全水润滑斜盘式海水轴向柱塞泵的研制及可靠性分析

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海(淡)水液压传动技术是当前国际上流体传动及控制学科前沿的、有广阔应用前景的一门新兴技术。海水液压泵是海水液压传动系统中最重要也是最基础的动力元件,其主要功能是为海水液压传动系统提供足够压力、流量的高压海水,可在水下作业装备、消防、冶金、食品、农业机械、高压水清洗、核工业以及海水淡化等领域得到广泛的应用。海水液压泵的研制涉及流体传动与控制、新材料、摩擦学、机械设计等学科前沿,集中反映了水压传动的许多关键技术难点。因此,对于海水液压泵的研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。  本文以斜盘式海水轴向柱塞泵为研究对象,开展了海水轴向柱塞泵滑动轴承副的力学性能分析、动压效应以及弹流动力润滑效应数值分析,进行了海水轴向柱塞泵的配流特性和空化性能分析,完成了海水轴向柱塞泵轴承副、柱塞副、滑靴副以及配流副的非概率可靠性分析,开展了海水轴向柱塞泵关键摩擦副材料筛选试验,完成了海水轴向柱塞泵样机的研制,开展了样机的性能试验、振动性能测试、疲劳强化试验和寿命试验。本文的具体研究工作如下:  (1)分析概述了目前国内外水液压柱塞泵的研究进展,比较了阀配流水液压柱塞泵和端面配流水液压柱塞泵的性能特点和发展状况,重点阐述了端面配流水液压柱塞泵的应用前景,概括了水液压柱塞泵关键技术和液压可靠性技术国内外研究现状,提出了本文的关键技术问题和主要研究内容。  (2)通过开展滑动轴承的动压效应以及弹流动力润滑效应数值分析,得到了不同结构参数和工作转速下滑动轴承水膜的承载能力,优选了轴承的结构参数。设计了不同的前端盖结构来改变滑动轴承的润滑条件,给出了不同润滑条件时滑动轴承在海水泵中实际运行的试验对比结果,论证了润滑条件对滑动轴承工作性能的重要性。  (3)在考虑海水轴向柱塞泵关键摩擦副泄漏、流体的可压缩性以及空化效应的前提下,建立了海水泵CFD仿真模型,运用PumpLinx软件对配流盘不同高压卸荷槽结构、不同进口压力和不同预升压角下泵的配流特性进行了数值模拟,得到了泵输出流量、柱塞腔压力以及柱塞腔流量等相关配流特性参数。在不同的海水泵结构参数和工作条件下,对海水泵的空化性能进行了仿真分析,比较分析了空化效应对配流特性的影响,获得了海水泵内部的空化分布和相关空化性能参数。  (4)针对使用传统的概率可靠性理论进行海水轴向柱塞泵的研制过程中,海水泵样机出现的早期失效现象,提出了海水轴向柱塞泵关键摩擦副的非概率可靠性分析方法,建立了海水泵关键摩擦副的非概率凸集合可靠性模型,完成了海水泵轴承副、柱塞副、滑靴副以及配流副的非概率可靠性分析,为水压元件的非概率可靠性分析提供了参考。  (5)为满足海水液压泵对摩擦副材料提出的耐海水腐蚀性、耐磨性等要求,参考国内外已有海水泵的材料配对方案,开展了海水润滑条件下多种耐蚀合金与不同牌号的聚醚醚酮以及聚芳醚酮的摩擦学试验,获取了相应的摩擦磨损数据,分析了试件表面的摩擦学形貌,综合比较了不同材料配组的摩擦学性能。  (6)研制了全水润滑端面配流斜盘式海水轴向柱塞泵样机,介绍了样机的结构特点,开发了海水液压试验系统测控软件,完成了海水轴向柱塞泵样机的试验研究,试验结果表明样机在额定转速1500 r/min、额定压力为14 MPa时的输出流量为116.1 L/min,容积效率约为89.2%,达到了课题既定的技术指标。  最后,对本文的研究工作进行了总结,并指出了进一步的研究方向。
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