羅龍君 賀小峰 劉珣 張洽璇 黃賀文

摘要 ：為解決油水分離式柱塞泵的柱塞與缸套的密封可靠性及選型設(shè)計(jì)問(wèn)題，研制了模擬水壓柱塞泵實(shí)際運(yùn)行工況的柱塞密封性能實(shí)驗(yàn)裝置及其加載系統(tǒng)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了動(dòng)平衡設(shè)計(jì)。在建立實(shí)驗(yàn)裝置加載系統(tǒng)的仿真模型后，通過(guò)仿真對(duì)比確定了合理的加載方式。該實(shí)驗(yàn)裝置的加載實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，且容積效率在合理范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞 ：柱塞密封；水壓柱塞泵；加載系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)裝置

中圖分類號(hào) ：TP137.9

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.006

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of Experimental Device for Sealing Performance of Hydraulic

Pump Plungers

LUO Longjun 1 HE Xiaofeng 2 LIU Xun 2 ZHANG Qiaxuan 2 HUANG Hewen 2

1.Engineering Practice Innovation Center， Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan，430074

2.School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan，430074

Abstract ： In order to solve the sealing reliability and selective design problems of the plungers and cylinder liners of oil-water separated plunger pump， a plunger sealing performance experimental device and the loading system were developed to simulate the actual operating conditions of the hydraulic plunger pump， and the dynamic balance design of the experimental device was carried out. The simulation model of the loading system for the experimental device was established， and then a reasonable loading method was determined through simulation and comparison. The loading test and stability test of the experimental device show that the operation of the experimental device is stable and reliable， and the volumetric efficiency is within a reasonable range.

Key words ： plunger seal; hydraulic plunger pump; loading system; experimental device

0 引言

水作為液壓介質(zhì)具有安全、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但低黏度使其潤(rùn)滑性較差 ?［1-3］ 。油水分離式水壓柱塞泵以油潤(rùn)滑、以水為液壓介質(zhì)，結(jié)合了二者的優(yōu)勢(shì) ?［4-5］ 。柱塞副密封性能是此類泵的關(guān)鍵，直接關(guān)系到泵的容積效率、工作可靠性及使用壽命。柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)并承受一定徑向力，這使柱塞副動(dòng)密封尤為困難。

針對(duì)此類往復(fù)動(dòng)密封問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者開(kāi)展了相應(yīng)研究。NIKAS等 ?［6］ 設(shè)計(jì)了利用高速攝像機(jī)直接觀察往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封圈油膜的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)時(shí)攝像機(jī)伸入透明的空心活塞桿，對(duì)活塞桿兩側(cè)所布置的密封圈的磨損、油膜的產(chǎn)生與破滅等現(xiàn)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)。王世強(qiáng) ?［7］ 通過(guò)分析液壓往復(fù)密封的工作過(guò)程，設(shè)計(jì)了一款往復(fù)密封的實(shí)驗(yàn)裝置，并研究了數(shù)據(jù)采集技術(shù)、控制技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等液壓往復(fù)密封件實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵技術(shù)。王軍 ?［8］ 利用高水基柱塞泵的往復(fù)密封數(shù)值計(jì)算模型，分析了密封元件的安裝預(yù)壓縮量、流體密封壓力等多種因素對(duì)高水基柱塞泵密封組件的往復(fù)密封與潤(rùn)滑性能的影響。王冰清 ?［9］ 設(shè)計(jì)了液壓往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)，建立了O形圈的等溫軟彈流潤(rùn)滑模型、熱彈流混合潤(rùn)滑模型、瞬態(tài)熱彈流混合潤(rùn)滑模型，利用液壓往復(fù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證了所建立的潤(rùn)滑模型的正 確性。

從以上往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)看，研究的均是單一介質(zhì)下往復(fù)動(dòng)密封問(wèn)題，并且大部分實(shí)驗(yàn)工作載荷小、轉(zhuǎn)速低，受力工況與柱塞泵的實(shí)際工況有很大差別。針對(duì)油水分離式柱塞泵密封性能的研究尚不多見(jiàn)，因此本文設(shè)計(jì)了能模擬油水分離式水壓柱塞泵中的柱塞副運(yùn)動(dòng)和受力工況的實(shí)驗(yàn)裝置，選擇合適的加載模式對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)方案

為模擬柱塞泵實(shí)際工況，確定實(shí)驗(yàn)裝置的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下：最高工作轉(zhuǎn)速1500 r/min，額定工作壓力10 MPa，理論流量78.3 L/min（額定轉(zhuǎn)速985 r/min時(shí)）。柱塞泵為往復(fù)式容積泵，其工作端具有循環(huán)往復(fù)的特點(diǎn)。綜合現(xiàn)有的軸向柱塞泵、徑向柱塞泵等主流柱塞泵的結(jié)構(gòu) ?［10-12］ ，動(dòng)力端機(jī)構(gòu)選用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。由于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)裝置工作過(guò)程中，連桿會(huì)有小幅擺動(dòng)角度，從而在柱塞上產(chǎn)生徑向載荷。本實(shí)驗(yàn)裝置中的柱塞設(shè)計(jì)為柱塞體和陶瓷柱塞的組合結(jié)構(gòu)，柱塞體的左端設(shè)計(jì)有輔助支撐，以減小陶瓷柱塞兩端的主導(dǎo)向滑動(dòng)軸承所受的徑向載荷，實(shí)驗(yàn)裝置主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置 ?［7-9］ 一般在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞處設(shè)置恒定的高壓或低壓，讓柱塞在穩(wěn)定壓力下工作，以測(cè)試柱塞密封組件的密封性能，沒(méi)有完全模擬柱塞的實(shí)際工作狀態(tài)，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況有差別。本實(shí)驗(yàn)裝置在設(shè)計(jì)時(shí)參照傳統(tǒng)水液壓泵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在柱塞出口處設(shè)計(jì)了配流閥（包括吸入閥和壓出閥），模擬柱塞在水壓泵工作時(shí)始終處于高低壓變換的實(shí)際工況，從而對(duì)柱塞密封組件的密封性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1a中，偏心軸由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，圓柱滾子軸承和連桿裝配在偏心軸上，連桿的末端通過(guò)柱銷與柱塞組件連接，柱塞組件與缸體、缸套的柱塞孔構(gòu)成大小可變的工作容腔，吸入閥組件和壓出閥組件安裝在閥體上，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置的配流機(jī)構(gòu)。偏心軸通過(guò)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)柱塞組件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。柱塞組件在縮回行程中，工作容腔增大，產(chǎn)生負(fù)壓，壓出閥組件關(guān)閉，吸入閥組件打開(kāi)，實(shí)驗(yàn)裝置吸水。柱塞組件在伸出行程中，工作容腔減小，產(chǎn)生高壓，壓出閥組件打開(kāi)，吸入閥組件關(guān)閉，實(shí)驗(yàn)裝置排水。偏心軸旋轉(zhuǎn)一周，柱塞組件在工作容腔內(nèi)完成一次吸水和壓水過(guò)程。

密封組件采用油水分離的密封結(jié)構(gòu)，如圖1b所示，油側(cè)裝配了密封座、密封圈、泄水套，泄漏的工作介質(zhì)可經(jīng)泄水口排出。 油側(cè)密封圈主要用于防止油液在柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的影響下進(jìn)入水側(cè)。同樣，在水側(cè)裝配了密封座及密封圈，以減少柱塞腔內(nèi)液體在柱塞在工作過(guò)程中的泄漏。

實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)能適應(yīng)多種尺寸的柱塞及不同結(jié)構(gòu)密封圈的實(shí)驗(yàn)，因此安裝密封組件的油側(cè)和水側(cè)密封座均有結(jié)構(gòu)冗余，使其在不更換缸套、缸體等較大零部件的情況下，只需要改變密封座的結(jié)構(gòu)尺寸（以適應(yīng)柱塞與密封圈）就可以完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，密封座設(shè)計(jì)成油側(cè)、水側(cè)分開(kāi)的密封結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用范圍，更符合油水分離式水壓柱塞泵的工作特點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置動(dòng)平衡設(shè)計(jì)與仿真分析

實(shí)驗(yàn)裝置動(dòng)力端的偏心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，除了質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心重合的構(gòu)件外，其余運(yùn)動(dòng)構(gòu)件都會(huì)產(chǎn)生慣性力。不平衡慣性力在運(yùn)動(dòng)中引起的額外載荷集中在2個(gè)圓柱滾子軸承NJ211E上，加劇軸承的磨損，且慣性力的不斷變化會(huì)加劇實(shí)驗(yàn)裝置的振動(dòng)。因此，需借助ADAMS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)動(dòng)平衡設(shè)計(jì)盡量消除慣性力的影響，以減小磨損、振動(dòng)，提高機(jī)械效率及裝置的穩(wěn)定性。

圖2所示為實(shí)驗(yàn)裝置的動(dòng)力學(xué)仿真模型，空載情況下，動(dòng)力端的慣性力主要作用在兩側(cè)的圓柱滾子軸承上。因此，在ADAMS中主要觀察2個(gè)軸承的受力情況。

圖3所示為最高轉(zhuǎn)速1500 r/min、空載條件下的主軸兩端軸承的受力仿真曲線，可以看出，動(dòng)力端兩側(cè)軸承所受慣性力在4000～5500 N之間，軸承承受的不平衡慣性力較大，不利于裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，因此需對(duì)動(dòng)力端進(jìn)行動(dòng)平衡設(shè)計(jì)。

動(dòng)平衡設(shè)計(jì)采用加裝配重塊的方式實(shí)現(xiàn)慣性力的部分平衡。為使兩側(cè)軸承受力均勻，在偏心軸兩側(cè)對(duì)稱安裝配重塊，通過(guò)不斷優(yōu)化配重塊的質(zhì)量與偏心距，調(diào)整兩側(cè)軸承的受力，使其盡可能的小。如圖3所示，動(dòng)平衡后，軸承受力為500～1200 N，與動(dòng)平衡前相比，軸承所受不平衡力減小了80％左右，大大延長(zhǎng)了軸承的使用壽命、提高了實(shí)驗(yàn)裝置的工作穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真分析

對(duì)采用單個(gè)柱塞的水壓泵而言，需要在泵出口選擇合適的加載方案，以減小流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)引起的沖擊振動(dòng)和噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及設(shè)備安全造成的影響。目前，液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)常用的加載方式主要有兩種：①節(jié)流閥加載，即通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度加載到指定壓力；②溢流閥加載，即利用溢流閥的定壓溢流功能實(shí)現(xiàn)加載 ?［13-15］ 。對(duì)于存在較大壓力脈動(dòng)、流量脈動(dòng)的液壓系統(tǒng)，還需加入蓄能器來(lái)吸收脈動(dòng)。

蓄能器有不同的體積型號(hào)，因此對(duì)6種體積（0.63 L、1.6 L、2.5 L、4 L、6.3 L、10 L）的囊式蓄能器A型（符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7035-1）進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。隨著蓄能器體積的增大，壓力脈動(dòng)率從5.09%逐漸減小到0.67%，可知蓄能器體積越大，對(duì)壓力脈動(dòng)的減弱效果越明顯，因此試驗(yàn)應(yīng)盡量選用體積大的蓄能器。隨著蓄能器體積的增大，流量脈動(dòng)率從14.47%逐漸減小到1.89%，可知大容量蓄能器有助于減小流量脈動(dòng)，且效果明顯，但蓄能器體積到達(dá)2.5L后，減弱效果不顯著。結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件并考慮經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)采用2個(gè)初始體積0.8 L的蓄能器。

本文對(duì)加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3種方案，運(yùn)用AMESIM液壓仿真分析軟件建立仿真模型并進(jìn)行對(duì)比分析，3種方案的電機(jī)轉(zhuǎn)速為985 r/min，工作壓力為10 MPa。仿真步長(zhǎng)為0.1 ms，仿真時(shí)間為10 s。電機(jī)選用變頻電機(jī)，實(shí)驗(yàn)時(shí)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)。

3.1 采用節(jié)流閥加載的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真

采用節(jié)流閥加載的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單柱塞泵（主要由曲柄連桿、柱塞缸、壓出閥、吸入閥等組成）。在泵出口設(shè)置2個(gè)蓄能器來(lái)減小泵的壓力脈動(dòng)，泵的工作壓力由節(jié)流閥調(diào)節(jié)。壓力表和渦輪流量傳感器分別用于測(cè)量泵出口的壓力和流量。水箱溫度采用溫度計(jì)測(cè)量。安全閥對(duì)系統(tǒng)起安全保護(hù)作用。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖（圖5）建立仿真模型，如圖6所示，在實(shí)驗(yàn)裝置模型的基礎(chǔ)上增加了蓄能器、節(jié)流閥、流量計(jì)模型。

仿真時(shí)，通過(guò)調(diào)整節(jié)流孔直徑來(lái)調(diào)節(jié)泵出口的工作壓力。圖7所示為泵的出口壓力和流量變化曲線。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，泵出口的最高、最低壓力分別為10.14 MPa和9.93 MPa，壓力脈動(dòng)率為 2.09%； 最大流量、最小流量分別為77.66 L/min和76.83 L/min，流量脈動(dòng)率為1.07%。

3.2 采用溢流閥加載的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真

采用溢流閥加載時(shí)，僅將圖5中的節(jié)流閥更換為溢流閥（根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)物結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的模型）即可得到仿真模型，如圖8所示。

通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥彈簧的預(yù)壓縮量來(lái)調(diào)定系統(tǒng)壓力。圖9所示為工作壓力10 MPa時(shí)，泵出口的壓力、流量變化曲線。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，最大壓力為10.15 MPa，最小壓力為9.95 MPa，壓力脈動(dòng)率為1.99%；最大流量為84.94 L/min，最小流量為 69.9 L/min， 流量脈動(dòng)率為19.43%。與采用節(jié)流閥加載的方式相比，采用溢流閥時(shí)，系統(tǒng)壓力脈動(dòng)略有降低，而流量脈動(dòng)率大大高于節(jié)流閥模式，其原因是溢流閥定壓工作的模式能使系統(tǒng)壓力更加穩(wěn)定，而溢流閥閥芯開(kāi)度在工作過(guò)程中的波動(dòng)及溢流量的變化會(huì)增大泵的瞬時(shí)最大流量、減小瞬時(shí)最小流量，使流量脈動(dòng)加劇。

3.3 采用溢流閥與節(jié)流孔加載的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真

與圖8相比，采用溢流閥與節(jié)流孔加載的方案在溢流閥入口前串聯(lián)了一個(gè)直徑1 mm的節(jié)流孔板，其余模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)不變。圖10所示為工作壓力10 MPa時(shí)泵出口的壓力和流量變化曲線。系統(tǒng)穩(wěn)定后，泵的最高、最低壓力分別為 10.18 MPa 和9.97 MPa，壓力脈動(dòng)率為2.08%；最大流量、最小流量分別為81.29 L/min和73.53 L/min，流量脈動(dòng)率為 10.02%。

3.4 仿真結(jié)果對(duì)比分析

為便于對(duì)比分析，對(duì)以上3種加載方案的仿真結(jié)果進(jìn)行匯總，如表1所示。3種加載方案的壓力脈動(dòng)率差別很小。采用節(jié)流閥加載時(shí)，泵出口的流量脈動(dòng)最小。在溢流閥前加裝節(jié)流孔板可使泵出口的流量脈動(dòng)由未加裝時(shí)的19.43%降至10.02%，其原因是：①在溢流閥入口增加節(jié)流孔板相當(dāng)于在溢流閥閥芯之前設(shè)置阻尼容腔，增加了閥芯的運(yùn)動(dòng)阻尼，減小了閥芯開(kāi)度的波動(dòng)；②增加節(jié)流孔板后，溢流閥的工作壓力降低，閥芯開(kāi)度增加，閥芯開(kāi)度波動(dòng)時(shí)引起的流量變化減小，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的流量脈動(dòng)減小。

已有合適的溢流閥可直接使用，因此將溢流閥前加節(jié)流孔板的方式作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加載 方案。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，在實(shí)驗(yàn)室搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，如圖11所示。首先進(jìn)行壓力加載實(shí)驗(yàn)，在系統(tǒng)運(yùn)行正常，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為985 ?r/min 時(shí)，將開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉，溢流閥開(kāi)啟，并按壓力3，4，5，6，7，8，9，10 MPa依次給實(shí)驗(yàn)裝置加載，每種開(kāi)啟壓力下加載30 min，記錄泵出口壓力及流量，如表2所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為985 r/min時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置的理論流量為78.3 L/min。隨著加載壓力的不斷升高，實(shí)驗(yàn)裝置流量下降，容積效率由89.6%下降至82.9%，流量衰減較小。與一般的水壓泵相比，該實(shí)驗(yàn)裝置的容積效率偏低，其原因是： ①裝置需要針對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的密封件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)不能過(guò)于緊湊；②該單柱塞泵的轉(zhuǎn)速較高、流量較大，使配流閥的慣性較大，在高轉(zhuǎn)速下易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)滯后，影響輸出流量，但其容積效率在合理范圍內(nèi)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為985 r/min、泵出口壓力10 MPa條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用密封圈組合如下：油側(cè)密封圈為兩道2型特康埃落特密封，埃落特密封安裝朝向油側(cè)；水側(cè)密封圈為兩道特康格萊圈，格萊圈密封安裝朝向水側(cè)。18 h的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中，每隔1 h記錄一次流量，如圖12所示，流量最大值、最小值為72.67 L/min和64.38 L/min，流量脈動(dòng)率為11.96%，比仿真值10.02%略大，對(duì)應(yīng)的容積效率最大值、最小值為92.8%和82.3%，比仿真時(shí)的最小容積效率 93.9% 略小，但容積效率保持在合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

針對(duì)油水分離式水壓柱塞泵柱塞密封件的密封性能，設(shè)計(jì)并制造出模擬實(shí)際工況的柱塞密封實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)ADAMS仿真軟件對(duì)裝置進(jìn)行了動(dòng)平衡設(shè)計(jì)和仿真。利用AMESIM仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)方案進(jìn)行仿真分析，將溢流閥前加裝節(jié)流孔板的方式作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加載方案。根據(jù)加載方案搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了4 h的加載實(shí)驗(yàn)和18 h的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明裝置設(shè)計(jì)可靠，容積效率穩(wěn)定且在合理范圍。

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（ 編輯 張 洋 ）

作者簡(jiǎn)介 ：

羅龍君 ，男，1988年生，碩士研究生。研究方向?yàn)楣こ虒?shí)踐創(chuàng)新教育。發(fā)表論文3篇。E-mail： luolj@hust.edu.cn。

賀小峰 ?（通信作者），男，1968年生，副教授、碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械傳動(dòng)與控制。發(fā)表論文20篇。E-mail： hexiaofeng @ mail.hust.edu.cn。