基于海水润滑的中高压海水液压泵设计研究

　　1 前言

　　直接以天然海水代替液压油作工作介质的海水液压传动技术具有与海洋环境相容、无环境污染、抗燃性好、效率高、操作简单、性能稳定等特点,在海洋环境条件下具有独特的使用优势,在海洋开发及海军装备等领域具有极其广阔的应用前景,并已成为目前国际上液压技术领域的重要研究方向和学科前沿[1]。

　　然而,海水的理化特性与常用的液压油存在着巨大差异,其黏度低、气化压力高、润滑性差,且腐蚀性强,使得海水液压元件的研究开发面临着诸多技术难题,特别是动力元件海水液压泵的研发更是整个海水液压系统研发和应用的关键[2]。

　　自1990年以来,某大学一直致力于海水液压传动技术的研究工作,相继研发出6.3 MPa、10 MPa的油水分离式轴向柱塞式海水液压泵[3]。为满足大深度作业海水液压水下作业工具系统的需要,作者研发出了14 MPa、40 L/min的基于海水润滑的阀配流轴向柱塞式海水液压泵。本文主要介绍其结构、关键摩擦副选材和主要性能试验情况。

　　2 总体结构

　　海水泵主体结构型式的选择必须有利于其各类关键技术难题的解决,特别是泄漏、摩擦磨损等难题,作者选择阀配流轴向柱塞式结构,如图1所示。该海水液压泵已获得中国发明专利,主要有以下特点:

　　(1)采用轴向柱塞式阀配流结构,缸体不动,中心弹簧回程,主轴带动斜盘旋转以使柱塞往复运动来完成吸、排水工作。与端面配流轴向柱塞泵相比,减少了配流盘/缸体端面这对关键摩擦副;

　　(2)采用平板阀配流,密封性能好,通流能力强,升程小,有利于提高配流阀的响应特性,而且加工工艺性较锥阀好;

　　(3)所有摩擦副均浸没于海水之中,直接利用海水润滑,其在水下工作时可以自动补偿环境水深压力,无需象油压泵或油水分离式结构海水泵那样要进行复杂的压力补偿设计;

　　(4)主轴与止推盘连成一体,由前、后两个滑动轴承支承承受径向力,由止推轴承承受柱塞通过斜盘传递过来的轴向力;

　　(5)滑靴与斜盘(摩擦盘)、柱塞与缸孔、止推轴承与止推盘等主要摩擦副均为面接触摩擦副,都引入高压海水实现液体静压支承,而且通过设计密封长度可以有效控制泄漏损失,有利于改善润滑条件、减小摩擦副相互接触的pv值。

　　3 关键摩擦副选材

　　合理选用材料特别是摩擦副材料是研制高性能海水液压泵的先决条件,必须依据环境条件、介质特性、工况条件、可靠性和寿命要求以及摩擦副的结构来选择材料。为此,我们建造了如图2所示的阀配流轴向柱塞式海水液压泵关键摩擦副综合模拟试验台,其缸孔、柱塞组件、摩擦盘均可方便拆卸,可以将侯选的材料按照设计要求制做成摩擦副试件,并分类组合递进进行综合模拟试验。不仅可以考察摩擦副对偶材料的摩擦磨损性能,而且可以考察摩擦副的结构、设计方法的合理性及可靠性。经过大量试验,最后得到海水泵各关键摩擦副和零部件的用材,见表2。