海(淡)水球塞泵的运动学分析

　　0 前言

　　球塞式海 (淡) 水液压泵作为一种新型径向液压泵，其核心在于用球形物为活塞，采用心轴配流。如图 1所示，定子内壁为椭圆形，转子高速旋转，球塞在惯性力、 液压力和定子反作用力作用下沿定子内壁作椭圆周运动，球塞、转子和配流心轴形成的工作腔体积发生变化，从而实现吸压水，配流心轴使吸入和压出的水按规定方向流动。 该泵周向结构对称，具有轴向柱塞泵的径向尺寸和径向柱塞泵的轴向尺寸，结构十分紧凑，且构件少， 可靠性高， 可实现低噪声、 大排量和高转速(3000r/m)。

　　偏心柱塞具有良好的自对中性, 并随偏心率的增加对中性能显著增强， 即柱塞在平衡位置受偏心微扰时柱塞副是稳定的。 但柱塞受微扰摆动时柱塞副是极不稳定的，液膜侧向力随柱塞摆角的增大而增大[1，2]，柱塞副之间会因摩擦、磨损而导致泄漏量增加，从而使整个柱塞泵的容积效率和机械效率大大降低。 而球塞泵的球活塞由于其球对称结构不会出现微扰摆动现象，在出现偏摆时也具有良好的回正性能， 因此球塞副是稳定的。

　　球塞副和配流副是海 (淡) 水球塞泵的两大摩擦副， 其密封和润滑性能好坏对球塞泵的整体性能有重要影响，其中尤以球塞副最为关键。 球塞副和柱塞副相比区别明显。 柱塞副是通过柱塞和缸筒之间的圆柱面密封的，密封长度较大，泄漏少;而球塞副为线密封，密封长度几乎为零。水的黏度只有液压油的 1/40 左右，因此球塞副应用于海(淡)水液压泵时要求配合间隙非常小，在 5μm 以下。

　　如此小的配合间隙只能通过两件之间的配对加工并采用特殊的加工工艺才能实现。 球塞副的配合间隙对其密封性能至关重要。

　　本文通过推导椭圆轨道球活塞式海(淡)水液压泵球塞运动的参数方程， 得到了球塞相对缸孔位移的参数方程、球塞对缸孔的瞬时压力角的参数方程，并进行仿真研究，指出了球塞相对缸孔移动的最大线速度、球塞对缸孔壁的最大压力角等对球塞副优化设计极为重要的参数。

　　1 运动方程

　　泵的初始位置如图 1 所示，此时 1 号球塞位于正下方，处于压水终了状态。 9 个球塞依次逆时针沿圆周均布。

　　式中 a———椭圆轨道的长半轴;

　　b———椭圆轨道的短半轴;

　　k———比例系数。

　　定子内轨曲线为椭圆曲线，方程为：

　　设球塞半径为 r，其中 r 满足：

　　式中 σ———定子椭圆轨道的槽深。