2.3.2　柱塞泵的摩擦副介紹

柱塞泵的許多關(guān)鍵零件都處于高相對(duì)速度、高接觸比壓的相對(duì)摩擦工況。為提高元器件的性能和工作壽命,必須處理好這些摩擦副,通常采用如下措施。

(1)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),減小摩擦副的比壓

例如軸向柱塞泵的柱塞在缸體中做往復(fù)運(yùn)動(dòng),均為具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副。在工作中,柱塞受較大的橫向力,因而摩擦副的接觸比壓較大。為減小其接觸比壓,在進(jìn)行柱塞尺寸公差設(shè)計(jì)時(shí),通常在考慮了熱膨脹變形后保證摩擦副能靈活相對(duì)運(yùn)動(dòng)的前提下,兩零件間還應(yīng)保持盡可能小的間隙。這樣,摩擦副的接觸為面接觸,避免了點(diǎn)接觸或線接觸,從而使接觸比壓降低。

同時(shí),限制柱塞伸出缸體部分的長(zhǎng)度。一般在極限情況下,柱塞伸出缸體部分的長(zhǎng)度不超過(guò)其留在缸體內(nèi)部的長(zhǎng)度的一半。因而當(dāng)柱塞承受橫向力時(shí),摩擦副的接觸應(yīng)力較小。為限制柱塞的橫向力,斜盤(pán)式軸向柱塞泵的斜盤(pán)傾角不超過(guò)20°。與滑閥運(yùn)動(dòng)的液壓卡緊力類(lèi)似,柱塞泵的柱塞和缸體間也具有液壓卡緊力。因而需通過(guò)在柱塞外圓柱表面開(kāi)均壓槽的辦法來(lái)減小液壓卡緊力。

(2)選用合適的耐磨材料和熱處理方法

通常摩擦副的對(duì)磨表面都應(yīng)具有較高的硬度或較好的耐磨性。例如柱塞泵的柱塞均用優(yōu)質(zhì)合金鋼,淬火處理,而缸體則采用耐磨的合金銅。在某些場(chǎng)合還可以采用適當(dāng)?shù)哪湍ヒ簤河?以提高摩擦副的抗磨性能。

(3)采用靜壓平衡以降低摩擦副間的接觸比壓

例如軸向柱塞泵的柱塞?滑靴組件和斜盤(pán)之間存在很大的壓緊力。圖2?47為其靜壓平衡工作原理。當(dāng)柱塞處于排油工況時(shí),其頭部液壓力為p。考慮到斜盤(pán)的傾角,柱塞對(duì)斜盤(pán)的液壓壓緊力為F_N=πd2p/(4cosγ)。為平衡其壓緊力,在柱塞和滑靴中設(shè)置一小孔,使高壓油進(jìn)入滑靴和斜盤(pán)間的接觸面。由于小孔的節(jié)流作用,此接觸面上的油壓為p_N,p_N<p。考慮到滑靴和斜盤(pán)的接觸面間隙的泄漏,滑靴底部的壓力分布如圖2?47所示,此處的液壓力形成反推力F_Nf。只要選擇適當(dāng)?shù)?i>d₅和d₆,就能使柱塞端部的液壓壓緊力F_N略大于滑靴底部的液壓反推力F_Nf,這就是靜壓平衡原理。如果由于種種原因,柱塞對(duì)于斜盤(pán)的壓緊力F_N增加,則滑靴和斜盤(pán)間的油膜厚度就減小,泄漏量也因此減小,通過(guò)柱塞中間的節(jié)流孔的流量減小,節(jié)流孔兩端壓差降低,因而間隙處油壓p_N提高,使反推力F_Nf增加,柱塞?滑靴達(dá)到新的平衡。正確的設(shè)計(jì)應(yīng)是既能使柱塞?滑靴組件對(duì)斜盤(pán)的剩余壓緊力(即扣除了底部的液壓反推力之后的壓緊力)不大,又能保持滑靴和斜盤(pán)間較小的油膜厚度,以便維持較少的泄漏,得到較高的容積效率。

同樣,軸向柱塞泵的缸體和配油盤(pán)這一對(duì)摩擦副也采用靜壓平衡措施。由于受柱塞孔中高壓的作用,旋轉(zhuǎn)的缸體存在壓向固定的配油盤(pán)的很大壓力。采用靜壓平衡技術(shù)可以改善此摩擦副的受力情況。

在泵中很容易將壓力油引入摩擦副,因而靜壓平衡的原理廣泛地被采用。必須注意的是,采用此法是犧牲了元件的容積效率來(lái)?yè)Q取小的接觸比壓。因此,在設(shè)計(jì)、制造中應(yīng)權(quán)衡利弊,做到既能達(dá)到(或基本達(dá)到)靜壓平衡,又不過(guò)分降低容積效率。

(4)采用輔助承壓面

采用了靜壓平衡技術(shù),泵的摩擦副的接觸比壓大大降低。但是:

① 靜壓平衡所應(yīng)用的間隙壓力分布規(guī)律尚有一定近似性,實(shí)際上不可能做到完全的平衡。

② 為保持較小的間隙泄漏,摩擦副間必須維持一定的壓緊力。

③ 由于系統(tǒng)的壓力波動(dòng),或者泵在偏離工況下運(yùn)行(如斜盤(pán)式軸向柱塞泵傾角的變化即造成柱塞?滑靴組件對(duì)斜盤(pán)的壓緊力變化),靜壓平衡遭到部分破壞。因此,摩擦副的承磨面仍承受一定壓力。從靜壓平衡的原理看到,此承磨面同時(shí)又是維持壓力分布的密封面。如果此面磨損將會(huì)造成較大的泄漏,同時(shí)原設(shè)計(jì)的壓力分布規(guī)律也將變更,引起更大的接觸比壓,加劇了磨損。

輔助承壓面的設(shè)置目的是增加承壓面積,進(jìn)一步降低摩擦副的接觸比壓。必須說(shuō)明的是,輔助承壓面的任務(wù)僅為承壓,不能改變靜壓平衡的壓力分布規(guī)律而破壞原設(shè)計(jì)的靜壓平衡。圖2?48為柱塞?滑靴組件滑靴底部的輔助承壓面結(jié)構(gòu)形式。圖2?48(a)是無(wú)輔助承壓面的結(jié)構(gòu)。圖2?48(b)為具有內(nèi)、外輔助承壓面的結(jié)構(gòu)。圖2?48(b)中通油孔6通回油,泄油槽4亦通回油。因而輔助支承不改變滑靴底部的壓力分布規(guī)律,靜壓平衡得以保持不變。

圖2?49為軸向柱塞泵配油盤(pán)的輔助支承結(jié)構(gòu)。圖中內(nèi)、外密封帶上有壓力分布,起靜力平衡作用。由于泄油槽的作用,輔助支承4上沒(méi)有壓力,僅起承壓作用。

圖2?50是軸向柱塞泵配油盤(pán)的動(dòng)壓支承結(jié)構(gòu)。輔助支承做成在圓周方向上略帶傾斜的小平面(如圖中A—A剖面所示)。當(dāng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),此傾斜平面產(chǎn)生楔形油膜,形成軸向支承力。這種結(jié)構(gòu)有較大的承載能力,但是加工困難。