装载机用高压叶片泵失效机理研究

, (中国路桥工程有限责任公司, 北京 100011)

引言

随着全球工业化的不断深入，噪声污染已被看作是继空气污染后对人体危害最大的生态隐患。目前，国内装载机液压系统多采用外啮合齿轮作为动力源，外啮合齿轮泵虽然具有自吸性能且构造简单、工作可靠、价格低等优点，但是其流量和压力脉动较大，噪声较大等固有缺陷是很难克服的。液压泵作为装载机液压系统主要噪声源，成为降低装载机噪声的主要研究方向之一[1]。

由于叶片泵作为液压系统的动力源，具有流量均匀、运转平稳、噪声低、体积小、重量轻等优点，因此叶片泵逐渐成为装载机液压系统的首要选择[2，3]。但是，由于装载机特殊工况要求，如何在降低噪声的同时，延长叶片泵在装载机液压系统的使用寿命成为关键问题。

现有资料表明，高压叶片泵的研究主要集中在定子曲线优化设计、内部流场分析、泄漏研究等方面，针对装载机用高压叶片泵浮动侧板磨损严重问题，国内外科研工作者较少涉及。例如，甘肃工业大学的那成烈教授等人，研究了高压叶片泵中存在的配流冲击对油泵性能的影响，确定了侧板与定子环工作的相对位置决定于压力过渡区的结构要素[4]；马金河、王芊等人，针对变量叶片泵配流盘减振槽对噪声的影响展开了研究[5]。

本研究的研究目标是分析装载机用叶片泵浮动侧板磨损机理，合理设计叶片泵轴向间隙，延长叶片泵使用寿命。现有叶片泵很难适应装载机的特殊工况，实际使用过程中具体表现为浮动侧板早期磨损严重，存在叶片泵使用寿命短等问题。针对该问题运用热切油膜理论研究叶片泵转子与定子摩擦副失效机理，提出叶片泵轴向间隙参数化设计方法。

1 高压叶片泵侧板磨损问题

1.1 装载机液压系统特点

装载机的工作环境复杂、工况恶劣，主要特点： ① 露天条件下工作，气温的变化大；② 负载繁重，负载的变化范围很大，液压系统压力冲击大；③ 工地上空气中含灰尘量大，对液压系统有较高的密封要求[6]。

装载机的液压系统由工作装置液压系统和转向液压系统两部分组成[7]。工作装置液压系统可实现装载机动臂举升、动臂下降、铲斗的收斗、铲斗卸料等动作；转向系统可实现车辆的左右转向，如图1所示。针对装载机的恶劣工况，其液压系统多采用外啮合齿轮泵作为动力源。

图1 装载机液压系统原理图

1.2 装载机噪声要求

某型号装载机为某公司，研制成功的国内首台静音装载机，整机噪声远远低于CE认证要求。拥有司机耳旁噪声72 dB(856III驾驶室内噪声标称值是76 dB)、机外辐射噪声104 dB的国内绝对领先的静音技术，接近国际先进水平。

该型号装载机主要出口至欧美等发达国家，是中国目前最高水平装载机之一。为降低液压系统噪声，系统采用低流量、压力脉动的高压叶片泵作为工作泵和转向泵代替原有的外啮合齿轮泵。工作泵为单联叶片泵、转向泵为双联叶片泵，但是由于装载机的恶劣工况要求，工作泵和转向泵都存在浮动侧板磨损严重，使用寿命缩短等问题。

1.3 浮动侧板磨损问题分析

以出口至东欧各国的装载机叶片泵使用寿命为例，工作泵约为400 h，转向泵约为600 h，不能满足装载机设计的液压泵使用寿命为5000 h的要求。将报废高压叶片泵拆解分析，报废原因主要为浮动侧板端面与转子端面间摩擦副失效。分析装载机高压叶片泵侧板磨损情况，发现浮动侧板与转子间磨损程度达到撕脱，剪切破坏发生在摩擦副双方金属较深处，分别如图2、图3所示。

图2 浮动侧板磨损情况

图3 叶片泵转子磨损情况

2 浮动侧板磨损机理分析

叶片泵浮动侧板磨损机理的思路为：首先、对高压叶片泵进行结构分析确定摩擦副尺寸；其次、通过计算侧板摩擦副[pv]值及油膜温升确定磨损原因。

2.1 高压叶片泵结构特点

该高压叶片泵为平衡式柱销叶片泵，采用浮动侧板技术实现轴向密封，主要技术参数，如表1所示。

表1 叶片泵技术参数表

出油口高压油作用在浮动侧板背面形成压紧力F1，浮动侧板密封面在叶片间油液压力的作用线形成反推力F2。叶片泵工作时，压紧力大于反推力，即F1>F2，从而保证浮动侧板压紧在定子端面。叶片泵启动时，浮动侧板在弹性密封件的弹性压力下，压紧在定子端面，如图4所示。

图4 高压叶片泵结构示意图

2.2 摩擦副[pv]值计算

浮动侧板材料为球墨铸铁QT500-7，密封面进行锰基磷酸镀层。转子材料为合金结构钢20CrNiMo。根据滑动摩擦理论[8]，在边界润滑条件下，以钢为对偶球磨铸铁的允许[p]值、 [v]值及[pv]值，分别为[p]=8.83 MPa，[v]=2.0 m/s，[pv]=1.76 MPa·m/s。

由于转子与浮动侧板间轴向间隙h=0.012 mm，油膜厚度大于0.1 μm不属于边界油膜，因此不能完全运用边界润滑理论对浮动侧板摩擦副进行分析。

2.3 滑动摩擦副温升模型

由于摩擦表面作相对高速滑动，此种滑动摩擦力所消耗的机械功转换成热量，将使油膜温升产生热膨胀[9]。平行板摩擦副高速滑动引起摩擦副内油液温升主要由压差流动和剪切流动产生的热量组成。以二平行平板间的剪切流动为例，进行压差及剪切流动产生的温升情况分析。设平板的宽度为b，长度为L，二平板间的相对滑动速度为v，二平板间的油膜厚度为h，二平行平板间压差为Δp。

1) 压差流动产生的温升

液压油通过摩擦副间隙时将产生压降Δp，压力的损失导致液压油的温升。从能量平衡的角度分析，液压油的压力势能损失所转换成的热量，大部分为液体本身所吸收，从而使油液产生温升，小部分热量通过壁面散入周围环境(例如大气)中，如式(1)所示：

(1)

式中：p1为间隙入口处压力；p2为间隙入口处压力；ρ为油液密度；c为油液比热；ΔT为间隙两端温度差。

2) 剪切流动产生的温升

根据J.F.布拉克伯恩的研究成果，认为由于油液剪切流动所产生的摩擦热使油液温升膨胀，因此平行板间的剪切流动是剪切流与热楔流的耦合流动，所以剪切流动产生的温升计算公式，如式(2)所示：

(2)

式中：λ为液压油的黏温系数；μ0为边界上液压油黏度；ρ0为边界上液压油密度。

3) 压差流与剪切流联合作用下温升

液压元件的摩擦副中，压差流与剪切流联合作用主要分为：压差流与剪切流互成正交叠加、压差流与剪切流同向叠加和反向叠加三种类型。当压差流与剪切流互成正交叠加以及同向或者反向时，摩擦副油膜的温升，分别如式(3)、(4)所示：

(3)

式中：qp为压差流量;qc为剪切流量。

(4)

式(4)中：“-”代表压差流方向与平行板的滑动方向同向的情况；“+” 代表压差流方向与平行板的滑动方向反向的情况。

3 浮动侧板摩擦副优化设计

3.1 建立油膜温升计算模型

该型号叶片泵为12叶片结构，其转子及浮动侧板，分别如图5、图6所示。根据对配流盘及转子结构特点的分析可知，浮动侧板与转子间油膜可分为吸油区和压油区两类。在吸油区由于不存在压差流动，所以油膜温升主要是由侧板与转子间剪切流动引起。在压油区高压油经轴向间隙流向轴承腔， 所以此处油膜温升是压差流与剪切流正交耦合作用的结果。

图5 叶片泵转子结构

图6 叶片泵配流盘结构

因此，叶片泵浮动侧板油膜温升解析，应以压油区两个叶片间转子平面摩擦副为主，该摩擦副为扇形平面，如图5中椭圆框标示位置。

3.2 叶片泵轴向间隙优化设计

1) 叶片泵使用工况

以装载机工作泵为例，发动机额定转速n=2200 r/min， 叶片泵工作压力Δp=20.0 MPa。转子与浮动侧板间轴向间隙h=0.012 mm。为减少计算量，可将该摩擦副简化为宽度为b=8.4 mm，长度为L=13.7 mm，滑动速度为v=7.42 m/s的二平板滑动模型。

2) 摩擦副油膜温升ΔT

高压油经轴向间隙h通过轴承腔流向吸油腔的流量qp，如式(5)所示。由转子与侧板剪切运动产生的流量qc，如式(6)所示：

(5)

(6)

其中：μ=0.032 Pa·s为液压油黏度。

将叶片泵转子尺寸参数和装载机工况参数，代入压差流与剪切流互成正交叠加摩擦副油膜的温升模型，如式(7)所示：

℃

(7)

3) 轴向间隙优化设计

根据日本学者市川常雄和哈尔滨工业大学许耀铭教授的研究成果[10]，液压泵中摩擦副处的油膜温升应不超过20～30 ℃。通过计算叶片泵侧板与转子间油膜温升ΔT=45.3 ℃，超出许用范围，导致摩擦副间发生粘着(或称为胶合、冷焊)，该粘着又被外加滑动力矩所撕脱成为粘着磨损。

为降低侧板与转子间油膜温升ΔT，需增大轴向间隙h，但是轴向间隙增大会降低叶片泵容积效率ηv。根据JB/T 7039-2006中，关于叶片泵容积效率的规定ηv≥82%。建立叶片泵轴向间隙优化模型，以油膜温升20℃≤ΔT≤30℃为优化目标，约束条件定为ηv≥82%，优化设计叶片泵轴向间隙，优化结果为h=0.018 mm，ΔT=26.15 ℃。

3.3 试验数据分析

根据叶片泵轴向间隙优化设计尺寸加工叶片泵，在通过出厂试验的基础上进行装机试验，并对轴向间隙优化设计前后的叶片泵各项性能参数进行对比分析，如表2所示。

表2 轴向间隙优化前后对比分析

注：对比分析中正值表示优化后比优化前增加，负值表示优化后比优化前降低。

对比分析表2中的数据：由于轴向间隙增大，浮动侧板与转子间油膜温升ΔT=26.15 ℃，比优化前降低了19.15 ℃。轴向间隙增大虽然使得叶片泵容积效率下降1.78%，但是机械效率却提高2.16%，所以叶片泵总效率基本稳定在80%。叶片泵使用寿命延长显著，由优化前约为500 h提高至优化后约为5000 h满足装载机液压系统设计要求。

4 结论

叶片泵应用于装载机液压系统中，需着重考虑其液压系统的恶劣工况对液压泵的影响，特别是发动机转速的剧烈变化对浮动侧板与转子间摩擦副设计的影响。为减少浮动侧板磨损，延长叶片泵使用寿命，应在保证叶片泵容积效率的前提下尽量增大轴向间隙，最大限度的降低摩擦副油膜温升。试验数据表明，叶片泵应用于装载机液压系统时，其浮动侧板与转子间油膜温升应控制在30 ℃以下。

参考文献：

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