CN106870314A - 一种磁浮辅助支承柱塞泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁浮辅助支承滑履结构的柱塞泵，主要包括柱塞、滑履及斜盘；所述的柱塞通过球铰与滑履连接；所述的滑履上背向球铰的一端在斜盘的滑履滑道内周向平动；其特征是：所述的滑履上和斜盘上分别设有两极性相反的磁场；斜盘上的磁场方向与滑履工作面法线之间具有夹角，用磁场力对滑履的作用力矩来平衡滑履上所受的倾侧力矩，以减少或消除斜盘滑履运动副间油膜的楔形角。本发明应用可减少斜盘滑履运动副的最大接触应力，减少滑履磨损；减少斜盘滑履运动副间介质的泄漏；也可提高同规格柱塞的柱塞泵理论排量及功率密度比。

Description

一种磁浮辅助支承柱塞泵

技术领域

本发明属于液压传动技术领域，具体是涉及一种磁浮辅助支承柱塞泵。

背景技术

滑履与斜盘运动副的油膜支承现有三种工作机理，如图1所示。图1中(a)中的运动副中滑履的支承力为动压油膜支承，当滑履与斜盘接触应力超过油膜耐压极限，滑履与斜盘产生干摩擦，这种结构应用于早期低压柱塞泵。随着柱塞泵应用压力的提高，(a)的结构不能满足要求，于是出现了(b)、(c)中的结构。(b)中D_s>D_p，承压腔的面积略大于柱塞截面积，柱塞内细长节流管处起固定阻尼作用，使承压腔内压力小于柱塞腔内压力，圆环与斜盘形成的间隙起可变阻尼作用，在负载变化时使摩擦副间形成适当刚度的油膜，保持完全的流体润滑，这种工作机理称之为“负压紧”。(c)中D_s<D_p，承压腔的面积略于柱塞截面积，承压腔的静压支承力小于柱塞对滑履的作用力，还需要动压支承力或接触反力一起平衡，这种工作机理称之为“正压紧”。上述三种工作机理受力都以柱塞对滑履的作用力通过滑履质心S，油膜或接触应力均匀为前提而分析的。

Hook与胡新华对柱塞和滑履的受力进行了分析，得出柱塞对滑履的作用力并不通过滑履的质心S，可分解为沿滑履轴线方向的分力p_ps和垂直滑履轴线方向的分力N_ps，p_ps与滑履质心的偏心距为e₁，使滑履受倾侧力矩M的作用，如图2所示。

杨国昌对图1(c)所示的机理的滑履进行了研究，也认为滑履受倾侧力矩作用，使滑履与斜盘的接触应力分布不均，在斜盘圆环最外端点压力最大，磨损最严重。滑履在随着排量、转速、压力、温度的提高，当摩擦副材料的耐磨性和液压油的润滑性不够好时，如图2所示，滑履外环端点N点应力随之增大，磨损增加。滑履外环的端点N点在磨损后此处失去支撑，磨损由N点向滑履内环端点M点逐渐内移，进而造成整个滑履工作面磨损。

同理也可对图1(b)进行分析，如图3所示，倾侧力矩M使滑履间斜盘产生一个夹角为α的楔形油膜。由于楔形一端开口使泄漏增加，圆环与斜盘间的节流作用减少，液压动、静支承力减少，使滑履中心油膜厚度Δh减小直至平衡。此时楔形油膜支承合力F_p与滑履质点的偏心距为e₂，若有接触应力，则F_n与滑履质点的偏心距为e₃，两者共同与侧倾力矩M平衡，斜盘与柱塞轴线的实际夹角为α+γ。当F_n作用的接触应力超过油膜耐压极限时，将在N点造成干摩擦。

目前对滑履与斜盘运动副的工作机理没有突破上述三种形式，但在结构的细节上作了很多研究，如利用柱塞和缸体的间隙作为代替易堵塞的细长阻尼孔起节流作用的结构，许耀铭和德国学者H.Thoma提出了螺旋阻尼槽结构以改善污染堵塞的问题。也有提出减少柱塞球头尺寸、减少斜盘倾角^[5]来改善倾侧力矩对于滑履的影响。另一些聚焦在摩擦副材料匹配上，如采用不锈钢等热膨胀系数小的材料、表面镀层等提高表面耐磨性能的材料来提高斜盘滑履副的使用寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，能够改善柱塞泵滑履受力、磨损情况的磁浮辅助支承柱塞泵。

本发明采用的技术方案是：一种磁浮辅助支承柱塞泵，包括柱塞、滑履及斜盘；所述的柱塞通过球铰与滑履连接；所述的滑履上背向球铰的一端置于斜盘的滑履滑道内；所述的滑履上和斜盘上分别设有两极性相反的磁场；斜盘上的磁场在斜盘内等强度，而且该磁场与斜盘之间具有夹角。

上述的磁浮辅助支承柱塞泵中，所述的斜盘上滑履滑道内设有弧形的磁体布置腔，磁体布置腔内设有磁体。

上述的磁浮辅助支承柱塞泵中，所述的滑履上和斜盘上两磁场产生的斥力的合力不通过滑履的质心。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.由于磁场合力矩M_g的存在，本发明可以减少油膜力矩M_p的要求。在不改变滑履结构的前提下，可减小斜盘与滑履的油膜夹角；若选择合适的M_g可消除夹角，形成均匀的液压油膜，减少最大接触应力及滑履磨损。

2.由于磁场的作用，本发明的斜盘与滑履的油膜夹角将较少或消除，滑履一端“翘起”情况将减轻，动压支承间隙均匀，使通过滑履泄漏的高压油减少。

3.由于磁场的作用，本发明的楔形油膜夹角甚至可变为负值，滑履与柱塞的实际夹角将显著减小，滑履球头副、柱塞副在径向方向的受力将得到改善、球头和柱塞的磨损也将减少。

4.由于磁场力的作用，本发明的主要摩擦副的受力、磨损情况得到改善，楔形油膜夹角减小甚至可以为负值，斜盘倾角就可以较大幅度的增加，可以提高同规格柱塞的柱塞泵理论排量及功率密度比。

附图说明

图1为柱塞泵滑履与斜盘运动副工作机理图。

图2为柱塞泵油膜支承不平衡状态受力图。

图3为柱塞泵油膜支承平衡状态受力图。

图4为本发明磁浮辅助油膜结构图。

图5为本发明磁浮辅助支承受力图。

图6为本发明的磁体在斜盘平面布置图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图3-图6所示，本发明包括柱塞1、滑履2及斜盘3；所述的柱塞1通过球铰与滑履2连接；所述的滑履2上背向球铰的一端置于斜盘3的滑履滑道31内。所述的滑履2上和斜盘3上分别设有两极性相反的磁场，滑履2所受磁场斥力的合力不通过滑履2的质心。两磁场产生的斥力对滑履2质心的力矩来平衡柱塞1球头接触力对滑履2质心的倾侧力矩，使的滑履2与斜盘3运动副间的油膜厚度均匀，或使滑履2与斜盘3运动副间的接触应力均匀。

斜盘3上的磁场在斜盘3范围内近乎等强度。如图4所示，本发明的斜盘3上的滑履滑道31内设有弧形的磁体布置腔32，磁体布置腔32内设有磁体，斜盘上的磁场由该磁体产生。

本发明的理论依据如下：

如图2所示，以滑履承压腔底面中心设一柱坐标系，Z轴正向垂直滑履工作面并指向斜盘，斜盘与滑履间流体的N-S运动微分方程为：

斜盘与滑履间流体的微分连续方程为：

假设流体在滑履副壁面满足无滑移条件，承压腔内各处压力处处相等，均为p_r。则边界条件有：

z＝h时，v_r＝0，v_θ＝0 (5)

时，p＝p_r (6)

时，p＝0 (7)

时，v_r＝0，v_θ＝0 (8)

根据上述公式及边界条件，即可求得滑履与斜盘间油膜的压力场p，该压力场对滑履工作面的液压合力F_p为：

滑履工作面油膜压力对滑履质心S的合力矩M_p为：

M_p＝k₁p_s(1-k₂Δh-k₃cosα) (11)

式中k₁、k₂、k₃是与结构有关的系数。

如图5所示，若给定一个与斜盘成β角的磁场，使磁场合斥力为F_g，并经过滑履工作面的形心O，则磁场作用力对滑履质心S的合力矩M_g为：

M_g＝F_gl₀cos(α+β) (12)

M_p+M_g＝P_spe₁ (13)

式中符号说明

1、本发明能够减少斜盘滑履副磨损。

根据式13可知，由于磁场合力矩M_g的存在，可以减少油膜力矩M_p的要求；在不改变滑履2的结构的前提下，又根据式11，由于M_p减少，斜盘3与滑履2的油膜夹角α减小；若选择合适的M_g可消除油膜夹角α，形成均匀的液压油膜，在前述造成滑履2磨损的极端工况下，将均匀滑履2与斜盘3间的接触应力，减小了滑履与斜盘间的最大接触应力，减少了滑履2的磨损。

2、本发明减少了通过滑履2泄漏的高压油。

由上述第1点可知，由于磁场的作用，斜盘3与滑履2的油膜夹角α将较小或消除，滑履一端“翘起”情况将减轻，动压支承间隙均匀，使通过滑履2泄漏的高压油减少。

3、改善柱塞泵受力、磨损情况。

由图5可知，滑履2与柱塞1的实际夹角为α+γ。于磁场的作用，楔形油膜夹角α将减小甚至可变为负值，滑履2与柱塞1的实际夹角α+γ也将减小，滑履球头副、柱塞副在径向方向的受力将得到改善、球头和柱塞的磨损也将减少。

4、本发明提高了斜盘3的允用倾角。

由于磁场力的出现，柱塞泵主要摩擦副的受力、磨损情况得到改善，楔形油膜夹角α减小甚至可以为负值，斜盘倾角γ就可以较大幅度的增加，提高了同规格柱塞的柱塞泵理论排量及功率密度比。

Claims (3)

1.一种磁浮辅助支承柱塞泵，主要包括柱塞、滑履及斜盘；所述的柱塞通过球铰与滑履连接；所述的滑履上背向球铰的一端置于斜盘的滑履滑道内；其特征是：所述的滑履上和斜盘上分别设有两极性相反的磁场；斜盘上的磁场在斜盘内等强度，而且该磁场与斜盘之间具有夹角。

2.根据权利要求1所述的磁浮辅助支承柱塞泵，其特征是：所述的斜盘上滑履滑道内设有弧形的磁体布置腔，磁体布置腔内设有磁体。

3.根据权利要求1或2所述的磁浮辅助支承柱塞泵，其特征是：所述的滑履上和斜盘上两磁场产生的斥力的合力不通过滑履的质心，用以平衡柱塞对滑履质心的倾侧力矩。