高压轴向柱塞泵滑靴副性能测试液压系统的研究

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(1.清华大学 摩擦学国家重点实验室， 北京　100084；2.贵州大学 机械工程学院， 贵州 贵阳　550025)

引言

轴向柱塞泵是大功率液压驱动系统的心脏，不但在工程机械、冶金矿山设备和石油化工设备等主机行业，而且在水利工程、航海物流等领域有着广泛的应用[1]。在航空领域，轴向柱塞泵的应用更是举足轻重，目前，A380和B787等国际先进客机已采用35 MPa压力体制的高压轴向柱塞泵，而国产飞机还停留于21 MPa压力体制。因而，随着国内大飞机产业的不断发展，研制国产35 MPa高压轴向柱塞泵刻不容缓。

众所周知，轴向变量柱塞泵中有三对关键摩擦副：滑靴副、配流副和柱塞副，轴向柱塞泵的性能和寿命与此三对摩擦副的性能息息相关，其中，滑靴副是最为复杂的一对摩擦副，也是柱塞泵实际工作中容易发生故障一对摩擦副[2,3]。由此可见，揭示35 MPa高压轴向变量柱塞泵滑靴副的性能是研制国产35 MPa高压轴向变量柱塞泵过程中必须要解决的问题。目前，国内外对轴向变量柱塞泵滑靴副性能的研究主要是实测滑靴副油膜的性能参数或者搭建实验台进行模拟测试。早在1978年，英国学者Hooke等对排量为90 mL/r和330 mL/r的泵进行了实际工况的油膜测量[4]；1984年，日本防卫大学的井星正气等人实测了静压支承滑靴的油膜厚度，给出了一个转动周期内滑靴底面油膜厚度及压力的变化情况[2]；自20世纪90年代以来，土耳其学者 Koc对滑靴副的油膜厚度以及压力损失等进行了测量分析[5-7]。在国内，浙江大学和哈尔滨工业大学在对滑靴副油膜性能参数测量方面做出了比较突出的贡献，分别搭建了滑靴副润滑特性实验台[3]。但这些实验对台均属于模拟实验台，与泵的实际工况还是存在一定差距。

为了在35 MPa运行工况下实测高压轴向变量柱塞泵滑靴副的油膜性能参数，并尽可能使测试过程方便和简捷，需研制出一套专门的滑靴副性能测试液压系统。为此，拟在这方面做一些前期的工作。

1　高压轴向变量柱塞泵及滑靴副的结构

高压轴向变量柱塞泵的结构如图1所示，它主要由斜盘、滑靴、柱塞、缸体、回程盘、调节机构、泵壳、主轴以及轴承组成。其中，滑靴副的结构如图2所示，它主要由斜盘、滑靴和柱塞组成，由滑靴底面和斜盘表面构成一对高速摩擦副，在这两表面之间有一层薄薄的润滑油膜作为静压支承。

1.调节机构　2.泵壳　3.缸体　 4.主轴　5.轴承 6.回程盘　7.柱塞　8.滑靴　9.斜盘图1　高压轴向变量柱塞泵的结构

1.斜盘　2.滑靴　3.柱塞图2　高压轴向变量柱塞泵滑靴副的结构

滑靴底面和斜盘表面之间的这层油膜是整个泵工作的基础，它直接决定泵的工作性能。一旦这层油膜失效，将会出现金属与金属的直接接触，摩擦磨损产生大量的热量将会导致“烧靴”等现象的发生，从而严重影响整台泵的寿命。因而，为了研制出国产35 MPa高压轴向变量柱塞泵，需要对滑靴副的这层油膜的性能进行深入的研究。而要开展此研究，首要的是要设计出其性能参数测试系统，并对该系统的性能进行揭示。

2　柱塞泵滑靴副性能测试液压系统的设计及其AMESim仿真模型

为了测量出35 MPa高压轴向变量柱塞泵滑靴副的油膜性能参数，设计出的液压系统要能使被测泵在35 MPa的高压下长期稳定工作，该液压系统如图3所示。

1.液位液温计　2、13、15.过滤器　3.节流阀　4.二位二通电磁换向阀 5.先导式溢流阀　6.被测轴向变量柱塞泵　7.电动机　8.截止阀 9.压力表　10.单向阀　11.比例溢流阀　12.流量计　14.恒温控制箱图3　柱塞泵滑靴副性能测试液压系统的原理图

如图3所示，被测轴向变量柱塞泵6的压力由比例溢流阀11调节和控制。由于该系统的最高压力达35 MPa，液压冲击是不得不考虑的问题。为此，在启动时，要求逐渐调大比例溢流阀11的控制电流，使泵的压力逐渐升至35 MPa；在停止时，除了需逐渐调小其控制电流外，还要求其卸压性能要好，从而以防35 MPa的高压突然减小而造成严重的液压冲击。另一方面，为了便于操控该液压系统，需要在系统中设计卸荷回路，同时，在泵短时的卸荷过程中， 亦要避免液压冲击，为此，在系统中设计了由先导式溢流阀5和二位二通电磁换向阀4共同构成的卸荷回路，并在卸荷回路中增加了节流阀3以抑制卸荷过程中可能产生的液压冲击。

图4　柱塞泵滑靴副性能测试液压系统的AMESim仿真模型

为了揭示如图3所示液压系统的性能，在搭建实际液压系统前，需要对其液压性能进行仿真分析。为此，利用AMESim软件，建立了如图4所示的该液压系统的仿真模型。

3　仿真结果

通过计算，得到了图5～图8的仿真结果。图5为泵的压力曲线，由该图可以看出，在启动阶段，泵的压力上升曲线是线性的，在35 MPa工作阶段，泵的压力很平稳，在卸压阶段，泵的压力下降曲线亦是线性的，由此可见，在启动和停止过程中，泵的压力是随着比例溢流阀的控制电流线性增大(减小)而增大(减小)的，从而说明在该液压系统中，比例溢流阀能够平稳控制泵的压力，一方面为泵在35 MPa高压下运行提供了保障，另一方面亦有效地防止了液压冲击。

图5　泵的压力曲线

图6为不同电磁力下泵的压力曲线，该曲线说明在实验过程中，可以根据需要调整比例溢流阀电磁力的大小来获得系统所需的工作压力，从而为在不同工作压力下测量泵滑靴副油膜性能提供了前提保障。

图6　不同电磁力下泵的压力曲线

图7为泵的卸荷曲线，该曲线说明此系统的卸荷过程比较平稳，有效地抑制了系统的液压冲击；图8为在不同流量下泵的压力曲线，该曲线说明在在不同流量下泵能维持在高压下运行，从而为在实验过程中改变泵的流量进行测量提供了前提保障。

图7　泵的卸荷曲线

图8　不同流量下泵的压力曲线

4　结论

滑靴副是轴向变量柱塞泵中一对非常关键的摩擦副，其油膜性能直接决定整台泵的工作性能。为了测量出滑靴副的油膜性能参数，需要专门搭建一套滑靴副性能测试液压系统，并对该系统的性能进行揭示。通过仿真研究，可得出如下结论：

(1) 设计的柱塞泵滑靴副性能测试液压系统的压力特性良好，其卸压性能满足工作要求，其卸荷性能良好；

(2) 尽管该液压系统最高工作压力达35 MPa，因采用了比例溢流阀的控制方式和节流卸荷的措施，无论是卸压还是卸荷过程，液压冲击均得到了有效的抑制。

由此可见，所设计的柱塞泵滑靴副性能测试液压系统能够满足泵在35 MPa高压工况下平稳运行的要求，从而为其滑靴副油膜性能参数的测量提供了强有力的硬件支撑。

参考文献：

[1]王彬，周华，杨华勇. 轴向柱塞泵配流副油膜试验原理及控制特性[J]. 机械工程学报，2009，45(11): 113-118.

[2]张力，项辉宇，赵罘，等. 斜盘式轴向柱塞泵摩擦副分析[J]. 机床与液压，2007，35(6)：120-122.

[3]庄欠伟，周华，艾青林. 轴向柱塞泵滑靴副润滑特性实验台的研制[J]. 机床与液压，2005，(3)：113-114.

[4]许耀铭. 油膜理论与液压泵和马达的摩擦副设计[M]. 北京：机械工业出版社，1987.

[5]KOC E，HOOKE C J. Considerations in the Design of Partially Hydrostatic Slipper Bearings [J]. Tribology International, 1997, 30(11)：815-823.

[6]KOC E, HOOKE C J. Source Investigation into the Effects of Orifice Size, Offset and Overclamp Ratio on the Lubrication of Slipper Bearings [J]. Tribology International, 1996, 29(4)：299-305.

[7]KOC E, KURBAN A O, HOOKE C J. An Analysis of the Lubrication Mechanisms of the Bush-type Bearings in High Pressure Pumps [J]. Tribology International, 1997, 30(8): 553-560.