高壓大流量直軸式柱塞泵缸體的設(shè)計(jì)與分析

高壓大流量直軸式柱塞泵缸體的設(shè)計(jì)與分析講述了用球墨鑄鐵替代傳統(tǒng)復(fù)合構(gòu)造材料設(shè)計(jì)高壓柱塞泵缸體。通過對(duì)K3V112高壓大流量柱塞泵的計(jì)算，驗(yàn)證了球鐵作為缸體材料的可行性。對(duì)球鐵開展氣體軟氮化可以得到具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性和耐熱粘附性的氮化物層，大大提高了缸體的性能。通過材料替代，簡(jiǎn)化了缸體的制造工藝，大大降低了制造成本并提高了生產(chǎn)效率與成品率。

引言

液壓元件以至整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于主機(jī)一般占其成本的20%，但對(duì)主機(jī)的性能恰恰是至關(guān)重要的，而我國的液壓元件盡管產(chǎn)值不低，但高端的幾乎由國外占據(jù)，而且這一差距似乎有增大的趨勢(shì)。在20**年左右，許多工程機(jī)械企業(yè)采購的高壓大流量柱塞泵進(jìn)口件交貨期達(dá)一年零三個(gè)月以上。對(duì)中國液壓行業(yè)來說，高端的高壓大流量泵依賴進(jìn)口，關(guān)鍵材料的性能和熱處理缺陷。

高壓大流量柱塞泵及其心臟部件大部分依靠進(jìn)口，主要被日本、德國、美國和意大利等液壓強(qiáng)國所壟斷。而高壓大流量柱塞泵的核心部件中，缸體(又稱轉(zhuǎn)子)、配流盤和柱塞是最重要及易損部件，其整體性能及配合的好壞直接影響泵的性能。因此，對(duì)高壓大流量柱塞泵的轉(zhuǎn)子、配流盤和柱塞的材料、設(shè)計(jì)與工藝及制造水平的提高是提高主機(jī)的關(guān)鍵。由于高壓大流量柱塞泵的缸體有兩個(gè)主要摩擦副———缸體-柱塞以及缸體-配流盤之間的摩擦副，設(shè)計(jì)及加工直接影響柱塞泵的流量-壓力特性。

1、缸體構(gòu)造設(shè)計(jì)

柱塞泵缸體由于存在兩個(gè)關(guān)鍵的摩擦副———缸體-柱塞和缸體-配流盤，這兩個(gè)摩擦副的配合直接影響到柱塞泵的流量-壓力特性。另外，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理，摩擦副的兩個(gè)零件的材料必須存在一定的硬度差，而且，必須具有良好的耐磨性能和較低的表面粗糙度。對(duì)于高壓大流量柱塞泵而言，必須傳遞大功率，所以缸體與傳動(dòng)軸之間的花鍵要有較高的剛度和強(qiáng)度。正因?yàn)槿绱?，一般在缸體構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)都采用兩種材料鑲套和燒結(jié)的構(gòu)造。通常缸體的主體材料用強(qiáng)度與彈性模量較高的材料，如38CrMoAlA、GCr15等調(diào)質(zhì)后氮化處理，同時(shí)提高耐磨性。而與柱塞和配流盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部分用較軟并耐磨的黃銅，配流盤和柱塞用38CrMoAlA調(diào)質(zhì)后氮化處理。

圖1為缸體的構(gòu)造。柱塞孔鑲套1mm的黃銅套，配流面燒結(jié)黃銅，加工后為0.3mm，如此設(shè)計(jì)以滿足摩擦副的使用要求并提高使用壽命。

2、材料研究

由于選用兩種材料，并開展復(fù)合構(gòu)造形式設(shè)計(jì)，此構(gòu)造制造加工工藝復(fù)雜，而且成本高。為了滿足應(yīng)用要求，將缸體設(shè)計(jì)成一體式構(gòu)造，選用合金球墨鑄鐵作為缸體的材料，由于合金球墨鑄鐵的機(jī)械性能優(yōu)良，強(qiáng)度和彈性模量與中碳鋼相當(dāng)，而且經(jīng)過氣體軟氮化以后有很好的耐磨性能，同時(shí)，硬度比38CrMoAlA氮化后的硬度相差HV300～400，剛好可以到達(dá)摩擦副的設(shè)計(jì)和使用要求。

球墨鑄鐵QT-500的強(qiáng)度與彈性模量等性能可以與45鋼、40Cr等中碳鋼或中碳合金鋼相媲美，但是，它具有比中碳鋼或中碳合金鋼有更優(yōu)越的性能。其性能表現(xiàn)在：①鑄鐵有良好的減振性能;②球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，易運(yùn)動(dòng)，所以，具有良好的耐磨性能;③因球墨鑄鐵中有大量的球狀石墨的存在使得它有良好的自潤(rùn)滑性能。

因柱塞泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在一定的氣蝕現(xiàn)象難以消除，而氣蝕會(huì)造成一定的主機(jī)振動(dòng)。同時(shí)，高壓大流量直軸式柱塞泵可以到達(dá)很高的轉(zhuǎn)速，機(jī)械振動(dòng)會(huì)加劇。因此，在運(yùn)行過程中會(huì)增加轉(zhuǎn)子的失效。而球墨鑄鐵良好的減振、耐磨以及自潤(rùn)滑性能使其成為制作缸體的合適的材料。

圖1川崎K3V112高壓大流量柱塞泵缸體構(gòu)造圖

4、制造工藝研究

4.1、傳統(tǒng)缸體的制造工藝缺陷

傳統(tǒng)的缸體是由兩種不同材料制造而成，所以，制造工藝相比照較復(fù)雜。開展半精加工以后，再通過燒結(jié)工藝將黃銅燒結(jié)到缸體的球面上。由于兩種金屬材料的熱膨脹系數(shù)的不同，在冷卻時(shí)易產(chǎn)生裂紋，會(huì)造成廢品率高。完成精加工以后開展氮化處理，而氮化處理的處理溫度在570℃～580℃，此時(shí)又會(huì)造成很多缸體的球面材料的不良或剝落。

每一個(gè)柱塞孔必須鑲套一件銅套，為了克服柱塞與缸體間的運(yùn)動(dòng)摩擦力，在設(shè)計(jì)中，銅套與缸體采用大過盈配合。缸體上有九個(gè)柱塞孔，經(jīng)常會(huì)由于過盈量較大以及裝備不正而產(chǎn)生廢品。因此處配合為過盈配合，報(bào)廢或不良的產(chǎn)品無法修復(fù)。另外，此工序?yàn)樽詈笠坏兰庸すば?，造成的廢品會(huì)大大增加缸體的制造成本。

4.2、改良后的缸體制造工藝

將缸體用球墨鑄鐵作為材料完全能到達(dá)使用要求。隨著材料科學(xué)的進(jìn)展，合金鑄鐵的研究與應(yīng)用越來越廣。球墨鑄鐵中參加Mn、Cu、Sb和銻能顯著改善其性能，如抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及硬度。球鐵中參加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.58%～0.6%Mn，0.8%Cu可以獲得高強(qiáng)度高塑性，鑄態(tài)時(shí)抗拉強(qiáng)度到達(dá)795～830MPa，伸長(zhǎng)率可達(dá)5.5%～6.6%，硬度可達(dá)270～283HB。因此，如果用合金球墨鑄鐵作為高壓大流量柱塞泵的缸體材料能到達(dá)更高的性能。

球墨鑄鐵，特別是合金球墨鑄鐵的氣體軟氮化性能良好。目前新型的氣體軟氮化工藝日益被廣闊熱處理廠所采用。在一定爐壓下，溫度在580℃，通過加氧氮化工藝，滲層深度可達(dá)0.28mm，滲層硬度可達(dá)660HV0.1g，完全能滿足缸體的使用要求。通過軟氮化后的鑄件材料具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性和抗熱粘附性，因此，球墨鑄鐵作為高壓大流量柱塞泵的缸體材料在某些性能上優(yōu)于常用的38CrMolA。使用球墨鑄鐵，特別是合金球鐵作為缸體材料，在滿足使用工況的前提下，大大降低了成本。

5、結(jié)論

用球墨鑄鐵替代材料加工制造的缸體應(yīng)用于K3V112直軸式柱塞泵上，在試驗(yàn)臺(tái)上做壽命試驗(yàn)和流量-壓力性能試驗(yàn)，收到了很好的效果，流量-壓力性能與傳統(tǒng)的