CN116398416B - 柱塞副性能模拟测试装置、温度控制系统以及液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及斜盘式轴向柱塞泵试验台领域，尤其涉及一种柱塞副性能模拟测试装置、温度控制系统以及液压系统。其中，所述柱塞副性能模拟测试装置包括测试组件，所述测试组件包括多孔缸体、回程缸体、球铰、平衡柱塞、平衡滑靴、隔热轴；所述多孔缸体横截面呈扇形，所述多孔缸体上分布有多个缸孔，其中至少一个缸孔内安装被试柱塞和被试滑靴；所述回程缸体内安装与回程盘连接的球铰和平衡柱塞、平衡滑靴，所述回程缸体与多孔缸体之间安装有隔热轴。通过设置多个缸孔、隔热轴对相邻孔热膨胀挤压作用拟实、实际柱塞泵中的主轴约束作用拟实，准确复现高压高速工况下柱塞副热力学及油膜承载润滑特性，实现柱塞副性能参数的准确测量。

Description

柱塞副性能模拟测试装置、温度控制系统以及液压系统

技术领域

本发明涉及斜盘式轴向柱塞泵试验台领域，尤其涉及一种柱塞副性能模拟测试装置、温度控制系统以及液压系统。

背景技术

轴向柱塞泵柱塞副是完成吸、排油的功能偶件，柱塞副的油膜特性和轴向柱塞泵的性能息息相关，是影响轴向柱塞泵机械效率和容积效率的关键因素之一。因此，国内外学者通过摩擦副试验台对柱塞副承载润滑特性展开研究，既可以独立测量柱塞副轴向摩擦力、泄漏量、油膜温度等性能参数，又避免了在实际柱塞泵内布置传感器难度大的问题。

在轴向柱塞泵高速高压化发展趋势下，柱塞副温度变化带来的影响不容忽视。在高速高压工况下，柱塞副粘性摩擦力和固体接触摩擦力增大，摩擦产热增大，导致油膜温度升高。油膜热量通过热对流和热传导传递柱塞和缸体缸孔表面，导致柱塞和缸体缸孔发生热膨胀。不同于圆柱形柱塞的均匀外扩膨胀，缸体缸孔受热外扩膨胀时，由于中心花键处受到主轴约束，阻碍缸孔向中心花键方向上的外扩变形；且相邻缸孔产生挤压，阻碍缸孔向相邻孔方向上的外扩变形，导致缸孔热膨胀后形状为径向长，周向短的椭圆。

国内外现有单柱塞性能测试试验台多采用圆柱形单孔缸体配单柱塞，圆柱形单孔缸体形状和约束与实际九孔缸体存在差异，圆柱形单孔缸体热变形也与实际不同，因此会对柱塞副轴向摩擦力、泄漏量的测量造成误差。因此，亟需可以有效模拟实际柱塞缸体热变形的柱塞副油膜温度与承载润滑特性测量试验装置。

发明内容

本发明的目的在于，在单柱塞副性能测试试验台上搭建能够模拟轴向柱塞泵中柱塞和缸体的实际热变形实验装置，探究高压高速工况下柱塞缸体热变形对柱塞副承载润滑特性的影响，实现对柱塞副油膜温度、轴向摩擦力、泄漏量的准确测量。

发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明提供一种柱塞副性能模拟测试装置，包括测试组件，所述测试组件包括多孔缸体、回程缸体、球铰、平衡柱塞、平衡滑靴、隔热轴；所述多孔缸体横截面呈扇形，所述多孔缸体上分布有多个缸孔，其中至少一个缸孔内安装被试柱塞和被试滑靴；所述回程缸体内安装球铰和平衡柱塞、平衡滑靴，所述球铰与回程盘铰接，所述被试滑靴、平衡滑靴与回程盘固定设置，所述回程缸体与多孔缸体之间安装有隔热轴。

进一步地，所述多孔缸体的缸孔数量为3个，三个孔分别为中心孔、左孔和右孔。

进一步地，所述中心孔内安装被试柱塞和被试滑靴，所述左孔和右孔内均安装环形仿柱塞套筒，两个仿柱塞套筒内均安装加热管。

进一步地，所述仿柱塞套筒采用石墨为材料。

进一步地，所述隔热轴为陶瓷轴。

进一步地，所述多孔缸体与轴向力传感器固定连接，所述轴向力传感器通过轴向力传感器安装座固定于试验台腔体上；所述回程缸体与回程缸体固定套固定连接，所述回程缸体固定套与回程限位板固定连接，所述回程缸体固定套与固定套定位块固定连接，所述固定套定位块与试验台腔体固定连接。

进一步地，所述柱塞副性能模拟测试装置还包括回程盘、斜盘；所述回程盘通过球铰压向斜盘，回程盘顶部卡在回程限位板导轨内，使其只能沿导轨方向滑动；所述被试滑靴与平衡滑靴与回程盘底面贴合，通过回程盘压向斜盘；所述被试滑靴与被试柱塞通过柱塞球头连接；所述平衡滑靴与平衡柱塞通过柱塞球头连接。

第二方面，本发明提供一种温度控制系统，包括所述的柱塞副性能模拟测试装置，所述多孔缸体壁面具有沿中心轴方向排布的与缸孔对应的多列温度传感器安装孔，温度传感器安装孔内均安装有温度传感器，每列温度传感器安装孔设有三个，共9个温度传感器安装孔，所述三列温度传感器安装孔的中心线分别通过中心孔、左孔和右孔；所述温度传感器孔与温度传感器的间隙中填入导热硅脂。

进一步地，温度传感器的信号包括中心孔内柱塞油膜温度信号xd，和左孔、右孔内加热管温度信号x；所述xd为目标温度，所述x为被控温度，通过采集卡采集两种温度信号后计算两者差值，将控制信号u反馈至加热管，使得左孔和右孔内的加热管温度与中心孔内的柱塞副温度始终保持一致。

第三方面，本发明提供一种液压系统，包括所述的柱塞副性能模拟测试装置、主泵、流量传感器、单向阀、比例溢流阀、减压阀；所述主泵吸油口连接油箱，压油口依次连接流量传感器和单向阀，所述主泵和流量传感器之间的管路上连接有比例溢流阀，所述比例溢流阀出油口连接油箱，主泵出口压力由比例溢流阀调节；高压油一路通过引油管进入被试柱塞底部，一路连接减压阀进入回程缸体到达球铰和平衡柱塞底部；所述减压阀用于调节回程压力大小，所述比例溢流阀调节主泵的出口压力。

本发明的有益效果是：

1、所述柱塞副性能模拟测试装置能够模拟实际柱塞副热弹性时变特征，准确复现高压高速工况下柱塞副热力学及油膜承载润滑特性，可用于研究热变形对柱塞副轴向摩擦力和泄漏量的影响，并实现柱塞副性能参数的准确测量。

2、在确保柱塞副热弹性变形拟实的前提下尽可能减小了缸体质量，采用三孔扇形缸体，避免了缸体自身重力可能对轴向力传感器造成较大扭矩，从而影响柱塞副轴向摩擦力测量的问题。

3、用加热管模拟相邻柱塞副产热，避免了高压下轴向力过大，轴承难选型的问题。

4、通过温度传感器测量实验装置中柱塞副油膜实时温度，并通过加热管对相邻缸孔加热至相同温度，同时通过温度传感器实时监测并反馈加热管缸孔温度，实现加热管缸孔温度与柱塞副油膜温度的实时一致性。

附图说明

图1是柱塞副性能模拟测试装置结构示意图；

图2是测试组件结构示意图；

图3是多孔缸体示意图；

图4是多孔缸体和温度传感器安装剖视图；

图5是隔热轴示意图；

图6是液压系统的原理图；

图7是温度控制系统示意图。

其中的附图标记为，轴向力传感器安装座1、轴向力传感器2、多孔缸体3、引油管4、隔热轴5、被试柱塞6、被试滑靴7、加热管8、仿柱塞套筒9、温度传感器10、平衡柱塞11、平衡滑靴12、回程盘13、球铰14、回程缸体15、回程限位板16、回程缸体固定套17、固定套定位块18、斜盘19、中心孔20、右孔21、左孔22、采集卡23、主泵24、流量传感器25、单向阀26、比例溢流阀27、减压阀28、回程缸体底面29、隔热轴上弧面30、隔热轴下弧面31、多孔缸体上弧面32。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指在装配使用状态下的方位。“内、外”是指相对于各部件本身轮廓的内、外。

分析实际轴向柱塞泵中柱塞缸体的热变形可知，不同于圆柱形柱塞的均匀外扩膨胀，缸孔受热外扩膨胀时，由于中心花键处受到主轴约束，阻碍缸孔向中心花键方向上的外扩变形；且相邻缸孔产生挤压，阻碍缸孔向相邻孔方向上的外扩变形，导致缸孔热膨胀后形状为径向长，周向短的椭圆。

为了解决上述技术问题，第一方面，如图1-5所示，本发明提供一种柱塞副性能模拟测试装置，包括测试组件，所述测试组件包括多孔缸体3、回程缸体15、球铰14、平衡柱塞11、平衡滑靴12、隔热轴5；所述多孔缸体3横截面呈扇形，其内径R1、外径R3、分度圆半径R2与柱塞孔分布角θ均与实际轴向柱塞泵缸体尺寸相同，所述多孔缸体3上分布有多个缸孔，其中至少一个缸孔内安装被试柱塞6和被试滑靴7；由于柱塞滑靴组件在高速往复运动过程中，为避免滑靴倾覆和偏磨磨损，需安装回程结构。所述回程缸体15内安装球铰14和平衡柱塞11、平衡滑靴12，所述球铰14与回程盘13铰接，所述被试滑靴7、平衡滑靴12与回程盘13贴合，所述回程缸体15固定设置，所述回程缸体15与多孔缸体3之间安装有隔热轴5。在上述技术方案中，通过设置多个缸孔，对相邻孔热膨胀挤压作用进行了拟实。通过设置隔热轴5，可以阻碍柱塞副产生的热量通过多孔缸体3传导至回程缸体15，起到约束多孔缸体3朝隔热轴5方向的热膨胀，实现实际柱塞泵中的主轴约束作用的拟实，能够模拟实际柱塞副热弹性时变特征，准确复现高压高速工况下柱塞副热力学及油膜承载润滑特性，可用于研究热变形对柱塞副轴向摩擦力和泄漏量的影响，并实现柱塞副性能参数的准确测量。

若采用与实际柱塞泵相同的九孔缸体，则缸体质量过大，在安装轴向力传感器后，其自身重力可能对轴向力传感器造成较大扭矩干扰，影响轴向摩擦力的测量，应该尽量减轻缸体质量。因此，采用三孔扇形缸体代替实际轴向柱塞泵的九孔缸体。所述多孔缸体3的缸孔数量为3个，三个孔分别为中心孔20、左孔22和右孔21。当然，缸孔数量3个为优选方案，但本方案并不排除其他孔数的方案。

由于高压油液作用于柱塞底面的轴向压力较大，若在三孔中均安装柱塞滑靴组件，则会产生过大的轴向压力，导致斜盘轴处的轴承载荷大，轴承难选型。所述中心孔20内安装被试柱塞6和被试滑靴7，所述左孔22和右孔21内均安装环形仿柱塞套筒9，两个仿柱塞套筒9内均安装加热管8。通过上述技术方案，来模拟柱塞副在往复运动中的升温过程，实现对实际柱塞泵中相邻缸孔热膨胀挤压作用的拟实。当然，安装环形仿柱塞套筒9和加热管8为最优选方案，但本方案并不排除缸孔内都安装被试柱塞6和被试滑靴7的方案。

优选地，所述仿柱塞套筒9采用石墨为材料。其具有较高的热传导系数，可以较好地传递加热管8温度，模拟实际柱塞副产热升温情况。

优选地，所述隔热轴5为陶瓷轴。陶瓷轴热膨胀系数较小，且导热系数极低，可以阻碍柱塞副产生的热量通过三孔缸体传导至回程缸体。具体地，隔热轴上弧面30与回程缸体底面29紧密贴合，隔热轴下弧面31与多孔缸体上弧面32紧密贴合。

为了测量被试柱塞的轴向摩擦力，且确保装置稳定牢靠，所述多孔缸体3与轴向力传感器2固定连接，所述轴向力传感器2通过轴向力传感器安装座1固定于试验台腔体上，述轴向力传感器2可以对被试柱塞6的轴向摩擦力进行测量；所述回程缸体15与回程缸体固定套17固定连接，所述回程缸体固定套17与回程限位板16固定连接，所述回程缸体固定套17与固定套定位块18固定连接，所述固定套定位块18与试验台腔体固定连接。回程缸体15、回程缸体固定套17、回程限位板16与固定套定位块18作为回程组件与试验台腔体连接固定不动。所述固定连接优选地为螺栓连接。

由于柱塞滑靴组件在高速往复运动过程中，为避免滑靴倾覆和偏磨磨损，需安装回程结构。所述柱塞副性能模拟测试装置还包括回程盘13、斜盘19；所述回程盘13通过球铰14压向斜盘19，回程盘13顶部卡在回程限位板16导轨内，使其只能沿导轨方向滑动；所述被试滑靴7与平衡滑靴12与回程盘13底面贴合，通过回程盘13压向斜盘19；所述被试滑靴7与被试柱塞6通过柱塞球头连接；所述平衡滑靴12与平衡柱塞11通过柱塞球头连接。引高压油进入球铰底部，使得球铰始终将回程盘与被试滑靴7与平衡滑靴12压向斜盘，实现对被试滑靴的强制回程。

第二方面，如图7所示，本发明提供一种温度控制系统，包括所述的柱塞副性能模拟测试装置，所述多孔缸体3壁面具有沿中心轴方向排布的与缸孔对应的多列温度传感器安装孔，温度传感器安装孔内均安装有温度传感器10，每列温度传感器安装孔设有三个，共9个温度传感器安装孔，所述三列温度传感器安装孔的中心线分别通过中心孔20、左孔22和右孔21；所述温度传感器孔与温度传感器10的间隙中填入导热硅脂更好地进行导热。在本实施例中，温度传感器安装孔底部与左孔、中心孔和右孔的距离为1mm。温度传感器安装孔内均安装有温度传感器10，能够对温度有着极为精确的探测。

进一步地，温度传感器的信号包括中心孔内柱塞油膜温度信号xd，和左孔、右孔内加热管温度信号x；所述xd为目标温度，所述x为被控温度，通过采集卡23采集两种温度信号后计算两者差值，将控制信号u反馈至加热管8，使得左孔22和右孔21内的加热管温度与中心孔20内的柱塞副温度始终保持一致，在左孔22、右孔21内实现柱塞副产热升温过程的拟实。

第三方面，如图6所示，本发明提供一种液压系统，包括所述的柱塞副性能模拟测试装置、主泵24、流量传感器25、单向阀26、比例溢流阀27、减压阀28；所述主泵24吸油口连接油箱，压油口依次连接流量传感器25和单向阀26，所述主泵24和流量传感器25之间的管路上连接有比例溢流阀27，所述比例溢流阀27出油口连接油箱，主泵24出口压力由比例溢流阀27调节；高压油一路通过引油管4进入被试柱塞6底部，一路连接减压阀28进入回程缸体15到达球铰14和平衡柱塞11底部；所述减压阀28用于调节回程压力大小，所述比例溢流阀27调节主泵24的出口压力。通过流量传感器25可以对被试柱塞6泄漏量进行测量。

本发明具有如下特点：

（1）本发明设计的柱塞副性能模拟测试装置相较于一般单柱塞测试装置，能够准确模拟实际柱塞副热弹性时变特征，提高对柱塞副轴向摩擦力和泄漏量的测量准确性，同时可用于柱塞缸体热变形对柱塞副性能影响的研究。

（2）采用低导热系数的弧形陶瓷轴紧贴三孔缸体和弧面底回程缸体，实现对实际柱塞泵中主轴约束缸体朝主轴方向热膨胀作用的拟实，同时避免了其自身重力可能对轴向力传感器造成较大扭矩干扰而影响轴向摩擦力测量的问题。

（3）采用加热管和导热性能良好的石墨仿柱塞套筒模拟柱塞副在往复运动中的升温过程，实现对实际柱塞泵中相邻缸孔热膨胀挤压作用的拟实。

（4）监测柱塞副油膜实时温度，并将温度调节指令反馈给加热管，确保加热管缸孔温与实际油膜温度的实时一致性，实现柱塞副产热升温过程的拟实。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种柱塞副性能模拟测试装置，其特征在于，包括测试组件，所述测试组件包括多孔缸体（3）、回程缸体（15）、球铰（14）、平衡柱塞（11）、平衡滑靴（12）、隔热轴（5）；

所述多孔缸体（3）横截面呈扇形，所述多孔缸体（3）上分布有多个缸孔，其中至少一个缸孔内安装被试柱塞（6）和被试滑靴（7）；

所述回程缸体（15）内安装球铰（14）和平衡柱塞（11）、平衡滑靴（12），所述球铰（14）与回程盘（13）铰接，所述被试滑靴（7）、平衡滑靴（12）与回程盘（13）贴合，所述回程缸体（15）固定设置，所述回程缸体（15）与多孔缸体（3）之间安装有隔热轴（5）。

2.根据权利要求1所述的一种柱塞副性能模拟测试装置，其特征在于，所述多孔缸体（3）的缸孔数量为3个，三个孔分别为中心孔（20）、左孔（22）和右孔（21）。

3.根据权利要求2所述的一种柱塞副性能模拟测试装置，其特征在于，所述中心孔（20）内安装被试柱塞（6）和被试滑靴（7），所述左孔（22）和右孔（21）内均安装环形仿柱塞套筒（9），两个仿柱塞套筒（9）内均安装加热管（8）。

4.根据权利要求3所述的一种柱塞副性能模拟测试装置，其特征在于，所述仿柱塞套筒（9）采用石墨为材料。

5.根据权利要求1所述的一种柱塞副性能模拟测试装置，其特征在于，所述隔热轴（5）为陶瓷轴。

6.根据权利要求1所述的一种柱塞副性能模拟测试装置，其特征在于，所述多孔缸体（3）与轴向力传感器（2）固定连接，所述轴向力传感器（2）通过轴向力传感器安装座（1）固定于试验台腔体上；

所述回程缸体（15）与回程缸体固定套（17）固定连接，所述回程缸体固定套（17）与回程限位板（16）固定连接，所述回程缸体固定套（17）与固定套定位块（18）固定连接，所述固定套定位块（18）与试验台腔体固定连接；

所述柱塞副性能模拟测试装置还包括回程盘（13）、斜盘（19）；所述回程盘（13）通过球铰（14）压向斜盘（19），回程盘（13）顶部卡在回程限位板（16）导轨内，使其只能沿导轨方向滑动；所述被试滑靴（7）与平衡滑靴（12）与回程盘（13）底面贴合，通过回程盘（13）压向斜盘（19）；所述被试滑靴（7）与被试柱塞（6）通过柱塞球头连接；所述平衡滑靴（12）与平衡柱塞（11）通过柱塞球头连接。

7.一种温度控制系统，其特征在于，包括权利要求1-6中任意一项所述的柱塞副性能模拟测试装置，所述多孔缸体（3）壁面具有沿中心轴方向排布的与缸孔对应的多列温度传感器安装孔，温度传感器安装孔内均安装有温度传感器（10）。

8.根据权利要求7所所述的一种温度控制系统，其特征在于，每列温度传感器安装孔设有三个，共9个温度传感器安装孔，三列温度传感器安装孔的中心线分别通过中心孔（20）、左孔（22）和右孔（21）；所述温度传感器孔与温度传感器（10）的间隙中填入导热硅脂。

9.根据权利要求7所所述的一种温度控制系统，其特征在于，温度传感器的信号包括中心孔内柱塞油膜温度信号xd，和左孔、右孔内加热管温度信号x；所述xd为目标温度，所述x为被控温度，通过采集卡（23）采集两种温度信号后计算两者差值，将控制信号u反馈至加热管（8），使得左孔（22）和右孔（21）内的加热管温度与中心孔（20）内的柱塞副温度始终保持一致。

10.一种液压系统，其特征在于，包括权利要求1-8中任意一项所述的柱塞副性能模拟测试装置、主泵（24）、流量传感器（25）、单向阀（26）、比例溢流阀（27）、减压阀（28）；所述主泵（24）吸油口连接油箱，压油口依次连接流量传感器（25）和单向阀（26），所述主泵（24）和流量传感器（25）之间的管路上连接有比例溢流阀（27），所述比例溢流阀（27）出油口连接油箱，主泵（24）出口压力由比例溢流阀（27）调节；高压油一路通过引油管（4）进入被试柱塞（6）底部，一路连接减压阀（28）进入回程缸体（15）到达球铰（14）和平衡柱塞（11）底部；所述减压阀（28）用于调节回程压力大小。