前言 近年來，某微型特種泵在航空、航天、現(xiàn)代主戰(zhàn)坦克、船舶等領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用引起了國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注。由于該微型特種泵尺寸小、重量輕、轉(zhuǎn)速高，其轉(zhuǎn)子軸系軸向結(jié)構(gòu)緊湊、徑向尺寸小、軸上零件少，并具有超微型、超高速、超輕巧等特點(diǎn)。有專家預(yù)測(cè)，2l世紀(jì)的汽車動(dòng)力有可能由該微型特種泵代替活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。本文將在簡(jiǎn)單介紹該微型特種泵工作原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)其應(yīng)用在某航天伺服系統(tǒng)時(shí)研制設(shè)計(jì)工作中的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析探討。 1 工作原理 微型特種泵結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示： [align=center] 圖1 微型特種泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[/align] 該泵的渦輪轉(zhuǎn)子2在氣體介質(zhì)（可為：氦氣、高溫燃?xì)獾龋┑尿?qū)動(dòng)作用下，帶動(dòng)同軸連接的徑向葉輪1以每分鐘十?dāng)?shù)萬轉(zhuǎn)的超高速運(yùn)行，通過離心作用將軸向進(jìn)入葉輪腔的液體介質(zhì)（通常為液壓油）增速加壓，經(jīng)葉輪輸出端的減速增壓管道將液體介質(zhì)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高壓壓力能后．為液壓伺服系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力。 2 結(jié)構(gòu)小型化優(yōu)化設(shè)計(jì) 作為某航天器伺服控制系統(tǒng)的核心動(dòng)力元件．該微型特種泵在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面要求具有尺寸小，重量輕的突出特點(diǎn)。為此必須在研制過程中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使其結(jié)構(gòu)外型尺寸控制在80X 80 mm范圍內(nèi)。 微型特種泵的小型化設(shè)計(jì)，僅采用簡(jiǎn)單的按比例進(jìn)行縮小的方法是難以達(dá)到設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的。在研制過程中我們主要采用了零件合并的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，減連接環(huán)節(jié)，增加整體結(jié)構(gòu)型式。對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的零部組件大量采用低密度輕質(zhì)材料。具體優(yōu)化方案如下。 1）微型特種泵采用離心式徑向葉輪和單級(jí)軸流式渦輪，渦輪葉片、渦輪盤及渦輪軸為一體結(jié)構(gòu)。 2）渦輪轉(zhuǎn)子采用整體鍛造毛坯，電火花加工成形葉片后，再對(duì)葉片進(jìn)行磨粒流拋光。這種加工方法技術(shù)成熟，加工精度高，零件的質(zhì)量容易控制。 3）軸系采用兩支點(diǎn)方案，渦輪盤懸臂布局。 3 軸系振動(dòng)的減振方法 由于微型特種泵渦輪盤采用懸臂結(jié)構(gòu)，軸系的兩個(gè)支承點(diǎn)位于渦輪盤與離心式徑向葉輪之間，設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速在軸系的一階與二階臨界轉(zhuǎn)速之間（每分鐘十?dāng)?shù)萬轉(zhuǎn)）。渦輪從起動(dòng)到達(dá)到工作轉(zhuǎn)速，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)必須迅速通過一階臨界轉(zhuǎn)速，軸系會(huì)出現(xiàn)一定程度的振動(dòng)，過高的振動(dòng)可導(dǎo)致微型特種泵的失效。因此，必須盡量減小微型特種泵軸系在工作過程中的振動(dòng)。減振可通過兩個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)。 3．1 微型特種泵軸系動(dòng)力學(xué)特性分析 影響軸系振動(dòng)的主要因素是渦輪的轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)要發(fā)微型特種泵工作轉(zhuǎn)速必須大于1．4倍的一階臨界轉(zhuǎn)速，同時(shí)小于0．7倍的二階臨界轉(zhuǎn)速。為了掌握渦輪轉(zhuǎn)速對(duì)軸系振動(dòng)影響的機(jī)理，必須對(duì)軸系的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。鑒于一般分析計(jì)算方法偏差較大，這里采用了有限元法，得到如下結(jié)論：當(dāng)軸系二階臨界轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速的數(shù)值較為接近時(shí)，如果渦輪工作中出現(xiàn)超速現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)速極易接近甚至達(dá)到二階臨界轉(zhuǎn)速，從而使軸系產(chǎn)生同步共振，導(dǎo)致微型特種泵工作失穩(wěn)甚至破壞。 通過調(diào)整渦輪盤質(zhì)心、徑向葉輪質(zhì)心與軸系兩個(gè)支撐點(diǎn)的距離、渦輪盤及徑向葉輪各自的質(zhì)量大小，可以調(diào)整軸系的一階及二階臨界轉(zhuǎn)速，使軸系動(dòng)力學(xué)特性改善達(dá)到減振目的。 3．2 提高軸系動(dòng)平衡精度 軸系及渦輪轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度對(duì)其振動(dòng)有很大影響，生產(chǎn)過程中，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┯枰蕴岣?。渦輪轉(zhuǎn)子單獨(dú)按ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)中的G1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步平衡后，與軸系組裝為一體，按G2、5級(jí)進(jìn)行動(dòng)平衡。整個(gè)轉(zhuǎn)子軸系的最大外徑處殘余不平衡量控制在小于25．6 mg•mm的范圍內(nèi)。同時(shí)，在微型特種泵的裝配過程中嚴(yán)格控制渦輪懸臂端自由狀態(tài)下的徑向跳動(dòng)量，確保不超過0、02 mm。 4 軸系元件的預(yù)緊與軸承的潤(rùn)滑 特種泵在超高速旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下，其軸系元件之間如果出現(xiàn)軸向間隙，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子及軸系運(yùn)行失穩(wěn)，影響泵工作的安全可靠性。同時(shí)由于軸系的超高速運(yùn)行。其關(guān)鍵元件軸承因摩擦而產(chǎn)生的極大熱量將導(dǎo)致泵迅速破壞，因此必須采取措施消除軸系元件之間的間隙并對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑。 4．1 軸系元件的預(yù)緊 軸系元件之間的間隙的控制是通過施加預(yù)緊力來實(shí)現(xiàn)的。在軸系一端對(duì)渦輪軸系施加預(yù)定載荷，使軸系各個(gè)零件之間的軸向相互作用力盡可能大，從而保證軸系工作時(shí)，軸系各個(gè)零件之間無軸向位置的相互變化。對(duì)于軸系關(guān)鍵元件軸承，另外安裝了一種軸向尺寸僅3 mm的碟形彈簧，裝配過程中碟形彈簧被軸向壓縮至一定位置，產(chǎn)生的預(yù)期軸向預(yù)緊力可以消除球軸承內(nèi)部的徑向和軸向游隙，從而保證了在超高速運(yùn)行情況下．轉(zhuǎn)子具有很高的旋轉(zhuǎn)精度和工作穩(wěn)定性。 4．2 軸承的潤(rùn)滑 軸系的兩個(gè)超高速滾珠軸承的潤(rùn)滑方案如圖2所示。 微型特種泵工作時(shí)，徑向葉輪提供部分液壓油經(jīng)圖中AB油路流入軸承腔，對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑后，軸承腔內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)使液壓油增壓，經(jīng)CD油路返回到徑向葉輪入口處循環(huán)利用 同時(shí)，由于潤(rùn)滑液壓油的循環(huán)流動(dòng)．軸承在潤(rùn)滑的過程中也可得到充分的冷卻。實(shí)驗(yàn)表明這種潤(rùn)滑方案構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局臺(tái)理、工作可靠。 [align=center] 圖2 微型特種泵軸系潤(rùn)滑油路示意圖[/align] 4．3 流體自潤(rùn)滑動(dòng)壓油膜軸承在微型特種泵上的應(yīng)用 為了解決高速旋轉(zhuǎn)的滾珠軸承內(nèi)環(huán)與滾珠摩擦所帶來的功率損耗及其潤(rùn)滑、冷卻等問題，國(guó)外研制出了徑向和軸向止推流體自潤(rùn)滑動(dòng)壓油膜軸承。以徑向軸承為例，流體自潤(rùn)滑動(dòng)壓油膜軸承結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。 [align=center] 圖3 動(dòng)壓油膜軸承結(jié)構(gòu)示意圖[/align] 該軸承由一個(gè)支承用的外環(huán)，一個(gè)內(nèi)匿及安裝在內(nèi)匿上的數(shù)條彎曲箔片組成，箔片的另一端自由懸空。微型特種泵軸系安裝在箔片組環(huán)繞的中心處，非工作狀態(tài)下．軸承內(nèi)部充滿常溫常壓下的液壓油。當(dāng)泵開始工作時(shí)，箔片與軸系相接勝并支承軸系，隨著泵轉(zhuǎn)速的升高、軸系與箔片之間逐步形成有一定壓力的楔形油膜，楔形油膜的壓力隨軸系轉(zhuǎn)速的升高而增加。轉(zhuǎn)速升高到一定數(shù)值時(shí)，軸系在楔形油膜壓力的作用下與箔片分隔開來，在楔形油膜之上懸浮運(yùn)行，與箔片之間幾乎無明顯的摩擦損失，軸系的內(nèi)部功耗是微乎其微的。因此使用流體自潤(rùn)滑動(dòng)壓油膜軸承后微型特種泵的軸系動(dòng)力學(xué)特性相當(dāng)完黃，工作轉(zhuǎn)速的設(shè) 不再受臨界轉(zhuǎn)速的影響。 5 結(jié)束語 作為一種特殊動(dòng)力元件，本文介紹的這種微型待種泵經(jīng)過我們的研制已在航天液壓系統(tǒng)中得到成功的虛用。隨著某些關(guān)鍵問題的解決（泵的工作效率等），這種泵以其卓越的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。完全可以應(yīng)用到其他領(lǐng)域中。 參考文獻(xiàn)； [1] 是厚鈺 透平零件結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)尊[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987． [2] 徐華舫．空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)EM3．北京：北京航空學(xué)院出版社，1987．