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纯水液压柱塞泵及溢流阀关键技术的研究

焦素娟  
【摘要】:液压传动因具有能量密度高,结构紧凑,布局灵活等优点而得到广泛应用。纯水(包括自来水和海水)清洁无毒、不燃烧、无需存储运输,是一种绿色传动介质。用纯水做工作介质,扩展了液压传动的应用领域。纯水液压已经成功地应用于娱乐、食品、造纸、水下工具、消防等领域。纯水液压柱塞泵和溢流阀是纯水液压传动的关键元件,使纯水液压进入实用的首要条件。纯水液压柱塞泵的关键摩擦副工作在高压、高速下,为了获得高的工作效率和使用寿命,要求摩擦副材料同时具有低的摩擦系数和磨损率。纯水液压柱塞泵关键摩擦副材料的研制和结构设计成为研制纯水液压柱塞泵的关键技术。 本论文选定纯水液压柱塞泵和溢流阀关键技术——摩擦磨损和气蚀严重为研究课题。主要研究工作如下:(1)陶瓷、改性聚醚醚酮复合材料、不锈钢在水润滑下的摩擦学特性,研制成功了水润滑下改性聚醚醚酮复合材料耐磨配方。研制成功的最佳配对在水润滑,载荷900N,滑动速度0.84m/s下的摩擦系数为0.05,磨损率为1.5×10~(-7) mm~3/Nm。研制的材料配方在纯水液压柱塞泵台架实验中的结果表明,能够满足纯水液压柱塞泵对摩擦副材料的要求。(2)建立了滑靴静压支承和柱塞受力的数学模型。在柱塞受力中考虑了侧向液压力和动压支承力的作用。计算结果表明,忽略这两项力导致计算出的柱塞受力减小1.8倍。这对柱塞采用工程陶瓷、聚合物或组合结构时的设计提供了理论依据。(3)针对聚合物和工程陶瓷材料力学特性、加工特点和纯水液压柱塞泵关键摩擦副结构特点,设计了关键摩擦副新结构,和新工艺。研制成功了全水润滑纯水液压柱塞泵,该泵采用小球头柱塞,盘配流,间隙密封,尺寸紧凑。该泵在转速为1450 r/min,压力9MPa下的容积效率为76%,机械效率84%,总效率64%。(4)针对纯水液压溢流阀气蚀难题,采用异型流道,辅助流束,串联阀口,研制成功了直动式和先导式纯水液压溢流阀。在额定压力14 MPa下,直动式纯水液压溢流阀的调压精度为90.7%,上升时间为93 ms,调节时间为151 ms,下降时间为180 ms,压力超调为16.2%。先导式溢流阀的压力超调量低于30%,调节时间远小于500~1000 ms,压力下降时间接近90 ms,各项指标均达到了预期设计要求。(5)发明了并联阀口新结构,该结构的特点在于一个阀芯与一个阀座之间形成了两个可同步调节的并联阀口,与传统溢流阀相比,在通过相同流量时,阀口处流体流速降低,减缓了汽穴的产生和汽蚀危害。建立的数学模型证明并联阀口具有更好的动静态性能。 本文第一章分析了传统液压传动面临的难题,比较了油基液压介质,难燃液及高水基介质,可降解液压介质,纯水液压介质的特点。介绍了纯水液压的研究意义、内容、难点和应 摘要 鱼鱼旦鱼里旦鱼鱼鱼旦旦旦鱼旦旦旦旦旦旦鱼鱼鱼旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦鱼鱼旦旦旦旦鱼旦旦旦旦旦旦鱼旦鱼旦旦旦旦旦旦!旦旦旦鱼鱼鱼鱼旦旦鱼鱼里旦旦旦鱼鱼鱼鱼鱼旦旦贝鱼鱼里旦旦旦鱼鱼鱼鱼鱼鱼口.阅鱼鱼鱼口.砚亘旦鱼鱼口...口皿口...皿 用状况,指出解决水环境中关键摩擦副摩擦磨损难题,对新材料、新工艺进行实用研究,降 低纯水液压元件造价,是纯水液压传动进入实用的前提。 第二章调研了水环境中材料摩擦学研究状况,分析了纯水液压柱塞泵关键摩擦副工作特 点。指出纯水液压柱塞泵关键摩擦副工作在高压、高速和高pF值、频繁起动工况下,润滑 状况恶劣。聚合物与金属或聚合物与陶瓷配对时,摩擦系数小,聚合物的磨损率低,是适合 纯水液压柱塞泵关键摩擦副的配对形式。 第三章在MM一200摩擦磨损试验机上评价了陶瓷自配对、聚合物与不锈钢、聚合物与 陶瓷配对时的摩擦学特性,分析了材料磨损表面、磨屑形貌及其摩擦磨损机理。结果表明: (l)陶瓷自配对时的主要磨损机理为疲劳磨损,陶瓷自配对时磨损率低,摩擦系数较高。 陶瓷试环在摩擦热、水、应力等的作用下易发生破裂。(2)改性PEEK复合材料的摩擦学特 性取决于添加物含量,所用载荷和配对材料。与等离子陶瓷涂层配对时,摩擦系数显著降低, 改性PEEK复合材料的磨损率显著下降,摩擦学性能优于与不锈钢配对。 第四章建立了滑靴静压支承和柱塞受力的数学模型。指出:(l)纯水液压柱塞泵中的滑 靴和配流盘应采用不完全平衡型静压支承,即剩余压紧力法设计。(2)在柱塞受力模型中, 考虑了动压支承力和液压侧向力。结果表明,忽略这两项力将导致计算出的柱塞受力减小。 分析了分度圆直径、柱塞的几何长度和最小密封长度对柱塞受力和纯水液压柱塞泵容积效率 的影响。 第五章测试了纯水液压柱塞泵在不同压力等级、不同转速下的输出流量和输入扭矩,获 得了相应工况下的容积效率和机械效率。 第六章研制了额定压力为14 MPa,额定流量分别为40 L/min和100 L/min的直动式和 先导式纯水液压溢流阀,测试了它们的动静态特性。发明了并联阀口结构,建立了并联阀口 式溢流阀的数学模型,提出了并联阀口式压力阀的一个设计准则。 【关键词】纯水液压,柱塞泵,摩擦磨损,聚醚醚酮,陶瓷,压力阀


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