液压泵在系统中的热平衡研究.pdf

Hy dr a u l i c s Pn e u ma t i c s＆ S e a l s ／No ． 2． 2 01 0 液压 泵在 系统 中的热平衡研究 梁贵 萍 贵 阳学院实验 中心 ，贵州贵阳5 5 0 0 0 5 摘 要 飞机液压泵在液压 系统中的热平衡 问题 已越来越引起 重视 ，通过对液压泵在 液压系统 中的热平 衡概念 的 明确 ，热平衡计 算公式的推导以及热平衡应用案例的分析 ，从而说明了在特定工作条件下，提高泵乃至整个液压系统的寿命是以加大泵的回油量， 降低泵及系统效率为代价的。因此，为了提高泵及系统的工作效率和寿命 ，就必须力求改善泵的工作环境和提高摩擦副材料的抗 咬合能力 。 关键词 液压系统； 液压泵； 热平衡 中图分 类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 2 0 0 2 7 0 3 A t he r m a l Eq u i l i b r i u m An a l y s i s o f t h e Hy d r a u l i c Pu mp f o r a Ce r t a i n Ty p e o f Ar e o p l a ne i n Hy d r a u l i c S y s t e m LI ANG Gu ipi n g 1 ．E x p e ri me n t C e n t r e ， G u i y a n g U n i v e r s i t y ， G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 5 ，C h i n a ； 2 ．T a i y u a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 8 Ab s t r a c t Mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n i s p a i d t o t h e t h e r ma l e q u i l i b ri u m q u e s t i o n o f t h e p l a n e h y d r a u l i c i n h y d r a u l i c s y s t e m．B a s e d o n d e fi n i n g t h e t h e r ma l e q u i l i b ri u m c o n c e p t o f t h e h y d r a u l i c p u mp i n t h e h y d r a u l i c s y s t e m ，r e d u c i n g t h e c a l c u l a t i o n f o rm u l a o f t h e t h e r ma l e q u i l i b ri u m a n d a n a l y z i n g t h e a p p l i e d c a s e o f t h e t h e r ma l e q u i l i b r i u m，t h i s p a p e r s t a t e s t h a t u n d e r s p e c i f i c wo r k i n g c o n d i t i o n s ，i n c r e a s i n g t h e s e r v i c e l i f e o f t h e p ump a n d t he wh o l e h y dr a ul i c s y s t e m i s r e a l i z e d a t t h e p ric e o f e n l a r g i n g t h e p ump’ S o i l r e t u r n v o l u me a n d r e d uc i ng t h e e ffic i e nc y o f t h e p ump a n d i t s s y s t e m．T h e r e f o r e ，i n o r d e r t o i mp r o v e t h e w o r k e ffi c i e n c y a n d t h e s e r v i c e l i f e o f t h e p u mp a n d t h e s y s t e m i t i s n e c e s s a r y t o i mp r o v e wo r k i n g c o n di t i o ns a n d a n t io c c l u s i o n p o we r o f f r i c t i o na l pa i r ma t e ria l s ． Ke y W o r dst h e hy d r a u l i c；s y s t e m t h e hy d r a u l i c p u mp；t he t he rm a l e q ui l i b riu m 0 引言 飞机液压泵在液压系统中的热平衡 问题 已越来越 引起重视 ，因为因为液压泵在系统 中是产生能源 的重 要部件 ，它一 般安装在飞机 发动机外 置附件机 匣上 ， 环境温度高达摄 氏 2 0 0 C以上 ，并采用 2 1 MP a以上高 压力级工作负荷 ，工作条件相当苛刻 ，而泵处于工作 状态时 ，其内的转子与分油盘及柱塞 、滑靴与摩擦盘 以及调节机构 中阀芯与 阀套等相互 配合 的摩擦副会产 生较大的功率损失 ，这些功率损失均转换 为热量 ，使 得 系统油液温度升高，如果泵的热量不能及时传递 出 去 ，泵温过高 ，工作液会 迅速碳化 ，碳化的油液会使 泵 内零件迅速磨损 ，使摩擦副产生咬合 ，致使 内漏速 度迅速增加而难于控制 ，泵的全流量最大压力随之下 降。与此同时，被污染的油液也将影 响液压系统 中其 他元部件的使用寿命 ；由于泵的温度过高 ，也会使泵 内密封件加速老化 ，造成 内外泄漏 严重 ，工作效率急 剧下降。如何解决这个 问题呢这就是我们要研究 的 收稿 日期 2 0 0 9一O 7 0 8 作者简介 梁贵萍 1 9 5 9一 ，女 ，汉 族 ，贵州 省贵 阳市人 ，贵 阳学院 教授 ，贵阳学院实验 中心副 主任 ，主要从 事机 械设 计及 液压传 动 技术 方面的科研 和教学工作。 热平衡问题 。 1 热平衡概念及热平衡计算公 式 1 ． 1 热平衡概念 我们知道 ，液压泵工作时，其 内的转 子与分油盘 及柱塞等摩擦 副产 生 的热量 主要 由泵 出 口排油传 递 走 ，而其他摩擦副所产生 的摩擦 热量要 由泵壳体 回油 传递 出去 ，为了使泵体温度不致于过高 ，而又要使泵 的工作效率保持在一定程度 ，必须使泵在单位时间里 吸收和产生的热量与泵 回油在单位时间内传递走 的热 量相等 ，也就是必须使泵满足热平衡要求 。 根据美军标 MI LP一1 9 6 9 2 E中 3 ． 4 ． 2有关 温度 的规定 “在作油泵计算时 ，假定油泵周围的环境温 度对泵的热交换无 影响 ，但工作液 的正常循环引起 的 热传递除外。 ”因此 ，这里所讨论的热平衡是指油泵在 工作过程 中由于零件问的机械摩擦 ，油液的泄漏等损 耗的 功 率 产 生 的 热 量 应 与 油 泵 散 去 的 热 量 相 平 衡 ，即 U 1 U 2 1 式中 泵在单位时间里传递走的热量 ； 泵 的功 率 损 失 在 单 位 时 间 里 产 生 的 热量。 2 7 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 2期 2 ． 2 热平衡计算公式 推导热平衡计算公式 ，关键就是要推导出满足热平 衡的最小回油量 q ，或者是满足热平衡时的油液温度 。 以泵不向系统供油的情况 即零流量状态对热 平衡公式进行推导。因为此时，泵 内热量完全要依靠 泵的回油传递出去 ，不像大功率及其他情况下 ，泵 的 部分热量可以靠泵出 口传递出去 ，而且零流量状态也 是泵在整个飞行周期 内的典型状态 ，情况应该是最严 重的。 在零流量状态 ，斜盘倾 角 一0 。 ，但 由于斜盘平 面角 ≠0 。 ，致使泵继续在 打油，此 时泵所输 出的流 量 ，仅用于补充系统 的泄漏及泵本身循环用油需要。 此时泵输出流量 Q D Z t g l 3 n1 0 1 式 中 柱塞直径 ，单位为 m m； D 转子分布圆直径 ，单位为 m m； 柱塞数 目； n 泵额定转速 ，单位为 r ／ mi n 。 则泵的功率损失在单位时间里产生的热量 8 6 0 4 ． 2 2 式 中 △ pp - p o ，P 。为 进 口 压 力 单 位 MP a ， 设p 0 0 。 由于 。 为泵在单位 时间里传递走 的热量，根据 热能公式 U C p q A T ，又根据 热平 衡条件 U U 2 ， 则泵回油量 U】 q C vp AT Cv pAT 0 C v p AT 一 8 6 0、 ，Q 一 61 2 C pAT ㈩ 若 A T大于油料使用所允许 的最高温度 ，则需要 增大 回油量 q 。 2 热平衡的应用案例 2 ． 1 苏 一 2 7飞机 H兀1 1 2 A液压泵 苏 一 2 7飞机 HI 1 1 1 2 A液压泵采用 2 7 ． 5 MP a 高压 力级工作负荷，因而其工作条件比一般液压泵要苛刻 得多。为使 泵在全 流量工作状态 即大功率 工作状 态效率高，而零流量工作状态又能达到热平衡 ，以 延长泵及整个液压系统 的寿命 ，采取在随动活塞杆上 开小孔 A 见图 1 的方法 ，当泵 出口压力超过全流 量压力时 ，高压调节 阀开始动作 ，高压油通过 阀口经 B孔进入随动活塞 c腔 ，推动活塞运动 。与此 同时， 部分油液经 A孑 L 流入泵壳体 ，使其额外增加壳体 回油 量较大 经过计算 ，A q 3 ． 2 9 L ／ m i n ，以加大泵在零 流量工作状态的散热。另外该液压泵还采取了其他加 大 回油量的措施 ，例如减小其 滑靴封油带宽度 、加大 柱塞至滑靴摩擦面之间的通油孔直径等等。图 2为 H 兀1 1 2 A液压泵的流量 一压力特性曲线 ，其中 q曲线为 A孔流量曲线 ，从 q曲线可以看 出，当泵 回油量在超 过全流量 压力点 2 5 ． 5 MP a 后 ，向上翘起 ，回油量 变得越来越大。 ． ⋯，，I ／／ ／ ／ -} ， I ．⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 、 、 ／／ ⋯⋯⋯，， I r 、I1 B ． 【 IJ _ ／ ／M I a ＼ ／ ／ ／／ ，／ ／ ，／ ／ ／／ ／／ ／／ 2 5 0 2 0 0 即泵 满足热 平衡 的最 小 回油 量 g 一Q a pC v p A T一 3 。 g 一一 。 式中C 油液的比热 ，单位为 J ／ g ℃ ； p 油液的密度 ，单位为 g ／ c m； △ 卜油料使 用的最高 温度与 泵进 口温度之 差 ，单位为℃。 通过对式 3 的变换 ，也可以计算满足热平衡 时的油液温度 2 8 图 1 H1 11 1 2 A液压泵随动活塞结构 2 H兀1 1 2 A液压泵流量 一压力 特性 凹线 3 ． 2我国某航天 c型液压泵 我国某航天 C型也采用了加大回油量以使其在零 流量工作状态时达到热平衡 的方法，如图 3所示为该 型泵调节器随动活塞部位结构图。当泵压力超过全流 量压力时，调节器开始工作 ，出口油液通过 调节器分 Hy dr a u l i c s P ne u ma t i c s Se a l s ／No ． 2 ．2 01 0 油活门 图中未示 出从 A处进入随动活塞 B腔 ，随 着 B腔压力 的逐渐增 大 ，套 筒克 服弹簧 弹力 向左运 动 ，回油孔 C与壳体沟通 ，回油量 明显加大 ，其 回油 曲线与 H兀1 1 2 A液压泵的 A孔流量 曲线相似 。 图 3 某航天 C型液压泵调节器随动活塞结构 2 ． 3米格 2 3飞机 H兀7 0 A液压泵 米格 2 3飞机上的 H兀7 0 A液压泵是 向副液压 系统 提供能源油的液压泵 ，它安装在其辐射热对泵影响较 大的位置 ，为了减小热辐射对泵 的影响 ，除了在泵与 发动机之间加装隔热层 的外 ，还在泵 内设置 了与泵 出 口并联的旁路活门，如图 4所示为该 泵旁路活 门结构 图 ，柱塞打出的压力油从 A通过泵出 口流 向系统 ，当 出 口压力超过全流量压力后 ，调节器开始工作 ，压力 阀 芯径 向小孔 弹簧 阀芯 回油-T L D阀套 图 4 Hn7 0 A液压泵旁 路活 门结构不意 图 油由 B向流到调节器 。但在 出口油压未达到全流量压 力之前 ，旁落活门便开始工作 ，压力油 由 c向通过旁 路活 门，使阀芯克服弹簧力 向左运动 ，阀芯与阀套上 的回油孔 D沟通 ，压力油流入泵体 内腔 ，直到阀芯两 端油液压差 降低 ，阀芯上 的径 向小孔 被 阀套关 闭 为 止。这就加大了泵的散热速度 ，弥补 了泵在低压工作 状态 自身回油不足的问题 ，平衡 了泵所受到的较大 热 辐射 ，提高了泵的使用 寿命 。图 5为 Hn7 0 A液压 泵 的流量 一压力 特性 曲线 ，其 中 q曲线为 泵 回油量 曲 线 ，该曲线 A点以前 ，为泵内泄与旁路 活门泄漏 回油 的汇集，A B段为旁路活门回油小孔 D关闭的过程，B 点之后仅为泵内泄的回油量 。 3 结论 通过对液压泵在系统 中热平衡概念 的明确和热平 衡计算公式 的推导 以及热平衡应用案例分析 ，可 以得 出以下结论 。 图 5 HI -[ 7 0 A液压泵 流量 一压力特性 曲线 1 泵的壳体 回油量是保证泵达到热平衡 的必要 条件 。因此 ，为使泵既满足热平衡要求 ，而又保持液 压泵所需要的工作效率 ，就必须使泵的 回油量等于保 持热平衡所需 的最小 回油量。也就是说 ，泵 的最小允 许回油量是由泵的工作效率和使用条件决定 的。 2 由于泵在零 流量状态下 ，不 向系统供 油，泵 内热量完全要依靠壳体 回油传递 出去 ，此 时散热问题 显得尤其突出。因此 ，国外和 国内很多液压泵采取在 随动活塞上开回油d , T L 或者是设置旁路活门等方法来 增加壳体 回油量 ，以达到热平衡 ，有效提高液压泵和 液压系统的寿命。 3 在一定工作条件下 ，提高泵乃至整个液压系 统的寿命是以加大泵 的回油量 ，降低泵及 系统效率为 代价的。因此 ，为了提高液压泵及系统 的工作效率和 寿命 ，最直接而又有效 的方 法是改善泵 的工作环境 ， 例如在泵工作位置的周 围安装隔热和散热装置 ，更重 要的是提高摩擦副材料 的抗咬合 能力 ，这就需要积极 采用一些新型材料和新工艺。 参考文献 [ 1 ] 李玉琳． 液压元件与系统设计[ M] ． 北京 北京航空航天大 学 出版社 ， 1 9 9 1 ， P 8 9～ 9 0 ． [ 2 ] 李培滋， 王 占林主编． 飞机液压传动与伺服控制 上册 [ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 7 9 ． [ 3 ] 姜佩东主编． 液压与气动技术[ M] ． 北京 高等教育出版 社 ， 2 0 0 0， P 8 0 ． [ 4 ] 成大先 主编． 机械设计 手册 [ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 1 9 9 3 ． [ 5 ] 雷天觉． 液压工程手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 0 ． [ 6 ] 齐任贤． 液压传动和液力传动 [ M] ． 北京 冶金工业 出版 社 ， 1 9 8 0 ． [ 7 ] 章宏甲， 黄谊 ， 王积伟． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 2 9