水液压双斜盘轴向柱塞式电动机泵试验研究.pdf

第 4 9卷第 2期 2 01 3 年1月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO1 ． 49 N O． 2 J a n ． 2 01 3 DoI 1 0 ． 3 9 0 1 ／ E． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 1 4 6 水液压双斜盘轴向柱塞式电动机泵试验研究水 朱碧海 吴肖宇 牛 壮 贺小峰 刘银水 华中科技大学机械科学与工程学院武汉4 3 0 0 7 4 摘要针对海上作业平台和深海环境中工作的液压系统和设备对液压动力源提出的小型、便携、环保以及功率密度大等一系 列发展要求，提出一种带双斜盘结构的轴 向柱塞式电动机泵。该泵将双斜盘轴向柱塞泵泵体集成于屏蔽电动机转子内部，适 用于在水下环境 包括条件比较恶劣的海水 工作，其整体具有小型，轻便，结构紧凑，功率密度大，同时抗污染能力强等一 系列突出优点。对于泵内部特殊的双斜盘和缸体结构，进行运动状态下的受力平衡分析研究。研制样机并对电动机泵进行各 项性能试验。试验结果表明，该泵在工作环境下散热良好，相比于传统的电动机、联轴器和柱塞泵三段式动力单元，泵工作 状态下噪声有所降低，同时泵的各性能曲线基本达到预期的要求，验证该种电动机泵结构方案的实施可能性。该泵是一种比 较有发展前景的新型液压动力单元，可以作为水下液压动力源设计的新思路。 关键词液压动力源 电动机泵双斜盘轴向柱塞泵 中图分类号T H1 3 7 Ex pe r i m e n t a l Re s e a r c h o n t he W a t e r Hy d r a u l i c Ax i a l Pi s t o n Ca n ne d M o t o r Pu mp wi t h Do ub l e S wa s h Pl a t e ZHU Bi ha i W U Xi a o yu NI U Zh u a ng HE Xi a o f e n g LI U Yi n s h u i S c h o o l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， H u a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Wu h a n 4 3 0 0 7 4 Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c p o we r s o u r c e u s e d f o r h y dra u l i c s y s t e m a n d e q u i p me n t o f o ff- s h o r e o p e r a t i o n p l a t f o r m o r i n d e e p s e a e n v i r o n me n t i s r e q u i r e d t o b e s ma l l s i z e d ， p o r t a b l e ， e n v i r o n me n t a l p r o t e c t e d a n d wi t h h i g h p o we r d e n s i t y ． T o me e t t h a t d e ma n d ， t h e a x i a l p i s t o n c a n n e d mo t o r p u mp wi th d o u b l e s wa s h p l a t e i s d e s i g n e d ． T h e b o d y o f the a x i a l p i s t o n p u mp wi th d o u b l e s wa s h pl a t e i s i n t e g r a t e d i n t h e r o t o r o f t h e c a n n e d mo t o r ． Th e p u mp i s s u i t a b l e f o r wo r k i n g i n t h e h o s t i l e u n d e r wa t e r e n v i r o n me n t an d i t h a s a s e ri e s o f a d v a n t a g e s l i k e s ma l l - s i z e d ，p o r t a b l e ， wi th c o mp a c t s t r u c t u r e ，h i g h p o we r d e n s i ty a n d s t r o n g a n t i p o l l u t i o n a b i l i ty．T h e k i n e t i c e q u i l i b riu m i s s t u d i e d a n d t h e p e r f o r man c e e x p e rime n t s o f t h e p r o t o t y p e a r e c a r r i e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t c o mp e d t o t h e tra d i t i o n a l p u mp wh i c h h a s t h r e e p o we r u n i t s ， mo t o r ,s h a ft c o u p l i n g a n d p i s t o n p u mp ，t h i s o n e h a s s o u n d h e a t d i s s i p a t i o n p e r f o rm anc e an d d e c r e a s e d wo r k i n g n o i s e ． Me a n wh i l e ， t h e p e r f o rm a n c e c u r v e s a t i s fie s t h e e x p e c t i n g r e q u i r e me n t s we l l S O tha t the p o s s i b i l i ty o f thi s k i n d p um p i s v e r i fi e d ．Al t o g e t h e r ,t h i s k i n d o f p u mp i s a p r o mi s i n g o n e an d c a n p r o v i d e a n e w i d e a for the d e s i gn i n g o f n e w h y dra u l i c p o we r u n i t ． Ke y wo r d s Hy dr a u l i c p o we r s o u r c e M o t o r p u mp Do u b l e s wa s h p l a t e Ax i a l p i s t o n p u mp 0 前言 随着人类对于地球上陆地资源的不断开发，环 境日益恶化的陆地已经无法满足人类社会的发展需 求。海洋作为覆盖地球最大表面积的宽阔地域，拥 有着极其丰富的资源和广阔的活动空问，将来必然 国家 自然科学基金资助项 H 5 0 9 7 5 1 0 1 。 2 0 1 2 0 8 2 8收到初稿， 2 0 1 2 1 2 1 5 收到修改稿 成为人类发展的最佳栖息地。为了尽早地实现海洋 资源的开采和开发，现今世界各国都将重心置于新 兴科技和新型动力源的研究方向[1 - 2 1 o 液压马达泵是一种新型的液压动力单元， 与传统 的电动机、联轴器和液压泵组成的 “ 三段式” 动力单 元比较而言，液压马达泵具有结构紧凑、噪声低，同 时无泄漏的突出优点， 这使得液压马达泵在许多这种 特殊的工作环境面前表现出强大竞争力 圳 。 提出一种新型结构的液压马达泵， 其将双斜盘结 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 8 机械工程学报 第4 9卷第 2期 心力合力为零 分析 中不考虑附加力矩 ，因此 ，就 力平衡而言单侧柱塞滑靴组件运动时产生离心力合 力对缸体作用力为零，整体作用效果仅对缸体产生 一 个沿轴线的弯曲力矩。由于该电动机泵结构采用 对称双斜盘结构，左右两侧数 目相 同的柱塞滑靴组 件运动过程中产生的离心力整体平衡，左右两侧产 生的弯曲力矩大小相等 ，方 向相反，相互抵消，因 此可 以得到电动机泵在运动过程 中柱塞滑靴组件产 生的离心力不会影响缸体的平衡。 Pl i F l ＼ 厂 图2 单侧柱塞滑靴组件的离心力分析图 2 轴 向惯性力 对缸体平衡影响分析。各柱 塞滑靴组件在往复直线运动过程中产生轴向惯性 力 ，该 力方 向沿缸 体轴 线 ，且 大 小相 等 ，均 为 ，缸体两端的柱塞滑靴组件所产生的 轴 向惯性力方 向相反，如图 3 所示 。将它们 向旋转 轴线 轴平移，如此能将两端的轴向惯性力进行力 的分解， 可以得到两端轴向惯性力相互抵消的同时， 由平移产生的附加力矩 的作用也相互抵消，因此各 对应柱塞轴向惯性力 和 F 相互平衡 ， 对缸体 中 心轴 X轴作用效果为零。 图 3 双斜盘结构系统惯性力分析图 3 摩擦力 对缸体平衡影响分析。 摩擦力 凡f 与 F 分别作用于缸体两端的斜盘盘面上，垂直于 运动轨迹 曲线矢径 ，和运动方向相反。这里将摩擦 力 分解成 X轴上力 打 和 O y z面上力 ． iy O z ， 如图4 所示， 比较可以发现 与F 大小相等，方向相反，分别作用于与X 轴平行的直 线上，如此可以得出两端斜盘上的摩擦力沿 X轴的 分解量对缸体的作用效果相互抵消。O y z平面分力 O z 与 F 加 分别作用于不同垂直于 轴的平面 内，这里将两力分别进行力的分解与合成可以得到 缸体单侧的摩擦力合成图如图 5所示 。综合分析左 右两侧摩擦力合力，可以得出摩擦力 与 F 最终 合成两个方向相同的摩擦阻力偶 与 ，似 ，其方 向始终与旋转方向相反。同时还得到两平行平面的 两力％ 与F ， 对两侧轴承支承处产生径向力作用。 f ／／F ， 图4 单侧斜盘盘面摩擦力分析图 口3 y z 4 ／ ／ ／ ＼F t,4 5 s gy ． t2 3 1 0 1 ly z／ ly z 一 凡 1 0 1 ] y z 凡 s g y z 图 5 单侧斜盘盘面摩擦力合成图 通过对旋转系统在运动过程 中所 受各种力 的 分析可以得到，双斜盘的特殊结构使得旋转系统两 侧大部分的作用力相互抵消，系统整体趋于平衡， 很大程度上改善了电动机泵整体的受力状况，有效 地增强了电动机泵运转的稳定性和安全可靠性。 2 电动机泵的试验研究 2 ． 1 试验 内容 依据 J B ／ T 7 0 4 3 ． 2 0 0 6 液压轴向柱塞泵中关 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 1月 朱碧海等水液压双斜盘轴向柱塞式电动机泵试验研究 1 4 9 于轴向柱塞泵试验的相关内容，该电动机泵的试验 原理 图如图 6所示，此循环 回路系统为闭式系统， 泵体整体置于水箱之 中，并配以温度计时刻监控水 箱 中工作介质 的温度 ，进水阀 B、放水 阀 C用于控 制水箱中水的循环时刻保证水箱中温度小于 3 0℃。 试验过程 中通过水箱 中水 的温度和环境温度的差值 比较，可 以估算出电动机绕组的发热状况。试验系 统通过在泵出口连接节流阀来模拟负载压力，涡轮 流量计可以对电动机泵的实际输出流量进行测量。 图6 电动机泵的试验原理图 1 ．自来水截止阀2 ．电动机泵冷却水箱3 ．电动机泵4 ．温度计 5 ．节流阀6 ． 压力表7 ． 流量计8 ．截止 阀9 ．水箱l O ．溢流 阀 考虑到实验室具体设备以及深海试验的难度， 本文样机通过 自来水加压来模拟一定深度的海水压 力 。 电动机泵吸水 口通过截止 阀A直接引入 自来水， 通过 自来水 自身压力来模拟 2 5 3 0 m 的水下工况 试验 中自来水出口端压力为 0 ． 2 5 0 ． 3 0 MP a 。 根据机械标准的试验方法步骤，同时结合该电 动机泵的特点，本文作者对该电动机泵进行了跑和 试验和加载试验。在 电动机泵跑和过程 中进行不 同 转速 下空载跑和 以消除柱塞． 滑靴和球铰一 回程盘等 摩擦副之间的表面粗糙峰值 ，增加摩擦副之间的配 合表面面积，同时提高配合表面粗糙度，而后进行 加载跑和试验，当电动机泵完成系列跑和试验后在 出口处增加负载压力进行加载试验 ，测量 电动机泵 在不 同转速下的流量和压力参数 。 2 ． 2 试验结果及分析 2 ．2 ． 1 空载流量特性 图7 为样机在无负载工作状态下转速与流量之 间的曲线关系。通过图7中曲线可以得出，样机的 输出流量随转速增加而增大， 呈现良好的线性关系， 说明电动机泵运行平稳，滑靴能够在工作过程中与 斜盘保持一定的小间隙，缝隙中的泄漏流体状态属 于层流，比较适用于该电动机泵的工作状态；同时 也说明在缸体旋转工作时引入离心力的情况下配流 阀仍能可靠稳定的工作，表明该 电动机泵配流 阀结 构设计部分 比较合理，初步验证了该电动机泵结构 的实施可能性 。 菖 耋 删 煺 转速 r ／ mi n 图7 电动机泵样机空载流量曲线 2 ． 2 ． 2 压力． 流量特性和容积效率特性 多次调定样机 内电动机的同步转速为 6 0 0 r ／ mi n 、9 0 0 r ／ mi n 、1 2 0 0 r ／ mi n 、l 5 0 0 r ／ mi n时，对 样机进行加载试验 。通过压力表与涡轮流量计测得 试验数据 并通过数学软件进行 曲线绘制 ， 所得压力一 流量 曲线如 图 8所示，同时计算绘制得到的容积效 率曲线图如图9 所示。从图 9 可以得出，随着压力 的增加，样机的输出流量与容积效率均下降，但始 终保持在 6 0 ％以上。其原因为样机电动机泵出口压 力增加，柱塞副、滑靴副配合处在 电动机泵 内部压 力的作用下 出现大量泄漏，使输 出的流量下 降，同 时吸入阀响应 的滞后造成 了部分泄漏流量的增加 ， 说明该电动机泵在结构参数上存在优化的空间，性 能有待提高。 压力 ／ MP a 图8 电动机泵样机压力． 流量曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 0 机械工程学报 第 4 9卷第 2期 一 槲 3 结论 压力 ／ MP a 图 9 电动机泵压力一 容积效率曲线 1 将 电动机与特殊结构的双斜盘柱塞泵联接 为一体极大地减小了动力单元的占用空间，使得该 电动机泵的适用场合适用空间更宽广 ，相 比于传统 的液压动力单元表现 出极大的竞争力 。 2 电动机泵内部对称 的双斜盘结构使得泵体 内部缸体受力更平稳，极大地改善了缸体工作时的 受力状况 ， 能有效提高 电动机泵工作的安全可靠性 。 3 泵在试验压力 9 MP a 下 ，容积效率能够保 证 6 0 ％以上，证明该电动机泵结构的可行性，对于 泵的工作性能可以依靠后续的结构优化和合理参数 选择来改善。 总的来说，该电动机泵拥有体型小，结构紧凑 以及功率密度大等诸多优点，可以作为深海液压动 力源 的设计新思路和参考依据，同时该 电动机泵的 工作原理及结构也可拓展用于其他不同的工作介质 中，例如液压油 ，其也能表现 出优秀的工作性能， 这也是一个非常有前景的发展方向。 参考文献 [ 1 ]李维嘉，向忠祥，矛基愚． 工作于海下的液压系统应考 虑的若干问题及解决方法[ J ] ．液压与气动，1 9 9 5 5 , 3． 4． L I We ij i a，XI A NG Z h o n g x i a n g，MA O J i y u ．S o me p r o b l e ms o f t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e ms us e d i n s e a w a t e r a n d s o l u t i o n s o f t h e m[ J ] ． H y dra u l i c s a n d P n e u ma t i c s ，1 9 9 5 5 3 - 4 ． [ 2 ]曹学鹏，邓斌，邹波，等．深海开环式液压源的试验研 究[ J ] ．海洋技术，2 0 0 9 ，2 8 4 7 6 ． 7 9 ． CAO Xu e p e n g ， DE NG Bi n， Z OU Bo ， e t a 1 ． E x p e rime n t a l s t u d y o n d e e p s e a o p e n l o o p h y dra u l i c p o we r [ J ] ． O c e an T e c h n o l o g y ，2 0 0 9 ，2 8 4 7 6 - 7 9 ． [ 3 】江木正夫，萧欣志．日本液压技术动向[ J ] ．液压气动与 密封 ，2 0 0 4 1 l 1 1 4 ． M AS AO E， XI AO Xi n z h i ． T h e t r e n d o f J a p a n ’ S h y dra u l i c t e c hno l o g y [ J ] ． H y dra u l i c s P n e u m i c s a n d S e a l s， 2 0 0 4 1 1 1 - 1 4 ． [ 4 】J I Ho n g ， Q I Q i ， WANG Z h e n g r o n g ， e t a 1 ． A n o v e l d e s i g n o f h y dra u l i c mo t o r - v a n e p u mp wi t h a u x i l i a r y c e n t r i f u g a l p u mp [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 5 th I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n F l u i d Po we r T r a n s mi s s i o n a n d Co n t r o l ， Be i d a i h e ， 2 0 0 7 1 4 1 ． 1 4 4 ． [ 5 ]MA NR I NG N D，ME HT A V S ， R AA B F J ． T h e s h a ft t o r q u e o f a t and a m a x i a l p i s t o n p u mp [ J ] ．J o u r n a l o f Dy n a mi c S y s t e ms Me a s u r e me n t a n d C o n t r o l ， 2 0 0 7 1 2 9 3 6 7 ． 3 71 ． [ 6 】MA NR I NG N D，DA MT E W F A． T h e c o n tr o l t o r q u e o n the s wa s h p P l a t e o f an a x i a l p i s t o n p u mp u t i l i z i n g p i s t o n - b o r e s p r i n g s [ J ] ．J o u r n a l o f Dy n a mi c S y s t e ms ， Me a s u r e me n t and C o n tr o l ，2 0 0 1 f 1 2 3 4 7 l 一 4 7 8 ． [ 7 】MAN R I NG N D． T h e c o n t r o l and c o n t a i n me n t f o r c e s o n the s wa s h p l a t e o f an a x i a l - p i s t o n p u mp [ J ] ． J o u r n a l o f Dy n a mi c S y s t e ms M e a s ur e me n t a n d Co n tr o l ， 1 9 9 9 1 2 1 5 9 9 - 6 0 5 ． [ 8 ]MAN R I NG N D． F ri c ti o n f o r c e s wi thi n the c y l i n d e r b o r e s o f s wa s h p l a t e t y p e a x i a l - p i s t o n p u mp s a n d mo t o r s [ J ] ． J o u r n a l o f Dy n a mi c S y s t e ms M e a s ur e me n t an d Co n t r o l ， 1 9 9 9 1 2 1 5 3 1 - 5 3 7 ． [ 9 ]H O NGYS ，DO HYH． A n a l y s i s o nt h e f r i c ti o nl o s s e s o f a b e n t - a x i s t y p e h y dra u l i c p i s t o n p u mp [ J ] ． KS ME I n t e rna t i o n a l J o u r n a l ，2 0 0 4 ，1 8 9 1 6 6 8 - 1 6 7 9 ． 作者简介朱碧海 通信作者 ，男，1 9 6 7年出生，博士，副教授，硕士 研究生导师。主要研究方向为水液压传动控制技术。 E - m a i l z h u b i h a i 1 6 3 ． c o rn 吴肖字，男，1 9 8 7年出生。主要研究方向流体传动与控制。 E - ma i l h b t mw x y 1 6 3 ． c o m 牛壮，男，1 9 8 6 年 出生。主要研究方 向为水液压元件与系统。 E ma i l n i u z h u a n g 1 1 2 2 1 6 3 ． c o rn 贺小峰，男，1 9 6 8 年 出生，博士，副教授 。主要研究方向为水压传动技 术基础理论及应用 。 E ma i l h e x i a o f e n g 3 t o m．c o m 刘银水，男，1 9 7 3年出生，博士，教授。主要研究方向为水压传动技术 及电液控制工程。 E - ma i l l i u w a t t o m． t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m