轴向柱塞泵损坏原因
作者:马明东    发布于:2016-02-25 17:46:43    文字:【】【】【

柱塞组件是轴向柱塞泵关键零件之一, 柱塞直径与缸孔的配合润滑间隙,柱塞球头的圆度及与刚度、柱塞球头与滑靴包复强度,柱塞体热膨胀系数,这些都影响柱塞泵的使用寿命.由于液压设计人员对液阻网络理论认知缺略,在对液压站设计和制造时,对轴向柱塞泵的排油侧功能与技术性能考虑的较多,却忽视泵的吸油侧的技术要求,柱塞泵吸油侧也是积其重要部分.多数设计人员原样照搬国外液压站,没有认真的涉利避害的加以选用,从另一方面讲:由于国外柱塞泵生产商所宣传的柱塞泵自吸能力强的误导,我国的液压工作者也误认为柱塞泵即可从油箱及管道中吸油,也可排油.也就是这个误解导致在液压系统设计中,对泵的吸油侧这一重要部份的忽视,其后果是泵的设计寿命与使用寿命成反比. 本文所述目的是要纠正一些传统错误及要引起液压工作者对S管道的正确认识,促使液压设计人员对泵吸油侧的重视.

轴向柱塞泵柱塞球头与滑靴松靴或拉脱,这一轴向柱塞泵(本文后续都称为泵)损伤现象占泵失效总比例70%以上,这一现象也是世界各国的液压界的科学家及科研机构近期重点研究领域,德国的亚琛大学[1], 英国伯明翰大学[2], 美国密苏里- 哥伦比亚大学[3],日本新滹大学[4]等等,都对其开展理论与实验研究,其结论:造成柱塞球头与滑靴松靴或拉脱现象是:液压油箱输液管到泵内缸体配流面吸油孔侧流体“流动力”不能满足泵的吸油压力技术要求.造成柱塞在吸油时产生真空虹吸现象,缸孔内的“嘬力”施加到滑靴回程面上,造成滑靴松靴或拉脱.

  

1泵吸油侧

泵吸油侧至油箱之间可分成下列三部份,******部份是从盛满油液的油箱出油口经输油管道到达泵壳的吸油口外侧(S管道),第二部份是从泵壳的吸油口侧到配流盘的腰型窗口面,第三部份是从配流盘的腰型窗口面到缸体柱塞孔的吸油腔.这三部份的每一部份都持有邃奥液阻理论(本文不再累述).本文简述流体在这三部份沿程液阻压力损失.

******部份,在开式回路液压系统中,油箱中的油液依靠大气压施加在液面压力来完成向泵吸油侧提供油液,按蓄能器方式进行工作.从油箱油液输出孔口到泵吸油侧,油液的流态,主要是取决于其雷诺数是大于还是小于临界雷诺系数[5]. 流管里流动的物质被称为流束,粘性应力阻滞流体的运动, 消耗一定的运动机械能,所以,在粘性流体的运动过程中,机械能沿着流线逐渐减小.机械能损失也称为水头损失,水头损失一般又包括沿程水头损失和局部水头损失两个部分。

 管路中的流束压力损失等于所用沿程压力损失和所有局部压力损失之和.当管路截面突然缩小\扩大或是改变方向时,将引起液流呈湍流流动,液流会产生旋涡,将液体流动的摩擦力增大,管路的压力损失增加.如果在这个阶段中大气压过多地消耗掉,那么将没有足够的压力加速液流到达泵吸油侧.缩短管路长度,减少管路截面的突变,提高管壁光洁度, 减小流速,都可减少沿程压力损失,在众多因素中,流束的影响******,因为压力损失与流束的平方成正比,雷诺沿程水头损失实验时,S管道截面上假设排列满100个分子,S管中心的分子运动速度比管壁旁边分子流速呈抛物线形,油液与壁面产生粘性摩擦,在管壁边缘处有环形不流动层即附着层和缓流动层,因此,综上所述,油箱出油管口及S管内径与泵吸油口径比例是2:1为理想管径.以求得到很大的******流速,也可以得到较大流量,求得达到流速≦0.5M/S[6].

德国力士乐泵样本上,对泵吸油侧技术要求是:S(吸油口)的绝对压力

Pabs.min 0.8bar. Pabs.max 30bar[7]. 

    日本川崎精机对K3V系列泵的吸油管道做了如下说明:选用一个合适 的吸油管径与管口过滤器,注意!吸油压力正常不少于0.1Mpa,******压力不大于0.4 Mpa[8].

按德国力士乐和日本川崎精机对泵吸油侧技术要求,不能依靠泵向油箱内吸油而是油液要“灌注”到泵吸油侧[9], 灌注对泵另一益处是能排出残留在油液中的空气. 大尺寸S管道能达到进油流速降低,可相应地允许提高泵的转数.

使用油包水乳化液和水乙二醇等水基工作介质时,吸油口绝对压力需增高25%,对磷酸脂则需要增高35%.

油箱到泵吸油侧之间的S,这段是液压系统中***重要的组成部份,特别是对多项执行机构快速连动及高速运动、需要大排量的油液的液压系统设计时,必需对泵供油管径加大设计,才能达到稳定性.

2  泵吸油腔流道液阻

从泵吸油腔流道到配流盘的腰型窗口面,流束机械能损失为局部损失, 液体流过一个狭窄而弯曲的空间在及狭窄的空间内,流体流经流道时受90°弯曲流道及各收缩截面的摩擦阻力使压力梯度下降,在泵******排量时,流束要克服吸油腔流道壁面摩擦力、粘性液体流动摩擦阻力,达到******流量时并要使液流加速,跟上柱塞吸油运动,如果运用大气压的压力供油方法,使油液到达配流盘供油腰形窗口时还有剩余压力达到倒灌流量峰值设计准则,是无法实现!

缸孔中的容积充液时要达到不靠柱塞吸油而是压力油的把柱塞顶推回程,******的办法是采用螺杆泵向主驱动泵提供压力油或是采用有压油箱.克服泵吸油腔的过流通道能量损失大, 柱塞在吸油区时柱塞腔内压力瞬变, 柱塞底部在吸油区时滑靴与斜盘瞬间脱离失效等问题.

已在线使用的液压泵站或已发生过柱塞与滑靴有过松靴现象的泵,需重新测算S管道中的流速,流速超0.8M/S,应进行改造加大S管径.

3 配流盘的腰型窗口面到缸体柱塞孔的吸油腔

泵配流过程原理:主轴带动缸体旋转,柱塞沿缸体轴线,相对缸体柱塞孔作上升行程与下降行程的往复运动,当柱塞被斜盘夹角挤压运行到下止点排油完毕后,柱塞腔死区内剩余压力油经过配流盘上的释压孔时,缸孔死区内所余存的压力油分成二次或三次从配流盘上的释压孔排放到泵壳体中,缸孔死区的压力油向壳体内的压力释放的另一用意是更新泵尾轴轴承内的油液,

释压后的缸孔中殘余油液的压力值与配流盘吸油腰型窗口压力值相近,配流盘腰型供油窗口与泵后盖输液油道及S管相通.柱塞在升程时,配流盘供油腰型窗口向N个缸体柱塞孔中灌油而不是靠柱塞吸油,如果出现柱塞虹吸油现象,缸体柱塞孔中就会出现真空负腔压时,所产生的“嘬力”造成 ①滑靴与斜盘瞬间脱离,②使滑靴背面受力异常,滑靴会被从球头拔出,③回程盘断裂,④壳体内的油液会从柱塞与缸孔圆形缝隙中被吸入到缸孔中[9],造成泵壳体油液缺损,严重时会造成泵内轴承无油润滑(此条件是泵壳体泄油管上代有单向阀).

滑靴与耐磨板这对摩擦副,功能之一是保持柱塞滑靴在高速旋转时与斜盘紧密接触,必须抵抗作用于柱塞球头从其滑靴分开的力。该真空负腔压产生的负荷加速了滑靴和斜盘摩擦面之间无油模的干磨损,并且对摩擦面导致划板。当滑靴转动到配流盘高压区时,滑靴被充入的高压油液锤击返回到斜盘时,冲击损坏柱塞滑靴和斜盘,发出巨大的噪声甚至滑靴摩擦面异常磨损(两体磨损),迅速导致灾难性故障。

工作中的变量泵在高压待命时或在压力上升达到******值时,斜盘角度被驱向零度,柱塞没有行程,泵吸油侧的油液是静止状态,没有流动.在液压系统中的执行元件有一个动作时,输出高压油管油液产生流动,压力会暂时下降,泵压力补偿阀感测到压力下降时,迅速给泵一个变量指令增加斜盘角度,以增加泵的输出量,泵在接受变量信号后,泵的斜盘瞬间从零度变量到******角度,n个柱塞同时也在瞬间完成一次******吸程(电机在1450rpm,柱塞吸油一次需用时为0.01485,九只柱塞各完成一次吸油所需用时为0.04138), 泵吸油侧液体要从静止状态变化为流动状态,瞬间液体水头压力的变化,就需要施加更大的瞬态流动力,如果此时提供泵吸油侧的油液没有达到绝对压力0.8bar以上,缸体柱塞孔中就会出现真空腔压,真空腔压的压力值是多少?是由泵吸油口处油液水头压力值决定的,泵吸油侧水头压力低时,缸孔中发生高真空负腔压时,回程盘瞬间强力拔动滑靴及柱塞回程,缸孔中的高真空负腔压对柱塞杆所施加的“真空嘬力”传递到回程盘上, 瞬间造成回程盘断裂.如果此现象发生在斜轴泵上时,造成柱塞连带压板从主轴球窝盘撑开.

代有滑靴的柱塞泵,在泵设计时,柱塞回程时是流体推动柱塞回程[10],决不是靠回程盘迫使柱塞回程!柱塞与滑靴的拉捝力值只是一项零件强固技术要求.

 凡是采用S管道的供油方式的泵,在泵瞬间变量柱塞吸油时,都会对滑靴产生或大或小的拉脱力,造成柱塞球头与滑靴出现间隙.力士乐对它家产品柱塞球头与滑靴出现间隙量上限是≦0.3mm.超此间隙时就必需更换新品.

柱塞到达升程止点时,缸体柱塞孔中也盛满油液,但这只盛满油液缸孔内的压力值是低压值,低压的缸孔旋转经过配流盘封闭区到达配流盘预升压区,在配流盘上的预升压区域内有大小2个预升压孔,2个预升压孔从配流盘高压窗口引入高压油等待注入到缸本柱塞腔内,当盛满低压油液的缸体配流面小腰形孔经过第1个预升压小孔时,柱塞腔内压力得到一次提升,经过第2个大孔时柱塞腔内压力二次提升,得到2次预升压力的缸体配流面小腰形窗口旋转到三角升压槽尖角时,压力油从这尖角处遂渐提升柱塞腔内压力,使柱塞腔内的压力与排窗口内的压力值达到平衡.但还会造成一次微小的压力冲出(柱塞泵的脉动现象).

柱塞滑靴旋转从斜盘高点滑入到斜盘低点的旋转过程中,柱塞被斜盘遂渐挤压向下行程压缩柱塞孔内的油液,缸体柱塞孔中的容积由大变小,柱塞达到下行的******行程时,高压油液被挤压进入到泵的排油侧.泵完成一次吸排油循环.当柱塞完成排油后旋出配流盘排油窗口进入到配流盘封闭区时,柱塞仍还有微小的行程压缩缸孔中死区内的压力油,用于减小压力脉动.

s管内流速>1.5M/S[11],回流到液压油箱中油液,没有足够的消泡等待时间让混入油液中的空气逃逸,又被送到泵吸油侧.另一论据是S管径内流束高时,绝对压力就会减小, 在流体中,压力过低(低于其空气分离或饱和蒸气压力),就会有气泡形成,这种现象称为气化现象,与水中的空化现象不同,油中的气化现象是压力下降时,原来溶解在其中过饱和空气分离出来的气泡形成的.当气泡被流体带到高压区发生溃灭时,崩溃压力大于145,000 PSI, 崩溃压力所产生的空气/油混合物的燃烧,温度高达2012华氏,产生的间断性局部高温高压造成金属表面产生气蚀,这种侵蚀现象(见图2)

大小几乎相同的气泡被高压浓缩后再突发性的溃灭,就造成一次强劲的气爆,气泡的爆裂时所产生的另一种超高音调噪音,会发出一种尖锐刺耳的啸叫声。这种尖锐刺耳噪声是跟随液压柱塞泵的压力值而变化的。液压柱塞泵的输出压力达到******时,这种噪音分贝也越高,当液压柱塞泵的压力下降后,这种噪音也随着衰弱。

5 结论

柱塞泵在长期的应用中,人们发现闭式液压系统中所使用的泵在线使用寿命比应用在开式液压系统中的寿命多了几倍!研究其原因就是闭式液压系统中的泵柱塞在吸程时,是补油泵所提供的压力油施加到缸孔中把柱塞顶推到******升程,滑靴没有受到一糸拉力,柱塞在被顶推升程时,滑靴与斜盘始终是紧密接触的, 滑靴与斜盘间的动压油模充分,

现今世界上液压技术******的厂商设计的新型式开式液压站时,已经开始采用大排量补油泵(螺杆泵)向开式的液压系统中的柱塞泵吸油口提供3Mpa左右的压力油源,取消了传统原始泵自吸方式.特别是工业上采用群泵工作的液压站,采用此方法后,取消了原有的大口径超长管道,节省了空间,使人的视觉赏心悦目.***主要的是极大的提高了泵在线寿命,为企业节省维修费用.

开式液压系统单泵液压站,选择柱塞泵时,******条件是:泵吸油口径要大及泵的配流窗口也在大,高压柱塞泵当中压泵使用.

轴向柱塞泵从问世到今天,100多年来,产品性能经过世界各国的无数精英的N次改进,才达到今天的各种性能,问一下当今的柱塞泵,达到鲁棒性了吗?答案当然是否定性的!还有很多的技术问题,还需要今后的多少代科技人员不断改进.在对泵的转动时产生离心力及振动问题,近年来有了重大突破,现世界上有十多个泵生产厂所生产数十种缸体固定而斜盘带动柱塞往复运动的泵,解决了泵离心力问题,美国美佳公司所生产的排量可变的三柱塞泵,成功的应用在美国军用飞机上,其性能是使用转数>1500rpm,使用压力35Mpa,总效率97%.美国军舰上也选用了一种高压大排量的泵(九柱塞,缸体固定式,斜盘带动柱塞往复运动, 性能可靠,其降噪************.

 

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