張 晉，黃橙橙，隋佳鑫，陳冬京，孔祥東

(1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2.河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004)

引言

液壓系統(tǒng)由于功率密度大、控制平穩(wěn)、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于航空、工程機(jī)械、船舶等高精尖領(lǐng)域。液壓產(chǎn)品的超高壓化具有減小裝機(jī)重量、提升裝備制造水平、節(jié)省裝機(jī)空間以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高度集成的優(yōu)勢(shì)，是液壓行業(yè)發(fā)展的方向之一。國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)已經(jīng)開始了超高壓泵的設(shè)計(jì)制造。經(jīng)過20多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)高壓泵制造行業(yè)在100 MPa以下的高壓泵設(shè)計(jì)、制造能力已經(jīng)超過了國(guó)外企業(yè)，但是100 MPa以上國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)容樂觀[1]，因此對(duì)于100 MPa以上的超高壓泵的研制應(yīng)該給予重視。

柱塞式液壓泵作為重要的動(dòng)力元件，具有工作效率高、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)；在往超高壓的發(fā)展方向上存在泵體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)、密封性能不佳、三大摩擦副磨損嚴(yán)重引起柱塞泵內(nèi)部載荷增大、流固熱多場(chǎng)耦合效應(yīng)增強(qiáng)、柱塞泵關(guān)鍵摩擦副發(fā)生卡死等失效問題，嚴(yán)重制約其發(fā)展，且由于加工誤差和裝配誤差無(wú)法克服，使泵產(chǎn)生軸向不平衡力，影響泵的性能。傳統(tǒng)的柱塞泵設(shè)計(jì)已不能滿足超高壓柱塞泵的工作要求，亟需對(duì)現(xiàn)有的軸向柱塞泵做出改進(jìn)，使其能夠滿足不同場(chǎng)合、不同規(guī)格尺寸的使用要求，此外還應(yīng)具備節(jié)約能源、減少污染、制備簡(jiǎn)單適合大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)。針對(duì)以上現(xiàn)象，梁創(chuàng)記等[2]對(duì)不同結(jié)構(gòu)、不同材料進(jìn)行組合試驗(yàn)，提高了超高壓泵的柱塞密封問題；龔學(xué)知[3]通過仿真與實(shí)驗(yàn)得到了不同材料在不同壓力以及轉(zhuǎn)速下的磨損情況；MURRENHOFF H團(tuán)隊(duì)[4-6]在活塞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行柱塞與柱塞套摩擦磨損試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明進(jìn)行PVD表面涂層的柱塞與柱塞套的配對(duì)材料，可以明顯提高材料的抗磨性能；冷如波[7]對(duì)高壓注水泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析以及優(yōu)化；李俊亮[8]對(duì)柱塞泵進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，為之后的有限元分析及優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)；蔡金典等[9]通過實(shí)驗(yàn)與仿真研究了EHA三油口非對(duì)稱柱塞泵的泄漏特性；耿豪杰等[10]通過分析發(fā)現(xiàn)，軸向柱塞雙聯(lián)泵中間體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)集中分布在排油腔，并進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化；賀偉等[11]對(duì)斜盤擺角與泵的頻率影響進(jìn)行分析；趙江澳等[12]對(duì)柱塞泵柱塞腔壓力周期變化規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)非對(duì)稱式配流結(jié)構(gòu)斜盤力矩進(jìn)行分析；王兆強(qiáng)等[13]對(duì)于高壓時(shí)柱塞泵配流盤會(huì)產(chǎn)生的翹曲變形進(jìn)行分析，得到了配流盤變形云圖。

本研究針對(duì)在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的缸體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象,通過數(shù)值模擬對(duì)缸體進(jìn)行仿真，找到設(shè)計(jì)不合理處并進(jìn)行優(yōu)化。

1 超高壓軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)

超高壓軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)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(nèi)部，雙側(cè)平衡斜盤與主軸同軸安裝在一起，其兩側(cè)設(shè)置推力球軸承，缸體上繞主軸徑向均分布多個(gè)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(gè)進(jìn)油口與油箱連通，另一個(gè)進(jìn)油口與補(bǔ)油泵連通，補(bǔ)油泵通過主軸驅(qū)動(dòng)，進(jìn)油口與油箱連通。

1.1 雙側(cè)平衡斜盤

由于柱塞泵的設(shè)計(jì)工作壓力為120 MPa，會(huì)存在較大的軸向力，若不能將軸向力很好的解決將會(huì)造成斜盤由于受力過大發(fā)生傾斜、振動(dòng)，造成動(dòng)靜部件相互研磨碰撞，從而導(dǎo)致泵發(fā)生嚴(yán)重破壞；并且軸向力過大會(huì)造成泵無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)運(yùn)行，降低其使用壽命和整體性能，嚴(yán)重時(shí)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(duì)稱斜盤，在兩側(cè)相互對(duì)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(shí)其柱塞數(shù)量是單排柱塞泵柱塞數(shù)量的2倍，故在保證超高壓壓力的同時(shí)，有效的增大了柱塞泵的流量，提高了其功率密度。

1.補(bǔ)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(duì)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(jié)構(gòu)原理圖

1.2 柱塞套

柱塞泵工作環(huán)境為120 MPa，若不能夠很好地解決加工精度問題，會(huì)造成零部件磨損嚴(yán)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?xí)r有碎屑產(chǎn)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(lái)控制兩者間隙。

2 三維模型建立

針對(duì)超高壓缸體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究以及優(yōu)化，因此為了減少各個(gè)部件間的相互影響，得到精確地運(yùn)算結(jié)果，只對(duì)缸體、柱塞套進(jìn)行三維建模，如圖2所示，其中泵體臺(tái)階長(zhǎng)度H,如圖3所示。

圖2 三維建模

圖3 臺(tái)階長(zhǎng)度H

3 有限元分析

將三維模型進(jìn)行裝配，導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行材料設(shè)置如表1所示[16]。

表1 材料參數(shù)設(shè)置[16]

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

圖4 網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)際工作情況，將柱塞套以及缸體之間的接觸設(shè)置在臺(tái)階處，如圖5所示。對(duì)柱塞套加載120 MPa的壓力進(jìn)行有限元仿真，結(jié)果如圖6、圖7所示。在臺(tái)階處所受壓強(qiáng)為393～449 MPa，然而45號(hào)鋼屈服強(qiáng)度為355 MPa，所以泵體臺(tái)階處會(huì)被壓壞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。

圖5 觸面的設(shè)置

圖6 缸體表面變形

圖7 缸體臺(tái)階處受力

針對(duì)試驗(yàn)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象修改臺(tái)階長(zhǎng)度H，通過增加臺(tái)階長(zhǎng)度H，來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，當(dāng)H=20 mm時(shí)，施加120 MPa的壓力，其缸體臺(tái)階處受力情況如圖8所示。由圖可知，臺(tái)階壓力為380～435 MPa，結(jié)合45鋼屈服強(qiáng)度，得出結(jié)論：雖然臺(tái)階處所受壓強(qiáng)有所下降，但是缸體結(jié)構(gòu)仍然不達(dá)標(biāo)。

圖8 缸體臺(tái)階受力(H=20 mm)

將H修改為28 mm，其缸體臺(tái)階受力情況如圖9所示，可以得到臺(tái)階受力為372～430 MPa，缸體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍然不達(dá)標(biāo)。

圖9 缸體臺(tái)階受力(H=28 mm)

考慮到缸體整體結(jié)構(gòu)尺寸，不再繼續(xù)增加缸體臺(tái)階長(zhǎng)度，而是增加臺(tái)階的寬度，保持臺(tái)階長(zhǎng)度28 mm 不變，將缸體圓孔直徑D縮小到22 mm，如圖10所示，來(lái)增加臺(tái)階處寬度，分析結(jié)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(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度H=28 mm，缸體圓孔半徑D=22 mm時(shí)，缸體強(qiáng)度剛好在屈服強(qiáng)度之下，但是在實(shí)際工況中考慮到安全系數(shù)以及在增壓時(shí)存在瞬時(shí)載荷，所以仍認(rèn)為其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)。由于隨著直徑D的減小，會(huì)導(dǎo)致柱塞套越來(lái)越薄，所以不再繼續(xù)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(wú)法穩(wěn)定的運(yùn)作。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將軸向柱塞泵加壓到120 MPa進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)如圖12所示，施加載荷后的缸體形變?nèi)鐖D13所示。將圖13與圖6比較，可以看出表面變形基本相符，驗(yàn)證有限元仿真正確。

圖12 超高壓軸向柱塞泵測(cè)試

圖13 加壓后泵體表面

5 結(jié)論

通過以上分析得出以下結(jié)論：

(1) 本研究設(shè)計(jì)的超高壓軸向柱塞泵加壓到120 MPa 時(shí)，缸體表面裂開是由于缸體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)造成的。

(2) 用45號(hào)鋼作為120 MPa超高壓柱塞泵缸體材料，即使將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，也會(huì)存在缸體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的情況。