具有多孔介质材料的滑靴及轴向柱塞泵的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种滑靴，包括一滑靴本体，所述滑靴本体具有相对的第一端及第二端，所述第一端具有一滑靴球窝，所述第二端具有一端面，且该端面设置有一油池，所述油池通过一阻尼孔与所述滑靴球窝连通，其中，所述油池的侧壁上设置有多孔介质材料。本发明进一步涉及一种具有该滑靴的轴向柱塞泵。本发明能够有效的抑制高速高压旋转轴向柱塞泵滑靴的振动，提高相关元件的可靠性，延长使用寿命。
【专利说明】
具有多孔介质材料的滑靴及轴向柱塞泵
技术领域
[0001] 本发明涉及一种滑靴及具有该滑靴的轴向柱塞栗，尤其涉及一种内嵌多孔介质材 料的滑靴及具有该滑靴的轴向柱塞栗，属于机械结构、流体、材料、力学、振动控制交叉的技 术领域。
【背景技术】
[0002] 液压栗作为液压系统的动力源，是决定液压系统可靠性和寿命的关键部件。轴向 柱塞栗与叶片栗、螺杆栗、齿轮栗等其他容积式液压栗相比，具有结构紧凑、功重比高、容积 效率高、寿命长和变量机构布置方便等特点，被普遍用于工程机械液压系统、飞机液压系统 和飞机发动机转速调节系统的液压动力元件，是所用液压栗中最主要的一种型式。提高转 速和压力能够显著提升液压传动系统的功重比，尤其对功重比要求比较严苛的航空航天、 深海工程领域的装备更为重要。因此，高速高压轴向柱塞栗是发展的主要方向，其中，滑靴_ 斜盘副是轴向柱塞栗的三大关键摩擦副之一。
[0003] 引起振动的因素可以分为流体和机械两大类，流体方面的因素主要包括配流过程 产生的固有压力冲击、流量脉动、排量切换、气穴现象、运行时管路中流体流速的突然变化， 可以概括为流量脉动和压力冲击，机械方面的因素主要包括回转件受力不平衡、运动副之 间的摩擦以及元件制造和安装误差等。振动一方面产生噪声污染环境，另一方面易造成零 部件疲劳破坏，使零部件结构强度、使用寿命、系统性能、工作效率、可靠性和工作动态品质 等都受到影响。轴向柱塞栗中流量脉动和负载耦合转化为压力脉动并经出口传向整个系 统，引起与栗相连的管路、液压阀和液压缸等液压元件振动。在高速高压下，振动问题更加 突出。此外，据有关资料统计，在液压系统的维修工作中发现，由于机械振动和液压冲击引 起的振动所造成的液压元件的损坏率占总损坏率的50%以上，轴向柱塞栗更是损坏率最高 的液压动力元件，其滑靴-斜盘副存在非线性特性的油膜支承力，这个非线性支承力和柱塞 油腔的高频配流切换会产生柱塞-滑靴组件的高频振动，这个振动在滑靴和柱塞球头之间 产生冲击，引起噪声，影响栗的正常工作，严重时甚至折断球头。因此，减小或抑制液压栗中 滑靴-斜盘关键摩擦副和支承副的振动是一个非常重要的问题，不仅有利于降低轴向柱塞 栗噪声等级，而且有利于提高其效率、运行性能、可靠性以及使用寿命，对提高国产轴向柱 塞栗的市场竞争力至关重要，具有重要的工程意义和社会意义。
[0004] 振动抑制方法主要有主动和被动两种。目前，主动抑制振动方法一般都显得结构 复杂，附属设备多，体积和重量偏大，工作可靠性降低，费用昂贵，难以在高速轻型旋转机械 上使用，尤其是航空航天设备。被动减振由于其结构比较简单，更容易被应用。但是，被动减 振存在减振效果会随着工况的变化可能恶化的问题。因此，迫切需要提出新的减振方法减 小高速旋转轴向柱塞栗中滑靴-柱塞的振动特性。
【发明内容】
[0005] 综上所述，确有必要提供一种能够减小高速旋转轴向柱塞栗中振动的滑靴及具有 该滑靴的轴向柱塞栗。
[0006] -种滑靴，包括一滑靴本体，所述滑靴本体具有相对的第一端及第二端，所述第一 端具有一滑靴球窝，所述第二端具有一端面，且该端面设置有一油池，所述油池通过一阻尼 孔与所述滑靴球窝连通，其中，所述油池的侧壁上设置有多孔介质材料。
[0007] 所述多孔介质材料形成一多孔介质材料环贴附于所述油池的整个侧壁上。
[0008] 所述多孔介质材料为铝、陶瓷、炭中的一种或多种。
[0009] 所述滑靴本体第二端的端面上进一步分布有多个油槽，且所述多个油槽中嵌入有 所述多孔介质材料。
[0010] 所述多个油槽环绕所述油池分布，形成多个间隔设置的圆环状结构，所述多孔介 质材料形成多个同心分布的多孔介质材料环。
[0011] 所述多个油槽等间距分布于所述端面。
[0012] 每一多孔介质材料环为闭环、开环、分段式结构中的一种。
[0013 ] -种轴向柱塞栗，包括一滑靴及一柱塞，所述滑靴包括一滑靴本体，所述滑靴本体 具有相对的第一端及第二端，所述第一端具有一与柱塞球头相配合的滑靴球窝，所述第二 端具有一端面，且该端面设置有一油池，所述油池通过一阻尼孔与所述滑靴球窝连通，其 中，所述油池的侧壁上设置有多孔介质材料环。
[0014] 相对于现有技术，本发明提供的滑靴及具有该滑靴的轴向柱塞栗，通过将多孔介 质材料嵌入高速旋转轴向柱塞栗滑靴中，结构简单，零件少，重量增加小，所占空间小，可以 有效减小滑靴与斜盘间摩擦副的摩擦，吸收压力波动、流量脉动等造成的液压冲击;并且可 根据需要选取不同的孔隙率，获得不同的渗透效应和吸收振动的能力，以达到最佳的振动 控制目的，有效地抑制高速旋转轴向柱塞栗滑靴的振动，提高相关元件的可靠性，延长使用 寿命。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明第一实施例提供的嵌入有多孔介质材料的滑靴的结构示意图。
[0016] 图2为本发明第二实施例提供的嵌入有多孔介质材料的滑靴的结构示意图。
[0017] 图3为低密度多孔介质材料的变形过程。
[0018] 图4为不采取减振措施时滑靴及尺寸示意图。
[0019] 图5为采用多孔介质材料后滑靴及尺寸示意图。
[0020] 主要元件符号说明
[0021] 滑靴 100,200
[0022] 滑靴本体 10
[0023] 滑靴球窝 20
[0024] 阻尼孔 30
[0025] 油池 40
[0026] 油膜 50
[0027]多孔介质材料 60
[0028] 油槽 70
[0029] 柱塞球头 80
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合附图详细说明本发明实施例的具有多孔介质材料环的滑靴及具有该 滑靴的轴向柱塞栗。
[0031] 请参阅图1，本发明第一实施例提供的轴向柱塞栗用滑靴100包括一滑靴本体10、 所述滑靴本体10的第一端具有与柱塞球头80相配合的滑靴球窝20,与第一端相对的第二端 具有与斜盘相接触的端面，所述端面的中部设有一油池40,与油膜70相接触以容纳油液。所 述油池40中设置有一阻尼孔30,所述油池40通过阻尼孔30与所述滑靴球窝20连通。进一步， 所述油池40的侧壁上设置有多孔介质材料60。
[0032]所述油池40的形状可为圆形，因此所述多孔介质材料60形成一多孔介质材料环贴 附于所述油池40的侧壁上。所述多孔介质材料60可为金属多孔介质材料或非金属多孔介质 材料，所述金属多孔介质材料可为错等金属，所述非金属多孔介质材料可为陶瓷、炭等。本 实施例中，所述多孔介质材料选用铝。
[0033] 所述多孔介质材料60在所属油池40的侧壁上可连续分布形成一闭环结构，即贴附 于油池40的整个侧壁，从而嵌入所述油池40中。进一步，所述多孔介质材料60也可在所述油 池40的侧壁上分段分布，形成开环结构或多段式的结构。本实施例中，所述多孔介质材料60 贴附于所述油池40的整个侧壁，形成一环状结构。所述多孔介质材料60在油池40的表面贴 附的厚度可根据实际需要进行选择。进一步，所述多孔介质材料60形成的多孔介质材料环 的内径大于所述阻尼孔30的半径，从而使得所述滑靴球窝20与油膜50之间保持连通状态。 所述多孔介质材料60的一端面可与所述滑靴本体10与斜盘相接触的表面平齐，从而使得所 述多孔介质材料50与所述油膜50接触设置，以有利于能够吸附或释放油液。
[0034]所述多孔介质材料60中的孔径可以根据实际需要进行选择，可为毫米级、微米级 甚至纳米级。如所述多孔介质材料60中的孔径可小于5毫米，小于1毫米，小于500微米，小于 100微米，小于10微米，小于100纳米，小于50纳米，小于20纳米等。优选的，所述多孔介质材 料60的孔径小于10微米，从而使得所述多孔介质材料60具有高孔隙率及吸附性。优选的，所 述多孔介质材料60的孔径小于50纳米。
[0035]请一并参阅图2,本发明第二实施例提供一种柱塞式液压栗用滑靴200,包括一滑 靴本体10、所述滑靴本体10的第一端具有与柱塞球头80相配合的滑靴球窝20,第二端为与 斜盘相接触的平面，所述平面的中部设有油池40,与油膜70相接触以容纳油液。所述油池40 中设置有一阻尼孔30,所述油池40通过阻尼孔30与所述滑靴球窝20连通。所述滑靴本体10 与斜盘相接触的表面具有多个油槽70,所述油槽70内嵌入有多孔介质材料60。
[0036]本发明第二实施例提供的滑靴200与滑靴100结构基本相同，其不同在于，所述滑 靴本体10与斜盘相接触的表面具有多个油槽70,所述多孔介质材料嵌入所述多个油槽70 中。
[0037]所述多个油槽70可环绕所述油池50分布，形成间隔设置的多个圆环结构，每一油 槽70中均嵌入并填满有所述多孔介质材料60,从而形成多个同心分布的多孔介质材料环。 每一多孔介质材料环可为闭环、开环、或分段式结构。本实施例中，所述多孔介质材料环为 闭环结构。所述多个油槽70的个数及相互间的间距可以根据实际需要进行选择。进一步，所 述多个油槽70的深度可相等或不等，所述多孔介质材料60嵌入油槽70中并与油膜50接触设 置。本实施例中，所述多个油槽70为等深、等间距分布于所述端面。
[0038] 本发明提供的轴向柱塞栗用滑靴具有以下有益效果。在运行中，由于多孔介质材 料含有许许多多的毛细管道，且分布比较均匀。在毛细管现象作用下，多孔介质材料的大量 空隙中可以渗透、储存一定量的压力油。系统压力减小时，由于压差，压力油从多孔介质材 料的空隙中释放，使系统压力减小量减小。系统压力升高时，由于压差，多孔介质材料的空 隙吸收压力油，使系统压力升高量减小。通过多孔介质材料空隙中这种压力油的渗入渗出， 使系统压力的改变量减小，并提供相对较大的阻尼力，更有效地耗散压力波动引起的振动 能量，从而使压力波动对系统振动的影响减小，达到减振的目的。
[0039] 具体分析，在运行的初始阶段，油膜尚未建立或厚度较小，滑靴与斜盘全部或局部 直接接触，或在恶劣的工作条件下，油温升高，粘度减小，油膜厚度减小，致使滑靴与斜盘局 部区域直接接触，此时，多孔介质材料属于软材料，刚度较小，可以减小与斜盘之间的摩擦 发热量和振动，并且多孔介质材料将储存的压力油释放，可以用来润滑，从而减小滑靴与斜 盘的磨损。
[0040] 另外，多孔介质材料通常是粘弹性高阻尼材料，兼有粘性液体在一定运动状态下 损耗能量的特性和弹性固体材料贮存能量的特性，因此当它产生动态应力和应变时，有一 部分能量被转化为热能而耗散掉，而另一部分能量以位能的形式贮存起来。多孔介质材料 的构造特征是具有许多微小的间隙和连续的孔洞，当振波顺着这些细孔进入材料内部时， 弓丨起孔内压力油振动，造成和压力油、孔壁的摩擦，因摩擦和粘滞力的作用，紧靠孔壁的压 力油不易动起来，使相当一部分振动能转化为热能而被消耗掉，从而使振动衰减。
[0041] 请一并参阅图3,低密度多孔介质材料在压缩载荷下的应力-应变曲线大致可分为 三个阶段:弹性区、屈服平台区和压实区。由于其平台区很宽，当受到外界冲击载荷时，在应 力并不是很高的情况下，通过自身的大变形消耗大量的功，将其转变为结构中孔的变形、坍 塌、破裂、壁摩擦等各种形式所耗散的能量，从而有效地吸收外界的冲击能量。
[0042] 进一步，由于多孔介质材料具有良好的可设计性，质量轻，高比强度、高比刚度、高 强韧、动态冲击能量吸收等优良机械性能，以及高效吸声降噪、强化传质传热、阻燃防爆、过 滤分离等特殊性质，兼具功能和结构双重作用，是一种性能优异的多功能工程材料。在高速 旋转轴向柱塞栗的滑靴上采用多孔介质材料，结构简单，零件少，重量增加小，所占空间小。 通过引入多孔介质材料，可以减小滑靴与斜盘间摩擦副的摩擦，吸收压力波动、流量脉动等 造成的液压冲击，可根据需要选取不同的孔隙率，获得不同的渗透效应和吸收振动的能力， 对振动系统产生合适的阻尼，在支承力部分形成阻尼力的成分，控制谐振峰值以减弱振动 的影响，有效地抑制高速高压旋转轴向柱塞栗滑靴的振动，提高相关元件的可靠性，延长使 用寿命。
[0043]作为对比，根据以下公式推导，可以证明，在高速高压轴向柱塞栗上采用多孔介质 材料后，油槽及油池中压力减小，其他位置压力增大，承载力显著提高，阻尼系数增大，尤其 在油池直径Ri与滑靴外径R。选择合适比例适时，比如Ri/Rc> = 〇. 7~0.8，采用多孔介质材料 时阻尼系数增加较多，振动减小效果显著，阻尼系数可提高15.28~48.9。
[0044]不采取减振措施时滑靴动力学分析
[0045]不采取减振措施时，滑靴尺寸如图4所示，图中RjPR。分别为油池半径和滑靴半径， 相应的油液压力分别为pjPp。。
[0046] 极坐标系下，一般的广义雷诺方程为
[0047]
⑴
[0048] 式中，r和Θ分别为极坐标系坐标轴，δ为油膜厚度，μ为油液动力粘度，Vsr为径向流 动速度，vse为切向流动速度，P为油膜压力，t为时间。
[0049] 对于轴向柱塞栗滑靴油膜，假设压力只随径向变化，厚度只与时间有关，式（1)可 简写为：
[0050]
(2),
[0051] 对式(2)两次积分并整理得：
[0052]
(3) ,
[0053] 式中，CjPC2为待定常数。
[0054] 根据边界条件，当r = Ri时，p = Pi，当]：· = R。时，p = P。可得：
[0055]
(4) ；； 、 （5);
[0057] 将式(4)和式(5)代入式(3)得油膜压强分布规律为：
[0058] ~
^ (6):;
[0059]油膜承载力为：
[ηη?η?
[0061] 将式(6)代入式(7)整理得： (7)?
[0062]
Ρ)β
[0063] 根据牛顿第二定律，滑靴受力平衡方程为：
[0064]
m；
[0065] 式中，ps为系统压力，A为油池横截面积，m为滑靴质量。
[0066]从式(9)可得油膜等效刚性系数： 「00671
(10);
[0068] 临界转速
[00691 …
（11);
[0070] 从式(9)可得油膜等效阻尼系数：
[0071]
(12)。
[0072]采用多孔介质材料时滑靴动力学分析
[0073] 采用多孔介质材料后的滑靴如图5所示。
[0074] 多孔介质内均匀三维流的运动方程式为
[0075]
[0078] 式中k为常数，P为密度，u、v和w分别为图4中沿x、y和z坐标轴的速度，g为重力加速 度。
[0079] 如果多孔介质内的流体可认为是不可压缩的流体，其连续性方程为： (16)；
[0080]
[0081] 将式（13)、（14)和（15)代入式（16)，整理得多孔介质材料环拉普拉斯微分方程式 为：
[0082]
-- (Π),
[0083] 在圆柱坐标系下，式（17)可写为：
[0084]
(18);
[0085] 假设多孔介质材料环压力沿厚度方向线性变化，在多孔介质材料环的上表面 $ = 〇,沿圆周方向的压力不变，得： ΓΖ
7
[0088] 式中k'为常数。
[0089] 由式（18)可得：
[0090]
(19) ;
[0091] 式中Η为多孔介质材料环高度。
[0092 ]压力油流进或流出空隙的单位面积的流量，用Darcy定律描述为：
[0093]
(20) ;
[0094]式中，渗透率Φ =kA，k为渗透系数，A为渗透横截面积。
[0095] 根据液压工程手册，查得多孔介质材料环径向压力分布：
[0096]
(21);
[0097] 式中，RP为多孔介质材料环的内半径，pP为半径r = RP时的压力。 (22);[0098]采用多孔介质材料时油膜的雷诺方程为：[ΠΠΟΟ?
[0100] 将式(19)代入式(22)得：[0101]
(21),
[0102] 对式(23)两端沿径向积分得：
[0103]
(24) ;
[0104]对式(24)两端沿径向积分得
[0105]
(25) ;
[0106] 根据边界条件4 = 时，p = pi，r = R。时，p = p。，得：
[0107]
[0109] 采用多孔介质材料时油膜压强为：
[0110]
[0111] 将式(28)整理得
[0112] (29) ,
[0113] 滑靴与斜盘间油膜的承载力为
[0114]
(30) ,
[0115] 将式(29)代入式(30)，并整理得：
[0116] Fi'=Fi〇'+Fis' (31)；
[0117] 式中稳定负载时的承载能力：
[0118] *
* 0
[0119] 由于负载变动引起油膜挤压作用而产生的附加承载力：
[0120]
[0121] 根据牛顿第二定律，
[0122]
[0123]根据式(32)得油膜等效刚性系数： (32);
[0124]
(33);
[0125] 临界转速：
[01261
? m (34); /Γ '
[0127]油膜阻尼系数据式(32)得： Γ/ 「01281
(35) 。
[0129] 将式(35)减去式(12)，并整理得：
[0130]
(36) ；
[0131] 由式（36)可以看出，当时，(3〇'-(：()多0。相反，当$1<^时，(3()'-(3()<0。由此可 Ki Λ! 知，采用多孔介质材料后提供的阻尼，与油池和滑靴的结构尺寸之比有关系。
[0132]
[0133]
[0134]
[0135] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精 神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
【主权项】
1. 一种滑靴，包括一滑靴本体，所述滑靴本体具有相对的第一端及第二端，所述第一端 具有一滑靴球窝，所述第二端具有一端面，且该端面设置有一油池，所述油池通过一阻尼孔 与所述滑靴球窝连通，其特征在于，所述油池的侧壁上设置有多孔介质材料。2. 如权利要求1所述的滑靴，其特征在于，所述多孔介质材料形成一多孔介质材料环贴 附于所述油池的整个侧壁上。3. 如权利要求1所述的滑靴，其特征在于，所述多孔介质材料在所述油池的侧壁上分段 分布。4. 如权利要求1所述的滑靴，其特征在于，所述多孔介质材料为铝、陶瓷、炭中的一种或 多种。5. 如权利要求1所述的滑靴，其特征在于，所述滑靴本体第二端的端面上进一步分布有 多个油槽，且所述多个油槽中嵌入有所述多孔介质材料。6. 如权利要求5所述的滑靴，其特征在于，所述多个油槽环绕所述油池分布，形成多个 间隔设置的圆环状结构，所述多孔介质材料形成多个同心分布的多孔介质材料环。7. 如权利要求6所述的滑靴，其特征在于，所述多个油槽等间距分布于所述端面。8. 如权利要求6所述的滑靴，其特征在于，每一多孔介质材料环为闭环、开环、分段式结 构中的一种。9. 一种轴向柱塞栗，包括一滑靴及一柱塞，所述滑靴包括一滑靴本体，所述滑靴本体具 有相对的第一端及第二端，所述第一端具有一与柱塞球头相配合的滑靴球窝，所述第二端 具有一端面，且该端面设置有一油池，所述油池通过一阻尼孔与所述滑靴球窝连通，其特征 在于，所述油池的侧壁上设置有多孔介质材料环。10. 如权利要求9所述的轴向柱塞栗，其特征在于，所述滑靴本体第二端的端面上进一 步分布有多个油槽，且所述多个油槽中嵌入有多孔介质材料。
【文档编号】F04B53/00GK105889057SQ201610294652
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】李运华, 纪占玲, 张鹏, 杨丽曼
【申请人】北京航空航天大学