海水泵球铰副的结构设计及优化

　　1 前言

　　在轴向柱塞式液压泵中,一般认为有3对关键的摩擦副,即柱塞/缸孔、配流盘/缸孔端面和滑靴/斜盘。而球铰副(柱塞/滑靴组件中的柱塞球头与滑靴球窝这对摩擦副,如图1)却往往被忽视。事实上它对柱塞/缸孔副特别是对滑靴/斜盘副能否正常工作起着至关重要的作用。特别在海水泵中如果设计、选材不当,球铰副相对运转的摩擦阻力太大,滑靴绕球头运转不灵活,将引起滑靴倾侧破坏液膜、偏磨,严重时会引起烧靴,靴底的泄漏损失也将大幅度增加。因此对海水泵球铰副研究,特别是其选材与结构设计有着十分重要的意义。

　　本文利用有限元技术对不同结构、不同材料组合的球绞副进行应力分析和优化设计,研究不同结构和材料组合的球铰副在实际工作状态下的应力状态和变形情况,以为海水泵球铰副的设计提供一定理论依据。

　　1 球铰副的选材与结构设计

　　1.1 选材

　　对于海水泵柱塞/滑靴组件,耐蚀合金、工程陶瓷及高分子复合材料是重点候选材料。海水泵在吸、排水过程中,柱塞组件还受到一定冲击力的作用,陶瓷材料因为脆性问题有待于进一步的试验验证。工程塑料具有耐磨损、自润滑的优点,但是难以实现包球工艺。耐蚀合金具有良好的延展性,能够实现包球的强度及工艺性要求,所以滑靴与柱塞的主体材料应是耐蚀合金。剩下来的问题是如何从结构设计上把具有良好自润滑性能的高分子复合材料与耐蚀合金有机地结合起来,以有效解决其面临的摩擦学问题,同时保证必要的强度与可靠性要求。

　　1.2 球铰副结构设计

　　由于海水的润滑性很差,因此在低速度、高比压的球铰摩擦副中如果采用金属对金属方案,将很容易导致材料的粘着、切削、转移和磨损。工程塑料作为水液压元件摩擦副的材料能够发挥抗粘着、耐磨损、自润滑的优点,但塑料的包球工艺性差。应考虑将耐蚀合金与工程塑料有机地结合起来设计球铰摩擦副。海水泵在吸水过程中,球绞副承受的应力很小,选用金属对金属方案摩擦副产生粘着、转移和磨损的倾向性很小。因此球铰副之包球部分可以采用耐蚀合金+耐蚀合金方案。

　　根据海水泵的工作特点和各类材料各自的优点,可将耐蚀合金和高分子复合材料组合而成如图2所示的3种球绞副结构。结构a的球头为耐蚀合金,滑靴由耐蚀合金+高分子复合材料组成。结构b的球头为耐蚀合金,与柱塞材料一致,滑靴由耐蚀合金靴体+高分子复合材料球窝。结构c的球头为耐蚀合金+高分子复合材料,滑靴由耐蚀合金靴体组成。3种结构的球窝面均是高分子材料与耐蚀合金对偶,而且靴底也是高分子复合材料,可与耐蚀合金或整体陶瓷斜盘对偶,以有效解决球绞副、滑靴副的摩擦学问题。