一种柱塞泵配流副摩擦系数的测量系统及计算方法与流程

1.本发明涉及一种柱塞泵配流副摩擦系数测量计算方法，具体涉及一种测量系统和一种计算轴向柱塞泵配流副摩擦系数的方法，属于液压实验领域。


背景技术：

2.随着现代飞机的压力等级提升，航空eha用柱塞泵不断朝高速高压的方向发展。高速高压的工况给柱塞泵的摩擦副设计带来挑战，其容积效率与机械效率的大小很大程度上取决于其关键摩擦副。柱塞泵摩擦副的早期磨损往往是泵报废的重要原因之一.其摩擦副主要包括柱塞副、滑靴副和配流副。其中配流副在柱塞泵三个关键摩擦副中接触面积最大，同时也是最容易磨损及失效的摩擦副之一，实柱塞泵中最关键的摩擦副，对泵的寿命起到决定性作用，因此配流副的摩擦学特性亟待研究。
3.为了解决以上问题，获得配流副的摩擦系数，需要开发一种配流副摩擦系数的测量系统与计算方法，在已经投入使用的和已经公开或授权的专利中，多围绕配流副的结构搭建试验台，并未有一种较科学的计算摩擦系数的方法。本发明针对这一问题，基于一种高速高压轴向柱塞泵配流副测试试验装置搭建特定的测量系统，通过传感器组与数据采集板卡对实验数据采集保存，并提出一种配流副摩擦系数的计算方法，通过对配流副试验装置受力分析，结合试验的手段推导出配流副摩擦系数的计算公式，该公式能准确计算配流副的摩擦系数，对评估配流副的摩擦状态，提升柱塞泵的效率和寿命有非常广阔的研究前景。


技术实现要素：

4.针对现有的轴向柱塞泵配流副摩擦特性的研究需求，本发明提供了一种可以在高速高压轴向柱塞泵配流副测试装置上的一种参数测量系统和一种配流副摩擦系数的计算方法，借助该方法可以测量并计算出配流副的摩擦系数。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：一种柱塞泵配流副摩擦系数的测量系统及计算方法，系统包括配流副测试试验装置用液压-机械系统，两个压力传感器及压力传感器对应的频率数显表，一个转矩转速传感器及其对应的转矩转速数显表，四个温度传感器，一台研华数据采集板卡，一台计算机及一套自开发的上位机数据采集系统。其中传感器的设置数量与数据采集板卡的数据输入端口数量一致，研华数据采集板卡的数据输出通过usb接口传输到计算机，由计算机的上位机数据采集系统对数据进行动态显示并生成报表保存。
6.进一步地，配流副测试试验装置用液压-机械系统，包括恒压泵站，一台蓄能器、一个卸荷溢流阀，一个比例减压阀，一个电磁换向阀，一台伺服电机。其中恒压泵站用于给液压系统提供恒压油，蓄能器用于液压系统的保压，卸荷溢流阀用于调节系统压力，模拟柱塞泵高压腔的压力。减压阀用于调节加载活塞的压力，模拟柱塞泵缸体所受到的压紧力。电磁换向阀用于切换配流副测试装置的油路。伺服电机用于驱动配流副试验装置的缸体轴转动。
7.进一步地，所述的压力传感器分别用于测量高速高压轴向柱塞泵配流副测试试验
台系统压力和加载活塞压紧力，压力传感器一用于测量试验台系统压力，即柱塞泵的实际工作压力；压力传感器二用于测量加载活塞的压紧力，该压紧力用于真实柱塞泵中缸体所受到的高压柱塞腔压紧力。所述的频率数显表用于显示高速高压轴向柱塞泵配流副测试试验台系统压力和加载活塞压紧力和缸体主轴转速的动态测量值，并将两个压力传感器和四个温度传感器输入数显表中的测量值输出到数据采集板卡，再由数据采集板卡输入到计算机中保存。
8.进一步地，上位机界面包括启停控制区、温度显示区、参数显示区一、参数显示区二和转速控制区。启停控制区用于控制数据采集系统的开启和停止，温度显示区用于显示配流副的实时温度，转速控制区用于控制伺服电机的转速，参数显示区一用于实时显示系统压力、压紧力、转速、转矩等参数的动态数值，参数显示区二用于实时显示系统压力、压紧力、转速、转矩等参数动态曲线。
9.进一步地，一种柱塞泵配流副摩擦系数的测量系统及计算方法，其计算方法如下所述：
10.步骤一、给试验台通电后，对各传感器初始化并检查各部分是否正常。
11.步骤二、根据加载方式，对配流副试验装置进行受力分析，分析配流副试验装置在工作时受到的力和力矩的种类。配流副试验装置由加载活塞加载，加载活塞上开有四个油口，其中加载油口与加载活塞上腔联通，模拟配流副的液压压紧力，泄漏油口与下腔联通，模拟柱塞泵壳体压力。进油口与出油口与配流盘摩擦片的腰型窗口连通，产生液压分离力。通过加载缸产生的压紧力与腰型窗口产生的分离力的相互作用来模拟配流副在不同工况下的受力情况。基于该试验装置的原理搭建液压系统，该液压系统通过卸荷溢流阀与比例减压阀分别提供泵的工作压力和压紧压力。
12.隔离分析缸体轴与缸体配流盘构成的装配体的受力情况，包括装配体承受的外力和外力矩，f为装配体所受到的外力，t为装配体所受到的外力矩。外部施加的压紧力fc与推力轴承的推力fb二力平衡。缸体轴的驱动力矩t
driven
与配流副的摩擦力矩t
cv
，缸体轴侧壁承受的摩擦力矩t
clf
，推力轴承的摩擦力矩tb，以及密封的摩擦力矩t
sf
之和平衡。作用在配流副上的摩擦力矩可以表示为：
13.t
cv
＝t
driven-t
clf-t
bf-t
sf
ꢀꢀꢀ
(1.1)
14.缸体轴的驱动力矩t
driven
的大小可以由扭矩转速传感器测出。缸体轴侧壁承受的摩擦力矩t
clf
为油液的粘性摩擦力；推力轴承的摩擦力矩t
bf
与密封的摩擦力矩t
sf
为库伦摩擦与粘性摩擦相综合的混合摩擦。因此，可将其划分为库伦摩擦部分和粘性摩擦部分，分别求解，缸体轴承受的力矩进一步分解情况见表1。
15.表1摩擦力矩分类
[0016][0017]
步骤三、根据步骤二中的受力分析，获得配流副摩擦系数的表达式：库伦摩擦力的大小与法向压力大小成正比。推力轴承所承受的库伦摩擦力矩t
bc
可以表示为：
[0018][0019]
密封的库伦摩擦力矩t
sc
与密封圈与缸体轴之间的抱紧力相关fs，可以将其认为是一个常数。因此，密封的库伦摩擦力矩表示为：
[0020][0021]
粘性摩擦力的大小与速度成正比，缸体轴承受的所有粘性摩擦力矩(t
clv
,t
bv
,与t
sv
)之和可以采用试验的手段获取。当外部施加的压紧力fc为0时，即配流盘与缸体完全分离时，此时缸体轴的驱动力矩为粘性摩擦力矩与密封的库伦摩擦力矩之和，表示为：
[0022]
t
no-load
(ω)＝t
sc
t
clv
(ω) t
bv
(ω) t
sv
(ω)
ꢀꢀꢀ
(1.4)
[0023]
根据公式(1.4)对试验结果进行拟合，得：
[0024]
t
no-load
(ω)＝b
int er
k
no-load
·
ω
ꢀꢀꢀ
(1.5)
[0025]
该一次函数的节距b
inter
为密封库伦摩擦力矩t
sc
的大小，斜率k
no-load
为粘性摩擦力矩随转速的变化率。联立(1.1)～(1.5)，配流副摩擦力矩可表示为：
[0026][0027]
因此，配流副的摩擦系数的大小可以表示为：
[0028][0029]
式(1.7)中，d
cv
为缸体分度圆直径，单位mm；av为配流副有效作用面积，单位mm2。
[0030]
步骤四、给试验台通电，并且对试验装置加压，调节电机转速。通过数据采集系统记录不同工况时的压力ps、压紧力fc、转速ω、转矩t
driven
。步骤五、按照步骤三中所述的方法拟合出空载转矩t
no-load
的表达式，并将步骤四中测量得到的参数带入步骤三中所述公式(1.7)求出配流副的摩擦系数的大小。
[0031]
发明的有益效果是：
[0032]
1.本发明可以实现柱塞泵配流副摩擦系数的测量计算，在配流副同事存在库伦摩擦和粘性摩擦的状态下，推导出配流副的摩擦系数，确定出配流副的摩擦状态；
[0033]
2.本发明可以实现柱塞泵配流副压紧力的模拟，并实现配流副压力、转速、压紧力的测量；
附图说明
[0034]
图1为数据采集系统结构图；
[0035]
图2为配流副试验装置液压-机械原理图；
[0036]
图3为配流副试验装置受力分析图；
[0037]
图4为转矩t
no-load
线性拟合图；
[0038]
图5为数据采集系统上位机界面图。
[0039]
图中，1、蓄能器；2、压力传感器一；3、恒压泵站；4、卸荷溢流阀；5、电磁换向阀；6、比例减压阀；7、压力传感器二；8、进油口；9、温度传感器一；10、泄漏油口；11、加载油口；12、出油口；13、加载活塞；14、缸体轴；15、伺服电机；16、转矩转速传感器；17、温度显示区；18、
参数显示区一；19、参数显示区二；20、转速控制区；21、启停控制区；22、频率数显表一；23、频率数显表二；24、转矩转速数显表。
具体实施方式
[0040]
本发明是通过以下技术方案实现的：一种柱塞泵配流副摩擦系数的测量系统及计算方法，系统包括一套配流副测试试验装置用液压-机械系统，一个压力传感器一2及压力传感器对应的频率数显表一22，一个压力传感器二7及对应的频率数显表二23。一个转矩转速传感器16及其对应的转矩转速数显表24，包含温度传感器9以及另外三个周向分布的温度传感器9，一台数据采集板卡，一台计算机及一套自开发的上位机数据采集系统。其中传感器的设置数量与数据采集板卡的数据输入端口数量一致，数据采集板卡的数据输出通过usb接口传输到计算机，由计算机的上位机数据采集系统对数据进行动态显示并生成报表保存。
[0041]
进一步地，配流副测试试验装置用液压-机械系统，包括一台恒压泵站3，一台蓄能器1、一个卸荷溢流阀4，一个比例减压阀6，一个电磁换向阀5，一台伺服电机15。其中恒压泵站3用于给液压系统提供恒压油，蓄能器1用于液压系统的保压，卸荷溢流阀4用于调节系统压力，模拟柱塞泵高压腔的压力。比例减压阀7用于调节加载活塞的压力，模拟柱塞泵缸体所受到的压紧力。电磁换向阀5用于切换配流副测试装置的油路。伺服电机15用于驱动配流副试验装置的缸体轴14转动。
[0042]
进一步地，压力传感器一2用于测量试验台系统压力，即柱塞泵的实际工作压力；压力传感器二7用于测量加载活塞的压紧力，该压紧力用于真实柱塞泵中缸体所受到的高压柱塞腔压紧力。所述的频率数显表用于显示高速高压轴向柱塞泵配流副测试试验台系统压力和加载活塞压紧力和缸体主轴转速的动态测量值，并将两个压力传感器和四个温度传感器输入数显表中的测量值输出到数据采集板卡，再由数据采集板卡输入到计算机中保存。
[0043]
进一步地，上位机界面包括启停控制区21、温度显示区17、参数显示区一18、参数显示区二19和转速控制区20。启停控制区21用于控制数据采集系统的开启和停止，温度显示区17用于显示配流副的实时温度，转速控制区20用于控制伺服电机的转速，参数显示区一18用于实时显示系统压力、压紧力、转速、转矩等参数的动态数值，参数显示区二19用于实时显示系统压力、压紧力、转速、转矩等参数动态曲线。
[0044]
进一步地，一种柱塞泵配流副摩擦系数的测量系统及计算方法，其计算方法如下所述：
[0045]
步骤一、给试验台通电后，对各传感器初始化并检查各部分是否正常。
[0046]
步骤二、根据加载方式，对配流副试验装置进行受力分析，分析配流副试验装置在工作时受到的力和力矩的种类。配流副试验装置由加载活塞13加载，加载活塞13上开有四个油口，其中加载油口11与加载活塞13上腔联通，模拟配流副的液压压紧力，泄漏油口10与下腔联通，模拟柱塞泵壳体压力。进油口8与出油口12与配流盘摩擦片的腰型窗口连通，产生液压分离力。通过加载缸产生的压紧力与腰型窗口产生的分离力的相互作用来模拟配流副在不同工况下的受力情况。基于该试验装置的原理搭建液压系统，该液压系统通过卸荷溢流阀14与比例减压阀6分别提供泵的工作压力和压紧压力。
[0047]
隔离分析缸体轴14的受力情况，包括装配体承受的外力和外力矩，f为装配体所受到的外力，t为装配体所受到的外力矩。外部施加的压紧力fc与推力轴承的推力fb二力平衡。缸体轴的驱动力矩t
driven
与配流副的摩擦力矩t
cv
，缸体轴侧壁承受的摩擦力矩t
clf
，推力轴承的摩擦力矩tb，以及密封的摩擦力矩t
sf
之和平衡。作用在配流副上的摩擦力矩可以表示为：
[0048]
t
cv
＝t
driven-t
clf-t
bf-t
sf
ꢀꢀꢀ
(2.1)
[0049]
缸体轴的驱动力矩t
driven
的大小可以由扭矩转速传感器16测出。缸体轴侧壁承受的摩擦力矩t
clf
为油液的粘性摩擦力；推力轴承的摩擦力矩t
bf
与密封的摩擦力矩t
sf
为库伦摩擦与粘性摩擦相综合的混合摩擦。因此，可将其划分为库伦摩擦部分和粘性摩擦部分，分别求解，缸体轴承受的力矩进一步分解情况见表2。
[0050]
表2摩擦力矩分类
[0051][0052]
步骤三、根据步骤二中的受力分析，获得配流副摩擦系数的表达式：库伦摩擦力的大小与法向压力大小成正比。推力轴承所承受的库伦摩擦力矩t
bc
可以表示为：
[0053][0054]
密封的库伦摩擦力矩t
sc
与密封圈与缸体轴之间的抱紧力相关fs，可以将其认为是一个常数。因此，密封的库伦摩擦力矩表示为：
[0055][0056]
粘性摩擦力的大小与速度成正比，缸体轴承受的所有粘性摩擦力矩(t
clv
,t
bv
,与t
sv
)之和可以采用试验的手段获取。当外部压紧力为0时，即配流盘与缸体完全分离时，此时缸体轴的驱动力矩为粘性摩擦力矩与密封的库伦摩擦力矩之和，表示为：
[0057]
t
no-load
(ω)＝t
sc
t
clv
(ω) t
bv
(ω) t
sv
(ω)
ꢀꢀꢀ
(2.4)
[0058]
根据公式(4)对试验结果进行拟合，得：
[0059]
t
no-load
(ω)＝b
inter
k
no-load
·
ω
ꢀꢀꢀ
(2.5)
[0060]
该一次函数的节距b
inter
为密封库伦摩擦力矩t
sc
的大小，斜率k
no-load
为粘性摩擦力矩随转速的变化率。联立(2.1)～(2.5)，配流副摩擦力矩可表示为：
[0061][0062]
因此，配流副的摩擦系数的大小可以表示为：
[0063][0064]
式(2.7)中，d
cv
为缸体分度圆直径，单位mm；av为配流副有效作用面积，单位mm2。
[0065]
步骤四、给试验台通电，并且对试验装置加压，调节伺服电机15转速。通过数据采集系统记录不同工况时的压力ps、压紧力fc、转速ω、转矩t
driven
。步骤五、按照步骤三中所述
的方法拟合出空载转矩t
no-load
的表达式，并将步骤四中测量得到的参数带入步骤三中所述公式(2.7)求出配流副的摩擦系数的大小。
[0066]
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。