱塞偶件結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出防漏柱塞偶件和低壓回收油路的方案，進(jìn)一步完善直列隔膜式燃料泵的結(jié)構(gòu)[7]。從軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)分析和實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，其泄漏主要來源于滑靴潤(rùn)滑面、配流盤和柱塞偶件密封面處[8]，而柱塞偶件的工作狀況差，泄漏量較大，容易出現(xiàn)卡死失效。本文應(yīng)用HyPneu仿真軟件，研究柱塞偶件不同配合間隙時(shí)下的容積效率，并在合理的零件加工精度前提下，對(duì)生產(chǎn)中現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析，提出合理的配合間隙，在保證柱塞靈活運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，提高容積效率。

1 理論分析

以某型柱塞泵為研究對(duì)象，該泵有9個(gè)柱塞，計(jì)算其泄漏量的邊界條件如下：額定工作壓力30 MPa，額定流量234.3 L/min，工作轉(zhuǎn)速2 000 r/min,單個(gè)柱塞的理論流量433 888.9 mm3/s，柱塞直徑22.51 mm，工作行程32.76 mm，缸體孔長(zhǎng)39 mm。柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

行程開始時(shí)柱塞配合長(zhǎng)度6 mm，行程結(jié)束時(shí)配合長(zhǎng)度39 mm，在計(jì)算泄漏量時(shí)，配合長(zhǎng)度可取22.5 mm(行程中間點(diǎn)位置)，這樣計(jì)算結(jié)果與動(dòng)態(tài)積分計(jì)算結(jié)果誤差很小，同時(shí)工程應(yīng)用可以接受。力學(xué)模型見圖2。

圖1 柱塞泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 力學(xué)模型

無側(cè)向力時(shí)，應(yīng)用圓柱環(huán)狀縫隙公式計(jì)算泄漏量[9]：

(1)

由于滑靴對(duì)柱塞有側(cè)向力作用，省略柱塞自重及摩擦力，柱塞受力見圖3。

圖3 柱塞受力

(2)

Ft=Fatgλ=4 339 N

(3)

其中，λ=200；Fy是液壓力；柱塞截面積Az=πd2/4；Ft是使柱塞偏心的作用力。將Ft作用點(diǎn)平移到配合長(zhǎng)度中點(diǎn)，忽略Ft=Fs-Fx=(p中+Δp)Az-(p中-Δp)Az，使柱塞翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生對(duì)配合間隙影響。柱塞與孔上下部分間隙不相等，但上下部間隙在沿配合長(zhǎng)度方向等厚，縫隙中壓強(qiáng)分布成線性[10]，見圖4。

圖4 壓強(qiáng)分布

柱塞徑向受力平衡：

Ft=Fs-Fx=

(p中+Δp)Az-(p中-Δp)Ap

(4)

ΔP是側(cè)向力Ft影響的壓力變化。

計(jì)算偏心率ε：

無偏心時(shí)，有

p上中=p下中=p中

(5)

有偏心時(shí)，有

p上中-p下中=(P中+Δp)-

(p中-Δp)=2Δp

(6)

由液體壓強(qiáng)與外負(fù)載成線性關(guān)系，行程中點(diǎn)橫截面壓強(qiáng)見圖5。

圖5 行程中點(diǎn)橫截面壓強(qiáng)

可得

(7)

由式(4)得

柱塞橫截面積

AP=d×L行程=737.4×10-6m2

2 仿真分析

通過HyPneu軟件建立柱塞副模型，根據(jù)不同配合間隙得到的近似油膜厚度，研究泵的容積效率。

2.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)定

HyPneu中建立2個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)原理，如圖6所示。設(shè)定元件參數(shù)，原理圖中用到的元件BOM表和輸出參數(shù)設(shè)定如圖7所示。所用元件有恒壓補(bǔ)油源、單向閥、油缸、儀表、溢流閥、流量傳感器、積分器、質(zhì)量塊、溢流閥、正弦信號(hào)、油箱、增益元件。

圖6 基于HyPneu的仿真模型

圖6中用正弦信號(hào)定義柱塞的運(yùn)動(dòng)速度，用左邊的連接質(zhì)量塊的油缸表示負(fù)載，用流量傳感器獲取流量信號(hào)后再用積分器求得通過流量傳感器的油量，單位為mL。

圖7 元件BOM和輸出參數(shù)表

設(shè)定設(shè)計(jì)參數(shù)和初始條件：

① 設(shè)定各元件的參數(shù)，對(duì)表示柱塞的油缸元件的泄漏系數(shù)先取值為0；

② 設(shè)定初始條件，將柱塞的初始位置設(shè)定為柱塞伸出最大的上死點(diǎn)處；

③ 設(shè)定壓力初始條件30 MPa。

2.2 不考慮側(cè)向力、配合間隙均勻時(shí)的仿真分析

首先對(duì)無側(cè)向力時(shí)的情況進(jìn)行仿真分析，然后與理論計(jì)算對(duì)比驗(yàn)證模型。圖8表示了柱塞偶件配合間隙為0時(shí)的油量曲線。表1為不同柱塞副配合間隙時(shí)泵的仿真結(jié)果。

從圖8和表1可以得出：柱塞副配合間隙為0時(shí)，泄漏系數(shù)為0，得到仿真時(shí)間為0.1 s時(shí)經(jīng)過流量傳感器的油量曲線，此時(shí)為理想情況，泵的容積效率為100%。柱塞副配合間隙為0.025 mm時(shí)，泄漏系數(shù)為1.069 3×10-5，得到0.1 s時(shí)經(jīng)過流量傳感器的油量曲線，泵的容積效率為99.65%，與理論容積效率吻合度為99.5%。柱塞副配合間隙為0.03 mm時(shí)，泄漏系數(shù)為2.010 7×10-5，得到仿真時(shí)間為0.1 s時(shí)經(jīng)過流量傳感器的油量曲線，泵的容積效率為99.3%。柱塞副配合間隙為0.05 mm時(shí)，泄漏系數(shù)為1.041×10-6，得到仿真時(shí)間為0.1 s時(shí)經(jīng)過流量傳感器的油量曲線，泵的容積效率為96.4%，但是流量明顯不穩(wěn)定。

圖8 近似油膜厚度為0的流量

柱塞間隙/mm泄露系數(shù)/10-5泵的容積效率/%001000.0251.069 399.650.0302.010 799.300.05010.4196.40

2.3 考慮側(cè)向力因素、配合間隙不均勻時(shí)的仿真分析

圖9 近似油膜厚度為0.025 mm的流量

2.4 仿真結(jié)論

綜上分析可知：柱塞副配合間隙為0.025 mm，缸體孔徑為22.56 mm，柱塞為22.51 mm，此時(shí)泵的流量穩(wěn)定，容積效率為99.55%。當(dāng)柱塞副配合間隙為0.05 mm時(shí)，雖然制造便宜，生產(chǎn)成本降低，但泵的容積效率為96.4%，泵流量明顯不穩(wěn)定。綜合比對(duì)，優(yōu)選柱塞副配合間隙為0.025 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在某型變量泵上采用仿真設(shè)計(jì)方法，縮小通過試驗(yàn)測(cè)試不同間隙值效率的范圍，降低產(chǎn)品開發(fā)周期及成本。經(jīng)試驗(yàn)后，在零部件精度等級(jí)基本不變和不影響柱塞運(yùn)動(dòng)靈活性的前提下，選擇合理間隙值，改進(jìn)了某型泵的性能，提升了產(chǎn)品的效率，圖10為效率對(duì)比，圖11、12為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片。

圖10 效率對(duì)比

圖11 試驗(yàn)測(cè)試

圖12 試驗(yàn)測(cè)試

4 結(jié)論

本文通過對(duì)柱塞泵偶件進(jìn)行軟件仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，得出以下結(jié)論：

1) 柱塞副配合間隙為0.025 mm，缸體孔徑為22.56 mm，柱塞為22.51 mm，此時(shí)泵的流量穩(wěn)定，仿真測(cè)試容積效率為99.55%；

2) 當(dāng)柱塞副配合間隙為0.05 mm時(shí)，雖然制造便宜，生產(chǎn)成本有所降低，但泵的容積效率為96.4%，泵流量明顯不穩(wěn)定；

3) 柱塞副配合間隙為0.025 mm，仿真測(cè)試容積效率為99.55%，理論容積效率99.2%，仿真測(cè)試值與理論值吻合度達(dá)99.6%。

4) 仿真測(cè)試方法與試驗(yàn)測(cè)試方法一致，縮短了設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間，降低了產(chǎn)品開發(fā)成本。