赵立全
【摘 要】主要讨论了中心弹簧的作用及使用不同形式弹簧时的优缺点,并通过对比试验数据简要说明了弹簧预压力大小对柱塞泵造成的影响,为相关领域研究提供参考和借鉴. 【期刊名称】《机械管理开发》
【年(卷),期】2016(000)004
【总页数】3页(P91-93)
【关键词】柱塞泵;弹簧;预压紧力;泄漏
【作 者】赵立全
【作者单位】太重集团榆次液压工业有限公司,山西晋中030600
【正文语种】中 文
【中图分类】TH322
斜盘式轴向柱塞泵主要有结构紧凑，功率重量比大，体积小，压力高，容积效率和总效率高，变量方式丰富等优点。斜盘柱塞泵中，中心弹簧对缸体产生的预压紧力直接影响着泵的启动、泄漏量和容积效率等参数。目前中心弹簧的主要安装方式有两种，图1采用的是在球铰与缸体之间安装碟簧（大排量泵采用安装小圆柱弹簧），通过改变碟簧的组合方式和碟簧间的垫片厚度进行预压紧力的调整；图2是采用在缸体内部安装圆柱弹簧，由顶针将力传递到球铰上，通过改变垫片厚度调节预压紧力。由图1和图2的对比可以看出，在批量化生产过程中，图1所示结构在装配工艺工装要求，调节预压紧力的便捷性，以及加工的工艺要求和成本上，均优于图2所示的结构形式。而碟簧的性能优势相对于圆柱弹簧也更为突出：圆柱弹簧的主要特点是特性线呈线性，结构简单，制造方便；碟簧的主要特点是缓冲和减振能力强，能在变形很小时产生很大载荷，采用不同的组合可以得到不同的特性线。球铰中碟簧的性能优劣直接影响到泵的性能，包括产生足够的回程力；吸收泵运转过程中产生的振动；保证滑靴和垫板之间的密封性；保证缸体和配流盘之间的密封性等。本文主要对图1这种结构形式在实际生产应用中球铰碟簧刚度对泵的影响进行一些分析。
本次试验中泵主体采用XB01VSO40-01（功能上等效A4VSO40DR），选用了两种不同刚度的碟簧[1]各四片，同类为一组，共两组碟簧。其单片碟簧的刚度曲线见下页图3（以下简称A簧）和下页图4（以下简称B簧）。
通过对零件检测后计算，球铰和缸体间的自由最大间隙为5 mm，A簧和B簧的单片自由高度是1.7 mm，厚度是1 mm。
1）采用4片碟簧以对合组合方式安装时，使用A簧的泵无法变量，使用B簧的泵变量不灵敏，复位不及时。
碳化硅石墨坩埚2）采用两片以对合、两片叠合的方式安装，使用A簧时泵依旧不能变量，但使用B簧的泵可以变量。
3）采用3片A簧以对合组合方式安装，泵可以变量，但此时加压后，基本无输出流量，泄漏量大。南瓜加工
4）采用3片A簧以对合组合方式安装，添加一个0.6 mm厚的垫片时，泵可以变量。
变量活塞弹簧的自由长度、压缩量、刚度和绕斜盘回转力臂已知，计算得斜盘在中位时变量弹簧产生的力最大Ft=423.75 N，此时变量弹簧中心线距离回转中心Lt=54 mm，呈90°角。斜盘材料为铸铁，耐磨瓦为铝黄铜，铸铁和铜在有润滑时的摩擦系数是0.07～0.15，考虑到此处结构复杂，存在泵体、耐磨瓦、斜盘共两对各三个同心圆的配合，对同轴度、圆度、直线度均有较高要求，所以取摩擦系数为0.12。
采用方式1）时，每片碟簧压缩量为0.45 mm，使用A簧时，大约产生6 200 N的预压力，使用B簧时，大约产生3 200 N预压力。可以得到使用A簧时摩擦力为fA1=744 N，使用B簧的摩擦力为fB1=384 N，两者作用点距离回转中心lt=48 mm。由以上可得：Ft×Lt＜fA×lt；Ft×Lt＞fB×lt，但考虑到变量弹簧推动变量活塞时需要克服的不只是斜盘的摩擦力，比如还需要克服变量活塞的摩擦力，柱塞和缸体的摩擦力等。所以出现1）所描述的情况是可能的，拆开泵后，使用A簧的泵配流副表面以及轴瓦和斜盘表面有较为明显的划伤。采用方式2）时：每片碟簧压缩量为0.36 mm，A产生4 824 N的预压力，B产生2 300 N的预压力，摩擦力fA2=579 N，fB2=276 N。同样可得：Ft×Lt＜fA2×lt；Ft×Lt＞fB2×lt，但此时fB1-fB2=108 N，数值相差较大，所以使用B簧可以变量。美藤kou
采用方式3）时，压缩量为0.03 mm，泵启动后在空载下，泄漏较大，加压后，由于配流盘对缸体的液压反推力将缸体推开，配流盘密封带丧失密封作用，油液通过配流盘和缸体间的间隙流入泵体，通过泄油口泄漏，此时碟簧基本失去作用。
采用方式4）时，每片碟簧压缩量为0.23mm，此时产生2700N的预压力，同理可得fA4=324 N，Ft×Lt＞fA4×lt，对比3）中B产生预压力的大小可知2500 N左右的预压力对于此泵是较为理想的数值。
足够的预压力能够保证泵在启动时能够正常运转，但随着泵工作压力的提高，由配流盘对缸体液压反推力的平均值计算公式可以看出，反推力是逐渐增大的，将测试泵的数据代入公式，在35 MPa的工作下，可得：Ff=28 695.45 N，此时，柱塞腔内的压力对缸体产生的对配流盘液压压紧力由公式[2]：FN=·ΔA·P，可得FN=2 5969.22 N。
Ff-FN=2 726.23 N，对比上文中得出2 500 N左右的预压力，这个数值是比较合理的，而且对比2）中使用B簧，和4）中使用A簧时泄漏量的曲线（图5）可以看出：
当预压力较大时，低压区的泄漏量相差不多，但在高压区时，压紧力大的泵泄漏量相比较
小，这是因为Ff和FN均与压力P成正比关系，在低压区时，因为P较小，Ff-FN差值较小，碟簧的力可以将缸体压紧在配流盘上，但随着压力的增大，直到Ff与FN的差值大于弹簧预压力时，配流副在高压作用下，泄漏量有轻微增加。实际上，配流副的受力和运动情况非常复杂，计算中忽略了柱塞和缸体摩擦力、离心力、泵的压力脉动对力平衡的影响，所得结果仅做参考，实际中还是得根据具体加工的公差尺寸等对碟簧进行调整。
1）碟簧相对圆柱弹簧结构简单，通过微小的变形可以产生较大的力值，对于批量生产时调节泵的预压紧力更方便。
2）使用碟簧对缸体和球铰的加工精度要求低，加工工艺简单，布置紧凑。
3）碟簧可以通过改变安装形式改变预压力的大小，在特殊情况下应急使用垫片代替某个碟簧对泵的正常工作无重大影响。
4）弹簧预压力与泵的变量性能、摩擦副工作条件、泄漏量大小等关键技术指标有直接关系，碟簧由多片组合共同作用，有效降低了个别碟簧性能不稳定对泵造成的影响。
【相关文献】
[1]张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册[M].北京:机械工业出版社，2008.老化仪
肉模
[2]何存兴.液压元件[M].北京:机械工业出版社，1982.
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