径向液压泵柱塞副接触应力的分析

　　0　引言

　　液压传动系统具有功率密度大、传动连接灵活、无级变速等特点,被广泛应用于工业设备及仓储物流机械中。应用范围的扩展对泵在工作压力、可靠性、耐久性、噪声等方面提出了更为苛刻的要求,柱塞泵向着高速、高压、高可靠性、低噪声、控制便捷等方向发展。与轴向柱塞泵相比,径向变量柱塞泵具有耐冲击、受力性能良好、寿命长、控制精度高的特点[1],因而,径向柱塞式液压泵被广泛使用。在工作过程中,液压泵中几对关键摩擦副的失效可能导致整个液压泵的报废,摩擦副性能的优劣直接影响到泵的使用寿命和可靠性,摩擦副的结构和材料对泵的性能起着决定性的作用[2]。

　　为提高液压泵的性能,国内外的专家都对泵的柱塞缸体摩擦副作了相关研究。郭卫东等[3]分析柱塞副力学模型时,假设柱塞与缸体同心且中间间隙为零;余祖耀等[4]建立了柱塞与缸孔之间有间隙条件下的受力数学模型,符合径向柱塞泵在运行过程中柱塞与缸孔接触时的实际情况;Manring[5]研究了柱塞和缸孔之间受力情况,分别研究了不同润滑、速度条件下的摩擦状况及柱塞所受摩擦力与泵的机械效率之间的关系;Yamaguchi[6]分析研究了柱塞在缸孔中运动时,受固体作用力和液体作用力所产生的能量损失;Monika对轴向柱塞泵和连杆型径向柱塞泵进行了受力分析[7]。以上研究分析多以轴向柱塞泵为研究对象,且没有考虑到柱塞因运动而产生的附加力。本文对新型径向泵柱塞副的结构进行分析,根据柱塞与缸孔之间存在间隙的事实,把运行中的惯性力引入计算,建立符合实际工况的新型径向柱塞泵的柱塞副受力模型。

　　1　径向泵的结构分析

　　新型径向柱塞泵包括缸体、柱塞、滚柱和配流盘主要部件,结构如图1所示。柱塞环转轴以相等间隔角呈星形排列在缸体中,柱塞的轴线和转动轴垂直。定子与转子之间存在偏心e,当缸体转动的时候,柱塞一方面进行相对于缸体的往复直线运动,另一方面随着缸体做角速度为ω的旋转运动,这样就可通过改变工作腔体积完成工作循环。与传统的径向柱塞泵不同的是,该泵省略了滑靴,采用在柱塞的头部镶嵌滚柱直接与外圈定子接触。

　　通过对径向滚子柱塞泵的柱塞、缸体、定子之间的结构关系进行分析,建立柱塞副在运转情况下的动态受力模型,这个模型是建立在柱塞和缸体副之间存在间隙的条件上的,考虑了柱塞泵高速运行时,柱塞受到端部的液压力、惯性力、柱塞和缸体副间摩擦力、科氏惯性力等,指出了柱塞的几何尺寸、材料对泵性能的影响。

　　2　柱塞副、滚柱的受力分析

　　2.1　柱塞、滚子受力