船舶舵機液壓泵替換研究

李踐飛，韓凱，夏振盛

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船舶舵機液壓泵替換研究

李踐飛，韓凱，夏振盛

（海軍潛艇學院，山東青島 266042）

針對船舶舵機液壓泵的維修情況和工作噪聲情況，通過檢測和計算得出該型液壓泵存在的不足及原因，進而從延長工作壽命和降低噪聲兩個方面，基于該型液壓泵的改進和更換新型液壓泵兩個思路提出改進方案，最后經過測試對比選擇出最優改進方案。

軸向柱塞泵 內嚙合齒輪泵 螺桿泵 磨損

0 引言

某船舶舵機液壓系統中目前使用的是軸向柱塞泵，這是設計建造時的最優選擇。隨著國內外材料、制造等技術的不斷發展，液壓泵的新技術、新產品不斷出現。針對在使用中舵機液壓泵出現的一些問題，結合現今的技術和產品，對其進行設計方案改進。

1 現存問題

該型船舶舵機液壓泵為斜軸式軸向柱塞泵，額定轉速=1480 r/min，額定壓力25 MPa，排量=125 mL/r。

根據多艘該型船舶近5年來的入廠維修情況，列出舵機液壓泵的主要維修部件如表1所示。

根據部件更換頻率和對換下故障部件的分析，可以發現摩擦副的磨損是影響該型液壓泵工作壽命的主要原因。軸向柱塞泵中柱塞副、配流副和柱塞與斜盤(滑靴)的接觸副這三個摩擦副是產生能量耗散、泄漏、流量脈動的地方，泵的性能和壽命與這些摩擦副息息相關。

表1 舵機液壓泵維修情況列表

下面對該型軸向柱塞泵受力情況進行計算，分析摩擦副磨損的主要原因。

該型軸向柱塞泵配流副和斜盤（滑靴）副的設計采用剩余壓緊力設計法。在滑靴和斜盤之間、缸體和配流盤之間有一定厚度的壓力油膜，用油膜推力來平衡滑靴對斜盤的大部分壓緊力和缸體對配流盤的大部分壓緊力，而剩余的小部分壓緊力則保證滑靴始終壓向斜盤。

1）缸體對配流盤的液壓壓緊力F

s——缸體對配流盤的液壓壓緊力

——柱塞數，取=9

——柱塞橫截面積

——柱塞孔分布角

s——缸內液體壓力

2）配流盤對缸體的反推力0

——配流盤腰型槽的有效總角

1——內密封帶的內半徑

1——內密封帶的外半徑

2——外密封帶的內半徑

2——外密封帶的外半徑

s——缸內液體壓力

3）彈簧預壓緊力t

t=（+）

——彈簧剛度

——彈簧預壓縮長度

——缸體和配流盤間的油膜厚度

4）缸體對配流盤的總壓緊力

=s+t

（5）剩余壓緊力Δ

Δ=-0

由受力分析可知，缸體轉角在0￡￡和￡￡時，s分別為固定值，但0卻隨缸體轉角的變化而變化，這就使缸體受不平衡力和不平衡力矩。再加上零件表面受壓變形和軸的撓曲變形等，使摩擦副之間的油膜被破壞，甚至局部會發生摩擦副材料的直接接觸，從而產生熱量的急劇上升加劇摩擦，引起粘著磨損[1]造成摩擦副損傷。

此外由于柱塞泵本身對油液污染敏感，當油液產生嚴重污染時引發的磨料磨損[2]也是造成摩擦副損傷的原因之一。

在舵機液壓系統中，液壓泵是主要噪聲源。表2列出了舵機液壓泵在工作壓力（20 MPa）下的噪聲數據。

表2 舵機液壓泵噪聲

軸向柱塞泵由于缸體輸出的油液的不連續和吸油、壓油腔的分離結構使其產生了較大的流量脈動和液壓噪聲，還有復雜流道產生的氣穴噪聲。并且由于存在較大的流量脈動，會引起油路管的振動，這一振動隨著管路的延長而越加明顯，產生的振動噪聲也越大。實際使用中我們發現特別是當兩條油路管相距較近時很容易引發共振，產生很大噪聲，可達90 dB。

2 改進目標和改進思路

根據該型舵機液壓泵在實際使用中存在的問題，提出改進目標：

1）提高工作壽命,降低故障率。

2）降低噪聲。

針對現有問題及改進目標提出兩種改進思路：

1）基于現有柱塞泵進行改進，主要是采取降低摩擦副的磨損和噪聲的措施。

2）將柱塞泵更換為其他類型的液壓泵，主要是選擇流量脈動小、噪聲小、對油液污染不敏感、工作壽命長的液壓泵類型。

3 改進方案的選擇

3.1 基于該型柱塞泵的改進方案

3.1.1減小摩擦副磨損的措施

1）減小剩余預緊壓力Δ，適當增大反推力0

通過前面的受力分析，采用靜壓力平衡原理，作者認為適當減小剩余預壓緊力、增大反推力能夠達到減小摩擦的作用。

2）控制油液污染

控制油液污染，改善液壓泵的潤滑環境，可以減小磨料磨損。

3）改進操作規程，并嚴格執行

根據實際使用情況來看，不按章操作引起的事故磨損也是柱塞泵摩擦副磨損的一大原因，應當明確舵機液壓泵的操作規程，如初次使用時的工作前準備、長期使用后停機的操作步驟等具體規程。

3.1.2減小液壓泵噪聲的措施

1）采用降噪配流盤

根據國內的研究成果，將現有配流盤更換為降噪配流盤，噪聲平均可下降2.5 dB。

2）確保泵吸油口處的壓力，避免泵吸空

液壓泵一旦吸人空氣，將會在油液內部產生氣穴和氣蝕現象，同時產生強烈的振動和噪聲，并通過油液傳遞到外部。可采取如增大吸油口通徑，將油箱架高，控制油溫以避免油液粘度過大，在油箱上安裝呼吸器以避免油箱產生負壓等措施來避免泵吸空，從而減小噪聲。

3）泵與電機的連接需用帶緩沖墊的柔性聯軸器，并確保同軸度

通過研究發現，外部機械連接處產生的振動噪聲也是液壓泵的主要噪聲來源，在泵與電機的連接使用帶緩沖墊的柔性聯軸器，并確保同軸度可降低機械噪聲。

表3 改進后柱塞泵的實測數據

（測試條件：工作壓力20 MPa，驅動轉速1500 r/min）

如表3所示，改進后的柱塞泵性能提升并不明顯。基于該型柱塞泵的改進方案可以視為一種改進性維修，由于柱塞泵的結構特點，其不平衡力不能消除，流量脈動大，從改進零件結構，控制油液污染的角度來提高摩擦副的性能和降低噪聲是非常有限的。

3.2 替換液壓泵的改進方案

按目前統計資料，作者對現有的各類型液壓泵的主要性能進行了分析對比，如表4所示：

首先，選用的液壓泵應當能夠滿足工作要求：

1）輸出壓力≥20 MPa

2）排量≥125 mL/r

3）轉速范圍1000~2000 r/min

其次應當噪聲小，對油液污染不敏感。

綜合比較表4中的各類液壓泵，漸開線式的內嚙合齒輪泵和螺桿泵能夠滿足要求。下面進行這兩類泵的選型和比較。

1）漸開線式的內嚙合齒輪泵的選型

通過對比各類漸開線式的內嚙合齒輪泵，作者選擇了IGP型高壓低噪聲內嚙合齒輪泵。IGP型內嚙合齒輪泵通過結構上的設計和改進，使泵的承載能力和容積效率大為提高，同時保持工作噪聲在較低水平。在額定工作壓力31.5 MPa下，容積效率可達91％，噪聲控制在70 dB以下。

2）螺桿泵的選型

表4 各類液壓泵的主要性能

表5 螺桿泵應用范圍

泵型流量（L/min）壓力（MPa）最高溫度（℃）輸送液體性質 單螺桿泵9200以下0.6~2.4300含小顆粒，有腐蝕性 雙螺桿泵33000以下5~8400含微小顆粒，有腐蝕性 三螺桿泵13000以下25300無腐蝕性的潤滑液體 四螺桿泵其應用條件與五螺桿泵相似 五螺桿泵160001.0150無腐蝕性的潤滑液體

如表5所示作者列出了目前幾種螺桿泵的應用范圍，不難看出三螺桿泵符合本型船舶舵機液壓系統的工作要求。并且三螺桿泵是目前產量最高，系列最多，應用最為廣泛的一種螺桿泵。對比國內三螺桿泵產品，作者選用了天津工業泵廠的高壓系列三螺桿泵。

3）兩類液壓泵對比選用

IGP型高壓低噪聲內嚙合齒輪泵，其具有結構緊湊，重量輕，噪聲小，流量脈動小，效率高，還可以做到無困油現象等一系列優點。它的不足之處是齒形復雜，加工要求精度高，工藝復雜。

高壓系列三螺桿泵，其具有結構緊湊，體積小，重量輕，自吸能力強，運轉平穩，流量無脈動，噪聲小，對油液污染不敏感，工作壽命長等優點。它的不足之處是加工工藝復雜，制造成本高，造價是現有柱塞泵的3倍。

對同排量（150 mL/min）的兩類液壓泵進行了實驗對比，結果如表6所示。

表6 IGP型高壓低噪聲內嚙合齒輪泵和高壓系列三螺桿泵的實測數據

（測試條件：工作壓力20MPa，驅動轉速1500 r/min）

根據實測數據可以發現將柱塞泵替換為同排量的流量脈動低、噪聲小的液壓泵相較于僅僅是基于現有柱塞泵進行改進可以更好的提高整套舵機液壓裝置的性能。

對比表6的數據可以發現三螺桿泵相較于內嚙合齒輪泵在同等工作條件下具有更低的噪聲，更小的流量脈動率和故障率。并且由于三螺桿泵基本無流量脈動，液壓油路管不會產生振動噪聲，也大大降低了整套舵機液壓系統的噪聲。

4 結束語

通過分析該型船舶舵機液壓泵存在的問題提出改進方案，最終得出結論：將現有的軸向柱塞泵替換為同排量的三螺桿泵，液壓泵噪聲降低到原先的70%，工作壽命延長3倍，可提高該型船舶舵機液壓系統的可靠性。

注釋：

本文的故障率采用頻率估計

[1] 楊爾莊. 二十一世紀液壓技術現狀及發展趨勢[J]. 液壓與氣動, 2001(6).

[2] 陳林強. 液壓系統常見故障成因及其頂防與排除[J]. 液壓與氣動, 2003(7).

[3] 李建宇. 液壓系統振動噪聲產生原因分析[J]. 液壓與氣動, 2006(5).

[4] 陳志剛. 63CYl4-1B軸向柱塞泵結構改進設計[J]. 機械設計與制造, 2010(1).

[5] 葉清. 內嚙合齒輪泵幾何參數及流量脈動的研究[D]. 蘭州: 蘭州理工大學, 2007.

[6] 張寒峭. 螺桿泵及新型組件的新進展[J]. 石油機械, 2005（11）.

[7] 范宗霖, 張翼飛, 陳金海. 我國泵行業的現狀與未來思考[J]. 水泵技術, 2007 (1).

Research on Replacement of Ship Steering Pump

Li Jianfei, Han Kai, Xia Zhensheng

( Navy Submarine Academy, Qingdao 266044, Shandong, China)

U671 TH137

A

1003-4862（2014）02-0070-04

李踐飛（1973-），男，碩士，講師。研究方向：通信與信息工程。

2013-09-04