， ， ， 　

(1.清華大學(xué) 摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100084；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 貴州 貴陽　550025)

引言

軸向柱塞泵是大功率液壓驅(qū)動系統(tǒng)的心臟，不但在工程機(jī)械、冶金礦山設(shè)備和石油化工設(shè)備等主機(jī)行業(yè)，而且在水利工程、航海物流等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。在航空領(lǐng)域，軸向柱塞泵的應(yīng)用更是舉足輕重，目前，A380和B787等國際先進(jìn)客機(jī)已采用35 MPa壓力體制的高壓軸向柱塞泵，而國產(chǎn)飛機(jī)還停留于21 MPa壓力體制。因而，隨著國內(nèi)大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，研制國產(chǎn)35 MPa高壓軸向柱塞泵刻不容緩。

眾所周知，軸向變量柱塞泵中有三對關(guān)鍵摩擦副：滑靴副、配流副和柱塞副，軸向柱塞泵的性能和壽命與此三對摩擦副的性能息息相關(guān)，其中，滑靴副是最為復(fù)雜的一對摩擦副，也是柱塞泵實(shí)際工作中容易發(fā)生故障一對摩擦副[2,3]。由此可見，揭示35 MPa高壓軸向變量柱塞泵滑靴副的性能是研制國產(chǎn)35 MPa高壓軸向變量柱塞泵過程中必須要解決的問題。目前，國內(nèi)外對軸向變量柱塞泵滑靴副性能的研究主要是實(shí)測滑靴副油膜的性能參數(shù)或者搭建實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行模擬測試。早在1978年，英國學(xué)者Hooke等對排量為90 mL/r和330 mL/r的泵進(jìn)行了實(shí)際工況的油膜測量[4]；1984年，日本防衛(wèi)大學(xué)的井星正氣等人實(shí)測了靜壓支承滑靴的油膜厚度，給出了一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)滑靴底面油膜厚度及壓力的變化情況[2]；自20世紀(jì)90年代以來，土耳其學(xué)者 Koc對滑靴副的油膜厚度以及壓力損失等進(jìn)行了測量分析[5-7]。在國內(nèi)，浙江大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)在對滑靴副油膜性能參數(shù)測量方面做出了比較突出的貢獻(xiàn)，分別搭建了滑靴副潤滑特性實(shí)驗(yàn)臺[3]。但這些實(shí)驗(yàn)對臺均屬于模擬實(shí)驗(yàn)臺，與泵的實(shí)際工況還是存在一定差距。

為了在35 MPa運(yùn)行工況下實(shí)測高壓軸向變量柱塞泵滑靴副的油膜性能參數(shù)，并盡可能使測試過程方便和簡捷，需研制出一套專門的滑靴副性能測試液壓系統(tǒng)。為此，擬在這方面做一些前期的工作。

1　高壓軸向變量柱塞泵及滑靴副的結(jié)構(gòu)

高壓軸向變量柱塞泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由斜盤、滑靴、柱塞、缸體、回程盤、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、泵殼、主軸以及軸承組成。其中，滑靴副的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由斜盤、滑靴和柱塞組成，由滑靴底面和斜盤表面構(gòu)成一對高速摩擦副，在這兩表面之間有一層薄薄的潤滑油膜作為靜壓支承。

1.調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)　2.泵殼　3.缸體　 4.主軸　5.軸承 6.回程盤　7.柱塞　8.滑靴　9.斜盤圖1　高壓軸向變量柱塞泵的結(jié)構(gòu)

1.斜盤　2.滑靴　3.柱塞圖2　高壓軸向變量柱塞泵滑靴副的結(jié)構(gòu)

滑靴底面和斜盤表面之間的這層油膜是整個泵工作的基礎(chǔ)，它直接決定泵的工作性能。一旦這層油膜失效，將會出現(xiàn)金屬與金屬的直接接觸，摩擦磨損產(chǎn)生大量的熱量將會導(dǎo)致“燒靴”等現(xiàn)象的發(fā)生，從而嚴(yán)重影響整臺泵的壽命。因而，為了研制出國產(chǎn)35 MPa高壓軸向變量柱塞泵，需要對滑靴副的這層油膜的性能進(jìn)行深入的研究。而要開展此研究，首要的是要設(shè)計(jì)出其性能參數(shù)測試系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行揭示。

2　柱塞泵滑靴副性能測試液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其AMESim仿真模型

為了測量出35 MPa高壓軸向變量柱塞泵滑靴副的油膜性能參數(shù)，設(shè)計(jì)出的液壓系統(tǒng)要能使被測泵在35 MPa的高壓下長期穩(wěn)定工作，該液壓系統(tǒng)如圖3所示。

1.液位液溫計(jì)　2、13、15.過濾器　3.節(jié)流閥　4.二位二通電磁換向閥 5.先導(dǎo)式溢流閥　6.被測軸向變量柱塞泵　7.電動機(jī)　8.截止閥 9.壓力表　10.單向閥　11.比例溢流閥　12.流量計(jì)　14.恒溫控制箱圖3　柱塞泵滑靴副性能測試液壓系統(tǒng)的原理圖

如圖3所示，被測軸向變量柱塞泵6的壓力由比例溢流閥11調(diào)節(jié)和控制。由于該系統(tǒng)的最高壓力達(dá)35 MPa，液壓沖擊是不得不考慮的問題。為此，在啟動時，要求逐漸調(diào)大比例溢流閥11的控制電流，使泵的壓力逐漸升至35 MPa；在停止時，除了需逐漸調(diào)小其控制電流外，還要求其卸壓性能要好，從而以防35 MPa的高壓突然減小而造成嚴(yán)重的液壓沖擊。另一方面，為了便于操控該液壓系統(tǒng)，需要在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)卸荷回路，同時，在泵短時的卸荷過程中， 亦要避免液壓沖擊，為此，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了由先導(dǎo)式溢流閥5和二位二通電磁換向閥4共同構(gòu)成的卸荷回路，并在卸荷回路中增加了節(jié)流閥3以抑制卸荷過程中可能產(chǎn)生的液壓沖擊。

圖4　柱塞泵滑靴副性能測試液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型

為了揭示如圖3所示液壓系統(tǒng)的性能，在搭建實(shí)際液壓系統(tǒng)前，需要對其液壓性能進(jìn)行仿真分析。為此，利用AMESim軟件，建立了如圖4所示的該液壓系統(tǒng)的仿真模型。

3　仿真結(jié)果

通過計(jì)算，得到了圖5～圖8的仿真結(jié)果。圖5為泵的壓力曲線，由該圖可以看出，在啟動階段，泵的壓力上升曲線是線性的，在35 MPa工作階段，泵的壓力很平穩(wěn)，在卸壓階段，泵的壓力下降曲線亦是線性的，由此可見，在啟動和停止過程中，泵的壓力是隨著比例溢流閥的控制電流線性增大(減小)而增大(減小)的，從而說明在該液壓系統(tǒng)中，比例溢流閥能夠平穩(wěn)控制泵的壓力，一方面為泵在35 MPa高壓下運(yùn)行提供了保障，另一方面亦有效地防止了液壓沖擊。

圖5　泵的壓力曲線

圖6為不同電磁力下泵的壓力曲線，該曲線說明在實(shí)驗(yàn)過程中，可以根據(jù)需要調(diào)整比例溢流閥電磁力的大小來獲得系統(tǒng)所需的工作壓力，從而為在不同工作壓力下測量泵滑靴副油膜性能提供了前提保障。

圖6　不同電磁力下泵的壓力曲線

圖7為泵的卸荷曲線，該曲線說明此系統(tǒng)的卸荷過程比較平穩(wěn)，有效地抑制了系統(tǒng)的液壓沖擊；圖8為在不同流量下泵的壓力曲線，該曲線說明在在不同流量下泵能維持在高壓下運(yùn)行，從而為在實(shí)驗(yàn)過程中改變泵的流量進(jìn)行測量提供了前提保障。

圖7　泵的卸荷曲線

圖8　不同流量下泵的壓力曲線

4　結(jié)論

滑靴副是軸向變量柱塞泵中一對非常關(guān)鍵的摩擦副，其油膜性能直接決定整臺泵的工作性能。為了測量出滑靴副的油膜性能參數(shù)，需要專門搭建一套滑靴副性能測試液壓系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行揭示。通過仿真研究，可得出如下結(jié)論：

(1) 設(shè)計(jì)的柱塞泵滑靴副性能測試液壓系統(tǒng)的壓力特性良好，其卸壓性能滿足工作要求，其卸荷性能良好；

(2) 盡管該液壓系統(tǒng)最高工作壓力達(dá)35 MPa，因采用了比例溢流閥的控制方式和節(jié)流卸荷的措施，無論是卸壓還是卸荷過程，液壓沖擊均得到了有效的抑制。

由此可見，所設(shè)計(jì)的柱塞泵滑靴副性能測試液壓系統(tǒng)能夠滿足泵在35 MPa高壓工況下平穩(wěn)運(yùn)行的要求，從而為其滑靴副油膜性能參數(shù)的測量提供了強(qiáng)有力的硬件支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]王彬，周華，楊華勇. 軸向柱塞泵配流副油膜試驗(yàn)原理及控制特性[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2009，45(11): 113-118.

[2]張力，項(xiàng)輝宇，趙罘，等. 斜盤式軸向柱塞泵摩擦副分析[J]. 機(jī)床與液壓，2007，35(6)：120-122.

[3]莊欠偉，周華，艾青林. 軸向柱塞泵滑靴副潤滑特性實(shí)驗(yàn)臺的研制[J]. 機(jī)床與液壓，2005，(3)：113-114.

[4]許耀銘. 油膜理論與液壓泵和馬達(dá)的摩擦副設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)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.