水壓泵柱塞密封性能實驗裝置的設計

羅龍君 賀小峰 劉珣 張洽璇 黃賀文

摘要 ：為解決油水分離式柱塞泵的柱塞與缸套的密封可靠性及選型設計問題，研制了模擬水壓柱塞泵實際運行工況的柱塞密封性能實驗裝置及其加載系統，并對實驗裝置進行了動平衡設計。在建立實驗裝置加載系統的仿真模型后，通過仿真對比確定了合理的加載方式。該實驗裝置的加載實驗和穩定性實驗表明，實驗裝置運行穩定可靠，且容積效率在合理范圍內。

關鍵詞 ：柱塞密封；水壓柱塞泵；加載系統；實驗裝置

中圖分類號 ：TP137.9

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.02.006

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of Experimental Device for Sealing Performance of Hydraulic

Pump Plungers

LUO Longjun 1 HE Xiaofeng 2 LIU Xun 2 ZHANG Qiaxuan 2 HUANG Hewen 2

1.Engineering Practice Innovation Center， Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan，430074

2.School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan，430074

Abstract ： In order to solve the sealing reliability and selective design problems of the plungers and cylinder liners of oil-water separated plunger pump， a plunger sealing performance experimental device and the loading system were developed to simulate the actual operating conditions of the hydraulic plunger pump， and the dynamic balance design of the experimental device was carried out. The simulation model of the loading system for the experimental device was established， and then a reasonable loading method was determined through simulation and comparison. The loading test and stability test of the experimental device show that the operation of the experimental device is stable and reliable， and the volumetric efficiency is within a reasonable range.

Key words ： plunger seal; hydraulic plunger pump; loading system; experimental device

0 引言

水作為液壓介質具有安全、環保的優點，但低黏度使其潤滑性較差 ?［1-3］ 。油水分離式水壓柱塞泵以油潤滑、以水為液壓介質，結合了二者的優勢 ?［4-5］ 。柱塞副密封性能是此類泵的關鍵，直接關系到泵的容積效率、工作可靠性及使用壽命。柱塞做往復運動并承受一定徑向力，這使柱塞副動密封尤為困難。

針對此類往復動密封問題，各國學者開展了相應研究。NIKAS等 ?［6］ 設計了利用高速攝像機直接觀察往復運動密封圈油膜的實驗臺，實驗時攝像機伸入透明的空心活塞桿，對活塞桿兩側所布置的密封圈的磨損、油膜的產生與破滅等現象進行動態觀測。王世強 ?［7］ 通過分析液壓往復密封的工作過程，設計了一款往復密封的實驗裝置，并研究了數據采集技術、控制技術、結構設計等液壓往復密封件實驗裝置的關鍵技術。王軍 ?［8］ 利用高水基柱塞泵的往復密封數值計算模型，分析了密封元件的安裝預壓縮量、流體密封壓力等多種因素對高水基柱塞泵密封組件的往復密封與潤滑性能的影響。王冰清 ?［9］ 設計了液壓往復密封實驗臺，建立了O形圈的等溫軟彈流潤滑模型、熱彈流混合潤滑模型、瞬態熱彈流混合潤滑模型，利用液壓往復實驗臺驗證了所建立的潤滑模型的正 確性。

從以上往復密封實驗裝置來看，研究的均是單一介質下往復動密封問題，并且大部分實驗工作載荷小、轉速低，受力工況與柱塞泵的實際工況有很大差別。針對油水分離式柱塞泵密封性能的研究尚不多見，因此本文設計了能模擬油水分離式水壓柱塞泵中的柱塞副運動和受力工況的實驗裝置，選擇合適的加載模式對實驗系統進行加載，并通過實驗對實驗裝置的性能進行了驗證。

1 實驗裝置的結構方案

為模擬柱塞泵實際工況，確定實驗裝置的基本設計參數如下：最高工作轉速1500 r/min，額定工作壓力10 MPa，理論流量78.3 L/min（額定轉速985 r/min時）。柱塞泵為往復式容積泵，其工作端具有循環往復的特點。綜合現有的軸向柱塞泵、徑向柱塞泵等主流柱塞泵的結構 ?［10-12］ ，動力端機構選用曲柄滑塊機構。由于曲柄滑塊機構的工作特點，實驗裝置工作過程中，連桿會有小幅擺動角度，從而在柱塞上產生徑向載荷。本實驗裝置中的柱塞設計為柱塞體和陶瓷柱塞的組合結構，柱塞體的左端設計有輔助支撐，以減小陶瓷柱塞兩端的主導向滑動軸承所受的徑向載荷，實驗裝置主體結構如圖1所示。

現有的實驗裝置 ?［7-9］ 一般在往復運動的柱塞處設置恒定的高壓或低壓，讓柱塞在穩定壓力下工作，以測試柱塞密封組件的密封性能，沒有完全模擬柱塞的實際工作狀態，得出的實驗結果和實際情況有差別。本實驗裝置在設計時參照傳統水液壓泵的設計結構，在柱塞出口處設計了配流閥（包括吸入閥和壓出閥），模擬柱塞在水壓泵工作時始終處于高低壓變換的實際工況，從而對柱塞密封組件的密封性能進行實驗。

圖1a中，偏心軸由三相異步電機驅動，圓柱滾子軸承和連桿裝配在偏心軸上，連桿的末端通過柱銷與柱塞組件連接，柱塞組件與缸體、缸套的柱塞孔構成大小可變的工作容腔，吸入閥組件和壓出閥組件安裝在閥體上，構成實驗裝置的配流機構。偏心軸通過旋轉帶動連桿擺動，實現柱塞組件的往復運動。柱塞組件在縮回行程中，工作容腔增大，產生負壓，壓出閥組件關閉，吸入閥組件打開，實驗裝置吸水。柱塞組件在伸出行程中，工作容腔減小，產生高壓，壓出閥組件打開，吸入閥組件關閉，實驗裝置排水。偏心軸旋轉一周，柱塞組件在工作容腔內完成一次吸水和壓水過程。

密封組件采用油水分離的密封結構，如圖1b所示，油側裝配了密封座、密封圈、泄水套，泄漏的工作介質可經泄水口排出。 油側密封圈主要用于防止油液在柱塞往復運動的影響下進入水側。同樣，在水側裝配了密封座及密封圈，以減少柱塞腔內液體在柱塞在工作過程中的泄漏。

實驗裝置應能適應多種尺寸的柱塞及不同結構密封圈的實驗，因此安裝密封組件的油側和水側密封座均有結構冗余，使其在不更換缸套、缸體等較大零部件的情況下，只需要改變密封座的結構尺寸（以適應柱塞與密封圈）就可以完成實驗。同時，密封座設計成油側、水側分開的密封結構，擴大了實驗裝置的應用范圍，更符合油水分離式水壓柱塞泵的工作特點。

2 實驗裝置動平衡設計與仿真分析

實驗裝置動力端的偏心軸旋轉時，除了質心與回轉中心重合的構件外，其余運動構件都會產生慣性力。不平衡慣性力在運動中引起的額外載荷集中在2個圓柱滾子軸承NJ211E上，加劇軸承的磨損，且慣性力的不斷變化會加劇實驗裝置的振動。因此，需借助ADAMS軟件對實驗裝置進行動力學分析，通過動平衡設計盡量消除慣性力的影響，以減小磨損、振動，提高機械效率及裝置的穩定性。

圖2所示為實驗裝置的動力學仿真模型，空載情況下，動力端的慣性力主要作用在兩側的圓柱滾子軸承上。因此，在ADAMS中主要觀察2個軸承的受力情況。

圖3所示為最高轉速1500 r/min、空載條件下的主軸兩端軸承的受力仿真曲線，可以看出，動力端兩側軸承所受慣性力在4000～5500 N之間，軸承承受的不平衡慣性力較大，不利于裝置的穩定運行，影響實驗的結果，因此需對動力端進行動平衡設計。

動平衡設計采用加裝配重塊的方式實現慣性力的部分平衡。為使兩側軸承受力均勻，在偏心軸兩側對稱安裝配重塊，通過不斷優化配重塊的質量與偏心距，調整兩側軸承的受力，使其盡可能的小。如圖3所示，動平衡后，軸承受力為500～1200 N，與動平衡前相比，軸承所受不平衡力減小了80％左右，大大延長了軸承的使用壽命、提高了實驗裝置的工作穩定性。

3 實驗系統仿真分析

對采用單個柱塞的水壓泵而言，需要在泵出口選擇合適的加載方案，以減小流量脈動和壓力脈動引起的沖擊振動和噪聲對實驗過程及設備安全造成的影響。目前，液壓實驗系統常用的加載方式主要有兩種：①節流閥加載，即通過調節節流閥開度加載到指定壓力；②溢流閥加載，即利用溢流閥的定壓溢流功能實現加載 ?［13-15］ 。對于存在較大壓力脈動、流量脈動的液壓系統，還需加入蓄能器來吸收脈動。

蓄能器有不同的體積型號，因此對6種體積（0.63 L、1.6 L、2.5 L、4 L、6.3 L、10 L）的囊式蓄能器A型（符合標準JB/T 7035-1）進行仿真，結果如圖4所示。隨著蓄能器體積的增大，壓力脈動率從5.09%逐漸減小到0.67%，可知蓄能器體積越大，對壓力脈動的減弱效果越明顯，因此試驗應盡量選用體積大的蓄能器。隨著蓄能器體積的增大，流量脈動率從14.47%逐漸減小到1.89%，可知大容量蓄能器有助于減小流量脈動，且效果明顯，但蓄能器體積到達2.5L后，減弱效果不顯著。結合現有實驗條件并考慮經濟性，系統采用2個初始體積0.8 L的蓄能器。

本文對加載系統設計了3種方案，運用AMESIM液壓仿真分析軟件建立仿真模型并進行對比分析，3種方案的電機轉速為985 r/min，工作壓力為10 MPa。仿真步長為0.1 ms，仿真時間為10 s。電機選用變頻電機，實驗時變頻電機轉速通過變頻器調節。

3.1 采用節流閥加載的實驗系統仿真

采用節流閥加載的實驗系統如圖5所示，電機驅動單柱塞泵（主要由曲柄連桿、柱塞缸、壓出閥、吸入閥等組成）。在泵出口設置2個蓄能器來減小泵的壓力脈動，泵的工作壓力由節流閥調節。壓力表和渦輪流量傳感器分別用于測量泵出口的壓力和流量。水箱溫度采用溫度計測量。安全閥對系統起安全保護作用。

根據實驗系統原理圖（圖5）建立仿真模型，如圖6所示，在實驗裝置模型的基礎上增加了蓄能器、節流閥、流量計模型。

仿真時，通過調整節流孔直徑來調節泵出口的工作壓力。圖7所示為泵的出口壓力和流量變化曲線。系統穩定時，泵出口的最高、最低壓力分別為10.14 MPa和9.93 MPa，壓力脈動率為 2.09%； 最大流量、最小流量分別為77.66 L/min和76.83 L/min，流量脈動率為1.07%。

3.2 采用溢流閥加載的實驗系統仿真

采用溢流閥加載時，僅將圖5中的節流閥更換為溢流閥（根據實驗室現有的實物結構參數設計的模型）即可得到仿真模型，如圖8所示。

通過調節溢流閥彈簧的預壓縮量來調定系統壓力。圖9所示為工作壓力10 MPa時，泵出口的壓力、流量變化曲線。系統穩定時，最大壓力為10.15 MPa，最小壓力為9.95 MPa，壓力脈動率為1.99%；最大流量為84.94 L/min，最小流量為 69.9 L/min， 流量脈動率為19.43%。與采用節流閥加載的方式相比，采用溢流閥時，系統壓力脈動略有降低，而流量脈動率大大高于節流閥模式，其原因是溢流閥定壓工作的模式能使系統壓力更加穩定，而溢流閥閥芯開度在工作過程中的波動及溢流量的變化會增大泵的瞬時最大流量、減小瞬時最小流量，使流量脈動加劇。

3.3 采用溢流閥與節流孔加載的實驗系統仿真

與圖8相比，采用溢流閥與節流孔加載的方案在溢流閥入口前串聯了一個直徑1 mm的節流孔板，其余模型結構和參數不變。圖10所示為工作壓力10 MPa時泵出口的壓力和流量變化曲線。系統穩定后，泵的最高、最低壓力分別為 10.18 MPa 和9.97 MPa，壓力脈動率為2.08%；最大流量、最小流量分別為81.29 L/min和73.53 L/min，流量脈動率為 10.02%。

3.4 仿真結果對比分析

為便于對比分析，對以上3種加載方案的仿真結果進行匯總，如表1所示。3種加載方案的壓力脈動率差別很小。采用節流閥加載時，泵出口的流量脈動最小。在溢流閥前加裝節流孔板可使泵出口的流量脈動由未加裝時的19.43%降至10.02%，其原因是：①在溢流閥入口增加節流孔板相當于在溢流閥閥芯之前設置阻尼容腔，增加了閥芯的運動阻尼，減小了閥芯開度的波動；②增加節流孔板后，溢流閥的工作壓力降低，閥芯開度增加，閥芯開度波動時引起的流量變化減小，使實驗系統的流量脈動減小。

已有合適的溢流閥可直接使用，因此將溢流閥前加節流孔板的方式作為實驗系統的加載 方案。

4 實驗結果與分析

根據仿真結果及實驗系統原理圖，在實驗室搭建了實驗裝置，如圖11所示。首先進行壓力加載實驗，在系統運行正常，電機轉速穩定為985 ?r/min 時，將開關閥關閉，溢流閥開啟，并按壓力3，4，5，6，7，8，9，10 MPa依次給實驗裝置加載，每種開啟壓力下加載30 min，記錄泵出口壓力及流量，如表2所示。電機轉速設定為985 r/min時，實驗裝置的理論流量為78.3 L/min。隨著加載壓力的不斷升高，實驗裝置流量下降，容積效率由89.6%下降至82.9%，流量衰減較小。與一般的水壓泵相比，該實驗裝置的容積效率偏低，其原因是： ①裝置需要針對不同結構尺寸的密封件進行實驗，其結構不能過于緊湊；②該單柱塞泵的轉速較高、流量較大，使配流閥的慣性較大，在高轉速下易產生運動滯后，影響輸出流量，但其容積效率在合理范圍內。

電機轉速穩定為985 r/min、泵出口壓力10 MPa條件下對實驗裝置進行穩定性實驗。實驗用密封圈組合如下：油側密封圈為兩道2型特康埃落特密封，埃落特密封安裝朝向油側；水側密封圈為兩道特康格萊圈，格萊圈密封安裝朝向水側。18 h的穩定性實驗中，每隔1 h記錄一次流量，如圖12所示，流量最大值、最小值為72.67 L/min和64.38 L/min，流量脈動率為11.96%，比仿真值10.02%略大，對應的容積效率最大值、最小值為92.8%和82.3%，比仿真時的最小容積效率 93.9% 略小，但容積效率保持在合理范圍內。

5 結論

針對油水分離式水壓柱塞泵柱塞密封件的密封性能，設計并制造出模擬實際工況的柱塞密封實驗裝置，通過ADAMS仿真軟件對裝置進行了動平衡設計和仿真。利用AMESIM仿真軟件對實驗加載系統方案進行仿真分析，將溢流閥前加裝節流孔板的方式作為實驗系統的加載方案。根據加載方案搭建了實驗裝置，并進行了4 h的加載實驗和18 h的穩定性實驗。實驗證明裝置設計可靠，容積效率穩定且在合理范圍。

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（ 編輯 張 洋 ）

作者簡介 ：

羅龍君 ，男，1988年生，碩士研究生。研究方向為工程實踐創新教育。發表論文3篇。E-mail： luolj@hust.edu.cn。

賀小峰 ?（通信作者），男，1968年生，副教授、碩士研究生導師。研究方向為流體機械傳動與控制。發表論文20篇。E-mail： hexiaofeng @ mail.hust.edu.cn。