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1、轴向柱塞泵端面开槽配流副动压支撑特性 赵愿 周俊杰 荆崇波 魏超 车辆传动重点实验室(北京理工大学) 摘 要： 针对轴向柱塞泵配流副容易出现磨损的问题, 为改善其润滑特性, 研究轴向柱塞泵配流副配流端面开槽对其动压支撑特性的影响.建立并分析配流副动压支撑特性的数学模型, 根据流量守恒定理, 利用有限体积法对矢量形式的雷诺方程进行数值离散, 分析配流端面开槽后动压分布规律以及支撑作用效果, 得到全膜润滑状态下摩擦因数的变化规律, 并建立了配流副实验台进行实验验证.结果表明:在一定条件下, 配流端面辅助支撑带开槽对配流副动压支撑性能起正效果, 并且随着开槽数目的增加, 配流副动压支撑性能改善;存在
2、一个在配流端面开槽与未开槽结构形式下支撑特性相同的特征倾斜角;在特定的缸体倾斜角下, 可以选择相应开槽深度, 即在该槽深的“特征倾斜角”大于该缸体倾角, 配流端面辅助支撑带开槽可以改善配流副动压支撑性能.关键词： 轴向柱塞泵; 配流副; 端面开槽; 动压支撑性能; 特征倾斜角; 作者简介：赵愿 (1993) , 男, 博士研究生;作者简介：魏超 (1980) , 男, 副教授, 博士生导师作者简介：周俊杰, bit_收稿日期：2016-11-10基金：国家部委创新计划项目 (VTDP-3103) Effect of grooved face on the dynamic pressure su
3、pport characteristics of cylinder/valve plate pair in the axial piston pumpZHAO Yuan ZHOU Junjie JING Chongbo WEI Chao Science and Technology on Vehicular Transmission Laboratory (Beijing Institute of Technology) ; Abstract： To improve the lubrication characteristics of cylinder/valve plate in the a
4、xial piston pump, the dynamic pressure support characteristics with the grooved flow distribution face is studied. A theoretical dynamic pressure model is established. According to the law of conservation of flow and by applying the finite volume method to numerical discretization, the distribution
5、law of dynamic pressure and the effect of support with the grooved face are analyzed, and the change law of the friction coefficient under the whole film lubrication condition is obtained as well. A test rig is built to verify the test results. Under certain conditions, the auxiliary support belt wi
6、th grooves is beneficial to dynamic pressure support characteristics. With the increase of numbers of grooves, the dynamic pressure support is improved. There is a feature inclination angle at which the dynamic pressure support characteristics with grooved flow distribution face is the same as with
7、non-grooved flow distribution face. At a particular cylinder inclination angle, the corresponding groove depth at which the feature inclination angle is larger than the cylinder inclination angle could be selected, so that the dynamic pressure support characteristics of cylinder/valve plate pair cou
8、ld be improved by auxiliary support belt with grooves.Keyword： axial piston pump; cylinder/valve pair; grooved face; dynamic pressure support characteristics; feature inclination angle; Received： 2016-11-10斜盘式轴向柱塞泵作为液压系统的重要动力源之一, 在液压传动系统中得到广泛应用.斜盘式轴向柱塞泵结构形式如图 1 所示, 其有 3 对关键的摩擦副, 分别是柱塞和缸体组成的柱塞副、滑靴和斜盘
9、组成的滑靴副、配流盘和缸体端面组成的配流副据统计, 斜盘式轴向柱塞泵主要故障是由运动摩擦副磨损导致的1.在轴向柱塞泵三大摩擦副中配流副对泵的工作性能及寿命影响最大, 而且该摩擦副也最容易失效.摩擦副的早期磨损往往是泵和马达报废的重要原因之一2.国内外学者对配流副润滑状况进行了研究3-4.Hooke 等5研究了在稳态工况下, 滑靴副滑靴旋转表面不平度与最小膜厚的关系, 发现大范围变化的滑靴表面不平度可以实现令人满意的滑靴性能以及油膜预测更加准确.Tnder 6运用数值方法研究了不规则表面形状对于支撑性能的影响, 发现作用在旋转缸体的力和力矩对油膜形状的形成有很大的影响, 从而也影响了能量损失的大
10、小.邓海顺等7-8数值分析了配流盘低压区域加工微凹坑对配流副润滑特性的影响, 并进行了稳态磨损试验, 研究表明, 微凹坑可减小配流副摩擦因数, 并降低磨损量且磨损区域比较均匀, 其中微凹坑面积率和直径的作用最明显.Shin 等9-10基于全膜润滑假设仿真比较了 5 种不同表面纹理配流副的最小膜厚、倾斜角及方位角, 研究表明表面纹理可显著影响润滑及泄漏特性.Shin 还比较了 6 种不同表面波纹度下的最小膜厚以及能量损失等参数, 研究结果表明:一定的表面形貌的改变有利于配流副动压承载特性的增强, 从而有利于配流副的润滑;但是对于配流端面表面形貌的研究尚处于起步阶段, 还有较大的研究空间.目前,
11、已有学者对类似结构条件的摩擦润滑问题研究采用开槽技术, 例如关于机械密封的研究就有在工作端面的开槽技术11, 以及关于旋转密封环的研究也对其工作端面进行了开槽处理, 发现在工作端面加工适当的沟槽可以增大其承载特性, 改善润滑特性12-13.而配流副配流端面进行开槽处理对其润滑特性的影响尚不明确.图 1 轴向柱塞泵结构示意 Fig.1 Axial piston pump 下载原图本文针对配流副润滑模型, 通过仿真分析与试验研究相结合, 探究配流副配流端面辅助支撑带开槽对润滑性能的影响.1 数学模型1.1 缸体配流端面几何结构配流副由配流盘配流端面与缸体配流端面组成.缸体配流端面几何结构如图 2
12、所示, 主要由内外密封带、配流窗口、辅助支撑带以及泄油槽组成.缸体相对于配流盘周期性旋转, 配流副各点油膜厚度也随着缸体转角的周期性变化而变化.拟对缸体配流端面辅助支撑带处进行开槽处理, 槽型为矩形槽, 矩形槽沿辅助支撑带周向均匀分布.定义结构参数:r 1r6分别是内密封带内外径、外密封带内外径以及辅助支撑带内外径, r g是矩形槽槽顶圆半径, 1和 g分别是台区与槽区对应的角度, h g是开槽深度, h 是未开槽时配流副油膜厚度, 周向槽台比 = g/ ( 1+ g) , 径向槽台比 r= (rg-r5) / (r6-r5) .在槽区油膜厚度为hg+h, 非槽区油膜厚度为 h.1.2 流体动
13、力润滑模型油膜的压力分布体现了配流副承载性能.为了分析缸体配流端面与配流盘间的压力分布, 需建立配流副流体动力润滑模型.由于配流副间隙油膜厚度相对于配流盘结构尺寸非常小, 可以认为配流副间流体状态为层流.因此配流盘内外密封带以及辅助支撑带的压力分布规律符合柱坐标下的雷诺方程:式中:r 为流动坐标, 为缸体转角, h 为油膜厚度, 为油液动力黏度, p 为油膜压力, 为缸体角速度, 为油液密度.图 2 缸体配流端面几何结构 Fig.2 Geometric structure of cylinder face 下载原图由于配流端面浅槽的结构形式会导致油膜厚度发生突变, 常用的雷诺方程离散形式不再适
14、用.本文首先对雷诺方程进行量纲一化将雷诺方程改写成矢量形式14-15, 根据流量守恒原理, 流经控制体边界的流量之和为零, 取图 2 中辅助支撑带作为离散雷诺方程的计算域, 对雷诺方程进行离散构造差分格式.计算域的压力边界条件为图 3 为 (i, j) 的控制体积示意图.控制体被分为 A、B、C、D 等 4 个子区域, 每个区域有两个边界属于控制体边界, 流经 8 个子区域边界的流量如图 3 所示.根据流量守恒原则, 可得如下代数式:图 3 控制体示意 Fig.3 Control volume 下载原图计算各边界流量数值离散表达式, 带入式 (1) 中, 整理可得缸体配流端面开槽时的压力分布求
15、解差分格式:采用 Gauss-Seidel 对式 (2) 进行迭代计算, 得到辅助支撑带开槽配流副间隙油膜压力分布.同时通过求得的压力分布, 可以得到油膜支撑力、支撑力矩以及油液摩擦力矩:式中 是油液剪切应变率.2 仿真分析配流副配流端面开槽主要影响配流副动压支撑性能, 从而影响配流副润滑特性.本文对缸体配流端面辅助支撑带进行开槽处理, 辅助支撑带内、外径分别为r5=61 mm, r6=68 mm, 矩形槽参数分别取 r=0.5, =0.3, hg=5m.建立配流端面辅助支撑带的理论模型, 得到辅助支撑带压力分布规律.仿真参数取h0=9m, =4.9e-5, n=1 500 r/min.图 4
16、 为配流端面辅助支撑带未开槽与开15 个矩形槽压力分布情况.辅助支撑带未开槽压力分布的动压形成是由于缸体出现倾斜的影响, 在油膜厚度较小位置产生动压, 且动压变化较连续且平缓;辅助支撑带开槽压力分布的动压形成是受缸体倾斜以及辅助支撑带表面矩形槽的综合影响, 动压不仅产生在膜厚较小位置, 矩形槽区也有动压形成.图 4 辅助支撑带压力分布 Fig.4 Pressure distribution of auxiliary support belt 下载原图图 5 (a) 、 (b) 分别表示辅助支撑带未开槽与开槽在半径 r=63.5 mm 时圆周各点的压力展开成的平面图, X 轴表示从展开起点 (图 2 中 O 点) 到相应点的圆弧长度;图 5 (c) 表示开槽后辅助支撑带半径 r=63.5 mm 圆周各点的膜厚分布的展开平面图.现选取如图 2 中 ABC 3 点来说明压力形成原因.假设
