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柱塞泵论文摘要
以海水为介质的柱塞泵的润滑与磨擦
王东1,李壮云2,朱雨泉2
1.武汉理工学院,自动化系,中国武汉,430073
2.华中科技大学,中国武汉,430073
摘要:
由于水液压技术具有对人类无害和对环境无污染等特点而已经了人们的关注。
柱塞泵是近代工程技术领域一个最常用的液压元件。
由于水和油的特性的差异,在水液压柱塞泵比采用油作为工作介质的柱塞泵更容易发生润滑失效。
因此这儿有例如磨损和腐蚀等重要问题需要去进行研究。
研究出一种在水中没有腐蚀和侵蚀的具有更长寿命的材料。
华科设计出一种具有更好吸入性能的海水液压柱塞泵。
这个项目着重于对新材料、结构和实验。
关键词:
水液压技术;柱塞泵;润滑;材料;实验。
CLC编号:
U664.72文章代码:
A论文呈:
167`-9043(2003)01-0035-06
引言
早期的液压系统采用水作为工作介质,由此必须严格控制介质的工作温度、腐蚀和润滑问题。
直到上世纪90年代才开始采用矿物质液压油。
后来,液压油逐渐成为液压装置的工作介质。
近年来,由于淡水具有易于得到、易保存、低成本、对环境污染小和不易失火等优点,淡水液压获得了广泛的应用。
因此,淡水液压能够被用于许多新的领域,例如食品、医药、玻璃制造业、采矿和核工业等。
与矿物质液压油相比,水的粘度较低。
例如,在40℃下,水的运动粘度为0.7m2/s,而普通的液压油的粘度为32m2/s。
当然在水液压系统中,许多在油液压系统中不需要考虑的问题都应该重新被考虑进去。
首先,水的粘度较低以致于难以在磨擦副中建立起水压支承,并且,要想在高硬度材质间实现动压润滑几乎不可实现。
因此,水的粘度较低导致了其润滑性较差。
由此导致腐蚀和磨擦性损耗等问题。
其次,当水中含有杂质时水将会导电变成电解液。
在这种情况下,将会导致电解腐蚀。
因此,当金属材料采用水作为介质时应该考虑到电化学腐蚀。
基于上述观点,液压油在润滑方面具有很多优点。
但是随着材料、设计和磨擦学中新技术的采用便利用水作为介质提供了可能性。
大量的新材料能够能够在水中能够很好地工作,例如不锈钢、防腐蚀合金、陶瓷、高分子聚合物、青铜、黄铜、
铝合金等。
伴随着现代设计和制造技术的发展,水液压技术变得越来实用化。
现代科学技术为水液压技术的再次出现和发展提供了大量的技术保证。
柱塞泵是液压工程技术领域最常用的一种液压元件。
与采用作为介质的柱塞泵相比,水液压柱塞泵的润滑性能差。
在水液压系统中,最首要的目标是发展可用水来作为工作介质的柱塞泵和马达。
为了解决用水作为润滑济的问题,人们着重于研究三个重要的磨擦副:
缸体与配流盘、柱塞与缸孔、斜盘与滑靴。
许多发达国家已经开发出了水液压柱塞泵,例如美国、英国、丹麦、德国和芬兰等。
泵和马达实际上是可逆的。
英国的Fenner公司已经开发出一种可用水作为工作介质的定量轴向柱塞泵。
这种类型的泵和马达都采用同一种型式的斜盘。
轴承的中心线与转矩的中心线相重合有减小配流机构所带来的倾覆力,所有的磨擦副都采用高分子材料和合金相接触。
这种泵的柱塞采用陶瓷,泵壳采用不锈钢,其压力可以达到14MPa。
德国Hauhinco径向柱塞泵是一种定量柱塞泵。
泵在设计时采用新材料以致于减少一个单独的润滑机构。
其工作介质可以采用工业用水,同时也是润滑济。
这种泵的流量可以达到240L/min,压力可以达到32MPa。
丹麦的PHA系列中的丹佛斯系列(DanfossNessie)作为一个完整系列斜盘式柱塞泵。
这种泵的所有磨擦表面都单独采用不加强型橡胶和不锈钢,例如缸体、配流盘和滑靴。
外部的壳体都单独采用专用的铸造黄铜以防止腐蚀,泵的各个运动部件都靠水来润滑。
而泵的各个部件均采用耐腐蚀材料以保证泵有较长的寿命。
这种泵的压力最高能达到16MPa。
芬兰的Hytar公司的轴向柱塞泵可以当作马达使用,并且能够在淡火和海水中工作。
其压力可以达到21MPA,寿命可以达到8000h.
华中科技大学经过十年在流体力学基础上的对高压水的研究和试验,目前正在实施一个由国家自然科学基金所支持的淡水和海水液压项目。
最近,华中科技大学开发出一种具有较好吸入性能的轴向柱塞泵。
这个项目着重于研究新材料、结构和实验。
同时,本文也次这种泵的应用。
1.海水液压柱塞泵
图1为我们展示了华科海水液压柱塞泵的结构简图。
这是一种斜盘式七柱塞定量轴向柱塞泵。
即能用海水也能用淡水作为工作介质。
其流量可以达到
40L/min,压力可以达到14MPa,额定压力为10MPa,泵的进口与出口都与带有橡胶密封的单向阀单独与每个柱塞相通。
柱塞位于吸入侧时,水在真空下通过入口的单向阀被吸入进来,充满柱塞的左侧空间;柱塞位于压排侧时,水通过出口的单向阀被压出去。
为了使得轴承获得较好的润滑效果,泵的驱动装置都采用油润滑,并且在每个柱塞上都采用双向密封使得右腔与左侧配流装置隔开。
因此,轴承、斜盘和滑靴磨擦表面都采用油润滑,而柱塞与缸孔之间的磨擦都采用水进行润滑。
由于水的化学性质活泼、粘度低、润滑性差和水蒸气压力高等特点,因此当采用水润滑时,材料的选择对一个水液压柱塞泵的寿命起着重要的作用。
这种泵前后的端盖都采用经过电极处理的铝合金,柱塞与缸体的衬套都分别采用不锈钢(1Cr18Ni9Ti)和高强度的高分子材料(PEEK)。
入、出口阀的材料的密封都采用PTEF材料,带有塑料密封的提升阀采用镀有青铀的不绣钢。
图1柱塞泵的结构简图
为了减少表面的磨擦,必须采用磨擦系数较小的材料,PEEK材料在水中的磨擦系数大约为0.02。
这个磨擦系数可与钢与钢在矿物质油中的0.05~0.07相比。
近年来,PEEK材料逐渐成为水液压柱塞泵和马达运动部件广泛采用的材料。
3实验
为了验证这种泵的性能,我们也同时在进行实验装置的研究。
图2是华中科
技大学海水液压柱塞泵实验装置的简图。
这个实验装置包括水箱、节流阀、溢流阀、冷却器、压力传感器、流量传感器和被测试的泵等。
被测试的泵靠电机驱动,为了测试这种泵在反转的功能,采用了一个电气控制柜来控制电机的正反转。
安全阀起到过载保护的作用,节流阀用于对被测试的泵进行加载,冷却器用于控制系统的油温。
这个实验台所有的液压元件都由我们自己进行设计的。
2.2试验方法
试验方法如下:
无论是自来水还是海水都可以作为压力介质。
模拟的海水的成份均参照美国的标准(ASTMD-1142-52),如表1所示。
实验的由数据由下面的参数所决定:
(a).加载的压力最高达到14MPa;
(b).转速可高,且最高达到1000r/min;
(c).当转速达到一个稳定值后,记录下流量和压力;
(d).油液的温度控制在20℃~40℃之间。
图2实验台装置
表1海水成份
2.3试验步骤
实验的目次是为了在一定的压力和转速下测出泵的容积效率,并绘出进出口的流量特性曲线。
通常泵的容积效率被用来描述一个泵的性能。
其定义如下:
(式1)
上式中:
——容积效率,%;
——单位时间内泵的实际流量,L/min;
——单位时间内泵的理论流量,L/min;
系统的压力可由节流阀来调节,通过改变节流口的面积来改变泵的输出压力,负载压力应该逐渐从0MPa变化到14MPa。
3结果与讨论
3.1结果
通过观察流量计得出,实际的流量在一个很小的范围内波动。
求出观测数据的平均值作为最好的实验结果。
在3种不同的转速下(1000r/min,750r/min,500r/min),液压泵的容积效率随着压力而发生变化。
如图3所示,实际的流量Q也随着压力的变化而发生变化,如图4所示。
图3相对于系统压力的效率曲线
图4相对于系统压力的流量典线
3.2讨论
柱塞泵的容积效率随着压力的升高而降低,最终稳定在82%到85%之间。
最终,通过等式2得出,在相同的条件下,通过其间隙的泄漏是采用一般油作为工作介质的40倍。
这是因为水(或海水)的粘度是的粘度的五十分之一。
泄漏使得水液压柱塞泵的容积效率迅速下降。
因此,在设计海水液压泵的过程中,提高泵的容积效率也是应该着重考虑的一个问题。
(式2)
上式中,
——泄漏流量;
——间隙的厚度;
——流体的密度;
——流体的动力粘度;
——压力差;
——间隙的长度;
——直径。
例如,当柱塞与缸孔之间的间隙5~40μm时,如果要在采用油的柱塞泵中获得相同流量的情况下,在从柱塞与缸孔之间的泄漏将会减少70%。
这将会导致接触面变得粗糙,磨擦加剧和严重的机械磨损。
同时,它将使得间隙中的流速变高,导致接触面间所谓的“拉伤”。
显然,这并不是实际中的情况。
图4说明了这种泵的吸入性能相当好,甚至能在入口压力0.04MPa的真空
下工作。
如果泵的转速从1000r/min降低到750r/min时,能在入口压力0.05到0.055MPa的真空下工作。
4.应用
经过多次令人满意的测试后,华中科技大学所设计的海水液压柱塞泵成功地用于深海救援的潜艇上。
在水液压技术中,已经有许多引人注目的项目正在被实验和实施。
以下提到的应用清淅地为我们展示了水液压技术现在不仅局限于在实验室进行试验。
4.1海洋开发工程
当海水液压技术被用于深海的设备中时,动力源和泵被放置在深海中,而只需要海洋表面为其提供动力。
如果液压系统需要远程控制时,此时不再需要昂贵液压介质通过回路返回到油箱中,这种经济上的利益是显而易见的。
4.2冶金工业和采矿业
在高温和采矿的设备中,介质的抗燃性是极其重要的。
在治金工业(转换炉、熔炉和铝生产线等)、塑料厂、核电厂和火电厂等企业中,采用水液压介质代替传统的抗燃性液压油,不仅可以避免火灾的风险,而且降低了成本对环境的污染。
4.3切纸机械
一个新发明就是在切纸机中采用水切割。
这种机器切出的又快又平整。
而传统的机器采用金属刀具切割,而由于这种机构操作并不可靠,人们对水切割倾注了更多的兴趣。
换句话说,金属切割中的刀具损耗大使得其需要经常更换刀具,最理想的方式就是用水切割。
芬兰已经设计出压力为80MPa的水液压系统,这种机构已经可以能够在市场上买得到了。
4.4垃圾打包车上的应用
在瑞典,水液压技术有一个非常有趣的应用就是在垃圾处理车在采用了水液压系统。
垃圾处理车是每天都在采用的工具,其液压系统温度与外界温度-10℃~40℃相同。
因此,水中加入35%的丙烯乙二醇抗冻。
这种介质对人类和环境都无害。
5华中科技大学更进一步的研究
5.1泵(马达)
目前,华中科技大学正在开发一种新型的中低压力的轴向柱塞泵,在这种泵轴的同轴的圆周上,其柱塞数目都是4的倍数(通常为8、12、16、20和24)。
阀配流机构由内部的配流盘和柱塞组成,配流机构随着的斜盘的转动就像一个三通阀。
这种泵同时可以作为马达,可以采用淡火和海水作为传动介质。
这种被称为柱塞配流系统的配流机构具有许多优点。
当其作为马达时,这种泵没有旋转部件和额外的转矩。
这种泵由于具有较高的抗污染能力,因为微小的污染颗粒在配流窗口被过滤掉。
因此配流盘的表面不需要进行研磨。
此配流系统的另外一个优点就是允许采用中空的直轴结构,因为泵的中心并有含有其它机械装置。
这种泵可以采用任何用后端盖定位的轴承。
华科设计的这种泵是一种采用8柱塞的斜盘式轴向柱塞泵,能够采用海水或淡火作为工作介质。
这种泵的所有轴承、柱塞头和斜盘都采用油润滑。
在柱塞的周围采用密封将上述部位与配油侧隔开。
比起同类型的泵(马达),这种泵在润滑方面具有很多优点。
5.2材料磨损实验为了在泵的设计过程中采用适当的材料和设计参数,我们开发出一个实验台用于评估与流体相接触的表面的润滑性能。
实际上这是一个出口安装有阀的单柱塞斜盘式泵。
实验台的参数为:
流量大约为6.3ml/r;转速最高达到2000r/min。
这个实验台能够测试不同工程材料和不同流体润滑情况下的摩擦性能。
例如淡水、海水、HWBF、HFA、HFC和矿物质油等。
这个实验台承担了一系列主要的测试实验。
6结论
水液压技术是作为一门通用的技术,能够被用于许多领域。
这使其成为一门非常引人注目的领域去研究和发展。
在液压技术中,最首要的任务就是采用水作为介质的柱塞泵。
与采用油润滑的泵相比,用水作为介质的泵的润滑性差、损耗大和易腐蚀。
因此,材料的选择、结构的优化和制造这些问题在设计过程中都应该着重考虑。
同时,对泵(马达)中的磨擦副的研究将为我们设计水液压柱塞泵和马达提供很大的帮助。
简言之,现代水液压技术作为一门新的技术,要想使得其获得广泛的应用还有很多的问题需要去解决。
参考文献
[1]李壮云,水液压柱塞泵的发展,美国机械工程学报,纽约,1998;
[2]BROOKESCA,一种采用陶瓷材料的水液压泵,第四届斯堪的纳维亚国际流体传动会议,赫尔辛基,1995;
[3]TAKAHIMAM,污水处理水压系统的高性能元件的研究,第三届日本国际流体会议,东京,1999;
[4]RYDBERGKE,水液压系统的效率,第五届国际流体传动控制会议,杭州,2001;
[5]VIENIUSMJ芬兰水液压技术的研究,第五届国际流体传动控制会议,杭州,2001;
采用人工神经网络对轴向柱塞泵的噪声识别
杨建上海工程技术大学,城市交通学院,中国上海201620
许冰,杨华容浙江大学,流体传动与控制国家重点实验室,中国杭州310027
摘要:
本文建立起了63SCY14-B型斜盘式轴向柱塞泵的噪声识别模型。
以四种不同型式的配流盘为例,通过用MATLAB和神经网络工具箱进行实验,成功地实现了对轴向柱塞泵的噪声识别。
工作压力、流量、油温和体积弹性模量是影响轴向柱塞泵噪声的主要因素。
这四个主要参数作为神经网络的输入信号,而噪声的实验数据作为神经网络的输出。
当采用神经网络进行噪声识别时,其误差减小了1%。
结果显示出采用人工神经网络对轴向柱塞泵进行噪声识别是可行的和可靠的。
用神经网络对轴向柱塞泵进行噪声识别是对轴向柱塞泵进行噪声分析的一个理论研究上的创新。
关键词:
轴向柱塞泵、神经网络、噪声、识别、MATLAB。
引言
轴向柱塞泵具有压力高、效率高和流量大等优点而被广泛地采用。
然而,由于其噪声大,其应用受到限制。
尤其是大流量和高压力时,其产生的噪声变得更
加严重。
在高压和大流量的情况下对轴向柱塞泵噪声的研究已经变成人们日益关注一个问题。
参考文献[1]讨论了降低轴向柱塞泵的噪声的方法,并提出了降低噪声的措施。
参考文献[2]和[3]建立起了一个带有三角槽口的配流盘配流过程的数学模型和分析了三角槽口对降低压力脉动的影响。
参考文献[4]一种典型轴向柱塞泵,这种泵的配流窗口上装有单向阀以降低压力脉动从而降低噪声。
参考文献[5]介绍了对轴向柱塞泵的创新设计以降低噪声。
上面的文章旨在介绍轴向柱塞泵的噪声产生原因和概略地介绍了降低噪声的配流盘。
但是,并未建立起轴向柱塞泵噪声产生的数学模型。
在这篇文章中,通过实验,对液压泵的工作压力和流量、油温、液压油的体积弹性模量作为主要参数,讨论它们怎么影响柱塞泵的噪声。
最终建立63SCY14-1B型轴向柱塞泵的
神经网络噪声识别模型。
1.BP神经网络
人式神经网络来源于人大脑的神经元网络。
是一种非线性的动力学模型。
现在,BP神经网络是众多神网络模型中一种最完美的模型。
在本文中,通过BP神经网络来研究轴向柱塞泵的噪声模型。
BP神经网络具有三个节点(输入节点、中间节点和输出出节点)。
BP神经网络的运算法则是:
输入信号从输入节点传送到中间节点,最终传递到输出节点完成神经网络的前向传递,假使神经网络的输出结果并不是所希望的输出的结果,理想值与实际值之间的误差将会被传送到输入节点再次进行运算。
根据系统论的观点,人工神经网络的处理过程处理过程实际上就是一个识别的过程。
系统识别就是基于一组对未知系统进行实验所采集的数据在已有的模型中选取一个模型。
在本文中,神经网络中的一个计算工具被用于识别轴向柱塞泵的噪声。
这个神经元网络由大量相互联系的神经元所组成。
这些神经元和处理元都是一些线性和非线性的函数能够处理任何一个输入值到希望的输出结果。
本模型的输入信号为工作压力,流量,油温和体积弹性模量。
神经元的输出信号将与实验所得出的结果进行比较。
图1为我们展示了神经网络的结构,包括输入环节、中间环节和输出环节。
图2-1带有三个前向通道的神经网络的结构图
选择的函数模型如下图所示:
这个函数模型能够输出一个较好的结果,尤其是输出信号能够跟踪输入信号时。
2噪声识别
2.1识别
系统识别就是根据系统动态的输入、输出结果估算出其数学模型。
系统识别的模型就是根据输入和输出从一系列的已知模型中定义出一个等式。
神经网络技术是一门模仿人大脑神经元和结构的技术。
其优点就是不需要建立起一个实际的系统模型,因为神经网络自身就是一个识别模型,并且神经网络自身能够进行自动调节。
此外,神经网络还能通过外部网络和系统的输入和输出,系统特征识别出非线性系统。
通过神经网络来识别噪声。
因为诸多因素影响着轴向柱塞泵的噪声,理论上要想建立起精确的数学模型是非常困难的。
,采用神经网络去进行噪声识别无疑是一个创新。
表1实验数据
表2实验与识别数据间的比较
2.2实验数据
被实验的63SCY14-1型轴向柱塞泵有四种不同型式的配流盘,在油温为50℃,体积弹性模量为1132.72~1701.20MPa,流量为94.5L/min,不同压力的情况下测得噪声的实验数据。
选取典型的噪声实验数据作为BP神经网络的分析数据,如表1所示;选择一组检验数据来验证BP神经网络的的有效性。
表1和表2的1~4号分别表示轴向柱塞泵的四种不同配流盘的数据。
2.3运行和调试
设计出一个神经网络必须要有四个步骤:
选择环节的个数;选择神经元的数目;选择传递函数的形式和选择能够跟随系统运行的实验装置。
运行过程非常耗时并且对神经网络成功与否至关重要。
在本文中,BP神经网络采用Levenberg-Marquardt法则,并用MATLAB和神经网络工具箱进行分析。
实验识别的最终比较结果如图6和图9所示,试验误差和运行时间之间的关系如图6和图9所示,验证和识别之间的噪声数据如表2所示。
3结果
图2和图5分别表示了四种不同型式配流盘的识别和实验曲线的比较。
结果显示出识别和实验数据相当吻合,说明神经网络是一个可行的工具。
图6和图9分别表示了四种不同型式配流盘的误差曲线。
在本文中,Levenberg-Marquardt法则被用于神经网络系统的测试,比起用斜坡理论和BP法则不仅更加精确而且产生的误差更小。
当采用神经网络时,噪声识别的误差比原先要小1%。
我们选择了一组验证数据验证神经网络噪声识别的有效性,实验数据和识别数据列于表2中,通过对比我们发现,噪声识别模型中的误差要小1%,通过神经网络对噪声的识别能够获得较高的精度。
图2第一种配流盘的实验与识别数据间的比较
图3第二种配流盘的实验与识别数据间的比较
图4第三种配流盘的实验与识别数据间的比较
图5第四种配流盘的实验与识别数据间的比较
图6第一种配流盘的运行时间和识差的比较
图7第二种配流盘的运行时间和识差的比较
图8第三种配流盘的运行时间和识差的比较
图9第四种配流盘的运行时间和识差的比较
4结论
通过对63SCY14-1型轴向柱塞泵的四种配流盘进行噪声识别,我们建立起了噪声识别的模型并且噪声识别的结果也相当的令人满意。
结果说明当采用神经网络对轴向柱塞泵的进行噪声识别时误差要比实验小1%。
由于诸多因素影响着轴向柱塞泵的噪声,理论上建立起精确的数学模型是非
常困难的。
而采用神经网络对噪声进行识别无疑是一个创新。
在本文中,采用Levenberg-Marquardt法则,并用MATLAB和神经网络工具箱进行分析进行测试。
结果说明用人工神经网络噪声识别的方法是可行的。
参考文献:
[1]杨建、许冰、杨华勇。
论降低轴向柱塞泵的措施,中国机械工程,2003(7):
623-625。
[2]JOHANSSONA,PALMBERGJO,RYDBERGKE.一种带有三角槽口以降低噪声和振动的轴向柱塞泵,第五届流体传动与控制会议学报,浙江大学,杭州,2001:
62-68;
[3]MANRINGND.一种带降低流量脉动的斜盘式轴向柱塞泵,动力系统传动与控制,美国工程师协会,2000,122
(2)62-68;
[4]HARRISONAM,EDGEKA,降低轴向柱塞泵压力脉动的措施,系统与控制工程,2000,214
(1)53-63;
[5]BECHERD,HELDUSERS,降低轴向柱塞泵压力脉动的创新设计,传
动与控制工程会议,巴思大学,巴思,英格兰,2000:
127-138;
[6]杨建刚,神经网络,杭州,浙江大学出版社;
[7]冯佩堤,系统识别,杭州,浙江大学出版社;
[8]刘伟,非线性动力系统神经网络识别模型的分析,常州教育学院学报,2002,8
(2):
53-57;
[9]王薇,张药林,采用神经网络的一种新的识别方法,自动化设备,2002,23(6):
18-20;
[10]温星,周露,王丹丽,采用MATLAB的神经网络的应用,北京,科学技术出版社。
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