權(quán)云晴 李冀鵬 劉會(huì)祥 王宇浩 朱 熠

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浮板配流泵用球面型連通套摩擦副的一種設(shè)計(jì)方法

權(quán)云晴 李冀鵬 劉會(huì)祥 王宇浩 朱 熠

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

針對(duì)浮板配流結(jié)構(gòu)，采用剩余壓緊力法進(jìn)行球面型連通套環(huán)形摩擦副設(shè)計(jì)。對(duì)球面型連通套進(jìn)行受力分析，給出了工程可用的壓緊系數(shù)計(jì)算公式，并利用Fluent軟件的流場(chǎng)仿真結(jié)果確定了球面型連通套環(huán)形摩擦副的壓緊系數(shù)范圍。

浮板配流結(jié)構(gòu)；剩余壓緊力法；環(huán)形摩擦副；流場(chǎng)

1 引言

伺服泵是機(jī)電靜壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一，其液壓性能的好壞一定程度上取決于泵的配流機(jī)構(gòu)工作性能的優(yōu)劣。軸向柱塞泵的“浮動(dòng)體”一般為泵缸體或配流盤。泵缸體為浮動(dòng)體時(shí)，配流盤是固定的，有時(shí)存在泵缸體因受力不平衡而發(fā)生傾覆的情況。泵缸體傾覆將導(dǎo)致配流盤不均勻磨損并增大泄漏[1]。在浮板配流結(jié)構(gòu)中，浮板配流盤始終保持浮動(dòng)，當(dāng)泵缸體發(fā)生微小傾斜時(shí)，浮板配流盤在貼緊泵缸體的同時(shí)也發(fā)生微小傾斜，可有效減少泵缸體傾覆對(duì)配流盤的磨損。

球面型連通套的球面凹臺(tái)與固定盤形成環(huán)形摩擦副。在球面型連通套環(huán)形摩擦副設(shè)計(jì)中，若壓緊系數(shù)過(guò)小，則會(huì)增大伺服泵的泄漏量；若壓緊系數(shù)過(guò)大，則會(huì)影響球面型連通套的靈活性，最終導(dǎo)致浮板配流盤跟隨性差。

針對(duì)浮板配流結(jié)構(gòu)，以球面型連通套為研究對(duì)象，采用剩余壓緊力法進(jìn)行球面型連通套環(huán)形摩擦副設(shè)計(jì)，考慮多種受力因素，得到了工程可用的壓緊系數(shù)計(jì)算公式。為得到壓緊系數(shù)計(jì)算公式中的液膜承載力，利用Fluent軟件對(duì)環(huán)形摩擦副內(nèi)液膜進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定了球面型連通套環(huán)形摩擦副的壓緊系數(shù)范圍。

2 浮板配流結(jié)構(gòu)

浮板配流結(jié)構(gòu)如圖1所示。泵缸體2剛性地固定在伺服泵轉(zhuǎn)軸1上，由轉(zhuǎn)軸1帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。球頭螺釘5對(duì)浮板配流盤3進(jìn)行定位，使浮板配流盤3與固定盤4保持一定的浮動(dòng)間隙，但允許浮板配流盤3輕微轉(zhuǎn)動(dòng)。在浮板配流盤3吸油、壓油側(cè)各均勻配置2組球面型連通套以產(chǎn)生足夠的壓緊力。球面型連通套6內(nèi)放推力彈簧7。在伺服泵未工作或起動(dòng)瞬時(shí)，推力彈簧7一方面以較小的壓緊力將球面型連通套6壓向固定盤4，另一方面使浮板配流盤3貼緊泵缸體2。在伺服泵正常工作后，作用在球面型連通套6右側(cè)端面上的液壓力使之與固定盤4保持貼緊；作用在球面型連通套孔內(nèi)的高壓油對(duì)浮板配流盤3的液壓力稍大于柱塞腔中的高壓油對(duì)柱塞腔底部的液壓力，也就是說(shuō)，浮板配流盤3受到的向右的液壓力略大于泵缸體2對(duì)浮板配流盤3向左的軸向力，因此浮板配流盤3將與泵缸體2保持貼緊。

1—轉(zhuǎn)軸 2—泵缸體 3—浮板配流盤 4—固定盤 5—球頭螺釘6—球面型連通套 7—推力彈簧

3 球面型連通套結(jié)構(gòu)

D1、d1—密封端面外徑、內(nèi)徑 D2、d2—環(huán)形端面外徑、內(nèi)徑

1—固定盤 2—浮板配流盤 3—球面型連通套 4—推力彈簧

球面型連通套的作用在于實(shí)現(xiàn)浮板配流盤上的高、低壓配流腰形槽與固定盤上的進(jìn)、出油口的溝通。球面型連通套由球面凹臺(tái)、球面凸臺(tái)兩部分組成，左端面是與固定盤接觸的密封端面，右端面是環(huán)形端面，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)伺服泵工作時(shí)，作用在球面型連通套環(huán)形端面上的液壓力對(duì)球面凸臺(tái)有向左的壓緊作用，使球面凹臺(tái)與固定盤保持貼緊，二者形成球面型連通套環(huán)形摩擦副，如圖3所示。

4 確定壓緊系數(shù)公式

4.1 剩余壓緊力法

環(huán)形摩擦副的設(shè)計(jì)要求是保證球面凹臺(tái)與固定盤之間存在一定厚度的油膜，但二者間隙不能過(guò)大。這與泵缸體、配流盤形成的配流副的設(shè)計(jì)要求相似，因此借鑒配流副的設(shè)計(jì)方法，采用剩余壓緊力法進(jìn)行環(huán)形摩擦副設(shè)計(jì)。

剩余壓緊力法的基本思想是使摩擦副間壓緊力略大于分離力，這樣摩擦副既可以緊密接觸，又可以在小的比壓下工作[2]。

4.2 球面型連通套受力情況

環(huán)形摩擦副內(nèi)液膜對(duì)球面凹臺(tái)有一定的承載力，有促使固定盤與球面凹臺(tái)兩接觸端面相互分開(kāi)的作用。承載力（分離力）open計(jì)算公式為：

式中：——液膜上的分布?jí)毫?，Pa；1=1/2；1=1/2。

在工程實(shí)際中，有必要考慮振動(dòng)沖擊對(duì)球面型連通套的影響。振動(dòng)沖擊有促使固定盤與球面凹臺(tái)兩接觸端面相互分開(kāi)的作用。用沖擊加速度與球面型連通套質(zhì)量的乘積表示振動(dòng)沖擊力a，計(jì)算公式為：

a=·（2）

式中：——沖擊加速度，m/s2；——球面型連通套質(zhì)量，kg。

伺服泵工作時(shí)，高壓油作用在球面型連通套右側(cè)端面上形成液壓力y。彈簧推力spring與液壓力y都對(duì)球面型連通套有向左的壓緊作用，促使球面凹臺(tái)與固定盤相互接觸?？紤]到液壓力y遠(yuǎn)大于彈簧推力spring，故在此忽略spring不計(jì)。閉合力close計(jì)算公式為：

close=y=πs(22_22) （3）

式中：s——伺服泵工作壓力，Pa；2=2/2；2=2/2。

引入壓力脈動(dòng)系數(shù)來(lái)體現(xiàn)浮板配流結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力變化，式（3）變?yōu)椋?/p>

close=πs(22_22)=πi(22_22) （4）

式中：——壓力脈動(dòng)系數(shù)；i——液膜入口壓力，Pa。

綜合上述分析，球面型連通套的受力情況如圖4所示。

圖4 球面型連通套受力情況示意圖

4.3 壓緊系數(shù)計(jì)算公式

對(duì)球面型連通套受力分析后，得到環(huán)形摩擦副壓緊系數(shù)計(jì)算公式：

由式（5）可知，壓緊系數(shù)與壓力脈動(dòng)系數(shù)、沖擊加速度、球面型連通套質(zhì)量、液膜上的分布?jí)毫τ嘘P(guān)。其中前三項(xiàng)為定值，而液膜上的壓力在液膜模型入口端面處為伺服泵工作壓力24MPa，而在出口端面處為泵內(nèi)腔壓力0.5MPa?；诖?，可采用Fluent軟件對(duì)環(huán)形摩擦副內(nèi)液膜進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，利用液膜壓力場(chǎng)分布，計(jì)算出承載力open，從而確定壓緊系數(shù)。

5 液膜流場(chǎng)的求解問(wèn)題

5.1 環(huán)形摩擦副內(nèi)液膜模型

D1、d1—液膜外徑、內(nèi)徑 h—液膜厚度

環(huán)形摩擦副的密封結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化如圖5所示。液膜模型為圓環(huán)狀，厚度為，液膜外徑1為15.6mm≤1≤19.6mm，內(nèi)徑1=10mm，基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。ANSYS軟件是目前國(guó)際上很流行的大型通用有限元分析軟件[3]。本文利用ANSYS中的Fluent軟件進(jìn)行液膜的三維流場(chǎng)數(shù)值模擬。按表1內(nèi)液膜幾何參數(shù)建立三維模型。環(huán)形摩擦副內(nèi)液膜的工況條件如表2所示。

圖6 環(huán)形摩擦副內(nèi)液膜模型

表1 液膜幾何參數(shù)

表2 液膜工況條件

5.2 基本假設(shè)

為便于分析，進(jìn)行以下基本假設(shè)：

a. 考慮到液膜厚度為微米級(jí)，故在此忽略體積力（如重力、磁力）作用；

b. 視間隙內(nèi)流體為連續(xù)介質(zhì)，粘度保持不變且為完整的流體膜潤(rùn)滑；

c. 間隙內(nèi)流體為牛頓粘性不可壓流體；

d. 液膜在密封表面無(wú)滑動(dòng)；

e. 液膜厚度保持不變，且不考慮壓力沿液膜厚度方向變化。

5.3 控制方程

a. 連續(xù)性方程：

式中：——速度矢量在、、方向上的分量。

b. 動(dòng)量守恒方程：

方向：

方向：

方向：

式中：——微元體所受壓力；——流體動(dòng)力粘度。

5.4 網(wǎng)格劃分

利用Creo軟件完成液膜三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)[4]后，將該實(shí)體輸出為x_t后綴的文件，然后將該文件導(dǎo)入ANSYS ICEM CFD軟件進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。由于液膜厚度為微米級(jí)，與液膜內(nèi)、外徑尺寸差4個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在液膜厚度方向加密成5層?，F(xiàn)已進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性假設(shè)，液膜網(wǎng)格單元數(shù)為186140，節(jié)點(diǎn)為148400，劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 液膜網(wǎng)格劃分

5.5 分析求解設(shè)置

5.5.1 邊界條件

入口邊界條件：液膜內(nèi)端面采用壓力進(jìn)口（pressure-inlet）邊界條件。出口邊界條件：液膜外端面采用壓力出口（pressure-outlet）邊界條件。

壁面邊界條件：所有壁面均采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)邊界條件（wall）。

5.5.2 求解設(shè)置

由文獻(xiàn)[5]知，利用流動(dòng)因子可判斷流體所處流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)>1時(shí)，流動(dòng)處于湍流狀態(tài)；當(dāng)<(9/16)時(shí)，流動(dòng)處于層流狀態(tài)。

=[(ec/1600)2+(ep/900)2]1/2（10）

ec=/106（11）

ep=r/106（12）

式中：ec——單獨(dú)考慮庫(kù)埃特（Couette flow）時(shí)的雷諾數(shù)；ep——單獨(dú)考慮泊肅葉（Poiseuille flow）時(shí)的雷諾數(shù)；——流體密度，kg/m3；——端面旋轉(zhuǎn)線速度，m/s；——液膜厚度，μm；——流體動(dòng)力粘度，kg/m·s；r——流體徑向流速，m/s；

將=870kg/m3，=0，μm，8.7×10-3，r=5m/s帶入式（10）、式（11）、式（12）中，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)球面型連通套環(huán)形摩擦副內(nèi)液膜流態(tài)為層流。

在Viscous Model模型中選擇laminar層流模型。采用SIMPLE算法對(duì)速度、壓力進(jìn)行耦合，選用一階迎風(fēng)格式對(duì)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程進(jìn)行迭代。

6 確定壓緊系數(shù)范圍

圖8 摩擦副內(nèi)液膜壓力云圖

經(jīng)Fluent軟件數(shù)值模擬后得到球面型連通套環(huán)形摩擦副內(nèi)液膜壓力場(chǎng)分布，如圖8所示。由圖8可直觀看出：液膜壓力呈、軸對(duì)稱分布，且由內(nèi)向外依次減小。如圖9所示，對(duì)后處理軟件進(jìn)一步操作可得到承載力open值。相同工況條件、不同液膜外徑1下的液膜承載力open的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖9 液膜承載力計(jì)算

表3 不同液膜外徑下的液膜承載力

把球面型連通套球面凸臺(tái)右側(cè)端面尺寸2、2、液膜入口壓力i，表3中open計(jì)算結(jié)果代入式（5）得到球面型連通套環(huán)形摩擦副的壓緊系數(shù)范圍：

/[1.03+4.88×10-4(·)]≤≤/[0.58+4.88×10-4（·）]

式中：——壓力脈動(dòng)系數(shù)；——沖擊加速度，m/s2；——球面型連通套質(zhì)量，kg。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一種可應(yīng)用于機(jī)電靜壓伺服泵的浮板配流結(jié)構(gòu)，以球面型連通套為研究對(duì)象，采用剩余壓緊力法進(jìn)行球面型連通套環(huán)形摩擦副設(shè)計(jì)。在環(huán)形摩擦副設(shè)計(jì)中，壓緊系數(shù)的確定很大程度上影響浮板配流結(jié)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)球面型連通套進(jìn)行受力分析，得到了工程可用的壓緊系數(shù)計(jì)算公式。為得到壓緊系數(shù)計(jì)算公式中液膜承載力open，利用Fluent軟件對(duì)環(huán)形摩擦副內(nèi)液膜進(jìn)行三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到了液膜壓力分布，對(duì)后處理軟件進(jìn)一步操作得到了承載力open值。將其他設(shè)計(jì)參數(shù)與承載力open計(jì)算結(jié)果代入壓緊系數(shù)計(jì)算公式，得到了球面型連通套環(huán)形摩擦副的壓緊系數(shù)范圍。這種采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，對(duì)球面型連通套環(huán)形摩擦副的合理設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

1 李元?jiǎng)?，陳卓如，鐘廷? 一種新型傾側(cè)力矩全平衡端面配流機(jī)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，1999，10(1)：67

2 嚴(yán)金坤，張培生. 液壓傳動(dòng)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979

3 李朔東，馬綱. 基于ANSYS的模態(tài)分析二次開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù)，2004(5)：8

4 趙佳琪. 基于CREO的虛擬裝配路徑規(guī)劃技術(shù)研究[J]. 航天制造技術(shù)，2016(1)：61

5 Ruddy A.V, Smith S. The mechanism of film generation in mechanical face seals[J]. Tribology International, 1982：227～231

A Design Method of SphericalConnecting Sleeve’s Friction Pair on A Kind of Floating Plate’s Pump

Quan Yunqing Li Jipeng Liu Huixiang Wang Yuhao Zhu Yi

(Beijing Research Institute of Precise Electromechanical Control Equipment, Beijing 100076)

According to the structure of a kind of floating plate, the residual compacting force method is used to design spherical connecting sleeve’s friction pair. After analyzing the spherical connecting sleeve’s loads, the balance factor’s computational formula is provided, and the balance factor’s range is determined based on the flow-field simulation results of Fluent software.

floating plate structure；residual compacting force method；friction pair；flow-field

權(quán)云晴（1991），碩士，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：航天流體控制及自動(dòng)化。

2018-03-05