柱塞泵滑靴卡盘与球碗的受力分析及试验研究

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Stress Analysis and Experiments for Slipper Retainer andBall Guide in Axial Piston PumpSUN Yi ，LI Yang。，JIANG JihaiCollege of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China；Tianjin Long March Space Rocket Manufacturing Company Limited，Tianjin 300450，China)Abstract： An algorithm for solving friction power loss between the slipper retainer and ball guidein axial piston pump，is proposed.The interface stress is obtained by dispersing the contact pathinto many uniform contact points，combining with the relative motion analysis，the friction powerloss is evaluated.Furthermore，the effects of spring force，angular velocity and angle of swashplate on the friction power loss are discussed. A testing device is constructed to verify thecorrectness. The experiments demonstrate that the friction power lOSS between the slipperretainer and ball guide is enlarged with the increasing spring force，angular velocity and angle ofswash plate.The friction power in A4VSO45 axial piston pump reaches to 240 W when the springforce is 700 N，angular velocity is 3 000 r/min and angle of swash plate is 1 8。。

Keywords：axial piston pump；slipper retainer；ball guide；friction power loss柱塞泵工作过程中无-例外地依靠斜盘的推力完成滑靴和柱塞的缩进 以达到排油的 目的。实现柱塞容积增大进行吸油可 以采取多种方 式，其 中以中心弹簧的形式作为柱塞容积增大的方式由于其结构简单、布置容易而得到了最广泛的应用。以该方式进行吸油的柱塞泵中除了存在传统的柱塞副、配流副和滑靴副这三大摩擦副外 ，还存在另外-种摩擦 ，即滑靴卡盘和球碗之问的摩擦 。

由于滑靴卡盘与球碗 间接地参 与柱塞泵的吸油，因此二者之间的运动、受力与摩擦没有引起人们收稿 日期 ：2012-06-05。 作者简介：孙毅(1979-)，男，博士生；姜继海(通信作者)，男 ，教授，博士生导师。 基金项 目：国家 自然科学基金资助项目(51275123)。

网络 出版 时间 ：2012-12-23 网络 出版地址 ：http：∥/kcms/detail/61.1069.T.20121223.1637.005.html西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷的足够重视，国内外对这方面的研究并不多。文献[1]对滑靴卡盘与球碗的运动和相对位置进行了分析，但没有更进-步研究二者的受力和摩擦做功情况。文献[2]基于 ADAMS和 AMESim环境，通过构建虚拟样机模型来模拟滑靴卡盘与球碗的相对运动 ，但仍然没有对二者 间的力 学特性进行研究 。文献[3]虽然分析了滑靴卡盘与球碗的摩擦与做功，但将二者之间的运动速度与受力简化成常值 ，与真实情况不太吻合。文献I-4]单纯从材料角度对不同材料配偶下的靴卡盘与球碗配合的摩擦和发热进行 了比较。另外，国内-些企业针对滑靴卡盘与球碗的结构和工装进行了研究并申请了相关专利5 ]，但既没有涉及二者的运动学分析 ，更没有进行二者 的动力学研究。

本文采用对滑靴卡盘与球碗的接触轨鉴行离散化处理的方法 ，求 出不同接触位置处滑靴卡盘与球碗之间的作用力，结合滑靴卡盘与球碗在任意位置的瞬时速度，推导 出滑靴卡盘绕球碗运 动造成的摩擦功耗的数学表达式，通过滑靴卡盘和球碗的功耗测试试验 ，验证 了理论研究 的正确性 。

1 滑靴卡盘与球碗的装配关系为 了分析滑靴卡盘与球碗之 间的受力 、摩擦及摩擦功率损失情况，有必要首先对二者之间的配合关系进行阐述。图 1所示为球碗与滑靴卡盘 的装配图，其中滑靴卡盘的中心加工成内锥体结构，弹簧力作用于球碗使得球碗的球面与滑靴卡盘的锥面相配合并发生线接触，以起到限制滑靴卡盘在 z、Y和三个方向移动的作用，保证滑靴卡盘只能绕这三个轴转动 。

- i - I图 1 滑靴卡盘与球碗的装配图弹簧力转过 y角，即由图2a所示的坐标系 0z 绕 轴转过y角，得到新坐标系，如图 2b所示。此时z轴经过滑靴卡盘与球碗的接触点轨迹圆(在图中用虚线表示)的圆心并且垂直于轨迹圆所在的平面 。

，卫 二/ -、- (a)原坐标系 (b)新坐标系图 2 滑靴 卡盘 与球碗 的相对位置滑靴卡盘与球碗的接触轨迹在坐标系 O-X Y下的位置矢量 p 可 以表示为p - (cos(7)sin(C)-sin(y)cos( )sin( ))f rtcoscosj rt(cos(y)cos( )sin( )sin(7)sin(4))忌 (1)若将 Y轴正方向和滑靴卡盘与球碗的接触轨迹的矢径在yoz平面投影的夹角设为 ，同时将轴正方向和滑靴卡 盘与球碗 的接触轨迹 的矢径 在Y OZ 平面的投影设为 0，则 fl与 的关系则可 以表示成[- t n( )r COS( )COS( )(2)式中：/为球碗的半径； 为滑靴卡盘的锥度角。

在得到了滑靴卡盘与球碗接触轨迹的位置矢量后 ，二者的相对位置矢量可以表示成△p- r (sin(y)cos( )sin(C)-cos，)sin( ))f r (cos( )cos(C)-cos(0))- r (cos(y)cos(西)sin(C)sin( )sin( )- sin(0)) (3)弹簧力 当滑靴卡盘与球碗 的相对位置矢量确定后，只要再获知滑靴卡盘的角速度矢量和球碗 的角速度，N-者在单位时间内位置的变化量便能够分别被求解出来，最终滑靴卡盘和球碗在接触点相对运动的速度矢量就能够表示为2 滑靴卡盘与球碗的相对运动当斜盘倾角从 0。转到 y角时，滑靴卡盘与球碗的坐标相当于 O。时二者所在的坐标系o-xyz绕Y轴Av- ∞r sin，)cos( )cos( )f 叫r (cos(y)cos( )cos( )- cos( )cos( )) (Or (cos(y)cos( )sin( )sin(，)sin(C)-cos(C)sin(C))I， (4)http：/ http：/zkxb.xjtu.edu.cn第 2期 孙毅，等：柱塞泵滑靴卡盘与球碗的受力分析及试验研究3 滑靴卡盘与球碗作用力的离散化滑靴卡盘与球碗在接触轨迹上任意-点的受力可以由图 3表示 。由于滑靴卡盘和球碗之间存在相对运动，因此在接触点上球碗不仅受到来 自滑靴卡盘的正压力 N ，而