径向柱塞泵柱塞副润滑特性分析.pdf

径向柱塞泵柱塞副润滑特性分析李彩红李 鑫张 正王传玺(长安大学 工程机械学院陕西 西安)摘 要:柱塞副是径向柱塞泵的关键摩擦副之一其润滑特性对泵的使用寿命产生很大影响因此开展径向柱塞泵柱塞副的润滑特性研究 首先对柱塞副进行受力分析分析动压支承下的柱塞副油膜受力然后建立柱塞副油膜厚度方程以及柱塞副油膜雷诺方程其次建立柱塞副稳态油膜模型借助流体仿真软件对柱塞副油膜压力进行分析结果表明柱塞腔压力对柱塞副油膜压力的影响很大为超高压下径向柱塞泵的研究奠定基础关键词:柱塞副 油膜 润滑特性 超高压中图分类号:文献标识码:文章编号:():.:总结本次设计是以全地形越野车控制系统为研究对象将其动力源改为电力驱动以 做中央处理器进行加速、匀速、转弯等基本动作的控制 其次在原有的控制基础上添加传感器以进一步优化控制系统 最后通过实操验证本次设计是正确可行的 当设计其他不同尺寸时只需根据公式带入相应的数据即可算出所需的控制脉冲频率然后在相应的寄存器里更改数据即可参考文献 赵志刚骆志伟胡小龙等.四轮独立驱动电动车控制系统设计与研究.微特电机():.吴廷强罗德莲熊中刚.工业运输电动车往返自动控制系统设计.电子设计工程():.张维玲李冬杨.智能电动车控制系统设计.机械研究与应用():.杨秀芬赵景彩.电气自动化设备中 控制系统的应用探讨.中国设备工程():.蒲宇.基于 控制系统设计的工程应用.现代工业经济和信息化():.作者简介:谌鑫()女彝族贵州织金县人硕士助教研究方向:数字化制造技术收稿日期:引言随着我国冶金、成型等重工业装备以及国家工业产能水平、国防建设等水平的提高径向柱塞泵发挥着越来越重要的作用 柱塞副是径向柱塞泵的关键摩擦副之一其润滑特性对机器的寿命有很大影响因此对柱塞副润滑特性的研究是径向柱塞泵重要的研究方向国内外学者对柱塞副油膜特性进行了大量的研究 开发了等温模型来研究径向柱塞泵柱塞副的油液流动为柱塞副的油膜特性研究提供基础 等开发综合多域仿真工具基于弹性流体动力润滑研究柱塞副油膜特性为研究柱塞副流固耦合研究提供思路 郑亮等人以轴向柱塞泵柱塞副为研究对象采用有限体积法求解雷诺方程研究多种因素对柱塞副润滑状态等的影响为径向柱塞泵柱塞副油膜特性的研究提供参考价值上述学者均对柱塞副的油膜特性进行了研究并给出油膜压力的影响因素 但是对于在超高压工况下以及结合油膜模型进行润滑特性分析较少 超过 的油液压力称为超高压因此本文建立径向柱塞泵油膜模型采用流体仿真软件对在不同压力条件下柱塞副的油膜压力进行分析进而预测泵的寿命 径向柱塞泵柱塞副径向柱塞泵柱塞副是柱塞泵中的关键摩擦副之一其结构如图 所示 柱塞副的工作原理为:当传动轴转动时带动偏心轴承转动使得柱塞在柱塞腔中往复运动 当柱塞向上运动时柱塞腔容积减小排油阀打开排出高压油液 在弹簧力的作用下柱塞回复运动柱塞腔容积增大吸油阀打开吸入低压油在柱塞往复运动的过程中柱塞与柱塞副之间存在润滑油膜它起到承载、润滑、密封等重要作用 柱塞副动力润滑模型.柱塞副受力分析径向柱塞泵在运动过程中柱塞副的受力不断图 柱塞副结构示意图变化 当凸轮转过角度 时柱塞的受力简化模型如图 所示?LBQ(GG94,:MMM图 柱塞副受力简图柱塞腔内油液对柱塞的作用力:()式中 为柱塞直径为柱塞腔内油液压力弹簧对柱塞的作用力:()式中为弹簧的预压缩弹簧力 为弹簧刚度/为柱塞位移柱塞在轴线方向的惯性力:()式中 为柱塞质量 为柱塞运动时的加速度为柱塞运动时的速度柱塞在运动过程时受到柱塞套侧向力的作用可等效为集中力 和 根据相似原理可得:()式中和 为柱塞与柱塞套间的接触长度且 为柱塞在柱塞缸中的留缸长度柱塞与柱塞套之间产生的轴向摩擦力:()式中 为柱塞与柱塞套之间的摩擦因数其值由柱塞副的润滑状态决定偏心凸轮对柱塞的作用力在 轴和 轴上的分量为:()式中 为凸轮转过角度 时凸轮的压力角.柱塞副油膜厚度模型如图 为柱塞副润滑油膜厚度示意图IHMHBQSQ:P;#9SDZNFF?图 柱塞副润滑油膜厚度模型当凸轮运动转过角度 时根据图 的几何关系可得柱塞副的油膜厚度为:()()()式中为油膜厚度为柱塞缸半径为柱塞半径其中()()、为柱塞在柱塞缸中的偏心量为柱塞在柱塞腔中的留缸长度.柱塞副润滑模型.动力支承条件下柱塞副动力学分析柱塞在柱塞缸中运动时由于凸轮的偏心作用141IIZ-EZZI?图 柱塞副动压支承示意图柱塞与柱塞缸之间形成不平行板的间隙运动间隙油膜产生动压支承的动压力如图 所示根据柱塞副动压支 承 模 型可 推 导得:()柱塞副油膜外侧总压力:()()()()式中 ()柱塞副油膜内侧总压力:()()()()式中 上式中 为柱塞在柱塞腔中的留缸长度为柱塞直径 、为柱塞副油膜两端压力为柱塞腔直径 为柱塞在柱塞腔中的偏心量 为柱塞轴线与柱塞腔轴线之间的夹角 为油液粘度为柱塞运动速度/.柱塞副润滑油膜雷诺方程()雷诺方程假设柱塞副润滑油膜雷诺方程的推导基于以下假设:)油液流动为层流)忽略油液惯性力和体积力)柱塞副的油膜厚度与油膜长度不在同一数量级忽略柱塞副油膜厚度方向的压力变化)忽略柱塞副油液体积力和惯性力)仅考虑、方向的速度梯度()雷诺方程推导根据上述假设得出柱塞副油膜雷诺方程为:()()()()式中 为油液密度/、分别为润滑油在柱塞表面的周向、轴向速度 柱塞副油膜稳态计算模型.柱塞副油膜模型建立表 为柱塞副主要参数 由于柱塞在柱塞腔内最小留缸长度时润滑特性最差根据柱塞副结构参数运用 软件建立柱塞副油膜模型图如图()所示 由于柱塞副油膜厚度与柱塞长度不在一个数量级因此手动将柱塞副油膜厚度局部放大如图()所示表 柱塞副主要参数名 称参 数单 位柱塞直径 柱塞长度.柱塞最小留缸长度 柱塞副配合间隙柱塞副最大工作压力 柱塞在柱塞腔中的偏心量 BC图 柱塞副油膜模型.网格划分将柱塞副油膜模型导入 软件进行网格划分 由于柱塞副油膜厚度为微米级因此采用非结构化网格划分并进行局部加密 网格划分结果如图 所示图 柱塞副油膜网格划分结果网格划分后对网格质量进行分析结果如图 所示图 网格质量检查由图 知网格质量达到要求可以进行运算.边界条件设置将柱塞副网格模型转化成.格式导入 软件进行求解运算 仿真时打开 模式选用 液压油 将油膜模型设置为流体域定义油膜左侧即柱塞腔压力为压力入口另一端为压力出口其余边界设置为壁面边界 仿真时具体参数如表 表 边界条件设置参 数数 值油液密度/油液粘度/.定压比热容/(/()出口压力/.柱塞缸体相对滑动速度(轴向)/(/).仿真结果分析分别将柱塞副油膜入口压力设置为 、设置边界条件进入求解模式步长设置为 进行计算直到达到收敛 将计算结果导入到 得到如图、图、图 所示的油膜压力分布云图图 入口压力为 时的压力云图图 入口压力为 时的压力云图图 入口压力为 时的压力云图由图 知当柱塞腔压力为 时油膜压力最大为.且柱塞副油膜压力从压力入口到压力出口逐渐降低油膜最小压力为.由图 可知当柱塞腔压力为 时柱塞副油膜最大压力为.油膜压力从压力入口逐渐降低且油膜最小压力为.由图可知当柱塞腔压力即油膜压力入口为 时柱塞腔油膜最大压力为.最小压力为.从柱塞副油膜压力云图中可知柱塞副油膜一侧的压力大于另一侧这可能是由于柱塞在柱塞腔中的偏心作用导致的综合图、图、图 可知当柱塞腔内油压压力增大时柱塞副油膜的入口压力也相应增大从而使油膜压力变大 这说明柱塞腔油液压力对柱塞副油膜压力有直接的影响 若柱塞腔内油液压力过大油膜压力也会过大油膜压力过大会产生变形甚至可能会导致柱塞副油膜破裂从而使得柱塞副润滑特性变差柱塞副磨损降低泵的使用效率和寿命 结论)对柱塞副进行受力分析对柱塞副在动压支承下进行动力学分析并计算柱塞副油膜厚度推导柱塞副雷诺方程为后续流场分析打下理论基础)分析在不同柱塞腔压力下的柱塞副油膜压力变化结果表明柱塞腔压力越大油膜压力越大为研究超高压下柱塞副的油膜特性提供了基础参考文献 王俊杰赵书尚李阁强等.偏心状态下柱塞泵柱塞副油膜特性仿真研究.机电工程():.杨东亚李伟涛李振宇等.高压柱塞泵摩擦副研究现状与展望.液压气动与密封():.:/.:.:.郑亮李国祥白书战等.大排量轴向柱塞泵柱塞副润滑特性分析.液压与气动():.许耀铭.油膜理论与液压泵和马达的摩擦副设计.北京:机械工业出版社.胡仁喜苑士华刘红宇等.高压高速条件下柱塞副泄漏流场分析.农业机械学报():.作者简介:李彩红()女长安大学硕士研究生主要研究方向为机电液一体化李鑫()男长安大学硕士研究生主要研究方向为机器人建模和控制张正()男长安大学硕士研究生主要研究方向为机电液一体化王传玺()男长安大学硕士研究生主要研究方向为机器人建模和控制收稿日期: