斜轴式柱塞泵内部微流量泵的研究

赵铁军

(邵阳维克液压股份有限公司，湖南邵阳422001)

0 引言

斜轴式柱塞泵因其体积小排量大的结构特点，额定压力35MPa以上的优良性能而得到越来越广泛的应用.从斜轴式柱塞泵结构图1(A7V泵)可以看出，主轴1轴线与其旋转组件5的中轴线的夹角α可达25°～40°［1］，柱塞排油时，主轴轴承 2 承受大的轴向推力，这将带来轴承的发热，温度升高，轴承常时间连续处于高温高载荷的工作环境中，极易造成轴承的失效，导致泵的损坏，使主机液压系统不能正常，造成严重事故.目前常采用泵外部供油强制冷却和通过泵内部微流量泵进行连续冷却这两种冷却轴承方法，泵外部供油强制冷却需要附加冷却油动力部分，成本较高.本文就A7V泵内部的微流量泵的结构及其对主轴轴承进行连续冷却的机理进行分析研究，并以试验验证了微流量泵对主轴轴承的冷却效果.

图1 A7V斜轴式柱塞泵结构Fig.1 A7V bent piston pump structure

1 微流量油泵的结构与工作原理

典型斜轴式柱塞泵A7V的微流量泵结构如图1，在泵主轴1中设计了流道孔a、b，流道孔a位于主轴的旋转中心，流道孔b偏离主轴的旋转中心;中心杆中流道孔c通过配流盘6和后盖7与泵的液体温度低的吸油口相通;流道孔a、b、c相互沟通.主轴静止时，流道孔a、b、c内油液处于一种均压的静止状态;主轴旋转时，b流道孔油液受离心力作用而被甩出，进入主轴轴承之间，从而冷却主轴轴承，此时流道孔a、b、c内油液静止状态被打破，冷的液体开始从流道孔c流向流道孔a，再从流道孔a流向流道孔b，直至被加速甩出，这样就形成了一种泵的功能，因流道孔a、b、c结构尺寸较小，排出的流量较小，故文中将之称为微流量泵，并进行理论分析.

2 微流量泵的理论分析

微流量泵结构示图2，取c流道孔最右端液体截面c-c，b流道孔最下端液体截面b-b进行分析，c流道孔c-c截面直径D，b流道孔b-b截面直径d，且D＞d，b流道孔位置偏离主轴旋转中心轴距离L，主轴转速ω，不计流道对液体的阻力.

图2 微流量泵结构Fig.2 Micro-flow pump structure

由伯努利方程可得［2］

式中:Pc为c流道孔c-c截面液体压力，Pb为b流道孔b-b截面液体压力，Vc为 c流道孔c-c截面液体流速，Vb为 b流道孔b-b截面液体流速，ρ为流体密度.b流道孔位置偏离主轴旋转中心轴L，在主轴转速ω时，b流道孔内液体的流速

又由流量连续性方程:

式中:Qc为c流道孔c-c截面流过的液体体积，Qb为b流道孔b-b截面流过的液体体积.即有:

由式(1)，(2)，(4)可得

由式(2)，(4)可得出微流量泵的理论排量计算式:

从式(5)得出，由于主轴的旋转，b流道孔液体获得动能，并以L*ω的流速甩出，从而产生一个Pc-Pb＞0压力差，压差的大小取决于b，c流道孔直径(d，D)，b流道孔的偏心距离(L)和主轴的转速(ω);从式(6)得出，微流量泵的理论排量取决于b流道孔的直径(d)和其偏心距离(L).

3 对主轴轴承的冷却作用

从图1可以看出，斜轴泵的主轴轴承承受大的载荷，且全部安装在泵的前部区域，液体在此区域不易流动，轴承产生的大量热量不能进行有效的交换，造成轴承升温快，影响轴承寿命，而由于微流量泵作用，把温度较低的液体注入主轴轴承高温区，驱动轴承区液体向轴承区外部流动，带走轴承产生的热量，达到冷却轴承的目的.设斜轴泵的吸油腔温度为T1，，轴承区的温度为T2，，液体的热交换系数为C，那么主轴每转动一周，微流量泵输出流量可交换热量以Ω表示，则有:

轴承在高负载运转的过程中，由于摩擦力矩的作用，导致功率损耗，产生热量，使轴承温度升高;轴承每转动一圈，所产生的热量可表达为［3］:

式中:E表示轴承每转动一圈所产生的热量，ξ扭矩-热量转换系数，M摩擦扭矩(与轴承的摩擦系数，当量载荷和轴承内径尺寸有关)，那么，在轴承温度保持稳定的条件下，建立起热量平衡，可表达为:

式中:∑表示轴承与外部环境热交换量，与轴承温度，环境温度，散热面积等有关.

4 试验验证

笔者在下列试验条件下对斜轴式柱塞泵SY-A7V107进行相关试验.

试验产品:斜轴式柱塞泵SY-A7V107

环境温度 :25℃

试验压力:35MPa

试验转速:1500rpm

每次试验时间:连续运行8小时

进油口油温:45℃

通过调整参数d和L的数值进行试验，取得了主轴轴承部分的温度不超过65℃(轴承位置外部壳体处测得)良好效果，进一步验证了微流量泵冷却主轴轴承的作用机理.

5 结束语

通过对斜轴式柱塞泵的结构分析，从理论上阐述斜轴式柱塞泵内部微流量泵存在的机理，分析了微流量泵的冷却效果，并在试验中加以验证;推到出了微流量泵的排量计算公式，对斜轴泵的设计有一定的参考价值;在实际应用中，应注意(1)流道孔的粗糙度应尽量提高以减小流体阻力;(2)偏心孔的设置时，要考虑其加工性能;(3)中心杆的机械强度.

［1］雷天觉.新编液压工程手册［M］.北京:北京理工大学出版社，1998.

［2］苏尔皇.液压流体力学［M］.北京:国防工业出版社，1982.

［3］SKF.轴承样本.5000C［Z］.瑞典:瑞典SKF 轴承集团，2004.