海(淡)水球塞泵的动力学分析

　　1 前 言

　　球塞式海(淡)水液压泵作为一种新型径向液压泵，其核心在于用球形物作为活塞，采用心轴配流。定子内壁为椭圆形，转子高速旋转，球塞在惯性力、液压力和定子反作用力作用下沿定子内壁作椭圆周运动，球塞、转子和配流心轴形成的工作腔体积发生变化，从而实现吸压水，配流心轴使吸入和压出的水按规定方向流动。该泵周向结构对称，具有轴向柱塞泵的径向尺寸和径向柱塞泵的轴向尺寸，结构十分紧凑，且构件少，可靠性高，可实现低噪音、大排量和高转速( >3000 r/min )。

　　球塞副和配流副是海(淡)水球塞泵的两大摩擦副,其 密 封 和 润 滑 性 能 好 坏 对 球 塞 泵整体性能有重要影响, 其中尤以球塞副最为关键。球塞副和柱塞副相比区别明显。 柱塞副是通过柱塞和缸筒之间的圆柱面密封的,密封长度较大, 泄漏少;而球塞副为线密封, 密封长度几乎为零。水的粘度只有液压油的 1/40 左右，因此球塞副应用于海(淡)水液压泵时要求配合间隙非常小，在 5 微米以下。如此小的配合间隙只能通过两件之间的配对加工并采用特殊的加工工艺才能实现。球塞副的配合间隙对其密封性能至关重要。

　　本文通过对椭圆轨道球活塞式海(淡)水液压泵球塞在运动过程中的受力分析, 得到了在吸水和排水两个过程中椭圆轨道对球塞的压力方程和缸孔两侧对球塞的压力方程,并进行仿真研究，指出了椭圆轨道对球塞的瞬时最大压力、缸孔内壁对球塞的瞬时最大压力等重要动力参数，为高效率球活塞式海(淡)水液压泵的设计提供了理论依据。

　　2 受力分析与仿真研究

　　球塞泵的运动分为两个过程：一是吸水过程，此过程中由于重力加速度g 相对于科氏加速度 αc很小，而球塞的质量又非常小，所以忽略重力;由于是吸水过程，所以液压力也可忽略;二是排水过程，此过程中必须考虑液压力，同样，重力也可以忽略。

　　2.1 球塞吸水过程的受力分析

　　如图 1 所示：

　　根据上图建立方程如下：

　　式中，N1N2 ———缸孔内壁对球塞两边的支持力;

　　f1f2———缸孔内壁对球塞两边的摩擦力;

　　N———定子内壁对球塞的支持力;

　　an———球塞的向心加速度;

　　ae———球塞的科氏加速度;

　　a———坐标原点 O 与球塞圆心 O1的连线与x轴正向的夹角;

　　φ———切点和球塞圆心连线与x轴正向之间的夹角;

　　m———球塞的质量。