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铜套对柱塞滑靴组件作用力的影响

杨国来;黄昭雪;赵君;张晓丽;刘赟清

【摘要】为研究轴向柱塞泵中引入铜套后柱塞滑靴组件上作用力的变化,建立了柱

塞滑靴组件的动力学模型和柱塞副接触长度的数学模型,利用AMESim和

MATLAB数值仿真相结合的方法,得到作用在柱塞滑靴组件上的斜盘反作用力及其

等效接触力的特性曲线.分析结果表明:引入铜套后,处于排油区的等效接触力将稳定

在一定范围内,且斜盘倾角越大,铜套越短,等效接触力的稳定值越大;同时铜套还能有

效降低等效接触力的脉动和对斜盘倾角的敏感度,但是对斜盘反力的影响很小,所以

合理地设计铜套能有效改善柱塞滑靴组件的受力.

【期刊名称】《兰州理工大学学报》

【年(卷),期】2017(043)001

【总页数】7页(P45-51)

【关键词】柱塞滑靴组件;铜套;斜盘反力;等效接触力;接触长度

【作者】杨国来;黄昭雪;赵君;张晓丽;刘赟清

【作者单位】兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学

温州泵阀工程研究院,浙江温州325105;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰

州730050;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050;兰州兰石能源装

备工程研究院有限公司,甘肃兰州730050;兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,

甘肃兰州730050

【正文语种】中文

【中图分类】TH137

轴向柱塞泵以其效率高、功率密度大、变量方便、额定压力高等特点广泛应用于工

业机械、行走机械、航空及航天领域[1-3].柱塞滑靴组件是轴向柱塞泵内部的关键

部件之一,国内外学者对柱塞副润滑性能、热变形、柱塞径向微观运动及摩擦副材

料配对等方面展开了广泛研究[4-7].由于铜套能够满足柱塞副的很多性能要求,被广

泛地应用于轴向柱塞泵中,但其对柱塞滑靴组件的受力会产生怎样的影响却鲜见报

道.本文通过建立柱塞滑靴组件的动力学模型及柱塞滑靴组件与缸体孔间的接触长

度模型,建立起铜套对柱塞滑靴组件受力影响的机理,利用MATLAB和AMESim仿

真软件相结合的技术研究铜套对柱塞滑靴组件受力的影响.

柱塞随着缸体运动时完成吸排油两个过程,且柱塞运动方向及腔内吸排油压力不一

样,因此柱塞在吸排油时受力情况不同.

1.1排油过程单柱塞滑靴组件的受力分析

柱塞腔内油液作用在柱塞端部的液压力为Fp,它的大小主要取决于油液的压力p:

式中:d为柱塞直径.

作用在柱塞上的油液压力通过滑靴传递到斜盘,因此斜盘会有一个反力FN作用在

滑靴柱塞组件上.斜盘在倾角为β时,FN可以分解为轴向力FV和径向力FT,其中FV

主要克服液压力及摩擦力等完成排液过程,而FT的存在,会使柱塞产生倾斜,如图1

所示(倾斜度被放大),从而与缸体接触端产生很大的接触应力[8].

考虑到柱塞与柱塞腔的径向间隙远小于柱塞直径及柱塞在柱塞腔内的接触长度,假

设在柱塞头端A处和柱塞尾端B处的接触应力线性分布,并以等效接触力FL和FR

表示,如图2所示.根据力分布三角形相似原理可得

式中:Lh、Lr分别为A、B两端的接触长度.

接触应力的存在会引起库伦摩擦力FW,因此

式中:f为摩擦系数,其值取决于对偶材料及润滑条件.

不同工况下柱塞副的润滑状况不同,可能存在混合润滑的工况,这时柱塞滑靴组件还

会受到黏性摩擦力FX的作用.同时柱塞滑靴组件还受到重力FG、惯性力FI和离心

力FE的作用,分别可由下面三个方程计算：

FG=mg

式中：m为柱塞滑靴组件的质量；R为柱塞分布圆半径；ω为泵轴转速；θ为柱

塞相对外死点(ODC)转过的角位移.

除此之外,为了保证滑靴在吸排油过程中紧贴在斜盘上,压缩的中心加力弹簧通过回

程盘将力作用在滑靴上,所以柱塞滑靴组件还受到回程盘的轴向压力FM,滑靴在斜

盘上运动时还受到阻碍滑靴运动的库伦摩擦力FS.

柱塞滑靴组件的作用力如图2所示,其中部分受力在图中未标出.建立如图2所示坐

标系,则可列出其沿z轴和y轴的力平衡方程和力矩平衡方程.为了简化模型,忽略了

斜盘对滑靴的摩擦阻力FS和滑靴柱塞组件的离心力FE,即

式中：Ln为柱塞滑靴组件质心到柱塞球头中心的距离;Lp为柱塞底端到球头中心

的距离.

方程(7)同时考虑了库伦摩擦和黏性摩擦.当柱塞副工作在完全润滑工