随着现代工业进程的发展，液压行业也逐步发展，对于柱塞泵的研究从未停歇，解决柱塞泵的温升发热问题，一直是国内外研究的重要方面[1]．文献[2]利用有限元研究了当温度载荷为70 ℃时，配流盘的应力与变形，找到应力集中和形变位移严重的区域，重新进行优化设计，减小温度对配流盘结构的影响，从而提高泵的使用寿命；文献[3]对柱塞泵进行了一系列的热力学实验，主要分析了柱塞泵内部摩擦副的温度变化，对柱塞泵关键摩擦副进行仿真与实验，研究了柱塞泵内温升发热问题和摩擦副的变形磨损之间的关系．本研究基于双端面配流原理，成功研制了全流量自冷却轴向柱塞泵．此泵的特殊结构使其具有全流量自冷却、自润滑和去掉泄漏油管等特点[4]，与传统CY泵相比，很大程度上降低了泵内温度，实现了泵的轻量化．本研究针对一种新型轴向柱塞泵与传统CY泵，从宏观角度对泵内温升进行对比分析与实验验证．1 全流量自冷却柱塞泵的结构与原理1.1　结构特点传统的CY泵设有吸油、压油、泄漏油管，并且吸、压油口均在配油盘的一侧．全流量自冷却柱塞泵在传统CY泵的结构基础上做了优化设计．全流量自冷却轴向柱塞泵结构原理如图1所示，外部结构优化为：去掉泄漏油管，舍弃传统泵体的进油口，将进油口开设在泵壳中部[5]．内部结构优化为：滑靴和柱塞中间的阻尼孔改为通孔，斜盘的低压侧开设配油窗口，使其具备吸油的能力[6]．在配油盘一侧的泵体和泵壳上开1~5个进油槽．10.13245/j.hust.220207.F001 图1阀配流轴向曲线式柱塞泵结构 1—进油口；2—斜盘配流窗口；3—滑靴通孔；4—柱塞通孔；5—进油槽；6—配油盘；7—斜盘；8—壳体；9—泵体．10.13245/j.hust.220207.F002图2全流量自冷却轴向柱塞泵传热机理10.13245/j.hust.220207.F003图3柱塞泵热力学模型10.13245/j.hust.220207.F004图4液压系统热力学模型10.13245/j.hust.220207.F005图5传统CY泵温升曲线10.13245/j.hust.220207.F006图6全流量自冷却柱塞泵温升曲线10.13245/j.hust.220207.F008图8实验现场图10.13245/j.hust.220207.F009图9不同压力级下实验数据曲线10.13245/j.hust.220207.F010图10额定转速、压力下实验数据曲线1.2　工作原理油液从壳体设置的吸油口进入，一部分绕经斜盘，从滑靴进入柱塞腔[7]；另一部分通过泵体与泵壳开设的进油槽，流经配油盘进入柱塞腔，从而实现双端面配流原理，这种设计在一定程度上增强了轴向柱塞泵的吸油能力．2 柱塞泵内温升原理与分析柱塞泵内升温有两个主要原因．a. 泄漏油液的温升．泵内三对摩擦副泄漏的液压油是从高压降到低压的热油，压降与泄漏流量之积是泄漏油液的损失功率，这些损失功率大部分以温度的形式体现在泄漏油液中[8]，使泄漏油液温度急剧上升，成为高温油液，这种高温油液完全包裹着三对摩擦副，而此时外侧为高温油液，内侧为吸入的油箱凉油，温度差使三对摩擦副零部件产生不均匀变形，加剧零部件的磨损[9]．b. 自搅动发热温升．泵内零件在高速旋转时直接搅动泵腔内的泄漏高温油液，又提升了这部分油液的温度，进一步加剧了泵内部零部件的磨损，大大降低泵的实际使用寿命[10-11]．2.1　传统CY泵泄漏油液的温升当泵正常工作时，摩擦副泄漏所造成的损失，几乎全部以热能的形式体现在泄漏油液中[12-13]，总热量计算为q1=JΔNΔt，式中：q1为泄漏油液的总热量；J为热功当量系数；ΔN为泵的泄漏损失功率；Δt为理论工作时间．假定忽略震动、噪声等能量转化，认为柱塞泵内所有泄漏损失功率全部变成热能，并且均匀分布于泄漏油液中，则有T1=q1ΔQ1+ΔV/Δt，式中：T1为单位流量温升；ΔQ1为泄漏流量；ΔV为吸、压油腔的容积变化量．因为ΔQ1≫ΔV/Δt，所以ΔV/Δt可以忽略不计，则有T1=q1ΔQ1=JΔNΔtΔQ1．(1)一台正常工作且合格的轴向柱塞泵，当容积效率的标准为93%时，假设入口流量为Q，油液在某工作压力下的压缩量约2%，为了满足合格标准，泵的泄漏流量小于总流量的5%，即最低要求ΔQ1=5%Q，式(1)变为T1=JΔNΔtΔQ1=JΔNΔt5%Q．2.2　传统CY泵自搅发热的温升当泵正常工作时，高速旋转的零部件带动泵内的泄漏油液高速转动产生自搅发热，假设这部分热量也同样均匀分布于泄漏油液中，自搅发热量为q2=Kv1Δt，式中：K为自搅发热系数；v1为缸体的线速度．单位时间内单位流量的温升为T2=q2ΔQ1+ΔV/Δt=Kv1ΔtΔQ1+ΔV/Δt．同理，ΔV/Δt可忽略不计，故有T2=Kv1ΔtΔQ1，(2)当最低要求ΔQ1=5%Q，式(2)变为T2=Kv1ΔtΔQ1=Kv1Δt5%Q．综上，两部分的温升总和就是CY泵油液的温升，即TC=T1+T2=JΔNΔt5%Q+Kv1Δt5%Q=JΔN+Kv15%QΔt．假设泵的容积效率为η，在理想状态下，从宏观角度分析，该柱塞泵的油液温升为TC=(JΔN+Kv1)Δt(1-η)Q．传统CY泵在高压输出时，由于有泄漏流量的存在，因此会带走一部分热量，有一定的冷却效果，由温升关系可知：容积效率和温升成正比，而泄漏量与容积效率成反比，因此泵的效率限制了其冷却效果[14].2.3　温升对比对于双端面配流的轴向柱塞泵，可以单独引入流量到泄漏油液存油腔，假设入口总流量为Q，单独引入流量为βQ，同理可得此泵的温升关系为TS=(JΔN+Kv1)Δt(1-η)Q+βQ．由温升关系可知：引入的流量增加了存油腔的流量，降低了温升，而且β值越大，冷却效果越好[15]．本研究的全流量自冷却柱塞泵为β=1的最优情况．将TC和TS两个表达式对比可得：TC=(JΔN+Kv1)Δt(1-η)Q/(JΔN+Kv1)Δt(1-η)Q+βQ；TS=[1+β/(1-η)]TS.从宏观角度分析，假定油液体积不具备压缩性，且容积效率为93%，当全流量冷却(β=1)时，可以得到CY泵的温升TC为TS的15.3倍左右．3 柱塞泵的热力学仿真3.1　柱塞泵传热机理通过对柱塞泵的泄漏生热、机械摩擦生热、油液搅动生热、三个摩擦副之间的油液热传导及泵壳与外界环境的热传导分析研究，可以确定该泵的传热机理，如图2所示．3.2　建立柱塞泵热力学仿真模型根据图2的传热机理分析，采用AMESim的热管理模块，用节流阀模拟泵泄漏流量的生热，函数f(x,y)模拟摩擦生热，用一个节流阀来模拟系统中的负载[16-17]．在此柱塞泵的热力学模型中，由于泄漏油液不可以回到油箱，因此在油箱出口处，加一个单向阀，并利用AMESim中的对流、传导、辐射等换热方式进行模拟泵内热量的传递路径．因为全流量冷却柱塞泵只剩下进油口与压油口，泄漏的高温油液在柱塞泵存油腔参与泵的正常工作，所以将节流生热的能量引入柱塞泵的进口位置，继续参与柱塞泵整体的能量循环，最终搭建出全流量自冷却柱塞泵的热力学模型，如图3所示，图中标签1和标签2分别为进油接口和出油接口．为了仿真正常工作情况下的柱塞泵及测量存油腔的油液温度和泵壳温度，应用AMESim并结合上述柱塞泵热力学模型搭建出一套液压系统热力学模型，如图4所示．经过理论计算，设置各元件的参数值如下：环境温度为20 ℃，转速为1 500 r/min，排量为25 mL/rad，泵壳导热系数为56 W/(m∙k)，配油盘导热系数为84 W/(m∙k)，斜盘导热系数为35 W/(m∙k)，滑靴导热系数为84 W/(m∙k)，容积效率为93%，壳与空气对流换热系数为0.025 W/(m∙k)，油液与壳对流换热系数为0.2 W/(m∙k)，泵壳总散热面积为0.15 m2，配油盘传热面积为0.004 1 m2，斜盘传热面积为0.003 2 m2，滑靴传热面积为0.003 2 m2．图5为传统CY泵温升曲线，图中：t为油液温度；τ为工作时间．由图5可知：传统CY泵进油口、出油口和存油腔油液温度稳定在54 ℃，74 ℃和90 ℃左右．油箱最初油液温度为50 ℃，由于泄漏的高温油液流回油箱，因此间接导致进油口的油液温度上升[18]．图6为全流量自冷却柱塞泵温升曲线．由图6可知：全流量自冷却柱塞泵进油口、出油口、存油腔油液温度稳定在50 ℃，51 ℃和53 ℃左右．因为去掉了泄漏油管，泄漏的高温油液不会直接流回油箱，所以油箱温度基本保持在50 ℃．综上所述，传统CY泵温升为40 ℃，而全流量自冷却柱塞泵温升仅为3 ℃，两者相差13.3倍，与理论计算结果15.3倍较为接近，因为是从宏观角度分析，结果会存在微小误差，但该泵的温升、出油口和存油腔的温度稳定值相比传统CY泵都有明显降低．4 温升测试实验为了验证该柱塞泵的冷却性能，搭建了温度测试实验台，选用同等规格的CY泵和全流量自冷却柱塞泵进行对比分析．由于实验条件限制，因此未对泵内存油腔油液温度直接测量，仅对泵壳温度进行数据采集与分析，实验数据可能存在微小误差，但仍可以证明全流量自冷却柱塞泵的冷却性能优于传统CY泵．系统实验原理如图7所示，搭建的两个对比实验泵的实验现场如图8所示．实验泵的基本参数如下：公称排量为25 mL/r，额定压力为32 MPa，额定转速为1 500 r/min，最高转速为3 000 r/min，最高压力为40 MPa．实验中使用的测温设备为工业数字高精度DT1310测温仪，测量精度为±3 ℃，量程为-200～1 370 ℃，分辨率为0.1 ℃，环境温度为25 ℃．10.13245/j.hust.220207.F007 图7系统实验原理图 1—油箱；2—过滤器；3—被试泵；4—联轴器；5—电机；6—节流阀；7—压力表；8—溢流阀． 在额定转速下，测量不同压力级(p)两种实验泵的温升，环境温度为25 ℃，初始油箱油液温度为50 ℃，工作3 min后采集数据，实验数据曲线如图9所示．根据实验数据可以得到：在额定转速下，随着压力的增高，两种泵的泵壳温度均逐渐上升．在相同的工况下，新型泵比CY泵的泵壳温度低20 ℃左右．在额定转速1 500 r/min，额定压力32 MPa下，进行温升实验，2 min采集一次数据，环境温度为25 ℃，实验数据曲线如图10所示．根据实验数据可得：两种柱塞泵在额定转速和额定压力的工况下，新型泵的泵壳温度始终低于CY泵，当时间为15 min左右时，泵壳温度基本达到稳定值，新型泵比CY泵的泵壳温度低20 ℃左右，验证了新型泵的冷却性能优于传统CY泵．5 结论a. 全流量自冷却轴向柱塞泵通过改变进油口位置、设计内部流道和去掉泄漏油管等改变了传统CY泵对泄漏油管的依赖，降低了泵内温升，提高了泵的冷却性能．b. 全流量自冷却轴向柱塞泵通过双端面配流原理，使吸入的油液充满存油腔，油液充分包裹摩擦副，改善了润滑效果，减小了磨损，有利于提高柱塞泵的使用寿命.