軸向柱塞泵摩擦副的研究進展
摘要：現代液壓中，柱塞泵作為能量轉換的執行部件，是液壓系統中為核心動力的裝置之一。其廣泛應用于船舶、石油開采、工程機械等域。柱塞泵按照柱塞的排列形式不同，有徑向柱塞泵與軸向柱塞泵之分。軸向柱塞泵較徑向柱塞泵而言，結構更加簡單，制造成本更低，其端面配流的結構更易實現無變量，且體積小、重量輕、維修方便，在技術經濟指標上占更大優勢，因此，端面配流的軸向柱塞泵是當今使用為廣泛的柱塞泵 [1]。
關鍵詞：軸向柱塞泵；摩擦副；油膜設計
軸向柱塞泵作為一種容積式變量泵，其通過吸油腔與壓油腔容積的變化，將機械能轉化為液壓能。機械能驅動花鍵軸，帶動缸體旋轉，柱塞在缸體與斜盤的作用下作圓周的滑動及往復的活塞運動，配合配流盤的通斷控制，實現吸油與排油的動作。軸向柱塞泵中關鍵的運動摩擦副有三組：（1）滑靴與斜盤形成滑靴副，將缸體旋轉運動轉化為柱塞的直線運動；（2）柱塞與缸體形成柱塞副，柱塞在柱塞腔內往復運動運動，形成吸油與排油過程；（3）缸體與配流盤形成配流副，實現周期性的配流動作[2]。柱塞泵在高速運轉過程中，摩擦副將承受巨大的壓力或扭矩，且各摩擦副的摩擦形式均為滑動摩擦，若相對運動部件直接接觸將導致摩擦副損毀，因此，在優選匹配材料的同時，摩擦副之間要形成合理的油膜。摩擦副的優化與設計對柱塞泵壽命、可靠性、效率、噪音等都有至關重要的影響。
1.滑靴與斜盤形成的滑靴副
柱塞泵在運轉時，滑靴在隨著柱塞進行軸向運動的同時還圍繞著主軸圓周運動，在油液粘性摩擦的作用下，滑靴會繞自身中心旋轉，運動特性復雜；其受力也十分復雜，除受到柱塞、彈簧的壓力和斜盤的反作用力外，還承受離心力、傾覆力、摩擦力及油膜壓力等。因此，潤滑油膜的建立是柱塞泵功能實現的前提，合理的油膜狀態不但能改善摩擦副的潤滑條件，而且能突破摩擦副處比功[pv]的限制，實現柱塞泵的高壓、大排量化。針對滑靴摩擦副，國內外專家都做了大量的理論研究與實驗驗證[3]。
當前，國際主流的油膜設計方法有剩余壓緊力法與靜壓支承法兩種。剩余壓緊力法是將柱塞孔內高壓油引入滑靴與斜盤的接觸面之間，靠高壓油的反支承力平衡大部分滑靴所受得壓緊力，而剩余壓緊力用以保證滑靴壓緊斜盤不滑脫同時控制摩擦副油膜在合理范圍內[4]。靜壓支承設計法是流體靜壓技術在柱塞泵域的延伸，其設計原理同剩余壓緊力類似，但其在入口端設置了阻力孔，由固定阻尼與支承面可變間隙阻尼組合形成的靜壓支承，能實現壓力反饋的閉環調節，保證油膜建立的可靠性[5]。
油膜能大幅降低摩擦副磨損，提高泵的壽命，但液體與金屬之間的磨損、油膜穩定前金屬之間的磨損同樣是存在，因此，要提高泵的使用壽命，摩擦副材質的選取同樣重要。現在使用為廣泛的是銅基與鐵基的配對使用，如ZQAl9-4和QT60-2做摩擦副。為提高零件耐磨性，銅滑靴可采用冷成型加工，進行深冷處理等特殊工藝，斜盤多采用表面氮化的方式提高其耐磨性與抗咬合性。
2.柱塞與缸體形成柱塞副
柱塞泵在工作時，柱塞在缸體孔內作軸向滑動，完成吸油與壓油的動作。柱塞受滑靴反作用力、襯套摩擦力、油壓力等關鍵作用力，因滑靴反作用力與柱塞軸心存在一個變化的偏角，導致柱塞存在一個變化的偏置力矩，加快摩擦副的磨損。為降低偏置力矩對摩擦副的影響，多在柱塞上設開均壓槽，通過引入高壓油來有效平衡偏置力矩。此外，柱塞在排油行程中，始終有一部分空間無法排空油，從而形成一種無效容積，稱為死容積。死容積的油液從高壓去帶入低壓區時，會倒灌形成流液沖擊，并伴隨有強烈的噪音，此外，死容積過大將造成較大的容積效率的損失，因此，死容積應該越小越好。現在多采用塑料填充或厚壁式柱塞的方法降低死容積空間。而柱塞副多選用ZQAl9-4做襯套，38CrMoAl氮化作為柱塞的組合形式。
配合間隙的選取，是柱塞副設計的另一重要問題。間隙過大，則加劇泄露，容積效率降低；間隙太小，易造成卡死，同時也會增大加工難度，國內一般選取配合間隙為柱塞直徑的千分之一左右，這一比值是平衡效率與可靠性的通用經驗式。
3.缸體與配流盤形成配流副
配流副由帶推力軸承的平面配流結構發展到今天采用靜壓支承的球面配流結構，其設計日趨完善，但依然是柱塞泵的主要失效部件之一。其主要失效形式為異常磨損與氣蝕，表現為噪聲、振動、效率降低，這使得配流副的減震降噪、潤滑泄露成為現今研究的主要方向。
目前，配流機構設計采用較多的有靜壓支承法、剩余壓緊法與綜合設計法三類，用以改善配流副的潤滑問題，其原理同滑靴副的油膜設計類似，且配流副的選材也是銅與鋼的匹配，缸體燒結銅合金，配流盤多采用氮化鋼。而減震降噪的措施主要通過在配流盤上面開設減震槽、孔，設計錯配角的方式，在避免形成困油的同時，減小高、低壓油接通的油液沖擊，以達到減震降噪的目的[6]。
隨著柱塞泵向超高壓、大功率方向發展，開發更耐磨、更高強度的新型材料迫在眉睫。國內外多家研究機構已進行了大量新型材料試驗，取得豐碩的研究成果。如工程陶瓷材料與金屬匹配的摩擦副具備優良的潤滑性能；測試技術的發展也帶動柱塞泵油膜特性的研究，大量油膜壓力場、溫度場的試驗研究為摩擦副向更可靠、更優化的方向發展提供實證支撐，摩擦副的研究正向著微觀研究與實證研究的方向蓬勃發展。
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