2.3.3　典型柱塞泵研究现状

2.3.3.1　柱塞泵缸体焊接工艺研究现状

柱塞泵是液压系统和传送系统的关键部件。它依靠柱塞在缸体中的往复运动,通过改变密闭缸体内液压油的容积,实现吸油、压油的功能,是典型的柱塞液压泵整体结构。由于其数量从几十种到上百种不等,故其广泛应用在航空航天、车辆、起重运输、冶金、工程机械、船舶等液压系统或传动系统中。目前,对轻量化、低碳减排及绿色制造等方面的考虑,航空工业不断开展相关的问题研究。液压泵作为液压系统的心脏,随着液压系统的发展提出了越来越高的要求。减轻柱塞泵等核心构件重量并提高转速和压力,对于先进战机的制造,已是人所共识。因此,研制轻量化柱塞泵钛/铜合金双金属缸体取代多年所用的钢/铜合金双金属缸体,具有重要意义。

目前,双金属缸体采用钢基体柱塞孔内壁镶嵌青铜套的方法也有报道。首先在柱塞孔处,切削制造两条环槽,小紧度镶压铜套后,碾压环槽压紧后再进行精加工,钢/铜合金双金属缸体因机械结合强度不高,服役中极易出现“拔套现象”,碎套进入液压系统,必将会损坏泵体,引发严重事故。虽然国内对柱塞泵缸体的焊接方法进行了较为全面的研究工作,但其服役性能通常远远低于国外同类产品。主要原因在于缸体的焊接工艺过于复杂。对于浇注工艺来说,虽然可以通过控制参数来减少铅的偏析以及缺陷,但铸造锡青铜本身的工艺就较为困难,通常铸造中的缺陷都能在衬套中发现。而对于烧结工艺来说,工艺复杂只是其中的一个方面,更为严重的是,难以实现多孔缸体进行整体烧结的一次成型,目前的构件多见于单孔缸体。而机械结合的缸体,虽然其工艺较为简单,但其服役性能低下,通常只能用于低压低频的液压系统中。因此研究新工艺和新材料,对制造双金属柱塞泵极为重要。

2.3.3.2　柱塞泵摩擦件球墨铸铁的研究现状与发展趋势

斜盘是轴向柱塞泵关键部件之一,它高速的运转同时还承受高而集中的交变载荷。斜盘主要失效方式是磨损,其性能直接决定机器寿命。球墨铸铁QT600⁃3不仅抗拉强度大,而且伸长率也高。球墨铸铁与灰铸铁相比,对基体的割裂和应力集中作用小,与钢材相比铸造性能好。在机械设计中,屈服强度是防止零件产生过量塑性变形的设计依据,是重要的力学性能指标之一。故抗拉强度相同的球墨铸铁和钢,球墨铸铁的许用应力较大,并具有耐磨、减震、工艺性能好以及成本低等优点。所以,球铁可代替钢制造一些高强度和承受交变应力的工件。故选取这种牌号的球墨铸铁生产柱塞泵摩擦件——斜盘。

目前各类铸铁中数球墨铸铁性能最好,其还有良好的抗热疲劳性,广泛应用于各类耐磨材料。不通过热处理即选择合金化生产直接获得不同要求的球墨铸铁件具有重大意义,这也是近年来球墨铸铁发展较快的一个方面。成功研制的稀土镁球化剂应用于球墨铸铁中使合金化生产铸态球墨铸铁的研究非常活跃,其生产技术水平也得到了提高。铸态高韧性铁素体球墨铸铁在国内外取得了一定的生产方面的经验。主要有:严格选择化学成分,如选择高的碳当量,限制锰、磷及硫的含量(Mn<0.4%、P<0.6%、S<0.015%),防止在炉料中带入铬、钨、钼、铜、锡、锑等合金元素;限制球化剂中稀土元素的含量及防止球化元素过高;促进孕育处理,使石墨球细化等。在铸态珠光体球墨铸铁方面,也取得了一定的生产经验。在成分设计上主要考虑添加一些有利于珠光体形成的元素并提高其含量,如适当提高锰含量(Mn 0.7%~1.0%);适当添加一些铜或利用含铜生铁以及锰和锑并用等。此外,为加大共析区间的冷却速度,采用高温开箱等工艺措施,这些均取得了较好的效果。

随着全球能源危机的加剧,各行各业越来越重视节能降耗。产品竞争日趋激烈的今天,相继出台了一些措施,如大量应用低成本、低耗能材料及减重零部件等。在竞争激烈的今天,耐磨球墨铸铁具有优良的性能、低廉的价格和巨大的经济效益,故其终将会被广大用户所接受。成本昂贵的钢材将被球墨铸铁耐磨材料所代替,球铁耐磨材料应用领域必将逐渐扩大。但球墨铸铁耐磨材料还需要完善,如在材料成分和力学性能等方面。

2.3.3.3　轴向柱塞泵滑靴副热流体润滑特性的研究进展

轴向柱塞泵的使用寿命与摩擦副的成膜机制、能量转换和动力学特性有关。轴向柱塞泵摩擦副包括柱塞副、配油副以及滑靴副,它们是完成轴向柱塞泵的吸油、压油、配油等工作环节的核心组件,也是轴向柱塞泵产生泄漏、流量脉动以及能量耗散的主要来源。目前,国内外学者在摩擦副形貌与摩擦力关系、能量耗散、热楔效应、耐磨涂层的摩擦界面行为、磨损规律以及超低摩擦因数材料等研究方面取得了一系列的成果,但缺乏极端工况下的摩擦磨损规律和测试方法的研究,尚无法准确地描述摩擦副在机械强度、热强度等多场耦合作用下的摩擦机制。尤其是滑靴副面临特殊的工况条件,如高温、高压、高速等恶劣工作条件。油膜温度对滑靴副润滑性能的影响不可忽略,油膜黏性剪切产生的热量,促使油膜黏度下降,引起油膜厚度减小,导致滑靴副的承载能力下降、能量传递效率下降以及累积损伤性能退化等瓶颈问题。因此,考虑油液的黏温效应,围绕滑靴副滑摩过程中的能量传递、转换和相互作用规律开展研究,重点分析轴向柱塞泵滑靴副热流体润滑特性,掌握高效能量传递和能量调控的机制,获得复杂环境下滑靴副的摩擦学性能,解决热流固耦合下滑靴的工作稳定性等科学问题,为高效高可靠的轴向柱塞泵的能量传递与传动的调节控制技术研发提供理论支持。

目前国内外学者主要围绕轴向柱塞泵滑靴副润滑特性开展理论研究,由于轴向柱塞泵内部结构紧凑,安装测量装置比较困难,且测试信号容易受到外界工况的干扰,所以理论模型中具体参数缺乏实际标定。轴向柱塞泵流体动力润滑测试装置和测试方法缺乏创新设计和理论研究,主要依靠单柱塞泵简易装置模拟柱塞泵的实际工况,与国际先进水平存在一定差距。由于滑靴副油膜润滑机制不够明确,故理论计算以及单柱塞泵的试验多采用简化方法,柱塞泵的宏微观特性研究尚待完善。随着微型传感技术和测量技术的发展以及当前工业应用对研究方向和目标的引导,滑靴副热流体润滑特性研究有几个方面需要进一步地深入研究:

① 滑靴副的多场强耦合热流体润滑机制。目前,大多数研究主要集中在滑靴副的润滑机制和承载能力,热弹耦合下摩擦副应力⁃应变状态与摩擦学特性的对应关系仍不完善,难以指导实际设计。为了精确描述油膜厚度与温度动态变化过程,需要引入滑靴副的摩擦动力学模型,将其与试验相结合,对该模型的具体参数,如表面粗糙度、接触应力、表面变形等影响因素进行修正。

② 载荷工况等因素对滑靴副的承载能力、能量耗散、性能退化等影响的物理本质。重点研究滑靴副的承载能力、润滑机制以及摩擦学特性,获取载荷工况下滑靴副的累积损伤性能退化规律,改善滑靴副的结构优化设计原理,为高效率高可靠性轴向柱塞泵的研发提供理论支持。

③ 新型工程材料的润滑失效机制研究。通过搭建轴向柱塞泵摩擦磨损试验台,围绕摩擦副的材料筛选和配对准则开展定量分析,并利用表面改性和表面改形技术改善滑靴副的表面性能,探索基于新型材料和新工艺的可靠性设计方法,提高滑靴副的工作性能和服役寿命。

④ 轴向柱塞泵滑靴副的热弹流动力接触设计方法。目前,热弹流动力接触设计方法的研究还处于起步阶段,只局限于以简单的驱动部件为研究对象,对较复杂的精密传动装置还未形成设计流程,主要原因是理论上不能完全解释驱动过程中摩擦接触区温度和接触应力之间的变化规律,这在技术上造成传动与驱动的可靠性优化设计的理论依据不完备。为了研发具有高效、高可靠和高精密的轴向柱塞泵,迫切需要加强深层次的性能调控原理方法的研究。

2.3.3.4　轴向柱塞泵振动机理的研究现状及发展趋势

“高速高压”是未来20年液压传动系统的主要发展趋势之一,尤其在行走式液压机器人、大功率液压工程机械、大型宽体客机等高端装备的液压控制系统中,这种趋势更为明显。随着液压系统向“高速高压”方向快速发展,迫使轴向柱塞泵也向“高速高压”方向发展,但是高速高压化带来的振动加剧,噪声加大,影响泵的性能,缩短其使用寿命,限制了轴向柱塞泵的使用。对轴向柱塞泵振动的研究就显得尤为重要。由于液压轴向柱塞泵多数物理特性均是通过振动和噪声表现出来的,轴向柱塞泵整体性能、各零部件配合及各摩擦副润滑情况、服役过程中各结构件破坏及密封失效等问题都可以通过泵的机械结构振动、流量脉动或噪声表现出来,因此,振动和噪声的研究是轴向柱塞泵研究的重点之一。针对轴向柱塞泵振动的研究,近年来国内外研究者越来越多,并且取得了一定的进展。国外研究机构主要有美国普渡大学莫妮卡教授团队、德国亚琛工业大学团队、德国德累斯顿大学团队以及德国力士乐团队。国内研究机构主要有北京航空航天大学焦宗夏教授团队、浙江大学徐兵教授团队、哈尔滨工业大学姜继海教授团队、燕山大学孔祥东教授团队。上述团队从柱塞泵的建模、仿真到试验,分别开展了细致而深入的研究,并且都取得了一系列的研究成果。

由于其自身的结构以及油液压缩性等因素影响,轴向柱塞泵一定会存在着瞬时流量脉动的现象。泵体内部或者其液压系统管路当中不可避免地会存在液阻,因此流量脉动必然会引起压力脉动,从而使液压系统的管路和液压元件产生振动、噪声,进而导致其固定元件的松动等现象。当泵的脉动频率与液压油及管路的固有频率相当时,就具备了产生谐振的条件。当谐振发生时,其压力脉动是很高的,从而对其整个液压系统产生潜在的破坏。

轴向柱塞泵振动可分为两大类:机械振动和流体振动。流体振动现象主要是因为出口流量脉动,其在负载阻抗作用下转化为液压系统的压力脉动,导致柱塞泵及相关液压元件产生振动;同时,流体振动现象还包括在吸空工况下轴向柱塞泵内局部位置因气泡破裂而产生的气穴振动。流体振动主要包括泵的固有流量脉动与压力冲击产生的振动,以及配油盘困油区倒灌流量与压力冲击产生的振动。机械振动现象主要是因为柱塞腔内的吸、排油过程中产生压力冲击,导致振动从斜盘、主轴、轴承等液压元件向壳体和端盖等外部传递。机械振动的种类主要有3类:斜盘及变量机构振动、轴承振动、泵的旋转体偏心或不平衡振动。

① 泵的固有流量脉动与压力冲击所导致的振动。

② 配油盘困油区倒灌流量与压力冲击产生的振动。配油过程中,当柱塞腔由吸油区向排油区过渡时,充满低压油的柱塞腔瞬间与排油区的高压油接通,高压油从排油腔进入到柱塞腔,导致流量倒灌冲击。并且随着柱塞运动与倒灌流量增加,柱塞腔压力上升,直至与排油区的压力相等,并因为柱塞继续压入,柱塞腔进入到排油工况。而此时由于油液的惯性与阻尼现象,腔内油液的排出受到了限制,腔内压力升高,最终超过了排油区压力,导致压力正超调。同样,当柱塞腔从排油过程向吸油过程过渡时,流量释放冲击,导致压力负超调。压力的升降、超调现象形成液压冲击,最终体现为柱塞泵的结构振动。

③ 斜盘及变量机构振动。柱塞泵的斜盘及变量机构在工作时,因为受到呈现周期变化的液压力矩的作用,从而产生周期性振动。

④ 轴承振动。在柱塞泵轴承高速旋转时,由于轴承各元件之间存在着一定的间隙,因此会导致其呈现周期性的振动。

⑤ 泵的旋转体偏心或不平衡振动。当柱塞轴高速转动时,由旋转体偏心、动不平衡力作用在与泵轴相连的零部件上,从而产生周期性的振动现象。

针对柱塞泵流体振动方面的试验研究,国内外研究主要集中在泵源的流量脉动测试方法上。由于柱塞泵出口流量具有高频和大流量的特征,想要测量柱塞泵的流量脉动,只能采用间接测量的方法。但是,虽然柱塞泵的泵腔压力测试方法简单,且不需要烦琐的数据处理过程,然而其测试过程存在压力传感器的安装以及压力信号的采集等困难,且测量时还需对柱塞泵的泵体结构进行必要的修改。封闭式的压力脉动测量方法同样相对简单,但是该方法同样存在一些困难,主要集中在测量过程比较复杂,测量时还需要采用专用的装置来保证系统的无反射压力工况。另外,通过该方法得到的最终结果只是泵源流量脉动和阻抗的乘积。因此,应用该方法,目前还不能对流量脉动的仿真模型进行验证。

2.3.3.5　轴向柱塞泵减振降噪技术研究现状及进展

液压传动面对快速发展的电气传动的竞争,以及节能与环保政策法规的双重压力,迫切要求解决自身效率低、噪声大等缺陷,并加强自身高功率密度的优势。因此轴向柱塞泵呈现持续高压化、高速化、数字化的发展趋势。为适应高压力等级和高极限转速,轴向柱塞泵的降噪要求也日益严格。国内外关于轴向柱塞泵的减振降噪的研究主要包括可靠实用的减振降噪结构与装置、噪声激振源模型与测试、低灵敏度全工况降噪方案三个方向,均满足轴向柱塞泵结构强度、可靠性和寿命要求。

归纳分析国内外关于轴向柱塞泵减振降噪的研究,对柱塞泵减振降噪技术的研究作出如下总结:

① 提高理论模型的精度。泄漏模型的研究需要综合考虑变接触长度、偏心楔形缝隙与多场耦合等因素,以及摩擦副的微观参数与柱塞泵负载工况之间的映射关系,从而使模型更加精确,更加贴近实际微观运动与宏观情况。深入分析轴向柱塞泵配油过程中的油液弹性模量变化,在油液弹性模量模型中将大气分离压、饱和蒸气压考虑进去,能够更加精确预估气穴、汽蚀的发生位置、柱塞腔压力的飞升速度和超调量,而且可以比较精确地估计轴向柱塞泵的最高转速等极限值。柱塞泵的能量转换过程中存在固体、流体、热和声等多场之间的耦合,特别是在高速高压的情况下,多场间的耦合作用更加强烈,模型需要兼顾热场、结构变形与振动等多项因素。

② 噪声激振源精确测试。对轴向柱塞泵出口流量脉动、柱塞腔压力冲击、气穴、汽蚀的精确测量不仅可以对减振降噪方案提供直接的效果评定,而且可以对理论模型进行评价和修正。结合理论模型的逐步优化,测量方法也需要进一步提高精度。

③ 多目标优化自动求解。减振降噪结构单个参数的改变对脉动、压力冲击、气穴以及效率的影响规律不一样,需要比较不同结构参数变化对噪声激振源和效率的影响,并且能够通过优化算法自动求解多目标结构参数的最优设计。

④ 降低噪声等级对轴向柱塞泵工作参数的敏感度。传统减振降噪的结构是针对特定工作参数设计的,受轴向柱塞泵工作参数的影响非常大。新型的减振降噪结构与装置要实现轴向柱塞泵在全工况范围内处于较低的噪声等级。

可以预测,未来的液压传动技术的发展趋势是高功率密度和高效率,而提高额定压力等级是降低能耗和提高功率重量比的最佳解决方案之一。相同功率下,高压力可以降低负载流量,意味着液压元件与系统的体积和重量都将减小,节约材料与制造费用。但高额定压力将面临摩擦副偶件间隙的内泄漏增大、摩擦副pv值增加以及振动噪声加剧等一系列难题,给液压元件的设计与制造带来严峻挑战,但同时也给国内液压行业带来机遇。国内在轴向柱塞泵减振降噪领域的研究同国外还存在较大差距,一方面是由于国内轴向柱塞泵产品整体技术水平较低,对其研究投入较少;另一方面是由于基础理论薄弱,缺少对噪声激振源产生机理的深入认识。因此,不断深入研究降噪原理、方法与结构,重视理论模型分析与测试方法,必将提高国内企业的自主创新和可持续发展能力。

2.3.3.6　轴向柱塞泵配油状况的研究现状与发展

由于轴向柱塞泵端面配油副的工作状况受到众多因素的影响,配油副中的速度场、压力场及温度场的分布非常复杂,远非经典流体力学所能解决。因此有关配油状况方面的理论分析具有很重要的指导意义,是进行配油副设计的依据。但是,几乎在所有有关配油副的理论分析中都存在着程度不同的假设或简化,甚至有的重要现象和因素也被忽略了。因此,一方面,理论分析的结果是否全面和正确还需要实验的检验;另一方面,实验过程中所出现的现有理论未能揭示的一些重要现象和结果给人们以新的启迪,促使人们不断地完善和发展理论,使理论能更好地指导设计,设计出高质量的液压泵。

国内外的有关资料与文献表明,目前,关于轴向柱塞泵配油副工作状况的试验研究还处于如下水平和状况:

① 采用电子计算机进行模拟试验研究。由于这种方法是解析解的数字化,因而得到的结果与实际还相差较远。

② 采用模拟装置进行模拟试验研究。这种方法不能模拟连杆—柱塞—缸体的空间运动,因而模拟装置中的缸体的受力及运动状况与实际泵中的缸体的受力及运动状况有着本质的差异,这样模拟试验的结果与实际泵的试验结果存在着很大的差距。

③ 采用实际泵进行试验研究。这是一种最有效、最可靠的试验方法,能真实地获得配油状况的全过程。由于受到测试手段的限制,现有的试验研究在动态测试、间隙形成条件与过程、配油状况与影响因素间的规律方面还存在着空白。

2.3.3.7　径向柱塞泵配油方式的研究进展

配油方式是决定液压泵工作性能的关键因素,其发展在很大程度上代表着液压泵的发展水平。现今应用于径向柱塞泵的配油方式主要有三种:阀配油、端面配油和圆柱形轴配油。三者具有不同的优缺点决定了其研究现状和成果。为满足液压泵高压、高速化发展,本书提出了一种应用锥形配油方式的径向柱塞泵配油副。

(1)阀配油

阀配油式柱塞泵分别通过进油阀和排油阀实现吸油和排油。早期径向柱塞泵一般采用阀配油方式来配油。但由于阀配油方式难以实现无级变量,高速运转情况下阀门滞后严重,且具有故障率高等缺点,因此现逐渐被轴配油和端面配油方式所替代。

现今阀配油方式主要应用于小流量、高压力的径向柱塞泵。德国Rexroth液压公司生产的阀配油方式径向柱塞泵,额定压力能达到700bar(1bar=105Pa),但其为定排量,流量只能达到0.7~2.6L/min,并且其传动轴所受的径向力和轴向力无法平衡。德国Hauhinco的海水泵,进排水阀都改为平板阀配油,不仅具有惯性质量小的优点,而且阀的过流面积也比锥形配油阀大。

而对于阀配油方式应用于径向柱塞泵的理论和试验研究主要集中于配油阀结构形式、材料及其冲击问题的研究。李壮云等人对水压柱塞泵配油阀的结构、材料及参数进行了分析和设计,并对多种配油阀进行了试验研究,结果显示平板阀有利于减小阀芯滞后及降低泵的工作噪声。而岳艺明等人则针对一种结构紧凑的座阀配油方式径向柱塞泵的动态性能进行了仿真分析,得出了通过减小吸/排油阀的开度或复位弹簧的刚度可有效消除输出流量的高频脉动的结论。Satoh和Wu Bo分别进行了配油阀惯性作用和阀芯振荡对配油机构流量脉动影响的研究。

(2)端面配油

端面配油方式是现今轴向柱塞泵和径向柱塞马达应用最为广泛的配油方式,其优点在于密封间隙自动补偿。国内外液压界的专家学者就其油膜和压力分布状态、缸体受力分析、倾侧和噪声问题等做了许多理论和试验研究。

Yamaguchi在分析缸体端面与配油盘受力的基础上,研究了在摩擦副间靠流体动压作用形成润滑油膜的可能性。理论分析结果表明,在一定的马达运转参数下能够产生流体膜,但其厚度较小,运动参数的微小变动就将引起油膜形状的较大变化,并发生金属接触。他还提出了应用静压润滑原理在配油副间形成稳定油膜的思想,文中就主要结构参数和工况参数对油膜的影响做了定性讨论,但对于实现静压润滑的结构种类并无进行阐述和讨论。山口惇分析配油副间静压油膜的波动和功率损失问题,讨论了高压区柱塞数变动、困油等。J.Bergada却提出了考虑配油副倾斜度、油膜厚度和旋转速度的新方程,并应用其进行了配油面间压力分布、泄漏量、受力和摩擦转矩的分析。小林俊一等对低速时配油副中油膜厚度的脉动和泄漏量变化做了理论研究,建立了考虑配油副摩擦、支承轴刚度等因素的数学模型。J.K.Kim、M.Chikhalsouk和Ganesh Kumar Seeniraj均研究配油盘预压缩角和减噪槽对轴向柱塞泵噪声产生的影响,提出适当的预压缩角、槽的形状和槽的深度能有效减小柱塞泵的噪声。但端面配油方式也具有其缺点:结构复杂、倾侧力矩比较大、偏磨现象比较严重。陈卓如和李元勋等人分析了低速大转矩液压马达端面配油副的发展和现状,提出了倾侧力矩全平衡端面配油机构,实现了变化的液压分离力在转动的任何瞬间均沿配油盘轴线作用于配油盘中心,并获得了国家实用新型专利,如图2⁃51所示。

范莉和陈卓如等人在新型端面配油副的基础上进行了计算机辅助优化设计及分析,得到了端面配油副的泄漏和摩擦特性的数学模型;由于配油副机构中应用了倾侧力矩平衡机构,增加了整个配油副的轴向长度,对提高整个机构功率密度并不有利。

(3)圆柱形轴配油

圆柱形轴配油是现今径向柱塞泵最为主流的配油方式,它具有结构简单、零部件少、耐冲击、寿命长和控制精度高等优点。但也存在轴上径向液压力大、密封长度长、密封面之间有相对运动、密封间隙无法补偿等缺点。贾跃虎等人对径向柱塞泵缸体径向受力进行了计算和分析,提出了改变配油轴的设计尺寸,增加高压区的当量宽度,以改善缸体平衡性的措施。王明智、王春行在发明专利中提出了某新型单向径向柱塞泵配油副的过平衡压力补偿方法,此方法有效地避免了缸体偏磨和抱轴现象的发生。孟正华针对配油轴高低压沟通的两种方案进行了缸体平衡度计算,得出了两种沟通方案缸体静压支承平衡度基本一致的结论。申永军针对径向柱塞泵配油副的静压支承系统,采用动压反馈设计思想增加压力补偿元件,有效地避免了配油轴“抱轴”现象的发生。韩雪梅、王荣哲等人对新型径向柱塞泵摩擦副泄漏原因进行了分析,提出了改进方案。

径向柱塞泵锥形配油副具有全新的结构,它具有装配简单、配油轴自动定心及密封间隙自动补偿等优点。但现今对其的研究还处于起步阶段,许多关键问题有待深入研究。主要有以下几方面:

① 由于径向柱塞泵锥形配油副采用连续供油型油膜压力反馈来设计,配油面处于全膜润滑状态,锥形配油副流体流动雷诺方程及润滑数学模型的建立是其润滑特性研究的基础。

② 根据锥形配油副受力分析,润滑数学模型是多元两目标模型,进行其求解的数值方法研究是有必要的。

③ 配油面油膜厚度分布、压力分布和流场分布的研究。

④ 锥形配油副影响因素分析及关键参数的优化。

⑤ 通过试验进行锥形配油副润滑理论研究的验证。