前言 近年來，某微型特種泵在航空、航天、現(xiàn)代主戰(zhàn)坦克、船舶等領域內(nèi)的廣泛應用引起了國內(nèi)外普遍關注。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。有專家預測，2l世紀的汽車動力有可能由該微型特種泵代替活塞式發(fā)動機。本文將在簡單介紹該微型特種泵工作原理的基礎上，針對其應用在某航天伺服系統(tǒng)時研制設計工作中的幾個關鍵問題進行分析探討。 1 工作原理 微型特種泵結(jié)構(gòu)原理簡圖如圖1所示： [align=center] 圖1 微型特種泵結(jié)構(gòu)簡圖[/align] 該泵的渦輪轉(zhuǎn)子2在氣體介質(zhì)（可為：氦氣、高溫燃氣等）的驅(qū)動作用下，帶動同軸連接的徑向葉輪1以每分鐘十數(shù)萬轉(zhuǎn)的超高速運行，通過離心作用將軸向進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)的動能轉(zhuǎn)化為高壓壓力能后．為液壓伺服系統(tǒng)提供驅(qū)動力。 2 結(jié)構(gòu)小型化優(yōu)化設計 作為某航天器伺服控制系統(tǒng)的核心動力元件．該微型特種泵在結(jié)構(gòu)設計方面要求具有尺寸小，重量輕的突出特點。為此必須在研制過程中采用優(yōu)化設計方案，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計，僅采用簡單的按比例進行縮小的方法是難以達到設計性能指標的。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，減連接環(huán)節(jié)，增加整體結(jié)構(gòu)型式。對于結(jié)構(gòu)強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，再對葉片進行磨粒流拋光。這種加工方法技術成熟，加工精度高，零件的質(zhì)量容易控制。 3）軸系采用兩支點方案，渦輪盤懸臂布局。 3 軸系振動的減振方法 由于微型特種泵渦輪盤采用懸臂結(jié)構(gòu)，軸系的兩個支承點位于渦輪盤與離心式徑向葉輪之間，設計工作轉(zhuǎn)速在軸系的一階與二階臨界轉(zhuǎn)速之間（每分鐘十數(shù)萬轉(zhuǎn)）。渦輪從起動到達到工作轉(zhuǎn)速，在相當短的時間內(nèi)必須迅速通過一階臨界轉(zhuǎn)速，軸系會出現(xiàn)一定程度的振動，過高的振動可導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。減振可通過兩個途徑來實現(xiàn)。 3．1 微型特種泵軸系動力學特性分析 影響軸系振動的主要因素是渦輪的轉(zhuǎn)速，設計要發(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，同時小于0．7倍的二階臨界轉(zhuǎn)速。為了掌握渦輪轉(zhuǎn)速對軸系振動影響的機理，必須對軸系的動力學特性進行研究。鑒于一般分析計算方法偏差較大，這里采用了有限元法，得到如下結(jié)論：當軸系二階臨界轉(zhuǎn)速與工作轉(zhuǎn)速的數(shù)值較為接近時，如果渦輪工作中出現(xiàn)超速現(xiàn)象，其轉(zhuǎn)速極易接近甚至達到二階臨界轉(zhuǎn)速，從而使軸系產(chǎn)生同步共振，導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)心與軸系兩個支撐點的距離、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，使軸系動力學特性改善達到減振目的。 3．2 提高軸系動平衡精度 軸系及渦輪轉(zhuǎn)子動平衡精度對其振動有很大影響，生產(chǎn)過程中，必須采取適當?shù)拇胧┯枰蕴岣摺u輪轉(zhuǎn)子單獨按ISO 1940標準中的G1級標準進行初步平衡后，與軸系組裝為一體，按G2、5級進行動平衡。整個轉(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，在微型特種泵的裝配過程中嚴格控制渦輪懸臂端自由狀態(tài)下的徑向跳動量，確保不超過0、02 mm。 4 軸系元件的預緊與軸承的潤滑 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，將導致轉(zhuǎn)子及軸系運行失穩(wěn)，影響泵工作的安全可靠性。同時由于軸系的超高速運行。其關鍵元件軸承因摩擦而產(chǎn)生的極大熱量將導致泵迅速破壞，因此必須采取措施消除軸系元件之間的間隙并對軸承進行潤滑。 4．1 軸系元件的預緊 軸系元件之間的間隙的控制是通過施加預緊力來實現(xiàn)的。在軸系一端對渦輪軸系施加預定載荷，使軸系各個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，軸系各個零件之間無軸向位置的相互變化。對于軸系關鍵元件軸承，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)生的預期軸向預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 軸承的潤滑 軸系的兩個超高速滾珠軸承的潤滑方案如圖2所示。 微型特種泵工作時，徑向葉輪提供部分液壓油經(jīng)圖中AB油路流入軸承腔，對軸承進行潤滑后，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，由于潤滑液壓油的循環(huán)流動．軸承在潤滑的過程中也可得到充分的冷卻。實驗表明這種潤滑方案構(gòu)思巧妙、結(jié)構(gòu)簡單、布局臺理、工作可靠。 [align=center] 圖2 微型特種泵軸系潤滑油路示意圖[/align] 4．3 流體自潤滑動壓油膜軸承在微型特種泵上的應用 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滑、冷卻等問題，國外研制出了徑向和軸向止推流體自潤滑動壓油膜軸承。以徑向軸承為例，流體自潤滑動壓油膜軸承結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。 [align=center] 圖3 動壓油膜軸承結(jié)構(gòu)示意圖[/align] 該軸承由一個支承用的外環(huán)，一個內(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。當泵開始工作時，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，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。因此使用流體自潤滑動壓油膜軸承后微型特種泵的軸系動力學特性相當完黃，工作轉(zhuǎn)速的設 不再受臨界轉(zhuǎn)速的影響。 5 結(jié)束語 作為一種特殊動力元件，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。隨著某些關鍵問題的解決（泵的工作效率等），這種泵以其卓越的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。完全可以應用到其他領域中。 參考文獻； [1] 是厚鈺 透平零件結(jié)構(gòu)和強度計尊[M]北京：機械工業(yè)出版社，1987． [2] 徐華舫．空氣動力學基礎EM3．北京：北京航空學院出版社，1987．