船舶舵机液压泵替换研究

李践飞，韩凯，夏振盛



船舶舵机液压泵替换研究

李践飞，韩凯，夏振盛

（海军潜艇学院，山东青岛 266042）

针对船舶舵机液压泵的维修情况和工作噪声情况，通过检测和计算得出该型液压泵存在的不足及原因，进而从延长工作寿命和降低噪声两个方面，基于该型液压泵的改进和更换新型液压泵两个思路提出改进方案，最后经过测试对比选择出最优改进方案。

轴向柱塞泵 内啮合齿轮泵 螺杆泵 磨损

0 引言

某船舶舵机液压系统中目前使用的是轴向柱塞泵，这是设计建造时的最优选择。随着国内外材料、制造等技术的不断发展，液压泵的新技术、新产品不断出现。针对在使用中舵机液压泵出现的一些问题，结合现今的技术和产品，对其进行设计方案改进。

1 现存问题

该型船舶舵机液压泵为斜轴式轴向柱塞泵，额定转速=1480 r/min，额定压力25 MPa，排量=125 mL/r。

根据多艘该型船舶近5年来的入厂维修情况，列出舵机液压泵的主要维修部件如表1所示。

根据部件更换频率和对换下故障部件的分析，可以发现摩擦副的磨损是影响该型液压泵工作寿命的主要原因。轴向柱塞泵中柱塞副、配流副和柱塞与斜盘(滑靴)的接触副这三个摩擦副是产生能量耗散、泄漏、流量脉动的地方，泵的性能和寿命与这些摩擦副息息相关。

表1 舵机液压泵维修情况列表

下面对该型轴向柱塞泵受力情况进行计算，分析摩擦副磨损的主要原因。

该型轴向柱塞泵配流副和斜盘（滑靴）副的设计采用剩余压紧力设计法。在滑靴和斜盘之间、缸体和配流盘之间有一定厚度的压力油膜，用油膜推力来平衡滑靴对斜盘的大部分压紧力和缸体对配流盘的大部分压紧力，而剩余的小部分压紧力则保证滑靴始终压向斜盘。

1）缸体对配流盘的液压压紧力F

s——缸体对配流盘的液压压紧力

——柱塞数，取=9

——柱塞横截面积

——柱塞孔分布角

s——缸内液体压力

2）配流盘对缸体的反推力0

——配流盘腰型槽的有效总角

1——内密封带的内半径

1——内密封带的外半径

2——外密封带的内半径

2——外密封带的外半径

s——缸内液体压力

3）弹簧预压紧力t

t=（+）

——弹簧刚度

——弹簧预压缩长度

——缸体和配流盘间的油膜厚度

4）缸体对配流盘的总压紧力

=s+t

（5）剩余压紧力Δ

Δ=-0

由受力分析可知，缸体转角在0££和££时，s分别为固定值，但0却随缸体转角的变化而变化，这就使缸体受不平衡力和不平衡力矩。再加上零件表面受压变形和轴的挠曲变形等，使摩擦副之间的油膜被破坏，甚至局部会发生摩擦副材料的直接接触，从而产生热量的急剧上升加剧摩擦，引起粘着磨损[1]造成摩擦副损伤。

此外由于柱塞泵本身对油液污染敏感，当油液产生严重污染时引发的磨料磨损[2]也是造成摩擦副损伤的原因之一。

在舵机液压系统中，液压泵是主要噪声源。表2列出了舵机液压泵在工作压力（20 MPa）下的噪声数据。

表2 舵机液压泵噪声

轴向柱塞泵由于缸体输出的油液的不连续和吸油、压油腔的分离结构使其产生了较大的流量脉动和液压噪声，还有复杂流道产生的气穴噪声。并且由于存在较大的流量脉动，会引起油路管的振动，这一振动随着管路的延长而越加明显，产生的振动噪声也越大。实际使用中我们发现特别是当两条油路管相距较近时很容易引发共振，产生很大噪声，可达90 dB。

2 改进目标和改进思路

根据该型舵机液压泵在实际使用中存在的问题，提出改进目标：

1）提高工作寿命,降低故障率。

2）降低噪声。

针对现有问题及改进目标提出两种改进思路：

1）基于现有柱塞泵进行改进，主要是采取降低摩擦副的磨损和噪声的措施。

2）将柱塞泵更换为其他类型的液压泵，主要是选择流量脉动小、噪声小、对油液污染不敏感、工作寿命长的液压泵类型。

3 改进方案的选择

3.1 基于该型柱塞泵的改进方案

3.1.1减小摩擦副磨损的措施

1）减小剩余预紧压力Δ，适当增大反推力0

通过前面的受力分析，采用静压力平衡原理，作者认为适当减小剩余预压紧力、增大反推力能够达到减小摩擦的作用。

2）控制油液污染

控制油液污染，改善液压泵的润滑环境，可以减小磨料磨损。

3）改进操作规程，并严格执行

根据实际使用情况来看，不按章操作引起的事故磨损也是柱塞泵摩擦副磨损的一大原因，应当明确舵机液压泵的操作规程，如初次使用时的工作前准备、长期使用后停机的操作步骤等具体规程。

3.1.2减小液压泵噪声的措施

1）采用降噪配流盘

根据国内的研究成果，将现有配流盘更换为降噪配流盘，噪声平均可下降2.5 dB。

2）确保泵吸油口处的压力，避免泵吸空

液压泵一旦吸人空气，将会在油液内部产生气穴和气蚀现象，同时产生强烈的振动和噪声，并通过油液传递到外部。可采取如增大吸油口通径，将油箱架高，控制油温以避免油液粘度过大，在油箱上安装呼吸器以避免油箱产生负压等措施来避免泵吸空，从而减小噪声。

3）泵与电机的连接需用带缓冲垫的柔性联轴器，并确保同轴度

通过研究发现，外部机械连接处产生的振动噪声也是液压泵的主要噪声来源，在泵与电机的连接使用带缓冲垫的柔性联轴器，并确保同轴度可降低机械噪声。

表3 改进后柱塞泵的实测数据

（测试条件：工作压力20 MPa，驱动转速1500 r/min）

如表3所示，改进后的柱塞泵性能提升并不明显。基于该型柱塞泵的改进方案可以视为一种改进性维修，由于柱塞泵的结构特点，其不平衡力不能消除，流量脉动大，从改进零件结构，控制油液污染的角度来提高摩擦副的性能和降低噪声是非常有限的。

3.2 替换液压泵的改进方案

按目前统计资料，作者对现有的各类型液压泵的主要性能进行了分析对比，如表4所示：

首先，选用的液压泵应当能够满足工作要求：

1）输出压力≥20 MPa

2）排量≥125 mL/r

3）转速范围1000~2000 r/min

其次应当噪声小，对油液污染不敏感。

综合比较表4中的各类液压泵，渐开线式的内啮合齿轮泵和螺杆泵能够满足要求。下面进行这两类泵的选型和比较。

1）渐开线式的内啮合齿轮泵的选型

通过对比各类渐开线式的内啮合齿轮泵，作者选择了IGP型高压低噪声内啮合齿轮泵。IGP型内啮合齿轮泵通过结构上的设计和改进，使泵的承载能力和容积效率大为提高，同时保持工作噪声在较低水平。在额定工作压力31.5 MPa下，容积效率可达91％，噪声控制在70 dB以下。

2）螺杆泵的选型

表4 各类液压泵的主要性能

表5 螺杆泵应用范围

泵型流量（L/min）压力（MPa）最高温度（℃）输送液体性质 单螺杆泵9200以下0.6~2.4300含小颗粒，有腐蚀性 双螺杆泵33000以下5~8400含微小颗粒，有腐蚀性 三螺杆泵13000以下25300无腐蚀性的润滑液体 四螺杆泵其应用条件与五螺杆泵相似 五螺杆泵160001.0150无腐蚀性的润滑液体

如表5所示作者列出了目前几种螺杆泵的应用范围，不难看出三螺杆泵符合本型船舶舵机液压系统的工作要求。并且三螺杆泵是目前产量最高，系列最多，应用最为广泛的一种螺杆泵。对比国内三螺杆泵产品，作者选用了天津工业泵厂的高压系列三螺杆泵。

3）两类液压泵对比选用

IGP型高压低噪声内啮合齿轮泵，其具有结构紧凑，重量轻，噪声小，流量脉动小，效率高，还可以做到无困油现象等一系列优点。它的不足之处是齿形复杂，加工要求精度高，工艺复杂。

高压系列三螺杆泵，其具有结构紧凑，体积小，重量轻，自吸能力强，运转平稳，流量无脉动，噪声小，对油液污染不敏感，工作寿命长等优点。它的不足之处是加工工艺复杂，制造成本高，造价是现有柱塞泵的3倍。

对同排量（150 mL/min）的两类液压泵进行了实验对比，结果如表6所示。

表6 IGP型高压低噪声内啮合齿轮泵和高压系列三螺杆泵的实测数据

（测试条件：工作压力20MPa，驱动转速1500 r/min）

根据实测数据可以发现将柱塞泵替换为同排量的流量脉动低、噪声小的液压泵相较于仅仅是基于现有柱塞泵进行改进可以更好的提高整套舵机液压装置的性能。

对比表6的数据可以发现三螺杆泵相较于内啮合齿轮泵在同等工作条件下具有更低的噪声，更小的流量脉动率和故障率。并且由于三螺杆泵基本无流量脉动，液压油路管不会产生振动噪声，也大大降低了整套舵机液压系统的噪声。

4 结束语

通过分析该型船舶舵机液压泵存在的问题提出改进方案，最终得出结论：将现有的轴向柱塞泵替换为同排量的三螺杆泵，液压泵噪声降低到原先的70%，工作寿命延长3倍，可提高该型船舶舵机液压系统的可靠性。

注释：

本文的故障率采用频率估计

[1] 杨尔庄. 二十一世纪液压技术现状及发展趋势[J]. 液压与气动, 2001(6).

[2] 陈林强. 液压系统常见故障成因及其顶防与排除[J]. 液压与气动, 2003(7).

[3] 李建宇. 液压系统振动噪声产生原因分析[J]. 液压与气动, 2006(5).

[4] 陈志刚. 63CYl4-1B轴向柱塞泵结构改进设计[J]. 机械设计与制造, 2010(1).

[5] 叶清. 内啮合齿轮泵几何参数及流量脉动的研究[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2007.

[6] 张寒峭. 螺杆泵及新型组件的新进展[J]. 石油机械, 2005（11）.

[7] 范宗霖, 张翼飞, 陈金海. 我国泵行业的现状与未来思考[J]. 水泵技术, 2007 (1).

Research on Replacement of Ship Steering Pump

Li Jianfei, Han Kai, Xia Zhensheng

( Navy Submarine Academy, Qingdao 266044, Shandong, China)

U671 TH137

A

1003-4862（2014）02-0070-04

李践飞（1973-），男，硕士，讲师。研究方向：通信与信息工程。

2013-09-04