阀配流压力脉动扰动下的柱塞泵滑靴副润滑特性_赵凯平.pdf

文章编号：1000-8055（2023）06-1432-14doi：10.13224/ki.jasp.20220441阀配流压力脉动扰动下的柱塞泵滑靴副润滑特性赵凯平1，2，何涛1，2，王传礼1，2，陈强曼1，罗刚1（1.安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001；2.安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室，安徽淮南232001）摘要：阀配流轴向柱塞泵滑靴受力状态及油膜动态边界值与端面配流泵不同，为研究其润滑特性，建立一种应用于阀配流轴向柱塞泵的滑靴副工况模拟和数值解析耦合求解模型，分析柱塞运动频率、系统负载及不同分级定流量对滑靴副润滑特性的影响。结果表明：阀配流滑靴副主要在摩擦力矩作用方向发生倾覆，高压区到低压区的过渡期及低压区更易发生偏磨磨损；柱塞运动频率增大会降低滑靴发生倾覆偏磨的危险性，但也会降低滑靴副稳定性；系统负载增大会使油膜厚度减小，且高压区滑靴倾覆角减小，而低压区滑靴倾覆角增大；不同分级定流量下，当柱塞数大于 3 时，奇数柱塞组合时滑靴不易发生倾覆，而偶数柱塞组合时滑靴易发生倾覆磨损且高低压区压力变化幅度增大。关键词：阀配流；压力脉动；轴向柱塞泵；滑靴副；润滑油膜中图分类号：V228；TH137.5文献标志码：ALubricationcharacteristicsofslipperpairofpistonpumpunderthedisturbanceofvalvedistributionpressurepulsationZHAOKaiping1，2，HETao1，2，WANGChuanli1，2，CHENQiangman1，LUOGang1（1.SchoolofMechanicalEngineering，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，HuainanAnhui232001，China；2.AnhuiKeyLaboratoryofMineIntelligentEquipmentandTechnology，AnhuiUniversityofScienceandTechnology，HuainanAnhui232001，China）Abstract:Thestressstateandoilfilmdynamicboundaryvalueofslipperofvalvedistributionaxialpiston pump are different from those of end face distribution pump.In order to study its lubricationcharacteristics,acouplingmodelforslipperpairworkingconditionsimulationandnumericalanalysisappliedtovalvedistributionaxialpistonpumpwasestablishedtoanalyzetheeffectsofplungermotionfrequency,systemloadanddifferentgradedconstantflowsonthelubricationcharacteristicsofslipperpair.Theresultsshowedthattheslidingshoepairofvalvedistributionoverturnedmainlyinthedirectionoffrictiontorque,andeccentricwearwasmorelikelytooccurinthetransitionperiodfromhighpressurezonetolowpressurezoneandinthelowpressurezone;theincreaseoftheplungermovementfrequencycouldreducetheriskofoverturningandeccentricwearoftheslipper,butitmayalsoreducethestabilityoftheslipperpair;withtheincreaseofthesystemload,theoilfilmthicknessdecreased,andtheoverturningangleoftheslipperinthehighpressureareadecreased,whiletheoverturningangleoftheslipperinthe收稿日期：2022-06-20基金项目：国家自然科学基金（52205041）；安徽省高校优秀青年人才支持计划（gxyq2022017）；矿山智能装备与技术安徽省重点实验室开放基金（ZKSYS202101）；安徽省矿山智能技术与装备科研创新团队（2022AH010052）作者简介：赵凯平（1997），男，博士生，主要从事流体传动与控制技术研究。E-mail：通信作者：何涛（1987），男，副教授，博士，主要从事流体传动与控制及矿山机电工程技术研究。E-mail：引用格式：赵凯平,何涛,王传礼,等.阀配流压力脉动扰动下的柱塞泵滑靴副润滑特性J.航空动力学报,2023,38（6）：1432-1445.ZHAOKaip-ing,HETao,WANGChuanli,etal.LubricationcharacteristicsofslipperpairofpistonpumpunderthedisturbanceofvalvedistributionpressurepulsationJ.JournalofAerospacePower,2023,38（6）：1432-1445.第38卷第6期航空动力学报Vol.38No.62023年6月JournalofAerospacePowerJune2023lowpressureareaincreased;underdifferentgradingandconstantflowrates,whenthenumberofplungerswas greater than 3,the slippers were not easy to overturn when the odd number of plungers werecombined,whiletheslipperswereeasytooverturnandwearwhentheevennumberofplungerswerecombined,andthepressurechangerangeinthehighandlowpressurezonesincreased.Keywords:valvedistribution；pressurepulsation；axialpistonpump；slipperpair；lubricatingoilfilm阀配流轴向柱塞泵相比于传统端面配流轴向柱塞泵具有压力高、密封性好、效率高等优点1-3，且阀配流轴向柱塞泵具有供给多系统不同分级定流量的特有功能，分级流量之间互不干扰，可作为特殊供压或供流源，因而在航空航天、工程机械等领域有独特优势4-6。滑靴副是轴向柱塞泵的关键摩擦副，其在各种工况下的润滑性能直接决定轴向柱塞泵能否正常运行7-8。阀配流轴向柱塞泵滑靴受力状态与传统端面配流轴向柱塞泵不同9-10，柱塞腔内压力脉动与端面配流柱塞泵也存在较大差异，其直接影响滑靴副压力油膜动态边界值。此外，提供分级定流量的柱塞由于柱塞位置分布不均，各柱塞的腔内压力脉动不同，导致泵运行时不同的柱塞滑靴副油膜润滑特性差异较大。因此有必要针对阀配流压力脉动扰动下的滑靴副润滑特性进行研究。各国学者关于滑靴副做出了大量研究。Schenk、Spencer 等11-13基于非等温流体，结合弹性流体力学建立了滑靴副瞬态润滑模型，对油膜的压力分布和温度分布进行了研究。Toshiharu 等14建立了动静压混合热流体动力润滑模型，并推导了广义雷诺方程、三维能量方程和热传导方程。Ber-gada 等15-16研究了轴向柱塞泵滑靴副的泄漏和压力分布，并将其扩展用于多密封面的滑靴中。Richardson 等17利用雷诺方程和能量方程研究了滑靴表面结果对滑靴副油膜厚度和温度分布的影响。Harris 等18提出了一种预测倾覆状态下滑靴副油膜动态特性的研究方法。徐兵等19-20建立了动态润滑仿真模型，研究壳体压力对轴向柱塞泵滑靴副特性的影响，并对滑靴倾覆现象进行了数值分析。胡纪滨等21对轴向柱塞泵滑靴副稳态工况下动压承载规律展开了相关研究，并建立了稳态工况下滑靴副摩擦动力学模型。汤何胜等22-23建立了轴向柱塞泵滑靴副间隙油膜热力学模型，求解了间隙油膜的瞬时温度并对间隙泄漏及摩擦转矩特性进行了相关研究。目前关于滑靴副的研究多是传统端面配流轴向柱塞泵，很少有针对阀配流轴向柱塞泵滑靴副的研究。因此，本文在已有研究的基础上，根据阀配流柱塞泵滑靴副受力特性及柱塞腔内压力的特性，建立阀配流轴向柱塞泵滑靴副工况模拟和数值解析耦合求解模型，将仿真得到的滑靴副柱塞腔压力脉动导入 MatrixLaboratory 程序，以此作为油膜动态边界条件，用有限体积法及牛顿迭代算法对油膜特性进行数值求解，分析柱塞运动频率、系统负载和不同分级定流量对阀配流滑靴副油膜润滑特性的影响，并将最终压力场的计算结果与Ivantysynova 团队的相关研究结果进行了比较分析。1柱塞腔压力脉动工况模拟及分析轴向柱塞泵在实际工况下运行会引起柱塞腔内产生压力脉动，且阀配流柱塞泵排油或吸油受制于配流阀启闭滞后性，柱塞腔压力脉动易受柱塞运动频率、配流阀阀前和阀后压力、负载压力等影响。此外，当阀配流轴向柱塞泵提供不同分级定流量时，不同柱塞组合供流下柱塞腔内压力脉动差异较大。获得准确的滑靴副油膜动态边界压力值是求解滑靴副动态润滑特性的重要条件，而滑靴副油膜压力边界值由柱塞腔动态压力值决定，因此需要进行柱塞腔压力实际工况模拟。1.1阀配流轴向柱塞泵建模如图 1（a）所示为阀配流轴向柱塞泵，运行过程中缸体不动，由斜盘旋转带动柱塞做往复运动，采用两个单向阀自主吸排油，当柱塞高频运动时吸液阀由于压力低，会出现较为严重的启闭滞后性，使柱塞泵容积效率降低。图 1（b）为配流阀动力学建模，阀口过流面积为Av=dvxvsin（2v）（1）阀口通流量为qv=CdAv2pv/（2）将式（1）代入式（2）可得第6期赵凯平等：阀配流压力脉动扰动下的柱塞泵滑靴副润滑特性1433qv=Cddvxvsin（2v）2pv/（3）式中 Av为配流阀过流面积（m2）；xv为配流阀阀芯位移（m）；dv为阀芯直径（m）；Dv为阀口直径（m）；v为配流阀阀座半角（）；qv为配流阀流量（m3/s）；pv为配流阀阀口压差（Pa）；Cd为阀口流量系数。配流阀运动方程为mvdx2vdt2=pvSvFvkvdxvdtksvxvFpre（4）式中 mv为阀芯质量（kg）；Fv为阀芯液动力（N）；kv为摩擦因数（N/m）；pv为阀口压力（Pa）；Sv为阀口液压油作用面积；ksv为弹簧刚度（N/m）；Fpre为吸液阀弹簧力（N）。配流阀分为排液阀和吸液阀，模型泵以公称排量为 63mL/r 的某 CY14-1 型泵为参考，经过计算与校核确定配流阀关键参数如表 1 所示，仿真及后续计算参数如表 2 所示。建立阀配流轴向柱塞泵工况模拟 AMESim 仿真模型，如图 2 所示，数据采样频率设为 1.0106。图 2 中集成元件19（SC-1SC-9）为 AMESim 超级元件，分别表示 9 个柱塞-滑靴运动模拟单元，每个模拟单元与SC-1 类似，定量表示斜盘倾角设定，比例环节表示柱塞分布直径，函数根据输入的斜盘倾角值和角度传感器测定值控制柱塞往复运动的位移。表1配流阀关键参数Table1Keyparametersofdistributionvalve参数排液阀吸液阀阀口直径 Dv/m0.00550.009阀芯直径 d