裝載機(jī)用高壓葉片泵失效機(jī)理研究

, (中國路橋工程有限責(zé)任公司, 北京 100011)

引言

隨著全球工業(yè)化的不斷深入，噪聲污染已被看作是繼空氣污染后對(duì)人體危害最大的生態(tài)隱患。目前，國內(nèi)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)多采用外嚙合齒輪作為動(dòng)力源，外嚙合齒輪泵雖然具有自吸性能且構(gòu)造簡單、工作可靠、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但是其流量和壓力脈動(dòng)較大，噪聲較大等固有缺陷是很難克服的。液壓泵作為裝載機(jī)液壓系統(tǒng)主要噪聲源，成為降低裝載機(jī)噪聲的主要研究方向之一[1]。

由于葉片泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，具有流量均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此葉片泵逐漸成為裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的首要選擇[2，3]。但是，由于裝載機(jī)特殊工況要求，如何在降低噪聲的同時(shí)，延長葉片泵在裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的使用壽命成為關(guān)鍵問題。

現(xiàn)有資料表明，高壓葉片泵的研究主要集中在定子曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)、內(nèi)部流場分析、泄漏研究等方面，針對(duì)裝載機(jī)用高壓葉片泵浮動(dòng)側(cè)板磨損嚴(yán)重問題，國內(nèi)外科研工作者較少涉及。例如，甘肅工業(yè)大學(xué)的那成烈教授等人，研究了高壓葉片泵中存在的配流沖擊對(duì)油泵性能的影響，確定了側(cè)板與定子環(huán)工作的相對(duì)位置決定于壓力過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)要素[4]；馬金河、王芊等人，針對(duì)變量葉片泵配流盤減振槽對(duì)噪聲的影響展開了研究[5]。

本研究的研究目標(biāo)是分析裝載機(jī)用葉片泵浮動(dòng)側(cè)板磨損機(jī)理，合理設(shè)計(jì)葉片泵軸向間隙，延長葉片泵使用壽命?，F(xiàn)有葉片泵很難適應(yīng)裝載機(jī)的特殊工況，實(shí)際使用過程中具體表現(xiàn)為浮動(dòng)側(cè)板早期磨損嚴(yán)重，存在葉片泵使用壽命短等問題。針對(duì)該問題運(yùn)用熱切油膜理論研究葉片泵轉(zhuǎn)子與定子摩擦副失效機(jī)理，提出葉片泵軸向間隙參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

1 高壓葉片泵側(cè)板磨損問題

1.1 裝載機(jī)液壓系統(tǒng)特點(diǎn)

裝載機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜、工況惡劣，主要特點(diǎn)： ① 露天條件下工作，氣溫的變化大；② 負(fù)載繁重，負(fù)載的變化范圍很大，液壓系統(tǒng)壓力沖擊大；③ 工地上空氣中含灰塵量大，對(duì)液壓系統(tǒng)有較高的密封要求[6]。

裝載機(jī)的液壓系統(tǒng)由工作裝置液壓系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)兩部分組成[7]。工作裝置液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)動(dòng)臂舉升、動(dòng)臂下降、鏟斗的收斗、鏟斗卸料等動(dòng)作；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車輛的左右轉(zhuǎn)向，如圖1所示。針對(duì)裝載機(jī)的惡劣工況，其液壓系統(tǒng)多采用外嚙合齒輪泵作為動(dòng)力源。

圖1 裝載機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 裝載機(jī)噪聲要求

某型號(hào)裝載機(jī)為某公司，研制成功的國內(nèi)首臺(tái)靜音裝載機(jī)，整機(jī)噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CE認(rèn)證要求。擁有司機(jī)耳旁噪聲72 dB(856III駕駛室內(nèi)噪聲標(biāo)稱值是76 dB)、機(jī)外輻射噪聲104 dB的國內(nèi)絕對(duì)領(lǐng)先的靜音技術(shù)，接近國際先進(jìn)水平。

該型號(hào)裝載機(jī)主要出口至歐美等發(fā)達(dá)國家，是中國目前最高水平裝載機(jī)之一。為降低液壓系統(tǒng)噪聲，系統(tǒng)采用低流量、壓力脈動(dòng)的高壓葉片泵作為工作泵和轉(zhuǎn)向泵代替原有的外嚙合齒輪泵。工作泵為單聯(lián)葉片泵、轉(zhuǎn)向泵為雙聯(lián)葉片泵，但是由于裝載機(jī)的惡劣工況要求，工作泵和轉(zhuǎn)向泵都存在浮動(dòng)側(cè)板磨損嚴(yán)重，使用壽命縮短等問題。

1.3 浮動(dòng)側(cè)板磨損問題分析

以出口至東歐各國的裝載機(jī)葉片泵使用壽命為例，工作泵約為400 h，轉(zhuǎn)向泵約為600 h，不能滿足裝載機(jī)設(shè)計(jì)的液壓泵使用壽命為5000 h的要求。將報(bào)廢高壓葉片泵拆解分析，報(bào)廢原因主要為浮動(dòng)側(cè)板端面與轉(zhuǎn)子端面間摩擦副失效。分析裝載機(jī)高壓葉片泵側(cè)板磨損情況，發(fā)現(xiàn)浮動(dòng)側(cè)板與轉(zhuǎn)子間磨損程度達(dá)到撕脫，剪切破壞發(fā)生在摩擦副雙方金屬較深處，分別如圖2、圖3所示。

圖2 浮動(dòng)側(cè)板磨損情況

圖3 葉片泵轉(zhuǎn)子磨損情況

2 浮動(dòng)側(cè)板磨損機(jī)理分析

葉片泵浮動(dòng)側(cè)板磨損機(jī)理的思路為：首先、對(duì)高壓葉片泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析確定摩擦副尺寸；其次、通過計(jì)算側(cè)板摩擦副[pv]值及油膜溫升確定磨損原因。

2.1 高壓葉片泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該高壓葉片泵為平衡式柱銷葉片泵，采用浮動(dòng)側(cè)板技術(shù)實(shí)現(xiàn)軸向密封，主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 葉片泵技術(shù)參數(shù)表

出油口高壓油作用在浮動(dòng)側(cè)板背面形成壓緊力F1，浮動(dòng)側(cè)板密封面在葉片間油液壓力的作用線形成反推力F2。葉片泵工作時(shí)，壓緊力大于反推力，即F1>F2，從而保證浮動(dòng)側(cè)板壓緊在定子端面。葉片泵啟動(dòng)時(shí)，浮動(dòng)側(cè)板在彈性密封件的彈性壓力下，壓緊在定子端面，如圖4所示。

圖4 高壓葉片泵結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 摩擦副[pv]值計(jì)算

浮動(dòng)側(cè)板材料為球墨鑄鐵QT500-7，密封面進(jìn)行錳基磷酸鍍層。轉(zhuǎn)子材料為合金結(jié)構(gòu)鋼20CrNiMo。根據(jù)滑動(dòng)摩擦理論[8]，在邊界潤滑條件下，以鋼為對(duì)偶球磨鑄鐵的允許[p]值、 [v]值及[pv]值，分別為[p]=8.83 MPa，[v]=2.0 m/s，[pv]=1.76 MPa·m/s。

由于轉(zhuǎn)子與浮動(dòng)側(cè)板間軸向間隙h=0.012 mm，油膜厚度大于0.1 μm不屬于邊界油膜，因此不能完全運(yùn)用邊界潤滑理論對(duì)浮動(dòng)側(cè)板摩擦副進(jìn)行分析。

2.3 滑動(dòng)摩擦副溫升模型

由于摩擦表面作相對(duì)高速滑動(dòng)，此種滑動(dòng)摩擦力所消耗的機(jī)械功轉(zhuǎn)換成熱量，將使油膜溫升產(chǎn)生熱膨脹[9]。平行板摩擦副高速滑動(dòng)引起摩擦副內(nèi)油液溫升主要由壓差流動(dòng)和剪切流動(dòng)產(chǎn)生的熱量組成。以二平行平板間的剪切流動(dòng)為例，進(jìn)行壓差及剪切流動(dòng)產(chǎn)生的溫升情況分析。設(shè)平板的寬度為b，長度為L，二平板間的相對(duì)滑動(dòng)速度為v，二平板間的油膜厚度為h，二平行平板間壓差為Δp。

1) 壓差流動(dòng)產(chǎn)生的溫升

液壓油通過摩擦副間隙時(shí)將產(chǎn)生壓降Δp，壓力的損失導(dǎo)致液壓油的溫升。從能量平衡的角度分析，液壓油的壓力勢(shì)能損失所轉(zhuǎn)換成的熱量，大部分為液體本身所吸收，從而使油液產(chǎn)生溫升，小部分熱量通過壁面散入周圍環(huán)境(例如大氣)中，如式(1)所示：

(1)

式中：p1為間隙入口處壓力；p2為間隙入口處壓力；ρ為油液密度；c為油液比熱；ΔT為間隙兩端溫度差。

2) 剪切流動(dòng)產(chǎn)生的溫升

根據(jù)J.F.布拉克伯恩的研究成果，認(rèn)為由于油液剪切流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱使油液溫升膨脹，因此平行板間的剪切流動(dòng)是剪切流與熱楔流的耦合流動(dòng)，所以剪切流動(dòng)產(chǎn)生的溫升計(jì)算公式，如式(2)所示：

(2)

式中：λ為液壓油的黏溫系數(shù)；μ0為邊界上液壓油黏度；ρ0為邊界上液壓油密度。

3) 壓差流與剪切流聯(lián)合作用下溫升

液壓元件的摩擦副中，壓差流與剪切流聯(lián)合作用主要分為：壓差流與剪切流互成正交疊加、壓差流與剪切流同向疊加和反向疊加三種類型。當(dāng)壓差流與剪切流互成正交疊加以及同向或者反向時(shí)，摩擦副油膜的溫升，分別如式(3)、(4)所示：

(3)

式中：qp為壓差流量;qc為剪切流量。

(4)

式(4)中：“-”代表壓差流方向與平行板的滑動(dòng)方向同向的情況；“+” 代表壓差流方向與平行板的滑動(dòng)方向反向的情況。

3 浮動(dòng)側(cè)板摩擦副優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 建立油膜溫升計(jì)算模型

該型號(hào)葉片泵為12葉片結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子及浮動(dòng)側(cè)板，分別如圖5、圖6所示。根據(jù)對(duì)配流盤及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析可知，浮動(dòng)側(cè)板與轉(zhuǎn)子間油膜可分為吸油區(qū)和壓油區(qū)兩類。在吸油區(qū)由于不存在壓差流動(dòng)，所以油膜溫升主要是由側(cè)板與轉(zhuǎn)子間剪切流動(dòng)引起。在壓油區(qū)高壓油經(jīng)軸向間隙流向軸承腔， 所以此處油膜溫升是壓差流與剪切流正交耦合作用的結(jié)果。

圖5 葉片泵轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖6 葉片泵配流盤結(jié)構(gòu)

因此，葉片泵浮動(dòng)側(cè)板油膜溫升解析，應(yīng)以壓油區(qū)兩個(gè)葉片間轉(zhuǎn)子平面摩擦副為主，該摩擦副為扇形平面，如圖5中橢圓框標(biāo)示位置。

3.2 葉片泵軸向間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)

1) 葉片泵使用工況

以裝載機(jī)工作泵為例，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=2200 r/min， 葉片泵工作壓力Δp=20.0 MPa。轉(zhuǎn)子與浮動(dòng)側(cè)板間軸向間隙h=0.012 mm。為減少計(jì)算量，可將該摩擦副簡化為寬度為b=8.4 mm，長度為L=13.7 mm，滑動(dòng)速度為v=7.42 m/s的二平板滑動(dòng)模型。

2) 摩擦副油膜溫升ΔT

高壓油經(jīng)軸向間隙h通過軸承腔流向吸油腔的流量qp，如式(5)所示。由轉(zhuǎn)子與側(cè)板剪切運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的流量qc，如式(6)所示：

(5)

(6)

其中：μ=0.032 Pa·s為液壓油黏度。

將葉片泵轉(zhuǎn)子尺寸參數(shù)和裝載機(jī)工況參數(shù)，代入壓差流與剪切流互成正交疊加摩擦副油膜的溫升模型，如式(7)所示：

℃

(7)

3) 軸向間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)日本學(xué)者市川常雄和哈爾濱工業(yè)大學(xué)許耀銘教授的研究成果[10]，液壓泵中摩擦副處的油膜溫升應(yīng)不超過20～30 ℃。通過計(jì)算葉片泵側(cè)板與轉(zhuǎn)子間油膜溫升ΔT=45.3 ℃，超出許用范圍，導(dǎo)致摩擦副間發(fā)生粘著(或稱為膠合、冷焊)，該粘著又被外加滑動(dòng)力矩所撕脫成為粘著磨損。

為降低側(cè)板與轉(zhuǎn)子間油膜溫升ΔT，需增大軸向間隙h，但是軸向間隙增大會(huì)降低葉片泵容積效率ηv。根據(jù)JB/T 7039-2006中，關(guān)于葉片泵容積效率的規(guī)定ηv≥82%。建立葉片泵軸向間隙優(yōu)化模型，以油膜溫升20℃≤ΔT≤30℃為優(yōu)化目標(biāo)，約束條件定為ηv≥82%，優(yōu)化設(shè)計(jì)葉片泵軸向間隙，優(yōu)化結(jié)果為h=0.018 mm，ΔT=26.15 ℃。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)葉片泵軸向間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸加工葉片泵，在通過出廠試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，并對(duì)軸向間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的葉片泵各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 軸向間隙優(yōu)化前后對(duì)比分析

注：對(duì)比分析中正值表示優(yōu)化后比優(yōu)化前增加，負(fù)值表示優(yōu)化后比優(yōu)化前降低。

對(duì)比分析表2中的數(shù)據(jù)：由于軸向間隙增大，浮動(dòng)側(cè)板與轉(zhuǎn)子間油膜溫升ΔT=26.15 ℃，比優(yōu)化前降低了19.15 ℃。軸向間隙增大雖然使得葉片泵容積效率下降1.78%，但是機(jī)械效率卻提高2.16%，所以葉片泵總效率基本穩(wěn)定在80%。葉片泵使用壽命延長顯著，由優(yōu)化前約為500 h提高至優(yōu)化后約為5000 h滿足裝載機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

葉片泵應(yīng)用于裝載機(jī)液壓系統(tǒng)中，需著重考慮其液壓系統(tǒng)的惡劣工況對(duì)液壓泵的影響，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的劇烈變化對(duì)浮動(dòng)側(cè)板與轉(zhuǎn)子間摩擦副設(shè)計(jì)的影響。為減少浮動(dòng)側(cè)板磨損，延長葉片泵使用壽命，應(yīng)在保證葉片泵容積效率的前提下盡量增大軸向間隙，最大限度的降低摩擦副油膜溫升。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，葉片泵應(yīng)用于裝載機(jī)液壓系統(tǒng)時(shí)，其浮動(dòng)側(cè)板與轉(zhuǎn)子間油膜溫升應(yīng)控制在30 ℃以下。

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