CN105201814A - 一种轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置，它主要由主轴、缸体、扭矩转速传感器、螺钉、柱塞、斜盘、变量杆、变量活塞、压缩弹簧、前端盖、后端盖和壳体等构成。该试验装置基本考虑了真实泵/马达内所有影响搅拌损失的因素，通过适度放大配合间隙、紧固安装结构及脂润滑轴承的应用，消除了泵/马达内其它功率损失源对搅拌损失测试的干扰，设计螺钉的结构实现了对旋转件动平衡配平，通过取同等工况下壳体内充满油液及无油时测得得扭矩差，实现了对搅拌损失的测量。本装置整体结构简单可靠，零部件更换方便，加工和检测成本低。

Description

一种轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置

技术领域

本发明涉及液压元件技术领域，尤其涉及一种轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置。

背景技术

轴向柱塞泵/马达是流体传动与控制学科最为重要的动力/执行元件之一，在各行各业都得到了广泛和深入的应用。由于在泵/马达的壳体内部注满了具有一定粘度的液压油，壳体内部旋转件的高速搅油运动造成了主要表现如粘性摩擦损失及局部的涡流损失等功率损失，统称之为“搅拌损失”。搅拌损失对轴向柱塞泵/马达的效率具有重要的影响，尤其是当泵/马达工作于高转速时，如应用在航空航天领域的航空泵，转速基本都在几万转每分钟数量级，而高速化是轴向柱塞泵/马达发展的必然趋势，因此对于搅拌损失的相关研究具有重要的意义。

高速旋转件的搅油运动产生的搅拌损失对泵/马达效率影响显著，然而目前相关的研究却很少，且基本都停留在理论与仿真研究层面上，实验研究主要受到以下几个难点的限制：

1、搅拌损失存在形式多、分布广。搅拌损失是由壳体内部旋转件的搅油运动引起的，旋转件、壳体内壁面及壳体内部的其他零部件，如斜盘、变量机构等的结构形状都极其不规则，使得壳体内部油液流场极其紊乱，因此搅拌损失主要表现为发生在各处的局部涡流损失，各旋转件处的粘性摩擦损失及压差阻力损失等。

2、干扰因素多且杂。轴向柱塞泵/马达经过长期的发展，已是结构高度紧凑的一种液压元件，各零部件间以多种形式的运动约束副紧密高效的配合在一起，相互间耦合作用极强，运动学、动力学行为极其复杂，如柱塞滑靴组件旋转件在完成其旋转搅油运动的同时，也在执行吸排油的柱塞副往复运动、滑靴副的平面滑移运动及柱塞球头与滑靴球窝间的球铰副运动，因此存在很大的难度去准确检测由其产生的搅拌损失，而不受到其他运动约束副产生的功率损失的干扰。

3、旋转件的高度动不平衡性。由于如柱塞滑靴组件等往复运动零部件的存在，使得轴向柱塞泵/马达的旋转件达不到一个动平衡的状态，尤其是在大斜盘倾角的工况下。旋转件的动不平衡将造成振动和噪声加剧的问题，长时间运行甚至可能引起零部件疲劳损坏，尤其是在高速工况下。

发明内容

本发明的目的是为了解决轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试难度大的问题，提供一种轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置，包括模拟泵/马达、第一联轴器、扭矩转速传感器、第二联轴器、变频电机、数据采集卡和工控机；其中，模拟泵/马达通过第一联轴器与扭矩转速传感器相连；变频电机通过第二联轴器与扭矩转速传感器相连，扭矩转速传感器通过数据采集卡连接工控机；所述模拟泵/马达包括主轴、缸体、后端盖、前变量活塞、压缩弹簧、壳体、前端盖、柱塞螺钉组件、前端轴承、旋转密封圈、旋转密封挡圈、斜盘、螺堵、变量杆、后端轴承、后轴承盖和后变量活塞；所述壳体为中空圆柱体，圆柱体侧壁底部开有与螺堵通过螺纹连接的排油孔，壳体两端分别固定连接前端盖和后端盖；所述前端盖上开有用于安装前端轴承的支撑孔，所述后端盖上开有用于安装后端轴承的支撑孔，所述主轴由前端轴承和后端轴承支撑；所述缸体为圆柱体，其旋转中心轴与主轴的旋转中心轴重合，并与主轴一体成型；缸体设置在壳体内，其圆周上开有N个用于容纳N个柱塞螺钉组件的孔，N为5、7、9、11；斜盘为具有斜盘倾角为0-17度的开有中心通孔的圆柱体，主轴穿过斜盘的中心通孔，斜盘与前端盖内壁固定连接；所述前变量活塞和后变量活塞均为阶梯轴，后变量活塞的一端轴段固定在后端盖上，另一端轴段开有沉孔，所述沉孔与前变量活塞的一端轴段配合；前变量活塞的另一端轴段与斜盘固定连接；前变量活塞和后变量活塞均布置在主轴上方；压缩弹簧穿设在前变量活塞和后变量活塞之间；所述变量杆为阶梯轴，布置在主轴下方，其一端轴段通过螺纹与后端盖固定连接，另一端轴段与斜盘固定连接；旋转密封圈和旋转密封挡圈依次穿过主轴，并均与前端盖固定连接；后轴承盖固定连接在后端盖。

进一步地，所述柱塞螺钉组件由螺钉和柱塞组成；所述缸体的一个端面的圆周方向上开有N个用于容纳螺钉的沉孔，另一个端面的圆周方向上开有相对应个数用于容纳柱塞的柱塞孔，沉孔与柱塞孔之间具有通孔，螺钉穿过通孔与柱塞连接；所述螺钉由外螺纹杆和左中右三段圆柱体依次拼接而成；螺钉的左右两段圆柱体直径与沉孔直径相同；所述柱塞由具有内螺纹的圆柱体和一段外伸圆柱体拼接而成；

当主轴在初始位置时，N个柱塞螺钉组件对称布置在主轴所在的竖直平面的两侧；N个柱塞螺钉组件中的所有柱塞的外伸圆柱体底面圆心到斜盘的斜面的距离均相等；通过调整配平特制螺钉的中段圆柱体直径，使得N个柱塞螺钉组件的质量均相等。

进一步地所述柱塞螺钉组件个数N优选值为9。

进一步地，本发明还包括温度传感器和压力传感器；其中，所述温度传感器和压力传感器均与数据采集卡相连，数据采集卡与工控机相连；所述温度传感器和压力传感器分别用于检测壳体内油液的温度和压力。

本发明的有益效果是：本发明实现了对轴向柱塞泵/马达旋转件搅拌损失的实际测量，搅拌损失测试用模拟泵/马达基本考虑了真实泵/马达内所有影响搅拌损失的因素，消除了泵/马达内其它功率损失对搅拌损失测试的干扰，通过特制螺钉对旋转件进行了动平衡配平，使得模拟泵/马达转速可以达到几万转每分钟数量级，通过配置摩擦性能稳定的脂润滑轴承，采用“湿式壳体”及“干式壳体”两次测量取其扭矩差值的方法，排除了轴承处的摩擦力矩对搅拌损失测量的干扰。本试验装置整体结构简单可靠，零部件更换方便，加工和检测成本低，寿命长。通过本试验装置，可以有效、方便的实现对搅拌损失的主、次影响因素，搅拌损失随转速、排量工况的变化规律等相关方面的实验研究，可以完成对相关降低搅拌损失的技术方案的实验论证，使得在对高速化、高效率性能泵/马达的研究上能够更深入一步。

附图说明

图1是本发明总体图；

图2是本发明结构原理图；

图3是本发明模拟泵/马达外形图；

图4是模拟泵/马达内高速旋转组件；

图中：主轴1、缸体2、后端盖3、前变量活塞4、压缩弹簧5、壳体6、O形密封圈7、前端盖8、螺钉9、柱塞10、前端轴承11、旋转密封圈12、旋转密封挡圈13、斜盘14、螺堵15、变量杆16、O形密封圈17、后端轴承18、后轴承盖19、温度传感器20、压力传感器21、第一圆筒支架22、第一联轴器23、扭矩转速传感器24、后变量活塞25、第二圆筒支架26、第二联轴器27、变频电机28。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1-4所示，本发明包括模拟泵/马达、第一联轴器23、扭矩转速传感器24、第二联轴器27、变频电机28、数据采集卡和工控机；其中，模拟泵/马达通过第一联轴器23与扭矩转速传感器24相连；变频电机28通过第二联轴器27与扭矩转速传感器24相连，扭矩转速传感器24通过数据采集卡连接工控机；第一联轴器23外套有第一圆筒支架22，第一圆筒支架22一端与前端盖8固定联接，另一端与扭矩转速传感器24的一端外壳固定联接；第二联轴器27套有第二圆筒支架26，其一端与变频电机28的外壳固定连接，另一端与扭矩转速传感器24的另一端外壳固定联接；第一圆筒支架22和第二圆筒支架26用于支撑扭矩转速传感器24；所述模拟泵/马达包括主轴1、缸体2、后端盖3、前变量活塞4、压缩弹簧5、壳体6、前端盖8、柱塞螺钉组件、前端轴承11、旋转密封圈12、旋转密封挡圈13、斜盘14、螺堵15、变量杆16、后端轴承18和后变量活塞25；

所述壳体6为中空圆柱体，圆柱体侧壁底部开有与螺堵15通过螺纹连接的排油孔，壳体6两端分别通过螺钉固定连接前端盖8和后端盖3，壳体6与前端盖8和后端盖3之间均设置有O形密封圈7；所述前端盖8上开有用于安装前端轴承11的支撑孔，所述后端盖3上开有用于安装后端轴承18的支撑孔，所述主轴1由前端轴承11和后端轴承18支撑；所述缸体2为圆柱体，其旋转中心轴与主轴1的旋转中心轴重合，并与主轴1一体成型；缸体2设置在壳体6内，其圆周上开有9个用于容纳9个柱塞螺钉组件的孔；斜盘14为具有斜盘倾角为14.5度的开有中心通孔的圆柱体，主轴1穿过斜盘14的中心通孔，斜盘14与前端盖8内壁固定连接；所述前变量活塞4和后变量活塞25均为阶梯轴，后变量活塞25的一端轴段固定在后端盖3上，另一端轴段开有沉孔，所述沉孔与前变量活塞4的一端轴段配合；前变量活塞4的另一端轴段与斜盘14固定连接；前变量活塞4和后变量活塞25均布置在主轴1上方；压缩弹簧5穿设在前变量活塞4和后变量活塞25之间；所述变量杆16为阶梯轴，布置在主轴1下方，其一端通过螺纹与后端盖3固定连接，另一端与斜盘14固定连接；旋转密封圈12和旋转密封挡圈13依次穿过主轴1，并均与前端盖8固定连接；后轴承盖19固定连接在后端盖3上。

所述柱塞螺钉组件由螺钉9和柱塞10组成；所述缸体2的一个端面的圆周方向上开有9个用于容纳螺钉9的沉孔，另一个端面的圆周方向上开有相对应个数用于容纳柱塞10的柱塞孔，沉孔与柱塞孔之间具有通孔，螺钉9穿过通孔与柱塞10连接；所述螺钉9由外螺纹杆和左中右三段圆柱体依次拼接而成，用于配平，使得主轴1旋转时达到动平衡的效果；螺钉9的左右两段圆柱体直径与沉孔直径相同；所述柱塞10由具有内螺纹的圆柱体和一段外伸圆柱体拼接而成；当主轴1在初始位置时，9个柱塞螺钉组件中的8个对称布置在主轴1中心线所在的竖直平面的两侧，剩下的第9个柱塞螺钉组件布置在主轴1中心线所在的竖直平面上，并使得9个柱塞螺钉组件两两之间的圆心夹角为40度；主轴1中心线所在的竖直平面的一侧的所有柱塞10的长度不同，但是柱塞10的外伸圆柱体底面圆心到斜盘14的斜面的距离均相等；为了使主轴旋转起来能够达到动平衡，通过调整螺钉9的中段圆柱体直径来调整螺钉9的质量，使得9个柱塞螺钉组件的质量均相等。

本发明还包括温度传感器20和压力传感器21；其中，所述温度传感器和压力传感器均与数据采集卡相连，数据采集卡与工控机相连；所述温度传感器20和压力传感器21分别用于检测壳体6内油液的温度和压力。

斜盘14的斜面与最长的柱塞10之间留有2mm的间隙，前变量活塞4_、后变量活塞25、压缩弹簧5、变量杆16、斜盘14都遵从实际泵的真实结构形状，真实反映了泵内部的扰流因素。

所述壳体6内壁面形状跟真实泵壳体内壁面结构形状一致，壳体6两端与前端盖8、后端盖3采用法兰连接形式，壳体6侧壁开有两个测试口，1个注油口及1个卸油口，两个测试口分别装有压力传感器及温度传感器，用于检测壳体内部油液压力及温度。

所述主轴1由摩擦性能稳定的脂润滑前后轴承支撑，通过第一联轴器23与扭矩转速传感器24一端相连，扭矩转速传感器另一端通过第二联轴器27与变频电机28相连。模拟泵/马达在变频电机28的驱动下，主轴1与缸体2发生旋转运动，并带动柱塞螺钉组件一起做搅油运动。除搅油运动外，其它在壳体6内部的原本存在的、并产生功率损失的运动副在采用上述紧固安装结构及适度放大配合间隙方法后都予以了消除，同时基本保留了真实泵中对搅拌损失具有影响的因素。通过扭矩转速传感器测量得到的“湿式壳体”(即壳体内部注满了油液)及同工况下测得的“干式壳体”(即壳体内部无油液)的扭矩，取其差值即可获得搅拌损失。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包涵本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.一种轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置，其特征在于：包括模拟泵/马达、第一联轴器(23)、扭矩转速传感器(24)、第二联轴器(27)、变频电机(28)、数据采集卡和工控机等；其中，模拟泵/马达通过第一联轴器(23)与扭矩转速传感器(24)相连；变频电机(28)通过第二联轴器(27)与扭矩转速传感器(24)相连，扭矩转速传感器(24)通过数据采集卡连接工控机；所述模拟泵/马达包括主轴(1)、缸体(2)、后端盖(3)、前变量活塞(4)、压缩弹簧(5)、壳体(6)、前端盖(8)、柱塞螺钉组件、前端轴承(11)、旋转密封圈(12)、旋转密封挡圈(13)、斜盘(14)、螺堵(15)、变量杆(16)、后端轴承(18)、后轴承盖(19)和后变量活塞(25)；所述壳体(6)为中空圆柱体，圆柱体侧壁底部开有与螺堵(15)通过螺纹连接的排油孔，壳体(6)两端分别固定连接前端盖(8)和后端盖(3)；所述前端盖(8)上开有用于安装前端轴承(11)的支撑孔，所述后端盖(3)上开有用于安装后端轴承(18)的支撑孔，所述主轴(1)由前端轴承(11)和后端轴承(18)支撑；所述缸体(2)为圆柱体，其旋转中心轴与主轴(1)的旋转中心轴重合，并与主轴(1)一体成型；缸体(2)设置在壳体(6)内，其圆周上开有N个用于容纳N个柱塞螺钉组件的孔，N为5、7、9、11；斜盘(14)为具有斜盘倾角为0-17度的开有中心通孔的圆柱体，主轴(1)穿过斜盘(14)的中心通孔，斜盘(14)与前端盖(8)内壁固定连接；所述前变量活塞(4)和后变量活塞(25)均为阶梯轴，后变量活塞(25)的一端轴段固定在后端盖(3)上，另一端轴段开有沉孔，所述沉孔与前变量活塞(4)的一端轴段配合；前变量活塞(4)的另一端轴段与斜盘(14)固定连接；前变量活塞(4)和后变量活塞(25)均布置在主轴(1)上方；压缩弹簧(5)穿设在前变量活塞(4)和后变量活塞(25)之间；所述变量杆(16)为阶梯轴，布置在主轴(1)下方，其一端轴段通过螺纹与后端盖(3)固定连接，另一端轴段与斜盘(14)固定连接；旋转密封圈(12)和旋转密封挡圈(13)依次穿过主轴(1)，并均与前端盖(8)固定连接；后轴承盖(19)固定连接在后端盖(3)上。

2.根据权利要求1所述的一种轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置，其特征在于：

所述柱塞螺钉组件由螺钉(9)和柱塞(10)组成；所述缸体(2)的一个端面的圆周方向上开有N个用于容纳螺钉(9)的沉孔，另一个端面的圆周方向上开有相对应个数用于容纳柱塞(10)的柱塞孔，沉孔与柱塞孔之间具有通孔，螺钉(9)穿过通孔与柱塞(10)连接；所述螺钉(9)由外螺纹杆和左中右三段圆柱体依次拼接而成；螺钉(9)的左右两段圆柱体直径与沉孔直径相同；所述柱塞(10)由具有内螺纹的圆柱体和一段外伸圆柱体拼接而成；

当主轴(1)在初始位置时，N个柱塞螺钉组件对称布置在主轴(1)所在的竖直平面的两侧；N个柱塞螺钉组件中的所有柱塞的外伸圆柱体底面圆心到斜盘(14)的斜面的距离均相等；通过调整配平特制螺钉的中段圆柱体直径，使得N个柱塞螺钉组件的质量均相等。

3.根据权利要求1所述的轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置，其特征在于：所述柱塞螺钉组件个数N优选值为9。

4.根据权利要求1所述的轴向柱塞泵/马达高速旋转件搅拌损失测试装置，其特征在于：还包括温度传感器(20)和压力传感器(21)；其中，所述温度传感器和压力传感器均与数据采集卡相连，数据采集卡与工控机相连；所述温度传感器(20)和压力传感器(21)分别用于检测壳体(6)内油液的温度和压力。