残留容积和柱塞副间隙对柱塞泵效率的影响

·产品与市场·

收稿日期：2012－03－15

作者简介：孔令志（1983-），男，河南太康县人，本科，助工，技术员。从事煤矿用特种车辆大修工作。

0引言

在液压传动系统中，轴向柱塞泵是将动力机械（如发动机、电动机）传递的机械能转换成流动液体能的能量转换装置，其功用是为液压系统提供动力源。柱塞式液压泵由于其主要零部件（如缸体、柱塞）均为圆柱形，加工方便、密封型号好、密封性能好、容积效率高而广泛应用于工程机械、矿山机械、冶金等对压力和温度要求较高的行业。随着科学技术的发展和生产实际的需要，对柱塞泵的要求也越来越高，柱塞泵效率特性的研究也备受关注。在研究其效率特性时，通常将液压油视为理想状态；然而多个柱塞同时动作时，残留容积总和和柱塞副间隙对柱塞泵效率会产生较大的影响。我们将讨论残留容积和柱塞副间隙对柱塞泵效率的影响，以获

得残留容积和柱塞副间隙的最佳关系。

1轴向柱塞泵工作原理介绍

如图1所示，缸体上平均分布有几个轴向排列的柱塞，柱塞可以在缸体中轴向自由移动，并且随缸体在传动轴带动下一起转动，当柱塞在缸体底部向外伸出时，缸体内容积不断增大，从而产生真空，油液经配油盘上的窗口B 吸入，反之，当柱塞由上部向缸体底部压缩时，缸体内容积不断减小，将油液从配油盘窗口A 向外压出，缸体每旋转一周，每个柱塞往复运动一次，完成一次吸油和压油。传动轴连续旋转时，则柱塞就不断地

Residual Volume and Plunger Pair Gap to Volume Ratio of Piston

KONG Ling-Zhi

(China Coal Technology ＆Engineering Group CO.TAIYUAN Institute ，Taiyuan Shanxi 030024，China)

Abstract ：For the availability raising the bar piston pump,have discussed residual volume with the impact of bar piston subsidiary gap over bar piston efficiency of pump.Through the theoretical analysis,reduceing volume plunger can effectively improve volumetric efficiency of piston pump,but too much smaller volume plunger Chamber makes the plunger for heat generation "killed"phenomenon,this gap by in -creasing the plunger pair can be bination of balance status derived Vice circumferential piston friction force equation.Analysis shows that,with the plunger clearances increased,they suffered weeks of friction also increases the loss of mechanical efficiency of the pump.Therefore,it need the efficiency that appropriate residual adjustment volume does raise the bar piston pump,by comparing the best residual volume and plunger pair gap can be received.

Key words ：plunger pumps ；residual volume ；plunger pair gap ；efficiency

残留容积和柱塞副间隙对柱塞泵效率的影响

孔令志

（中国煤炭科工集团太原研究院，山西太原030024）

摘要：为提高柱塞泵的容积效率，探讨了残留容积和柱塞副间隙对柱塞泵效率的影响。通过理论分析可

得，减小残留容积可以提高柱塞泵的容积效率，但是过小的残留容积，会使柱塞产生“咬死”现象，可以增大柱塞副间隙来改善。结合柱塞的状态平衡方程，推导出柱塞副周向摩擦力的受力方程，分析表明，随着柱塞副间隙的减小，柱塞副的周向摩擦力也减小，而柱塞泵的机械效率在增大。调节残留容积可以提高柱塞泵的效率，通过比较可以获得最佳残留容积和柱塞副间隙。

关键词：柱塞泵；残留容积；柱塞副间隙；效率中图分类号：TH137.51

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2012.03.021

文章编号：1002－6673（2012）03－051－03

机电产品开发与创新

Development ＆Innovation of M achinery ＆E lectrical P roducts

Vol．25,No．3May ．,2012第25卷第3期2012年5月

图1轴向柱塞泵工作原理简图

Fig.1Axial piston pump working principle diagram

1

2

3

4

8765

B

A

02ππ

r 准

ω

α

51

·产品与市场·

吸油和压油，从而液压系统正常工作。

改变斜盘的角度，就可以改变柱塞的有效行程，也就改变了柱塞泵的排量，则为变量柱塞泵。若将斜盘固定，角度不可调节，则为定量柱塞泵。如果改变斜盘倾角的方向，就能改变吸油和压油的方向，这就成为了双向变量轴向柱塞泵。

2残留容积对效率的影响

柱塞结构如图2所示。柱塞的排油体积由柱塞排出的容积和残留容积两部分组成。

V 1—柱塞空心部

分的容积；V 2—柱塞排出的容积；V 3—柱塞缸体底部的容积；

L —柱塞行程。

V 2=LA

（1）

油液在柱塞运动过程中，由于压缩性导致体积的变

化量为荭V 。

荭V=（V 1+V 2+V 3）kp/A

（2）

式中：k —油的体积压缩率，一般为7×10-10Pa ；p —柱塞泵的工作压力。在吸油到压缩的过程中，由于油液的压缩性，柱塞产生位移为荭L 。

荭L=荭V/A=（V 1+V 2+V 3）kp/A 2

（3）

泵的容积效率为ηm ：

ηmv =1-荭L L =1-kp-kp （V 1+V 3）

V 2

（4）

残留容积越大，容积效率越低。通过减小柱塞空心部分的孔径，可以提高容积效率，但随着柱塞内部油液的减少，柱塞在运动过程中产生的热量就不能及时被传递采取，柱塞受热膨胀，易导致柱塞和缸体的卡死。在不改变柱塞体空心部分孔径的情况下，加大柱塞与缸孔之间的配合间隙能解决卡死现象。

3柱塞副间隙对泵效率的影响

缸体与柱塞间形成流体润滑时，由于相互间的摩擦面被一层液体层隔开，可以有效地减小摩擦系数，通常流体润滑时的摩擦系数只有干摩擦时的百分之一，所以防止缸体与柱塞间的干摩擦，也就大大降低了由摩擦所产生的功率损失。为了提高柱塞泵的机械效率，需从减小缸体和柱塞间的摩擦系数着手，使缸体与柱塞间有压力油膜存在，使摩擦副处于流体润滑状态。

缸体与柱塞间油膜间隙的存在，必然会带来一定的油液泄漏，油膜厚度越大而泵的容积效率也会越低。因此，对于柱塞空心部分孔径的选取，必须兼顾到柱塞副间流体润滑的问题，只有合理设计油膜厚度，才能保证

缸体与柱塞间纯流体润滑状态，这样既提高了泵的容积效率，也提高了泵的机械效率。

由于缸体与柱塞间存在油膜间隙，当其受到载荷后，缸体与柱塞间会形成楔形油膜并形成一定的压力分布，因此对柱塞副油膜特性进行分析首先需对柱塞副的受力情况进行分析。

柱塞在缸体内往复运动过程中，假设柱塞腔内衬套始终全部受力产生支撑，则单柱塞受力分析如图3所示。

柱塞的受力为:

m ω2Rsin β-fcos β+F N2sin β=0

（5）（m ω2R+F N2）cos β+（f+F N1）sin β-G

（6）F p -f 1+F N2cos γ+m ω2Rtan γcos β=0

（7）

式中，m —柱塞质量与滑靴质量的和；F N1—斜盘对柱塞副的支撑力；F N2—柱塞副油膜对柱塞产生的支撑力；f —滑靴与斜盘间的摩擦力；f 1—柱塞副油膜在轴向方向的摩擦力；F p —柱塞底部油液压力。

4柱塞泵效率的分析

将轴向柱塞泵A11VO190的结构参数代入进行数字仿真。假设柱塞泵工作时的温度、压力和转速都恒定，斜盘倾角为10°，当柱塞副间隙为10μm 、12μm 、

14μm 、16μm 、18μm 时的仿真结果如图4和图5所示。

随着柱塞副间隙的减小，柱塞周向摩擦力也相应减小。随着柱塞副间隙的减小，柱塞副的周向摩擦力也减小，而柱塞泵的机械效率在增大。

柱塞副间隙和残留容积的不同组合对柱塞泵效率的

52