軸向柱塞泵摩擦副的研究進(jìn)展
摘要：現(xiàn)代液壓中，柱塞泵作為能量轉(zhuǎn)換的執(zhí)行部件，是液壓系統(tǒng)中為核心動力的裝置之一。其廣泛應(yīng)用于船舶、石油開采、工程機(jī)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(jié)構(gòu)更加簡單，制造成本更低，其端面配流的結(jié)構(gòu)更易實(shí)現(xiàn)無變量，且體積小、重量輕、維修方便，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上占更大優(yōu)勢，因此，端面配流的軸向柱塞泵是當(dāng)今使用為廣泛的柱塞泵 [1]。
關(guān)鍵詞：軸向柱塞泵；摩擦副；油膜設(shè)計(jì)
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(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。機(jī)械能驅(qū)動花鍵軸，帶動缸體旋轉(zhuǎn)，柱塞在缸體與斜盤的作用下作圓周的滑動及往復(fù)的活塞運(yùn)動，配合配流盤的通斷控制，實(shí)現(xiàn)吸油與排油的動作。軸向柱塞泵中關(guān)鍵的運(yùn)動摩擦副有三組：（1）滑靴與斜盤形成滑靴副，將缸體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為柱塞的直線運(yùn)動；（2）柱塞與缸體形成柱塞副，柱塞在柱塞腔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動運(yùn)動，形成吸油與排油過程；（3）缸體與配流盤形成配流副，實(shí)現(xiàn)周期性的配流動作[2]。柱塞泵在高速運(yùn)轉(zhuǎn)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(yùn)動部件直接接觸將導(dǎo)致摩擦副損毀，因此，在優(yōu)選匹配材料的同時(shí)，摩擦副之間要形成合理的油膜。摩擦副的優(yōu)化與設(shè)計(jì)對柱塞泵壽命、可靠性、效率、噪音等都有至關(guān)重要的影響。
1.滑靴與斜盤形成的滑靴副
柱塞泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滑靴在隨著柱塞進(jìn)行軸向運(yùn)動的同時(shí)還圍繞著主軸圓周運(yùn)動，在油液粘性摩擦的作用下，滑靴會繞自身中心旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動特性復(fù)雜；其受力也十分復(fù)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(shí)現(xiàn)的前提，合理的油膜狀態(tài)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(shí)現(xiàn)柱塞泵的高壓、大排量化。針對滑靴摩擦副，國內(nèi)外專家都做了大量的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[3]。
當(dāng)前，國際主流的油膜設(shè)計(jì)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(nèi)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(shí)控制摩擦副油膜在合理范圍內(nèi)[4]。靜壓支承設(shè)計(jì)法是流體靜壓技術(shù)在柱塞泵域的延伸，其設(shè)計(jì)原理同剩余壓緊力類似，但其在入口端設(shè)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(shí)現(xiàn)壓力反饋的閉環(huán)調(diào)節(jié)，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(wěn)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(zhì)的選取同樣重要?，F(xiàn)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(jìn)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(shí)，柱塞在缸體孔內(nèi)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(guān)鍵作用力，因滑靴反作用力與柱塞軸心存在一個(gè)變化的偏角，導(dǎo)致柱塞存在一個(gè)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(shè)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(qū)時(shí)，會倒灌形成流液沖擊，并伴隨有強(qiáng)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(yīng)該越小越好。現(xiàn)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(shè)計(jì)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(shí)也會增大加工難度，國內(nèi)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(jīng)驗(yàn)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(jié)構(gòu)發(fā)展到今天采用靜壓支承的球面配流結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)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(xiàn)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(xiàn)今研究的主要方向。
目前，配流機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用較多的有靜壓支承法、剩余壓緊法與綜合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)類似，且配流副的選材也是銅與鋼的匹配，缸體燒結(jié)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(shè)減震槽、孔，設(shè)計(jì)錯(cuò)配角的方式，在避免形成困油的同時(shí)，減小高、低壓油接通的油液沖擊，以達(dá)到減震降噪的目的[6]。
隨著柱塞泵向超高壓、大功率方向發(fā)展，開發(fā)更耐磨、更高強(qiáng)度的新型材料迫在眉睫。國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)已進(jìn)行了大量新型材料試驗(yàn)，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(yōu)良的潤滑性能；測試技術(shù)的發(fā)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(yàn)研究為摩擦副向更可靠、更優(yōu)化的方向發(fā)展提供實(shí)證支撐，摩擦副的研究正向著微觀研究與實(shí)證研究的方向蓬勃發(fā)展。
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