水液压双斜盘轴向柱塞式电动机泵试验研究

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Experimental Research on the W ater Hydraulic Axial Piston CannedMotor Pump with Double Swash PlateZHU Bihai WU Xiaoyu NIU Zhuang HE Xiaofeng LIU Yinshui(School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074)Abstract：The hydraulic power source used for hydraulic system and equipment of of-shore operation platform or in deep seaenvironment is required to be small-sized，portable，environmental protected and with high power density.To meet that demand，theaxial piston canned motor pump with double swash plate is designed.The body of the axial piston pump with double swash plate isintegrated in the rotor ofthe canned motor.The pump is suitable for working in the hostile underwater environment an d it has a seriesof advantages like smal-sized，portable，with compact structure，high power density and strong antipollution ability.The kineticequilibrium is studied and the performan ce experiments of the prototype are carried.The results show that comped to the traditionalpump which has three power units，motor，shaft coupling and piston pump，this one has sound heat dissipation perform ance an ddecreased working noise.Meanwhile，the perform ance curve satisfies the expecting requirements wel SO that the possibility of thiskind pum p is verified.Altogether，this kind of pump is a promising one an d can provide a new idea for the design ing of newhydraulic power unit。

Key words：Hydraulic power source Motor pump Double swash plate Axial piston pump0 前言随着人类对于地球上陆地资源的不断开发，环境日益恶化的陆地已经无法满足人类社会的发展需求。海洋作为覆盖地球最大表面积的宽阔地域，拥有着极其丰富的资源和广阔的活动空问，将来必然国家自然科学基金资助项H(50975101)。20120828收到初稿，20121215收到修改稿成为人类发展的最佳栖息地。为了尽早地实现海洋资源的开采和开发，现今世界各国都将重心置于新兴科技和新型动力源的研究方向[1-21 o液压马达泵是-种新型的液压动力单元，与传统的电动机、联轴器和液压泵组成的 三段式”动力单元比较而言，液压马达泵具有结构紧凑、噪声低，同时无泄漏的突出优点，这使得液压马达泵在许多这种特殊的工作环境面前表现出强大竞争力 圳。

提出-种新型结构的液压马达泵，其将双斜盘结148 机 械 工 程 学 报 第49卷第 2期心力合力为零(分析中不考虑附加力矩)，因此，就力平衡而言单侧柱塞滑靴组件运动时产生离心力合力对缸体作用力为零，整体作用效果仅对缸体产生- 个沿轴线的弯曲力矩。由于该电动机泵结构采用对称双斜盘结构，左右两侧数目相同的柱塞滑靴组件运动过程中产生的离心力整体平衡，左右两侧产生的弯曲力矩大小相等，方向相反，相互抵消，因此可以得到电动机泵在运动过程中柱塞滑靴组件产生的离心力不会影响缸体的平衡。

PliFl 厂图2 单侧柱塞滑靴组件的离心力分析图(2)轴向惯性力 对缸体平衡影响分析。各柱塞滑靴组件在往复直线运动过程中产生轴向惯性力，该力方 向沿缸体轴线，且大小相等，均为， 缸体两端的柱塞滑靴组件所产生的轴向惯性力方向相反，如图 3所示～它们向旋转轴线 轴平移，如此能将两端的轴向惯性力进行力的分解，可以得到两端轴向惯性力相互抵消的同时，由平移产生的附加力矩的作用也相互抵消，因此各对应柱塞轴向惯性力 和F 相互平衡，对缸体中心轴X轴作用效果为零。

图3 双斜盘结构系统惯性力分析图(3)摩擦力 对缸体平衡影响分析。摩擦力凡f与 F 分别作用于缸体两端的斜盘盘面上，垂直于运动轨迹曲线矢径，和运动方向相反。这里将摩擦力 )分解成X轴上力 打 )和 Oyz面上力'.iyOz)，如图4所示，比较可以发现 与F大小相等，方向相反，分别作用于与X轴平行的直线上，如此可以得出两端斜盘上的摩擦力沿X轴的分解量对缸体的作用效果相互抵消。Oyz平面分力Oz与 F 加：分别作用于不同垂直于 轴的平面内，这里将两力分别进行力的分解与合成可以得到缸体单侧的摩擦力合成图如图 5所示。综合分析左右两侧摩擦力合力，可以得出摩擦力 与F 最终合成两个方向相同的摩擦阻力偶 与 ，似，其方向始终与旋转方向相反。同时还得到两平行平面的两力% 与F ，对两侧轴承支承处产生径向力作用。

f/F ，图4 单侧斜盘盘面摩擦力分析图口3yz4/// Ft，45sgy。

t23101lyz/ lyz - - !- 凡 101]yz凡 sgyz图5 单侧斜盘盘面摩擦力合成图通过对旋转系统在运动过程中所受各种力的分析可以得到，双斜盘的特殊结构使得旋转系统两侧大部分的作用力相互抵消，系统整体趋于平衡，很大程度上改善了电动机泵整体的受力状况，有效地增强了电动机泵运转的稳定性和安全可靠性。

2 电动机泵的试验研究2.1 试验内容依据JB/T 7043.2006《液压轴向柱塞泵》中关2013年 1月 朱碧海等：水液压双斜盘轴向柱塞式电动机泵试验研究 149于轴向柱塞泵试验的相关内容，该电动机泵的试验原理图如图6所示，此循环回路系统为闭式系统，泵体整体置于水箱之中，并配以温度计时刻监控水箱中工作介质的温度，进水阀B、放水阀C用于控制水箱中水的循环时刻保证水箱中温度小于30℃。

试验过程中通过水箱中水的温度和环境温度的差值比较，可以估算出电动机绕组的发热状况。试验系统通过在泵出口连接节流阀来模拟负载压力，涡轮流量计可以对电动机泵的实际输出流量进行测量。

图6 电动机泵的试验原理图1.自来水截止阀 2.电动机泵冷却水箱 3.电动机泵 4.温度计5.节流阀 6.压力表 7.流量计 8.截止阀 9.水箱 lO.溢流阀考虑到实验室具体设备以及深海试验的难度，本文样机通过自来水加压来模拟-定深度的海水压力。电动机泵吸水口通过截止阀A直接引入自来水，通过自来水自身压力来模拟 2530 m 的水下工况(试验中自来水出口端压力为0.250.30 MPa)。

根据机械标准的试验方法步骤，同时结合该电动机泵的特点，本文作者对该电动机泵进行了跑和试验和加载试验。在电动机泵跑和过程中进行不同转速下空载跑和以消除柱塞.滑靴和球铰-回程盘等摩擦副之间的表面粗糙峰值，增加摩擦副之间的配合表面面积，同时提高配合表面粗糙度，而后进行加载跑和试验，当电动机泵完成系列跑和试验后在出口处增加负载压力进行加载试验，测量电动机泵在不同转速下的流量和压力参数。

2.2 试验结果及分析2.2.1 空载流量特性图7为样机在无负载工作状态下转速与流量之间的曲线关系。通过图7中曲线可以得出，样机的输出流量随转速增加而增大，呈现良好的线性关系，说明电动机泵运行平稳，滑靴能够在工作过程中与斜盘保持-定的袖隙，缝隙中的泄漏流体状态属于层流，比较适用于该电动机泵的工作状态；同时也说明在缸体旋转工作时引入离心力的情况下配流阀仍能可靠稳定的工作，表明该电动机泵配流阀结构设计部分比较合理，初步验证了该电动机泵结构的实施可能性。

菖耋删煺转速r/min)图7 电动机泵样机空载流量曲线2.2.2 压力.流量特性和容积效率特性多次调定样机内电动机的同步转速为 600r/min、900 r/min、1 200 r/min、l 500 r/min时，对样机进行加载试验。通过压力表与涡轮流量计测得试验数据并通过数学软件进行曲线绘制，所得压力-流量曲线如图8所示，同时计算绘制得到的容积效率曲线图如图9所示。从图9可以得出，随着压力的增加，样机的输出流量与容积效率均下降，但始终保持在 60%以上。其原因为样机电动机泵出口压力增加，柱塞副、滑靴副配合处在电动机泵内部压力的作用下出现大量泄漏，使输出的流量下降，同时吸入阀响应的滞后造成了部分泄漏流量的增加，说明该电动机泵在结构参数上存在优化的空间，性能有待提高。

压力/MPa图8 电动机泵样机压力.流量曲线150 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 2期- 槲3 结论压力 /MPa图 9 电动机泵压力-容积效率曲线(1)将电动机与特殊结构的双斜盘柱塞泵联接为-体极大地减小了动力单元的占用空间，使得该电动机泵的适用诚适用空间更宽广，相比于传统的液压动力单元表现出极大的竞争力。

(2)电动机泵内部对称的双斜盘结构使得泵体内部缸体受力更平稳，极大地改善了缸体工作时的受力状况，能有效提高电动机泵工作的安全可靠性。

(3)泵在试验压力 9 MPa下，容积效率能够保证60%以上，证明该电动机泵结构的可行性，对于泵的工作性能可以依靠后续的结构优化和合理参数选择来改善。

总的来说，该电动机泵拥有体型小，结构紧凑以及功率密度大等诸多优点，可以作为深海液压动力源的设计新思路和参考依据，同时该电动机泵的工作原理及结构也可拓展用于其他不同的工作介质中，例如液压油，其也能表现出优秀的工作性能，这也是-个非常有前景的发展方向。