CN110632280A - 一种柱塞副360度油膜形貌测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱塞副360度油膜形貌测试装置，涉及液压元件测试领域。它包括液压驱动马达与扭矩仪、斜盘轴组件；它还包括实验箱体，箱体左端开口安装斜盘轴；箱体底部安装有柱塞支架，其上方安装有缸体支撑座；箱体右端开口安装有密封盖，密封盖左端安装有轴承座；缸体支撑座和轴承座分别装有轴承，用于支撑缸体；缸体上安装蜗轮，可通过驱动蜗杆带动缸体进行360度转动；箱体右侧外部为供油管路。本发明减少了缸体传感器安装数，降低成本，实现对柱塞油膜特性的周向任意角度测量。

Description

一种柱塞副360度油膜形貌测试装置

技术领域

本发明涉及一种柱塞副360度油膜形貌测试装置，属于液压元件测试领域。

背景技术

液压系统普遍应用于工业领域。在对工程机械、装备制造等领域设备的自动化、智能化以及性能提高方面做出了巨大贡献。液压泵作为液压系统的能量源起着至关重要的作用。现阶段，轴向柱塞泵因其压力高，容积效率高，容易实现流量调节等特点，被广泛应用于各类工程实践中。因此，针对工作状态下的柱塞副油膜特性测试实验就有了重要意义。

传统的柱塞副油膜测试系统，多采用固定传感器的形式对油膜特性参数进行定点采集。测试系统需要安装多个传感器。这样的设计成本高，油膜测试范围有限，且由于传感器数量较多，导致测试系统的安装与拆卸不便。因此，针对以上测试系统的不足，提出了一种柱塞副360度油膜形貌测试装置。通过实验获取柱塞副油膜特性参数并以此验证理论研究成果的正确性，为柱塞泵柱塞副的优化设计提供支持。

发明内容

为了克服传统柱塞副油膜测试系统存在的设计成本高，测试范围有限，安装与拆卸不便等缺陷，本发明提供一种柱塞副360度油膜形貌测试装置，能够在减少柱塞泵缸体周向传感器安装个数，降低成本的情况下，使缸体绕自身轴线转动，实现对其内部柱塞副油膜特性的周向任意角度测试，从而解决了油膜测试范围有限的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柱塞副360度油膜形貌测试装置，基于该原理的测试系统，包括液压驱动马达与扭矩仪、斜盘轴组件；它还包括实验箱体，箱体左端开口安装斜盘轴；箱体底部安装有柱塞支架，其上方安装有缸体支撑座；箱体右端开口安装有密封盖，密封盖左端安装有轴承座；缸体支撑座和轴承座分别装有轴承，用于支撑缸体；箱体右侧外部为供油管路；

上述的柱塞副360度油膜形貌测试装置，所述实验箱体为两腔壳体结构，右侧较大的腔体为实验油腔，左侧较小的腔体用于安装斜盘轴组件；斜盘与主轴成一体式结构，与一个双列角接触球轴承和一个单列角接触球轴承、两个大小轴承套以及轴承端盖构成斜盘轴组件，通过螺栓与箱体密封连接；斜盘轴的一段阶梯开有圆螺母安装槽，利用圆螺母和止动垫圈来实现单列角接触球轴承的预紧；斜盘轴左端开有键槽，通过联轴器与扭矩仪连接；扭矩仪再通过另一个联轴器与液压马达连接。

上述的柱塞副360度油膜形貌测试装置，所述实验油腔内，柱塞支架通过螺栓安装于底部，缸体支撑座与柱塞支架通过螺栓连接；缸体中部有定位轴肩，轴肩左侧通过第一支撑轴承与缸体支撑座相连；缸体表面加工电涡流位移传感器、铠装热电偶、压电式压力传感器的安装孔；缸体内部做台阶孔，左端部分为安装衬套的定位孔，右端部分为引油管孔；缸体内部左端装有测试衬套，衬套表面加工电涡流位移传感器、铠装热电偶、压电式压力传感器的定位孔；缸体上安装三种传感器，缸体右端通过第二支撑轴承与轴承座转动连接；柱塞支架左侧装有辅助柱塞，与上方测试柱塞平行；柱塞支架内部开有引油通道，与箱体下方供油管路支路相连接。

上述的柱塞副360度油膜形貌测试装置，所述实验油腔右侧有开口，开口与箱体密封盖密封连接；密封盖左端中心为凹孔，中间内部装有引油管套，左侧的引油管通过两片半圆形引油管压板固定在引油管套上，压板与引油管套通过螺栓固定在密封盖孔内；引油管左端穿过轴承座通孔进入缸体引油管孔，与缸体右端间隙配合；密封盖右端通过螺栓安装有分流块，分流块右端连接进油管，下方连接供油支管，构成供油管路；分流块后侧安装有压力传感器。

进一步优化本设计方案，一种柱塞副360度油膜形貌测试装置的缸体中部轴肩右侧通过薄型平键装有蜗轮，蜗轮与上方蜗杆相配合；蜗杆通过一对轴承，一个闷盖和一个透盖安装在蜗杆支架上；蜗杆支架通过螺栓与实验油腔底部连接；油腔后部开有通孔，蜗杆一端的轴穿过透盖后伸出箱体，通过联轴器与步进电机连接；步进电机通过螺栓固定在电机支架上，电机支架则通过螺栓固定在箱体外壁上。

本发明具有的有益效果是，本技术方案通过液压马达，驱动斜盘轴转动，带动柱塞往复运动，测试时，测试柱塞和辅助柱塞由同一液压油源通过供油管路提供压力油，滑靴底部与斜盘形成油液静压支撑，能够平衡受力，模拟真实泵工作时的状况，缸体利用两个角接触球轴承固定，既能防止缸体被柱塞带动产生轴向运动，又能进行绕轴线的周向旋转。利用蜗轮蜗杆的自锁以及步进电机的自锁，防止在一次测试过程中缸体产生周向旋转；利用步进电机带动蜗杆继而带动蜗轮和缸体绕自身轴线进行360°的旋转，从而进行任意角度的测试，获得柱塞运动时柱塞腔内任意角度的油膜特性，实现了以少量传感器测量出360度的柱塞表面油膜特性，有效地解决了传统柱塞副油膜测试系统所存在的设计成本高，安装拆卸不便和油膜测试范围有限的问题。

附图说明

图1为本发明的实验箱体的无顶盖剖面图；

图2为本发明的测试系统的无箱体顶盖俯视图；

图3为本发明的缸体等轴测图；

图4为本发明的衬套等轴测图。

图中1.斜盘轴，2.唇形密封圈，3.圆螺母，4.止动垫圈，5.轴承端盖，6.大轴承套，7.单列角接触球轴承，8.轴承套密封环，9.小轴承套，10.双列角接触球轴承，11.实验油腔，12.测试柱塞滑靴，13.测试柱塞，14.衬套，15.缸体，16.缸体支撑座，17.第一缸体支撑轴承，18.蜗轮，19.蜗杆，20.第一蜗杆支撑轴承，21.步进电机，22.步进电机联轴器，23.步进电机支架，24.轴承透盖，25.套筒，26.第二轴承侧面密封圈，27.第二轴承外圈密封圈，28.第二缸体支撑轴承，29.轴承座，30.轴承座密封圈，31.密封盖，32.引油管压板，33.引油管套，34.引油管，35.分流块，36.压力传感器，37.进油管，38.引油管套密封环，39.供油支管，40.实验箱体，41.轴承闷盖，42.放油口，43.第二蜗杆支撑轴承，44.电涡流位移传感器，45.铠装热电偶，46.压电式压力传感器，47.蜗杆支架，48.螺纹接头，49.辅助柱塞，50.柱塞支架，51.辅助柱塞滑靴，52.腔体油液温度传感器安装孔，53.箱体底架，54.第一联轴器，55.扭矩仪，56.扭矩仪安装座，57.第二联轴器，58.马达安装座，59.液压马达，60.电涡流位移传感器安装孔，61.铠装热电偶安装孔，62.压电式压力传感器安装孔，63.电涡流位移传感器定位孔，64.铠装热电偶定位孔，65.压电式压力传感器定位孔，66.压力传感器引油孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种柱塞副360度油膜形貌测试装置，斜盘轴1即为主输入轴，斜盘与输入轴为一体式结构，构成了斜盘轴1；斜盘轴1由一个单列角接触球轴承7和一个双列角接触球轴承10支撑，两个轴承之间通过小轴承套9定位内圈，小轴承套9上下开有两个小通油孔，两个轴承外圈通过大轴承套6上的台阶孔实现定位，双列角接触球轴承10内圈右端由斜盘轴1轴肩定位，单列角接触球轴承7左端通过止动垫圈4和圆螺母3实现轴向固定和预紧；大轴承套6和轴承端盖5通过螺栓固定在实验箱体40左端，斜盘轴1和轴承端盖5之间通过唇型密封圈2进行密封，大轴承套6外缘使用密封环8进行密封；上述部件除实验箱体40外构成斜盘轴组件；

在实验油腔11内，柱塞支架50通过螺栓与实验油腔11底部相连接，柱塞支架50内开有引油通道，螺纹接头48一头通过箱体40底部的通孔与引油通道相连，另一头与供油支管39相连；柱塞支架50上方通过螺栓连接缸体支撑座16；缸体支撑座16右侧安装支撑缸体的第一缸体支撑轴承17；缸体15左端穿过第一缸体支撑轴承17与缸体支撑座16转动连接；第一缸体支撑轴承17内圈由缸体15轴肩固定，其外圈由刚体支撑座16的台阶孔固定；缸体15右端通过第二缸体支撑轴承28与轴承座29转动连接；第二缸体支撑轴承28内圈由缸体15右端台阶面固定，外圈由轴承座29台阶孔固定，其左侧和外缘分别通过第二轴承侧面密封圈26、第二轴承外圈密封圈27密封；缸体15轴肩右侧轴段通过薄型平键连接蜗轮18，并通过套筒25实现蜗轮18轴向定位和第二缸体支承轴承28内圈定位；

蜗轮18与其上方蜗杆19配合形成蜗轮蜗杆副；如图2所示，蜗杆19通过第一蜗杆支撑轴承20和第二蜗杆支撑轴承43安装在蜗杆支架47上，两个轴承内圈均通过蜗杆19的轴肩固定，第一蜗杆支撑轴承20外圈通过轴承透盖24固定，第二蜗杆支撑轴承43外圈通过轴承闷盖41固定；轴承透盖24和轴承闷盖41通过螺栓与蜗杆支架47相连接；蜗杆19一端通过实验箱体40上的通孔伸出实验箱体40，并通过步进电机联轴器22与步进电机21连接；步进电机21通过四个小螺栓固定在步进电机支架23上，步进电机支架23通过螺栓与实验箱体40外壁连接；

如图1所示，缸体15内部开有台阶孔，用于安装衬套14，衬套14与测试柱塞13间隙配合；柱塞支架50内部开有柱塞腔，左侧安装辅助柱塞49，与测试柱塞13平行；缸体15内部右侧为引油管孔，与引油管34左端间隙配合；引油管34中段通过轴承座密封圈30与轴承座29右侧密封连接；引油管34右端通过两块半圆形引油管压板32压在引油管套33上，两块半圆形引油管压板32和引油管套33通过螺栓固定在密封盖31左侧凹孔内；引油管套33与密封套31之间通过密封环38密封连接；轴承座29通过螺栓固定在密封盖31左端；密封盖31通过螺栓与实验箱体40右侧外壁相连接；密封盖31右端通过四个螺栓安装分流块35，分流块35通孔与密封盖31中心孔同轴心；分流块35下方通过螺纹连接供油支管39；

如图2所示，分流块35通孔右端通过螺纹与供油管路进油管37相连接，后部装有压力传感器36，用于监测供油油路压力；进油管37、分流块35、密封盖31中心孔、引油管34、引油管套33、引油管压板32、供油支管39、螺纹接头48构成供油管路；实验油腔11前端通过螺纹装有放油口42；液压驱动马达59通过螺栓固定在马达安装座58上，马达安装座58又通过螺栓与实验箱体40相连接；液压马达59输出轴通过第二联轴器57与扭矩仪55连接，扭矩仪55通过第一联轴器54与斜盘轴1连接；扭矩仪55固定在扭矩仪安装座56上，扭矩仪安装座56与实验箱体40通过螺栓连接；整个实验箱体40通过螺栓固定在箱体底架53上；

如图1所示，实验油腔11后端开有腔体油液温度传感器安装孔52；

如图3所示，在缸体15左侧表面并列加工三排传感器安装孔，分别是两个电涡流位移传感器安装孔60，三个铠装热电偶安装孔61，三个压电式压力传感器安装孔62，同种传感器安装孔沿缸体轴向分布，中心距均为15mm，不同种传感器周向相隔45°分布；

如图4所示，在衬套14表面并列加工三排传感器定位孔，分别是两个电涡流位移传感器定位孔63，三个铠装热电偶定位孔64，三个压电式压力传感器定位孔65，每个压力传感器定位孔65中心加工有压力传感器引油孔66，与衬套14内部相通；同种传感器定位孔孔沿缸体轴向分布，中心距均为15mm，不同种传感器周向相隔45°分布。

蜗杆19的螺旋角为3.22°，能够实现自锁，只能通过蜗杆19带动蜗轮18转动，从而通过薄型平键带动缸体15转动，而缸体15则无法反过来通过蜗轮18带动蜗杆19转动；蜗杆19通过步进电机联轴器22与步进电机21相连，通过步进电机21的自锁以及蜗轮18蜗杆19自身的自锁，可以保证在一次测试过程中缸体15不发生绕轴线的转动，避免对测试结果产生影响。

衬套14和测试柱塞13之间的油膜层厚度变化较快，油膜压力高，工作环境比较恶劣，因此选择电涡流法进行油膜厚度测量；电涡流位移传感器44与衬套14内壁平齐安装；测试柱塞13是圆柱形，又根据两点和半径便可确定一个圆，因此若在缸体15无法转动时，至少需要四个位移传感器，测出轴线方向两个平面内柱塞的偏移量，从而计算出柱塞倾斜度，得出油膜厚度的分布；而本技术方案采用可转动缸体15，只需在一个轴线方向排布两个电涡流位移传感器44，经过两次测量，将缸体15处于不同角度时测得的两组数据合成，从而得到和上述四个传感器测试一样的效果；缸体无法转动的情况下，只能测两个固定周向角度的四个位置的数据，本技术方案通过蜗轮18蜗杆19使缸体15转动，多次测量数据，进行合成，使得电涡流位移传感器44可以测量周向任意角度的油膜厚度，以此减少数学手段的使用，使周向油膜形貌的测量结果更直观，更加符合实际情况；而油膜轴向方向仍需要通过数学手段来计算，从而得出整个油膜的形貌；也可以在轴向方向增加电涡流位移传感器的数量，进行非线性数据的测量，从而使获得的油膜厚度数据更加准确。

油膜温度的测量考虑使用铠装式热电偶，采用非接触式测量方法，衬套14上的铠装热电偶定位孔64并不打穿；测试时衬套14内表面直接和油膜接触，当油膜温度达到一个平衡后，油膜层温度分布和衬套14内壁温度分布是一样的，由于在金属部件内温度的传递只需考虑热传导，分析起来比较容易，所以根据衬套14内所测得的测量点的温度，材料本身的热物理特性以及温度传递方式，可以反推油膜层的温度分布。

由于测试柱塞13和衬套14之间的油膜压力是时刻变化的，当斜盘轴1转动速度较高时，压力变化频率也较高，所以选择压电式压力传感器进行测量；根据传感器的测压原理，只有当油膜的油液压力作用到压力传感器上时才能测量所需要的数据，所以每个测压点即衬套14上压电式压力传感器定位孔65的中心都加工有压力传感器引油孔66，以便压力油能作用到传感器上。

测试时，步进电机21自锁，加上蜗轮18蜗杆19的自锁和第一缸体支撑轴承17，第二缸体支撑轴承28的固定，使得缸体15周向和轴向都无法移动；外部供油管路向测试柱塞13和辅助柱塞49的柱塞腔内提供压力油，将测试柱塞滑靴12和辅助柱塞滑靴51压在斜盘面上，同时形成静压支撑；液压马达59带动斜盘轴1转动，斜盘面的转动使得测试柱塞13和辅助柱塞49往复运动，模拟真实泵吸油排油，待达到平衡后，记录温度、压力、位移等数据；停止液压马达59，待整个系统停止运转后，启动步进电机21，使缸体15转动一定角度，停止步进电机21并自锁，再次启动液压马达59，重新进行上述测试；如此反复，记录多组缸体15在不同角度下油膜特性的数据，并进行合成，最终得到整个柱塞腔油膜的特性。

Claims (2)

1.一种柱塞副360度油膜形貌测试装置，包括液压驱动马达(59)与扭矩仪(55)、斜盘轴组件；它还包括实验箱体(40)，箱体(40)左端开口安装斜盘轴(1)；箱体(40)底部安装有柱塞支架(50)，其上方安装有缸体支撑座(16)；箱体(40)右端开口安装有密封盖(31)，密封盖(31)左端安装有轴承座(29)；缸体支撑座(16)和轴承座(29)分别装有轴承，用于支撑缸体(15)；箱体(40)右侧外部为供油管路；

所述实验箱体(40)为两腔壳体结构，右侧较大的腔体为实验油腔(11)，左侧较小的腔体用于安装斜盘轴组件；斜盘与主轴成一体式结构，与一个双列角接触球轴承(10)和一个单列角接触球轴承(7)、大轴承套(6)、小轴承套(9)和轴承端盖(5)构成斜盘轴组件，通过螺栓与实验箱体(40)密封连接；斜盘轴(1)一段开有圆螺母安装槽，利用圆螺母(3)和止动垫圈(4)来实现单列角接触球轴承(7)的预紧；斜盘轴左端开有键槽，通过联轴器(54)与扭矩仪(55)连接；扭矩仪(55)再通过联轴器(57)与液压马达(59)连接；

所述实验油腔(11)内，柱塞支架(50)通过螺栓安装于底部，缸体支撑座(16)与柱塞支架(50)通过螺栓连接；缸体(15)中部有定位轴肩，轴肩左侧通过支撑轴承A(17)与缸体支撑座(16)相连；缸体(15)表面加工电涡流位移传感器(44)、铠装热电偶(45)、压电式压力传感器(46)的安装孔；缸体(15)内部做台阶孔，左端部分为安装衬套(14)的定位孔，右端部分为引油管孔；缸体(15)内部左端装有测试衬套(14)，衬套(14)表面加工电涡流位移传感器定位孔(63)、铠装热电偶定位孔(64)、压电式压力传感器定位孔(65)；缸体(15)上安装三种传感器，缸体(15)右端通过第二支撑轴承(28)与轴承座(29)转动连接，轴承座(29)中心开有通孔；柱塞支架(50)左侧装有辅助柱塞(49)，与上方测试柱塞(13)平行；柱塞支架(50)内部开有引油通道，与箱体(40)下方供油管路支路(39)相连接。

实验油腔(11)右侧有开口，开口与箱体密封盖(31)密封连接；密封盖(31)左端为空心，中间内部装有引油管套(33)，左侧引油管(34)通过两片半圆形引油管压板(32)固定在引油管套(33)上，压板(32)与引油管套(33)通过螺栓固定在密封盖(31)孔内；引油管(34)左端穿过轴承座(29)通孔进入缸体(15)，其左端外径与缸体(15)右端内径间隙配合；密封盖(31)右端通过螺纹安装有分流块(35)，分流块(35)右端连接进油管(37)，构成供油管路；分流块(35)后侧安装有压力传感器(36)。

2.根据权利要求1所述的一种柱塞副360度油膜形貌测试装置，其特征在于：缸体(15)中部轴肩右侧轴段通过薄型平键装有蜗轮(18)，蜗轮(18)与上方蜗杆(19)相配合，蜗杆(19)由步进电机(22)驱动，能够带动缸体(15)进行360度旋转。

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