轴向柱塞泵摩擦副的研究进展
《高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副润滑与密封性能研究》范文
《高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副润滑与密封性能研究》篇一一、引言随着现代工业的飞速发展，对机械设备的性能、效率、可靠性和使用寿命要求日益提高。
高水基径向柱塞泵作为液压传动系统中的关键部件，其性能的优劣直接影响到整个系统的运行效果。
往复密封摩擦副作为柱塞泵的核心部分，其润滑与密封性能的优劣，更是决定泵工作效率和使用寿命的关键因素。
因此，对高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副的润滑与密封性能进行研究，具有重要的理论价值和实际应用意义。
二、高水基径向柱塞泵概述高水基径向柱塞泵是一种利用高压水为工作介质的液压泵，具有结构紧凑、运行平稳、噪音低、寿命长等特点。
其工作原理是依靠柱塞在缸体中做往复运动，实现液体的吸入和排出。
而往复密封摩擦副则是保证柱塞与缸体之间密封性能的关键部件。
三、润滑与密封性能研究（一）润滑性能研究润滑是保证往复密封摩擦副正常工作的重要条件。
高水基径向柱塞泵的润滑主要依靠润滑油膜的建立和保持。
润滑油膜不仅可以减小摩擦副之间的摩擦阻力，降低磨损，还可以起到冷却、防锈和缓冲冲击的作用。
因此，研究润滑油膜的形成机理、稳定性及影响因素，对于提高往复密封摩擦副的润滑性能具有重要意义。
（二）密封性能研究密封性能是往复密封摩擦副的基本功能之一。
高水基径向柱塞泵的密封性能主要取决于密封材料的选用和密封结构的设计。
密封材料应具有优良的耐磨性、抗腐蚀性和抗老化性；密封结构应能有效地防止液体泄漏，同时便于安装和维修。
因此，研究密封材料的性能、密封结构的设计及优化，对于提高往复密封摩擦副的密封性能具有重要意义。
四、研究方法与实验（一）理论分析通过建立往复密封摩擦副的数学模型，分析润滑油膜的形成过程、摩擦副的运动规律及影响因素，为优化润滑与密封性能提供理论依据。
（二）实验研究通过实验测试往复密封摩擦副的润滑与密封性能，包括摩擦系数、磨损量、泄漏量等指标。
通过对比不同润滑条件、密封材料和结构下的性能指标，分析各因素对往复密封摩擦副性能的影响规律。
《高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副润滑与密封性能研究》
《高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副润滑与密封性能研究》一、引言高水基径向柱塞泵作为一种重要的流体动力传输设备，其性能的优劣直接关系到工业生产效率和设备运行稳定性。
其中，往复密封摩擦副作为泵的核心部件之一，其润滑与密封性能的优劣直接影响到泵的寿命和运行效率。
因此，对高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副的润滑与密封性能进行研究，具有重要的理论价值和实践意义。
二、往复密封摩擦副的结构与工作原理往复密封摩擦副主要由柱塞、密封环、泵体等部分组成。
其工作原理是，柱塞在泵体的驱动下做往复运动，通过与密封环的摩擦配合，实现流体的吸入和排出。
在这种工作过程中，润滑与密封的性能直接影响到柱塞与密封环之间的摩擦磨损和流体泄漏。
三、润滑性能研究（一）润滑剂的选择高水基润滑剂因其良好的润滑性能、环保性和抗磨性能，被广泛应用于柱塞泵的润滑。
通过实验，可以发现适当的高水基润滑剂可以有效地减少柱塞与密封环之间的摩擦，延长设备的使用寿命。
（二）润滑方式的优化润滑方式的优化也是提高润滑性能的重要手段。
通过改进润滑系统的设计，如增加润滑油的循环次数、改善润滑油的分布等，可以有效地提高柱塞与密封环之间的润滑效果，减少磨损。
四、密封性能研究（一）密封材料的选择密封材料的选择直接影响到密封性能的优劣。
常用的密封材料有橡胶、工程塑料、金属等。
通过对不同材料的性能进行对比分析，选择适合高水基径向柱塞泵的密封材料，可以有效提高泵的密封性能。
（二）密封结构的优化除了密封材料的选择，密封结构的优化也是提高密封性能的关键。
通过改进密封结构的设计，如增加密封环的数量、改善密封环的安装精度等，可以有效地减少流体泄漏，提高泵的效率。
五、实验与结果分析通过实验，我们可以发现，优化后的往复密封摩擦副在润滑与密封性能方面有了显著的提高。
具体表现为：柱塞与密封环之间的摩擦系数降低，磨损程度减小；泵的泄漏率降低，效率提高。
这些结果充分证明了研究的有效性和实用性。
六、结论与展望通过对高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副的润滑与密封性能进行研究，我们找到了提高其性能的有效途径。
轴向柱塞泵减振降噪技术研究现状及进展
轴向柱塞泵减振降噪技术研究现状及进展摘要：近年来，随着科技水平的不断提高，我国工业领域得到蓬勃发展，生产力持续提升，轴向柱塞泵设备更新换代速度加快。
但在实际生产中，轴向柱塞泵设备生产过程中产生噪音，既造成了噪音污染问题，也使得生产环境复杂化，违背了安全生产、可持续发展理念，是轴向柱塞泵应用领域一项重要研究课题。
为有效解决这一问题，本文从技术角度切入，对减振降噪技术在轴向柱塞泵应用领域中的应用情况进行探讨，主要阐述了噪声源的控制方法。
关键词：减振降噪；轴向柱塞泵应用；技术应用；控制方法1轴向柱塞泵噪声的来源与分类1.1噪声来源轴向柱塞泵噪声的产生是受到外部环境、设备自身因素的影响，轴向柱塞泵设备没有稳定保持为最佳运行状态，从而在振动过程中产生的噪声。
例如，轴向柱塞泵设备结构应用不合理，在高强度运行状态下，部分零部件松动脱落、与其他零部件碰撞摩擦、或是与气流产生相互作用，在设备运行期间周期性产生噪声，如齿轮噪声、轴承噪声、电磁噪声、摩擦噪声、燃烧噪声等。
1.2噪声类型根据各类轴向柱塞泵设备实际运行情况、噪声产生原因来看，可以将轴向柱塞泵噪声分为轴向柱塞泵性噪声、空气动力性噪声两大类。
其中，轴向柱塞泵性噪声指轴向柱塞泵设备在运行期间轴向柱塞泵结垢在碰撞、震动期间持续产生的噪声，如齿轮噪声、结构噪声等等。
而空气动力性噪声指轴向柱塞泵设备结构与周边区域的高速不稳定气流进行相互作用，从而产生的噪声，如常见的燃烧噪声、旋转噪声、排气噪声。
2轴向柱塞泵应用中噪声源的控制方法2.1做好轴向柱塞泵设备选材工作根据相关实验结果显示，在轴向柱塞泵设备运行状态下，设备材质的内阻尼性能优劣，与设备所产生噪声分贝、振动力密切相关。
因此，材质内阻尼性能是衡量轴向柱塞泵设备减振降噪性能的主要指标。
而内阻尼性能泛指，材料承受激振力作用持续影响时，材料抑制振动能力与内部分子消耗吸收能量的极限。
简单来讲，设备材料的内阻尼性能越高，则所制造轴向柱塞泵设备的减振降噪效果越好，材料可以持续对机械设备运行期间产生的振动能量加以吸收，避免激振力传播至表面结构而形成噪音，以此起到减振降噪效果。
国外近40年来对轴向柱塞泵马达研究的综述-张海平
国外近40年来对轴向柱塞泵马达研究的综述-张海平Hydraulics Pneumatics &Seals/No.10.2015doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2015.10.001收稿日期：2015-07-27作者简介：张海平（1947-），男，江西湖口人，博士，主要从事液压技术方面的工作。
0引言斜盘轴向柱塞泵马达由于其结构特点，可以达到较高的效率和耐压，可以实现多种变量功能，因此，成为液压技术中的王牌元件。
但由于其一般有至少四对滑动摩擦副：配油盘-缸体、缸体-柱塞、柱塞头-滑履球窝、滑履-斜盘，润滑状况复杂，因此，耐久性就成为其关键指标，也是国内产品与世界先进水平差距最大的一方面。
为配合工业强基战略，特编写此文，主要参考了Breuer 的博士论文[1]（德国亚琛工大流体传动控制研究所IFAS 2007）中的文献综述部分和文献[2~6]。
为便于与参考文献对应检索，文中人名都保留拉丁字母。
1综述关于普通滑动轴承的摩擦状况，德国人Stribeck 根据大量测试结果，在1902年总结出了著名的Stribeck 曲线（见图1）。
从中可以看出，在混合摩擦区摩擦系数最小。
而由于在液体摩擦区，材料磨损最少，所以，滑动轴承较理想的是工作于混合摩擦与液体摩擦交界处。
该曲线对设计滑动轴承十分有价值，因此，被收入德国工业标准DIN 50281:1977-10《轴承中的摩擦：概念、种类、状况、物理量》。
然而，相比于普通滑动轴承，作用在轴向柱塞泵的摩擦副上的负荷、压力分布、几何和运动学的关系要复杂得多。
由于各个滑动点的耦合，柱塞在球窝接头和缸体孔内具有不确定的自由度，使得摩擦接触的计算相当困难。
就拿柱塞来说，柱塞虽然也有类似普通滑动轴承中的轴的转动，有轴向的平动，但还受到一个由滑履作用给柱塞的，在承载面积（缸体）之外的侧向力，使得柱塞带来的摩擦损失成为功率损失的主要部分。
因此，在传统滑动轴承理论基础上积累的经验，只能有限地应用[7~15]。
大排量柱塞泵滑靴副摩擦学性能研究
表面技术第52卷第11期大排量柱塞泵滑靴副摩擦学性能研究贾连辉1，张良2，徐莉萍2*，许顺海1，李泽魁1，李东林2，李健2（1.中铁工程装备集团有限公司，郑州 450001；2.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003）摘要：目的探究大排量柱塞泵滑靴副因底面尺寸大的特点所产生的不同于常规柱塞泵滑靴副的摩擦学性能。
方法首先，在考虑大底面滑靴高速旋转时形成线速度差的基础上，结合热楔效应以及热传导关系，建立一种在剩余压紧力状态下大排量柱塞泵滑靴副摩擦力的数学模型。
其次，仿真分析柱塞腔压力、主轴转速以及油液温度对滑靴副摩擦力的影响。
最后，搭建滑靴副摩擦力测试装置，并测量滑靴副所受摩擦力，验证所建立的滑靴副摩擦力数学模型的准确性。
结果滑靴副的总摩擦力由黏性摩擦力和犁沟力2部分组成。
随着转速的升高，滑靴副的总摩擦力会降低，犁沟力的占比逐渐增大，当转速由800 r/min上升至1 800 r/min 时，犁沟力所占比例由3.4%上升至11.9%。
随着压力的升高，滑靴副的总摩擦力上升，犁沟力所占比例增大，当压力由3 MPa上升至9 MPa时，犁沟力所占比例由0%上升至21.5%。
随着油液温度的升高，滑靴副的总摩擦力上升，犁沟力所占比例增大，当油温由25 ℃上升至55 ℃时，犁沟力所占比例由4.0%上升至17.1%。
结论研究揭示了黏性摩擦力在滑靴副所受摩擦力中的主导作用和犁沟力对摩擦力变化趋势的影响作用，仿真和试验结果的一致性表明所建立的数学模型能够准确描述大排量柱塞泵滑靴副摩擦力影响因素和变化规律。
关键词：大排量柱塞泵；滑靴副；大底面；线速度差；摩擦力中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)11-0248-10DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.11.019Friction Characteristics of Slipper Pair of LargeDisplacement Piston PumpJIA Lian-hui1, ZHANG Liang2, XU Li-ping2*, XU Shun-hai1, LI Ze-kui1, LI Dong-lin2, LI Jian2(1. China Railway Engineering Equipment Group Co., Ltd., Henan Zhengzhou 450001, China;2. School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Henan Luoyang 471003, China)ABSTRACT: As the most complex friction pair in the movement mechanism and working condition of large displacement piston pump (LDPP), the friction characteristics of the slipper pair have an important impact on the overall performance of the LDPP. Therefore, the research on the friction characteristics of slipper pair of LDPP has become a hot and difficult issue in the industry. Many experts and scholars have conducted in-depth research on the friction related收稿日期：2022-10-18；修订日期：2023-03-09Received：2022-10-18；Revised：2023-03-09基金项目：国家重点研发计划（2020YFB2007104）；国家自然科学基金项目（52105054）；河南省重点研发与推广专项（222102220012）Fund：National Key R&D Program (020YFB2007104); The National Natural Science Foundation of China (52105054); Key R&D and Promotion Project of Henan Province (222102220012)引文格式：贾连辉, 张良, 徐莉萍, 等. 大排量柱塞泵滑靴副摩擦学性能研究[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 248-257.JIA Lian-hui, ZHANG Liang, XU Li-ping, et al. Friction Characteristics of Slipper Pair of Large Displacement Piston Pump[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 248-257.*通信作者（Corresponding author）第52卷第11期贾连辉，等：大排量柱塞泵滑靴副摩擦学性能研究·249·characteristics of slipper pair. However, due to the test conditions, the research on the friction and wear of slipper pair mainly focuses on the torque loss and power loss caused by the friction of slipper pair of small and medium displacement piston pumps. The slipper pair of LDPP has a large area at the bottom of the slipper, so when the slipper rotates at a high speed, a linear velocity difference will be formed between the inner and outer positions of the slipper pair relative to the center of the swashplate. The cause and change rule of the friction of the slipper pair are different from those of the slipper pair of the small and medium displacement piston pump, while the generation and change rule of the friction of the slipper pair of the relevant LDPP are still lack of systematic analysis.In this work, with the slipper pair of LDPP as the research object, considering the linear velocity difference caused by high-speed rotation of large bottom slippers and combined with the thermal wedge effect and heat conduction relationship, a mathematical model of friction force of slipper pair of LDPP under the condition of residual compression force was established.Secondly, the factors affecting the friction force of slipper pair were analysed and simulated from three aspects: the pressure of piston cavity, the speed of spindle and the oil temperature at the inlet. Finally, a test device was built to measure the friction force on the slipper pair, and the accuracy of the friction mathematical model was verified. The total friction of the slipper pair consisted of viscous friction and furrow force. With the increase of the rotational speed, the total friction of the slipper pair decreased and the proportion of the furrow force gradually increased. When the rotational speed increased from 800 r/min to 1 800 r/min, the proportion of the furrow force increased from 3.4% to 11.9%. With the increase of the pressure, the total friction of the slipper pair rose, and the proportion of the furrow force increased. When the pressure rose from 3 MPa to 9 MPa, the proportion of the furrow force increased from 0% to 21.5%. With the increase of oil temperature, the total friction of the slipper pair rose, and the proportion of furrow force increased. When the oil temperature rose from 25 ℃ to 55 ℃, the proportion of furrow force increased from 4.0% to 17.1%.In summary, the research reveals the dominant role of viscous friction in the friction of slipper pair and the effect of furrow force on the trend of friction force change. The consistency between simulation and test results shows that the mathematical model established can accurately describe the factors affecting the friction of slipper pair of LDPP and the law of change.KEY WORDS: large displacement piston pump; slipper pair; large bottom; linear velocity difference; friction force液压系统作为工程机械、矿山设备等大型机械装备的核心组成部分，呈现出高压、大流量、高可靠性的发展趋势。
高转速轴向柱塞泵滑靴副流固热耦合仿真与材料摩擦学特性分析
高转速轴向柱塞泵滑靴副流固热耦合仿真与材料摩擦学特性分析高转速轴向柱塞泵滑靴副流固热耦合仿真与材料摩擦学特性分析摘要：随着工程技术的不断发展，高转速轴向柱塞泵在现代工业中越来越广泛地应用。
然而，由于高速运转过程中液体与机械部件之间的摩擦作用会引起能量的损耗和部件的磨损，因此，研究滑靴与副流固之间的摩擦学特性对于提高泵的效率和寿命至关重要。
本文采用有限元方法对高转速轴向柱塞泵滑靴副流固热耦合进行了仿真，并通过材料摩擦学特性分析，对影响滑靴摩擦性能的因素进行了探讨。
1. 引言轴向柱塞泵是一种将机械能转化为液体能量的重要设备，广泛应用于船舶、航空航天、石油化工等领域。
高转速下，泵的动态特性和摩擦学特性对其性能和寿命有着重要影响。
2. 数学模型的建立根据轴向柱塞泵的结构特点和工作原理，我们建立了其流体动力学模型和材料热学模型。
在流体动力学模型中，我们考虑了流体的压力、流速、温度等变量。
材料热学模型分析了滑靴和副流固之间的能量传递机制，并考虑了材料的热传导、扩散和对流。
3. 仿真结果与分析通过对数值模型的仿真计算，我们得到了不同工况下滑靴副流固的摩擦力和温度分布。
结果表明，在高转速工况下，摩擦力和温度分布不均匀，存在着较大的梯度。
摩擦力的不均匀分布会导致滑靴的不稳定运动和过大的摩擦损失，而温度梯度则会对材料的热膨胀和热应力造成影响。
4. 材料摩擦学特性分析根据仿真结果，我们进一步分析了滑靴和副流固之间的摩擦学特性。
不同材料和润滑条件下的摩擦系数、摩擦功率和摩擦损失进行了比较。
通过摩擦学特性的分析，可以选择适合的材料和润滑方式，以减小摩擦损失和提高泵的效率和寿命。
5. 结论本文利用有限元方法对高转速轴向柱塞泵滑靴副流固热耦合进行了仿真，并通过材料摩擦学特性分析，对影响滑靴摩擦性能的因素进行了探讨。
研究结果对于优化泵的设计和提高其性能具有重要意义。
未来，我们可以进一步研究其他影响因素，如润滑油的流动特性和泵的结构参数等，以提高泵的工作效率和寿命。
《高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副润滑与密封性能研究》
《高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副润滑与密封性能研究》一、引言高水基径向柱塞泵作为现代工业中的关键设备，其性能的稳定性和可靠性对于工业生产具有重要意义。
而其往复密封摩擦副的润滑与密封性能是影响其性能的关键因素之一。
因此，对高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副的润滑与密封性能进行研究，对于提高泵的可靠性、稳定性和寿命具有重要的实际意义。
二、往复密封摩擦副的基本原理及特点高水基径向柱塞泵的往复密封摩擦副主要由柱塞、缸体和密封件等组成。
在泵的工作过程中，柱塞在缸体内做往复运动，通过密封件的配合实现油液的输送。
其基本原理是利用密封件与柱塞和缸体之间的摩擦力来实现密封。
这种摩擦副的特点是密封性能好，但摩擦力大，易产生磨损和热量积累。
三、润滑性能研究润滑是保证往复密封摩擦副正常运行的关键因素之一。
针对高水基径向柱塞泵的往复密封摩擦副，其润滑性能的研究主要关注以下几个方面：1. 润滑剂的选用：应选用具有良好润滑性能、抗磨性能和极压性能的润滑剂，以减少摩擦和磨损，提高泵的寿命。
2. 润滑方式：润滑方式的选择直接影响着润滑效果。
对于高水基径向柱塞泵，通常采用压力润滑和飞溅润滑相结合的方式，以保证润滑剂的均匀分布和及时补充。
3. 润滑剂的性能评估：通过对润滑剂的摩擦系数、磨痕直径、磨损率等指标进行测试和分析，评估润滑剂的性能，为润滑剂的优化提供依据。
四、密封性能研究密封性能是往复密封摩擦副的重要性能指标之一。
针对高水基径向柱塞泵的往复密封摩擦副，其密封性能的研究主要关注以下几个方面：1. 密封件的选择：应选择具有良好弹性、耐磨性和耐压性的密封件，以保证良好的密封性能。
2. 密封结构的优化：通过优化密封结构，如增加密封唇的数量、改变唇部形状等，提高密封性能。
3. 泄漏量的评估：通过实验测试和分析，评估泵的泄漏量，为泵的优化设计提供依据。
五、实验研究及结果分析通过实验研究，对高水基径向柱塞泵往复密封摩擦副的润滑与密封性能进行测试和分析。
轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展
第54卷 第4期2023年7月太原理工大学学报J O U R N A L O F T A I Y U A N U N I V E R S I T Y O F T E C HN O L O G YV o l .54N o .4 J u l .2023引文格式:林乃明,王杰,王强,等.轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展[J ].太原理工大学学报,2023,54(4):585-598.L I N N a i m i n g ,WA N G J i e ,WA N G Q i a n g ,e t a l .P r o g r e s s o n t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d s u r f a c e t e x t u r i n g of p l u ng e r p a i r s i n a x i a l p i s t o n p u m p [J ].J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e ch n o l o g y,2023,54(4):585-598.收稿日期:2022-08-29;修回日期:2023-04-18基金项目:国家自然科学基金资助项目(51501125);山西省应用基础研究计划项目(201901D 111063);山西省回国留学人员科研资助项目(2020-035) 第一作者:林乃明(1981-),博士,副教授,主要从事金属材料表面改性的研究,(E -m a i l )l n m l z 33@126.c o m通信作者:吴玉程(1962-),博士,教授,主要从事能源材料㊁表面工程等的研究,(E -m a i l )w y c @t yu t .e d u .c n 轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展林乃明1,王 杰1,王 强1,王焕焕1,袁 烁1,刘志奇2,曾群锋3,吴玉程4(1.太原理工大学材料科学与工程学院,太原030024;2.太原科技大学机械工程学院,太原030024;3.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部实验室,西安710049;4.合肥工业大学有色金属与加工国家地方联合工程研究中心,合肥230009)摘 要:ʌ目的ɔ为提升柱塞泵的性能㊁寿命与安全运行提供参考㊂ʌ方法ɔ从理论计算及仿真的角度综述了柱塞副的油膜特性,针对其厚度场㊁压力场和温度场进行了分析,概述了柱塞副的摩擦学特性㊁润滑介质和匹配材料对其摩擦学行为的影响,列举了具有更低磨损率的柱塞副匹配材料,阐述了表面织构的润滑减摩机理及表面织构的形状㊁面积率和尺寸及分布方式等因素对柱塞副摩擦学性能的影响㊂ʌ结论ɔ轴向柱塞泵是液压装备的核心元件,被称作液压系统的 心脏 ㊂柱塞泵关键摩擦副服役状态下的磨损严重威胁着装备的可靠运行和长寿命服役安全,更是制约柱塞泵发展和应用的技术瓶颈㊂柱塞副是轴向柱塞泵中数量最多㊁最为关键的摩擦副之一,其摩擦学性能直接决定了柱塞泵的服役寿命㊂当柱塞副油膜润滑不良时,轴向柱塞泵会严重损坏㊂关键词:轴向柱塞泵;柱塞副;油膜;摩擦学特性;表面织构中图分类号:T G 141 文献标识码:AD O I :10.16355/j .c n k i .i s s n 1007-9432t yu t .2023.04.002 文章编号:1007-9432(2023)04-0585-14P r o g r e s s o n T r i b o l o gi c a l C h a r a c t e r i s t i c s a n d S u r f a c e T e x t u r i n g o f P l u n g e r P a i r s i n A x i a l P i s t o n P u m pL I N N a i m i n g 1,W A N G J i e 1,W A N G Q i a n g 1,W AN G H u a n h u a n 1,Y U A N S h u o 1,L I U Z h i q i 2,Z E N G Q u n f e n g 3,W U Y u c h e n g4(1.C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,T a i yu a n 030024,C h i n a ;2.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,T a i yu a n 030024,C h i n a ;3.L a b o r a t o r y o f M o d e r n D e s i g n a n d R o t o r B e a r i n g S y s t e m ,M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n ,X i a n J i a o t o n g U n i ve r s i t y ,X i a n 710049,C h i n a ;4.N a t i o n a l a n d L o c a l J o i n t E n g i n e e r i n g Re s e a r c h C e n t e rf o r N o n f e r r o u s M e t a l s a n d P r o c e s s i ng ,H e f e i U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ,H e fe i 230009,C h i n a )A b s t r a c t :ʌP u r po s e s ɔI t w a s e x p e c t e d t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e ,l i f e t i m e a n d s e r v i c e s a f e t y o f p i s t o n p u m p.ʌM e t h o d s ɔT h i s w o r k r e v i e w e d t h e o i l f i l m c h a r a t e r i s -t i c s o f p l u n ge r p a i r sf r o m t h e v i e w o f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n a n d s i m u l a t i o n .T h e t h i c k n e s s f i e l d ,p r e s s u r e f i e l d ,a n d t e m p e r a t u r e f i e l d o f o i l f i l m w e r e a n a l yz e d t o e l u c i d a t e t h e l u b r i c a t i o n p e r -f o r m a n c e .T h e t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f p l u n ge r p a i r s ,a n d t h e ef f e c t o f l u b r i c a t i o n m e d i u m a n d m a t c h i ng m a t e r i a l s o n th ei r t r i b o l o g i c a l b e h a v i o r w e r e s u mm a r i z e d .T h e p l u n ge r p a i r s m a t c -h i n g ma t e r i a l s w i t h l o w w e a r r a t e a t p r e s e n t w e r e e n l i s t e d .T h e l ub r ic a t i o n a nd f r i c t i o n re d u c t i o n m e c h a n i s m of s u r f a c e t e x t u r e ,a n d t h e e f f e c t o f t e x t u r e s h a pe ,a r e a r a t i o ,s i z e ,a n d d i s t r i b u t i o n o n t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s of p l u ng e r p a i r s w e r e e l u c i d a t e d .ʌC o n c l u s i o n s ɔA x i a l p i s t o n p u m p is t h e c o r e c o m p o n e n t o f h y d r a u l i c e q u i p m e n t ,k n o w n a s t h e 'h e a r t 'o f h y d r a u l i c s ys t e m.T h e w e a r o f k e y f r i c t i o n p a i r s o f p i s t o n p u m p i n s e r v i c e c o n d i t i o n s e r i o u s l y t h r e a t e n s t h e r e l i a b l e o pe r a t i o n a n d l o n g l if e s e r v i c e s a f e t y o f e q u i p m e n t ,a n d i s a l s o a t e c h n i c a l b o t t l e n e c k r e s t r i c t i ng th e d e v e l -o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f p i s t o n p u m p .P l u n g e r p a i r s a r e o n e o f t h e m o s t n u m e r o u s a n d k e yf r i c -t i o n p a i r s i n a x i a l p i s t o n p u m p ,a n d t h e i r t r i b o l og i c a l p e r f o r m a n c e d i r e c t l y de t e r m i n e s t h e s e r v i c e l if e o f p i s t o n p u m p .T h e a x i a l p i s t o n p u m p w i l l b e s e r i o u s l y d a m ag e d i f th e p l u n g e r pa i r s a r e w i t h po o r l u b r i c a t i o n .K e yw o r d s :A x i a l p i s t o n p u m p ;P i s t o n p a i r ;O i l f i l m p r o p e r t i e s ;T r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ;S u r f a c e t e x t u r e液压传动是液体介质进行能量与信号传递㊁转化㊁分配和控制的一种传动方式,是现代机械传动与控制的关键技术之一[1]㊂液压泵是液压传动系统的核心及动力源,其效率的高低决定着液压系统的服役性能与使用寿命[2]㊂轴向柱塞泵(图1(a))因其容积效率高㊁运转平稳㊁噪声低㊁工作压力高等优势而广泛应用于液压传动系统[3-4]㊂轴向柱塞泵主要有两种类型,分别为斜盘式和斜轴式,而本文主要针对的是斜盘式轴向柱塞泵,其中共存在三组关键摩擦副如图1(b )所示:1)由滑靴与斜盘形成的滑靴缸膛柱塞缸体轴斜盘阀（a ）轴向柱塞泵滑靴副配流副柱塞副（b ）斜盘式轴向柱塞泵的摩擦副图1 轴向柱塞泵及斜盘式轴向柱塞泵摩擦副示意图F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f a n a x i a l p i s t o n p u m p an d f r i c t i o n p a i r s o f a s w a s h p l a t e a x i a l p i s t o n p u m p副;2)由柱塞与缸体形成的柱塞副;3)由缸体与配流盘形成的配流副[5]㊂与斜盘式轴向柱塞泵不同的是,斜轴式不存在滑靴副㊂轴向柱塞泵在高速㊁高压以及交变应力等复杂㊁苛刻工况下服役[5]㊂柱塞副对柱塞泵的作用主要有三方面:首先是密封作用,合理的摩擦副间隙可以形成密封面,防止液压油泄露;其次是润滑作用,由于柱塞副间存在润滑油膜,使得配副间由原来的干摩擦变为润滑膜分子间的摩擦,极大避免了磨损,提高了泵的使用寿命;最后是传递动力的作用,其运动示意图如图2所示,在高速旋转过程中,柱塞副将传递和承受较大的力或力矩作用[7-8]㊂综上,柱塞副的性能对其服役可靠性和使用寿命有极大影响[9-11]㊂图2 柱塞副的运动示意图F i g .2 M o t i o n d i a g r a m o f p l u n ge r p a i r s 若柱塞副之间的间隙过大,将导致液压油从中泄漏,挤压作用难以形成;若柱塞副之间的间隙过小,则不能形成润滑油膜,这会导致两者直接接触从而造成柱塞副间的干摩擦磨损现象[12,13]㊂具体地,685太原理工大学学报 第54卷当液压油中存在固体颗粒及一定量的腐蚀介质时,柱塞副会受到磨粒磨损和腐蚀磨损作用,而液压泵内若存在残留气泡,在局部高压区发生溃灭时则会造成柱塞副的气蚀损伤,严重影响了柱塞副的服役行为(表现为振动㊁噪声㊁效率降低)㊂因此,降低泵的磨损,提高其寿命是当前需要解决的关键问题[14-16]㊂本文从轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性和摩擦学特性出发,综述了的润滑减摩机理及表面织构化对柱塞副摩擦学性能的影响,旨在为促进轴向柱塞泵的研发和应用提供参考㊂1油润滑轴向柱塞泵柱塞副油膜特性柱塞副的主要作用是通过柱塞在缸体中的往复运动,使容腔容积发生变化,进行吸油和排油,进而实现机械能向液压能的转化㊂在运行过程中,柱塞与缸体之间会形成一层间隙油膜,其性能直接影响着泵的寿命,柱塞副的润滑性能主要由油膜的厚度决定,油膜厚度主要受油膜压力和温度分布的影响,为了保证泵的正常运行,需要保证活塞-缸体内随时存在压力油膜,使摩擦副处于完全液体润滑状态[17]㊂轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性,是影响磨损的主要参数㊂柱塞受到的径向力会使油膜厚度减小,导致其磨损更加严重[18]㊂研究柱塞副润滑性能的三大重要因素包括油膜的压力场㊁厚度场及温度场㊂目前,国内外研究者对柱塞副油膜特性开展了广泛的研究,而研究方法主要有理论计算和仿真分析㊂1.1理论计算目前,国内研究者对柱塞副油膜特性的研究大多基于仿真软件建立虚拟样机进行模拟[18-19],在建立模型求解过程中,以恒温为前提,忽略了实际工况的需要,对实际应用意义不大㊂马俊等[19]针对柱塞副中的实际温度进行了理论分析和数值求解,基于柱塞副能量方程,ρc p vΔθ=Δ㊃(ζΔθ)+μΘD.(1)假设流体热传导系数为常数,温度在相邻网格间线性变化,能量方程可简化为,a pθp=a EθE+a WθW+a NθN+a SθS+b.(2)其中,a P=a E+a W+a N+a S.(3)对方程(2)采用超松迭代法进行求解,并结合边界条件,分别沿长度方向和圆周方向得到油膜的温度场㊂柱塞泵在运行过程中,柱塞会受到复杂多变的力,使得柱塞与缸体的中心无法重合,进而产生一定的偏心,导致油膜形成不规则的形状㊂宋旸[20]基于对柱塞偏心的数学描述,建立了油膜的厚度场模型,通过数值求解,得到油膜的厚度方程,h=(R b c o sφk-x p)2+(R b s i nφk-y p)2-R k.(4)若考虑柱塞副弹性变形的影响,油膜的厚度方程可表示为,h p=h+δp.(5)式中:(x p,y p)表示任意截面的偏心坐标,R k表示柱塞的半径,φk表示偏心角,δp表示柱塞副表面的弹性变形㊂此厚度方程为后续油膜压力分布的研究奠定了基础㊂为研究柱塞副的油膜压力分布,王克龙等[21]提出了轴向柱塞泵柱塞副油膜流固热耦合模型的算法,先基于N a v i e r-S t o k e s方程Δp=Δ㊃(μΔv)(6)将公式(6)在各方向进行分解,并根据边界条件,u z=zc=u c,v z=z c=v c,u z=zp=u p,v z=z p=v p.(7)得到柱塞副油膜特性方程,即雷诺方程,-Δ㊃(ρh312μΔp)+ρv p2㊃Δh+ρv p㊃Δz p+ρ h t=0.(8)结合得到油膜的厚度分布情况h,柱塞表面的运动速度v p,柱塞表面的挤压速度 h t,柱塞副油膜的压力边界条件,求解雷诺方程,从而获得柱塞副油膜上的压力分布p.1.2仿真分析为了更加形象地表示油膜特性,提高结果的准确度和可靠性,并对理论计算结果进行验证,在建立了油膜的温度场㊁厚度场及压力场数学模型的基础上,还有不少学者利用各种仿真软件将其描绘出来,为之后的实验研究提供理论基础㊂以下归纳了部分研究者对油膜特性的仿真分析㊂油膜的厚度可以直观地反映轴向柱塞泵中柱塞和缸体之间的接触情况,当柱塞副油膜厚度过低时,会导致过大的摩擦和磨损,为减低磨损损伤,提高轴向柱塞泵的使用寿命,张梦俭等[22]通过MA T L A B 软件分析得到了柱塞副油膜厚度的分布情况如图3所示,主轴转速分别设置600r/m i n㊁900r/m i n㊁785第4期林乃明,等:轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展1200r /m i n ㊁1500r /m i n .仿真结果表明,主轴转速越快,油膜厚度变化越小,越趋于稳定㊂4035302520油膜厚度/ μm 10.50.51xy（a ）600 r/min 2624222018161412油膜厚度/ μm 10.50.51xy（b ）900 r/min 4035302520油膜厚度/ μm 10.50.51x y（c ）1 200 r/min 3025201510油膜厚度/ μm 10.50.51xy（d ）1 500 r/min图3 不同主轴转速下柱塞副油膜的厚度F i g .3 O i l f i l m t h i c k n e s s o f p l u n g e r p a i r s a t d i f f e r e n t s p i n d l e s pe e d s 国内研究机构针对油膜温度特性的研究,较多关注在设计合理的结构,减少泵中能量的散发㊂俞奇宽等[23]利用仿真手段研究了柱塞副油膜的温度场分布,并使用MA T L A B 建立了温度场的仿真程序,输入主要的仿真物理参数,得到入口油温为40ħ下油膜的温度场如图4所示㊂此模拟误差控制在ʃ0.7ħ,研究表明,油膜温度沿着轴向逐渐上升,且在油膜中段,温升最高可达10ħ,而油膜两侧温升较为缓慢,最根本的原因是油膜两端柱塞的偏心量较大,黏性耗散较高㊂适当的温度可以使油膜黏性较好,润滑更充分,有利于降低泵的磨损,提高寿命㊂605550454035温度/ ℃4020100200300周向/ （°）轴向/ m m35302520151053503002502001501005052504846444240温度/ ℃周向/ （°）轴向/ mm图4 油膜温度仿真结果(入口温度40ħ)[23]F i g .4 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f o i l f i l m t e m p e r a t u r e (i n l e t t e m pe r a t u r e 40ħ)[23]柱塞和缸体的弹性变形会对油膜的厚度产生影响,进而间接影响柱塞副的磨损率㊂卫昌辰[24]通过观察动态润滑膜的流动状态,对柱塞副进行了受力分析,在此基础上,建立了油膜压力模型,并通过调节单一工况参数(负载压力㊁主轴转速㊁斜盘倾角),利用MA T L A B 软件研究了实际深海环境中油膜的润滑特性如图5所示㊂结果表明,柱塞在不同倾角下所受到的力不相同,这会导致油膜的形貌时刻发生变化㊂当柱塞施加给油膜的作用力与外力达到平衡时,油膜便可保持动态稳定,进入稳定磨损阶段㊂除此之外,还有部分学者同时对两种油膜特性模型进行了仿真分析㊂张雪超[25]根据柱塞副所处位置的不同,分别构建了关于柱塞副油膜的厚度场与压力场的模型,继而使用MA T L A B 软件进行885太原理工大学学报 第54卷6420压力/ M P a 10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（a ）Φ＝2°50403020100压力/ M P a10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（b ）Φ＝30°6420压力/ M P a 10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（c ）Φ＝90°151050压力/ M P a10.500100200300400X 圆周位置/ （°）Y 轴向位置（d ）Φ＝182°图5 不同转角下柱塞副油膜的分布F i g .5 D i s t r i b u t i o n o f o i l f i l m o f p l u n g e r p a i r s a t d i f f e r e n t r o t a t i o n a n gl e s 了多种参数(包括转速与压力)下柱塞副油膜的仿真分析㊂同时,作者还采用有限体积法进行网格划分并将油膜压力场控制方程进行了离散化求解㊂研究表明,当柱塞副受到外界压力作用时会在缸体中转变为倾斜的状态,并且当其受到的压力不断增大时,倾斜程度增大,而油膜的厚度在减小,处于此种状态时能从压力分布图中看到明显的压力尖峰㊂但是该结果未能与实验结果吻合,实验压力曲线呈三角形,而仿真曲线呈矩形波形,主要原因在于配流机构,当压力增大后,配流机构泄漏增大,不能持续保持高压㊂2 轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性2.1 基础理论轴向柱塞泵虽应用广泛,但随着更高性能液压系统的需求,解决轴向柱塞泵的磨损问题迫在眉睫㊂柱塞副作为轴向柱塞泵的关键摩擦副之一[26],其长期面临着高压高速带来的磨损损伤和失效问题㊂轴向柱塞泵运行过程复杂,柱塞的受力情况复杂多变,因此可以通过力学分析描述柱塞的磨损行为[27-28]㊂卢义敏等[27]使用MA T L A B 软件对柱塞的受力情况进行了数值模拟,通过旋转缸体使其处于不同转角时对柱塞受力进行求解,并选取了柱塞与缸体间的合适间隙来平衡泄露和磨损,研究表明柱塞前端比后端受力更大,磨损更多,当柱塞和缸体间隙为6~10μm 时,液压泵整体工况较好㊂实际上,柱塞与缸体之间存在套筒,大多数研究者在受力分析时未能充分考虑其影响,导致结果与实际产生偏差㊂申儒林等[28]分析了柱塞在缸体内往复运动时柱塞所受到的力,结果表明,由于柱塞副的间隙远大于柱塞与套筒的间隙,会使保持运动状态中的柱塞在发生偏心时,其末端与缸孔之间的缝隙变大,造成的挤压就会变小,因此,为了反映真实情况就需要对柱塞中段部分进行详细受力分析㊂除了运行过程中发生必要的磨损之外,轴向柱塞泵所处环境及柱塞副的材料也影响其磨损性能㊂在2.2中将具体阐述国内外学者针对环境及材料对柱塞副磨损特性影响的研究㊂2.2 介质对柱塞副摩擦学特性的影响柱塞副的液压介质可分为油介质和水介质㊂随着更多高难度大型项目在极寒环境中的开发,液压油的低温性能较差而导致大多数的普通液压泵无法进行正常工作,因此,提高液压油的低温性能,使其具有良好的流动性㊁合适的黏度成为迫切需要解决的问题㊂马海军[29]从黏度㊁比热容㊁热膨胀性㊁倾点㊁凝点㊁闪点等角度对矿物油系液压油和难燃型液压油进行了对比,结果表明,在-40ħ的低温环境中,L -H S 32液压油更好的满足了低倾点及高粘度的要求㊂在航天液压系统中,随着越来越轻量化要求的提出,以煤油作为液压介质成为了一个新的趋势㊂姜继海等[32]分析了以煤油为介质的轴向柱塞泵摩985 第4期 林乃明,等:轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展擦副寿命较传统轴向柱塞泵的优劣势,煤油可直接从发动机传导,不需要额外携带油箱,还可作为燃料为其他系统提供动力,但是由于其黏度较低,容易导致柱塞与缸体直接接触,从而造成干摩擦,寿命降低㊂为应对更大的需求,轴向柱塞泵的使用环境已扩展到海水中,但由于海水介质黏度较低,润滑性相对较差,导致柱塞副容易发生润滑失效现象[24],因此,对海水中柱塞副磨损特性的研究成为重中之重㊂由于海水几乎没有边界润滑的能力,再加上海水中存在固体杂质,使得柱塞副发生严重的黏着磨损,所以必须进行技术探究,寻求合理的解决方案㊂杨曙东[31]在进行理论计算的基础上,配合计算机仿真分析与实验研究相结合的方法,研制出了国内第一台中高压海水泵,该泵使用高分子复合材料作缸套,并设计了配合长度为定值的缸孔柱塞副结构和配合间隙,突破性地解决了柱塞和缸孔在干摩擦环境下的互相刮削及泄漏问题㊂张涛华[32]主要研究的对象是轴向柱塞泵柱塞副在海水中的磨损形式,结果表明,最主要的磨损形式包括腐蚀磨损㊁气蚀磨损及冲蚀磨损㊂腐蚀磨损主要是由于海水中的大量粒子构成了电化学腐蚀,形成了对柱塞副的极大破坏,其影响因素具体如图6所示[32];而柱塞副在海水中发生气蚀磨损,是由于大量气泡破裂产生局部冲击高压,对柱塞造成破坏;冲蚀磨损则是海水中的颗粒物垂直冲击柱塞副表面,释放出比表面结合力更大的能量造成的结果㊂微观组织表面粗糙度塑性硬度电位极化阻抗腐蚀性溶液黏度电导率温度运动类型接触面性质速度载荷纯化膜的生成电化学材料腐蚀介质零部件/工况图6 腐蚀磨损的主要影响因素[32]F i g .6 M a i n i n f l u e n c i n g fa c t o r s o f c o r r o s i v e w e a r [32]腐蚀磨损是摩擦副在相互摩擦和腐蚀介质共同作用下发生的磨损现象,在摩擦副的相互接触过程中,不仅破坏了材料表面的保护膜,使其丧失保护效应,而且直接磨耗了材料,因此,腐蚀磨损后果更加严重[33]㊂综上所述,柱塞泵的磨损形式为腐蚀磨损㊁气蚀磨损和冲蚀磨损,海水中颗粒物较多㊁介质黏度低且容易气化等则是造成磨损行为的主要原因㊂要想从根本上解决柱塞副摩擦磨损的难题,还需要从材料选取上着手,2.3将具体阐述柱塞副材料匹配的选取,并对其性能优劣进行了测试㊂2.3 材料对柱塞副摩擦学特性的影响除介质外,材料对柱塞副摩擦特性也值得被深入研究㊂现如今,轴向柱塞泵摩擦副材料的匹配形式主要包含3种类型:硬基材与硬基材配对㊁硬基材与软基材配对㊁(硬+软)基材与硬基材配对[34]㊂其中,柱塞副主要采用软/硬材料的匹配形式,该形式的优点是导热好及抗黏着磨损能力强,但仍存在缺陷,如耐磨粒磨损能力差[34]㊂在日常的工作环境中,有不少学者就对材料影响进行了实验分析,L I U e t a l [35]选择了7对材料进行实验,调整转速从100r /m i n 到1200r /m i n,在确认系统运行正常后加载,压力从2M P a 到12M P a ,最终,选择速度和压力分别为1200r /m i n 和12M P a,每2h 记录一次,观察测量腐蚀磨损,试验结果表明,柱塞材料为1C r 18N i 9T i,缸体材料为T o r l o n 4301时,磨损性能最好,这是由于与司太立合金㊁M o n e l k 500合金㊁T C 4合金和1C r 18N i 9T i 相比,T o r l o n 4301柱塞表面熔质合金的硬度较高,耐磨能力较高㊂此外,导热系数也是柱塞副材料选择中必须考虑的一个因素㊂同年Z H A N G e t a l [36]研究了在70M P a 超高压情况下摩擦副材料的选择,研究表明,30C r 2M o V A 材料的硬度较低,陶瓷材料的硬度较高,而硬度越高,摩擦系数相对越低,因此30C r 2M o V A 材料的摩擦系数较高,磨损率相对较高;陶瓷材料摩擦系数较低,磨损率相对较小㊂海水泵已被广泛用于发电厂㊁炼铁厂㊁化工厂等行业,海水被用作海水淡化和制盐设备的原料与冷却水[37],在海水环境中柱塞副材料的选择是当前面临的比较大的问题㊂焦素娟等[38]分析了水润滑条件下柱塞副材料为改性聚醚醚酮与不锈钢时的摩擦磨损特性㊂研究发现,柱塞副在高载荷下发生严重的塑性变形,磨损机理主要为疲劳磨损,该配副仅适用于小载荷工况,该研究为后续高聚物材料在摩擦副中的应用提供了依据㊂在软/硬材料的匹配形式中,陶瓷作为一种硬度较高的材料,常常被用在柱塞副的缸体中㊂Y A N Ge t a l[39]使用MM -200磨损测量仪研究了940不锈095太原理工大学学报 第54卷钢与氧化铝陶瓷配对的柱塞副的摩擦磨损性能,在水润滑条件下调节负荷为196N ,速度为0.84m /s ,持续时间1h ,通过磨损测量仪记录摩擦力矩和滑动距离之间的关系如图7所示㊂结果表明,940不锈钢表面磨损严重,表面细条纹较多,氧化铝陶瓷表面有黑色金属颗粒,磨痕平均宽度为14.6mm ,二者接触边缘有过热的黄色斑点㊂将不锈钢与工程塑料匹配进行同样条件下的摩擦磨损测试,结果表明,实验后不锈钢表面无磨损现象,这是因为工程塑料块在不锈钢表面产生了一层塑料转移膜,降低了二者间的摩擦阻力㊂0.80.70.60.50.40.30.20.10T / （N ·m -1）1234567S / 103 m图7 水润滑条件下摩擦力矩与滑动距离的关系[37]F i g .7 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n f r i c t i o n t o r q u e a n d s l i d i n gd i s t a n ce u n d e r w a t e r l u b r i c a t i o n c o n d i t i o n[37]晏小伟[40]在前人的基础上综合分析了金属材料㊁工程塑料㊁工程陶瓷在海水中的摩擦磨损性能,结合海水泵摩擦副的选材原则,对柱塞副进行了材料设计,研究表明,T C 4/T O R L O N 4301柱塞副效果最好,转速为1500r /m i n ㊁压力为14M P a 时,其磨损性能依然很好㊂杨金祥[41]对柱塞和缸体的尺寸以及柱塞所能承受的最大P V 值进行了设计计算,最终发现氮化硅陶瓷作为柱塞材料,T O R L O N4301P A I 作为缸体的材料,可以很好地满足P V 值要求,并且该柱塞副耐磨性好,尺寸稳定㊂申凤梅[42]研究了海水环境下多种材料与C F R P E E K 配对的柱塞副的耐磨性能,发现碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷与C F R P E E K 配对时,摩擦系数最小,大致为0.1.廖武举等[43]在M C F -10摩擦磨损试验机上模拟了海水情况下无烧结陶瓷S i C 与工程塑料P E E K 450-F C 30的磨损性能,实验结束后用电子显微镜观察其表面形貌并对其磨损机理作出了分析㊂结果表明,该摩擦副磨损率相对较低,耐磨性能相对较好㊂就摩擦磨损机理而言,工程塑料的磨损大致分为两个阶段,第一阶段为刚开始时的黏着磨损,第二阶段为摩擦过程中工程塑料向陶瓷表面的转移㊂李东林等[44]研究了1C r 17N i 2/C F R P E E K 和17-4P H /C F R P E E K 两种配对的柱塞副摩擦特性实验,研究表明,柱塞副配对材料1C r 17N i 2/C F R -P E E K 比17-4P H /C F R P E E K 的耐磨性能好㊂从以上研究可以看出在柱塞副匹配形式中不仅陶瓷材料发挥重要作用,高聚物材料也得到了高度认可㊂本节从柱塞副的磨损特性基础理论研究出发,分别综述了介质和材料对柱塞副磨损特性的影响㊂其中,柱塞副材料的选取情况汇总见表1㊂由表1可知,在现有的研究结果中以碳化硅陶瓷作为柱塞的设计材料时,柱塞副具有更好的摩擦磨损性能㊂表1 柱塞副材料选择情况汇总表T a b l e 1 S u mm a r y o f m a t e r i a l s e l e c t i o n f o r p l u n ge r p a i r s 材料方法结论参考文献30C r 2M o V A /陶瓷70M P a 超高压陶瓷磨损较弱[36]940不锈钢/氧化铝负荷196N ,速度0.84m /s ,持续时间1h940不锈钢表面磨损严重[37]7对不同材料加载压力从2M P a 到12M P a ,调整转速从100r /m i n 到1200r /m i n1C r 18N i 9T i /T o r -l o n 4301磨损最弱[38]1C r 17N i 2/C F R -P E E K 和17-4P H/C F R P E E K /1C r 17N i 2/C F R -P E E K 比17-4P H /C F R P E E K 的耐磨性好[39]不同材料与C F R -P E E K 配对/碳化硅和氮化硅与C F R P E E K 配对时,摩擦系数最低,在0.1左右[40]陶瓷S i C /P E E K 450-F C 30/摩擦学性能较好[41]氮化硅陶瓷/T O R -L O N 4301P A I/摩擦系数小,耐磨性好,尺寸稳定[42]3 表面织构对摩擦学特性的影响由于轴向柱塞泵的使用环境十分复杂,易造成其关键摩擦副磨损损伤,进而严重影响了柱塞泵的服役性能,为此,在选择好合适的柱塞副材料后需要寻求一种表面处理方法来进一步减小泵的损伤㊁提高其寿命㊂前文所述研究尚未达到解决轴向柱塞泵减阻耐磨问题的理想效果,而表面织构化技术为其研究提供了崭新的设计思路㊂近几年来,离子氮化㊁碳氮共渗㊁离子注入㊁P V D 硬质涂层已被广泛运用于表面强化[45]㊂而表面织构化(如图8)技术作为一种改善材料表面摩擦性能的方法被世界各地的研究小组所熟知,因其成本低㊁效率高㊁精度高㊁热影响区小而被广泛应用㊂R A O e t a l [46]研究了4个织构宽度(包括1mm ㊁2mm ㊁3mm ㊁4mm )对耐磨硼铸铁/195 第4期 林乃明,等:轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展球墨铸铁摩擦副磨损性能的影响,研究发现,2mm 宽度更有利于提高球墨铸铁的低速磨损性能,3mm 宽度更有利于提高高速磨损性能,应根据液压泵实际工作环境来设计凹槽的尺寸㊂V I G N E S H e t a l[47]研究了单排凹窝㊁单排凹槽㊁双排凹窝㊁双排凹槽等椭圆织构的几何分布对黄铜摩擦学性能的影响,结果表明,具有双排凹槽椭圆织构试样的摩擦系数较单排凹槽椭圆织构试样的摩擦系数降低了59%,较大的凹窝直径和细长比进一步提高了具有双排凹窝椭圆织构的摩擦学性能㊂（a）凹坑（b）沟槽（c）凸起图8典型表面织构特征图F i g.8 T y p i c a l s u r f a c e t e x t u r e c h a r a c t e r i s t i c s3.1表面织构的润滑减摩机理郑龙[49]发现,自然界中,毛蛤㊁龙虾㊁鲨鱼等生物体表呈现出非光滑表面形态,如图9所示,其中毛蛤与龙虾类似,呈现放射状棱纹凸起,这可以增强其体表抵抗水中沙砾和急流磨损的能力;同样,微观下能观察到鲨鱼体表交错分布着许多微小盾磷,每片盾磷表面有V型凹槽,该结构可实现湍流减阻目的㊂受自然界生物的启发而新兴的表面织构化技术对提高轴向柱塞泵减摩性能方面提供了新思路㊂两个物体表面之间的纳米级接触会有很高的吸附力,从而产生很大的摩擦,极大的缩短机器的寿命㊂表面织构化技术可以实现增大表面粗糙度的效果,起到减摩的作用,由此来提高其耐磨性,其作用示意图如图10所示,润滑条件下表面织构可以储存润滑介质,使润滑连续进行;流体润滑状态下起到增强动压效应的作用;边界润滑条件下可以充当润滑剂,降低摩擦系数㊂干摩擦条件下,表面织构可以捕龙虾鲨鱼毛蛤棱纹型刚毛型V型凹槽图9典型水生动物及其微观表面形貌[49-50]F i g.9 T y p i c a l a q u a t i c a n i m a l s a n d t h e i r m i c r o s c o p i c s u r f a c e m o r p h o l o g y[49-50]获磨屑,降低磨粒磨损,减小摩擦接触面积㊁抑制黏着磨损[50-52]㊂3.2表面织构几何参数的影响3.2.1织构形状的影响表面织构的类型较多,主要包括凹坑㊁凸起㊁凹槽以及各类混合形貌㊂目前对表面织构的润滑减摩的研究多集中在凹坑型和凹槽型两种类型[53]㊂麻凯等[54]在不同载荷情况下研究了表面织构形貌对柱塞摩擦性能的影响,实验结果表明,在400N载荷情况下,椭圆㊁圆形㊁方形表面织构的摩擦系数相对于未进行表面织构化的基体的摩擦系数分别减少了1.1%㊁18.3%㊁14.1%;在高载荷600N工况下,分别减少了35.3%㊁35.3%㊁19.1%.于海武等[55]采用数值方法分析了织构形状对工件表面摩擦性能的影响㊂研究表明,椭圆形表面织构在众多织构形貌中减摩效果最优,正方形表面织构次之,圆形表面织构减摩效果最差㊂S E G U e t a l[56]比较了多形状复合织构(圆和椭圆㊁圆和三角形㊁圆和方形)和单形状织构接触面的摩擦学性能,分别在干燥和润滑,23~25ħ的室温和相对湿度为46%~50%的条件下,进行了滑动摩擦试验㊂实验结果表明,在干燥和润滑条件下,多形状纹理表面的摩擦系数波动较低㊁相对稳定,摩擦系数波动较小㊂295太原理工大学学报第54卷。
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轴向柱塞泵摩擦副的研究进展
摘要：现代液压中，柱塞泵作为能量转换的执行部件，是液压系统中最为核心动力的装置之一。
其广泛应用于船舶、石油开采、工程机械等领域。
柱塞泵按照柱塞的排列形式不同，有径向柱塞泵与轴向柱塞泵之分。
轴向柱塞泵较径向柱塞泵而言，结构更加简单，制造成本更低，其端面配流的结构更易实现无极变量，且体积小、重量轻、维修方便，在技术经济指标上占更大优势，因此，端面配流的轴向柱塞泵是当今使用最为广泛的柱塞泵[1]。
关键词：轴向柱塞泵；摩擦副；油膜设计
轴向柱塞泵作为一种容积式变量泵，其通过吸油腔与压油腔容积的变化，将机械能转化为液压能。
机械能驱动花键轴，带动缸体旋转，柱塞在缸体与斜盘的作用下作圆周的滑动及往复的活塞运动，配合配流盘的通断控制，实现吸油与排油的动作。
轴向柱塞泵中最关键的运动摩擦副有三组：（1）滑靴与斜盘形成滑靴副，将缸体旋转运动转化为柱塞的直线运动；（2）柱塞与缸体形成柱塞副，柱塞在柱塞腔内往复运动运动，形成吸油与排油过程；（3）缸体与配流盘形成配流副，实现周期性的配流动作[2]。
柱塞泵在高速运转过程中，摩擦副将承受巨大的压力或扭矩，且各摩擦副的摩擦形式均为滑动摩擦，若相对运动部件直接接触将导致摩擦副损毁，因此，在优选匹配材料的同时，摩擦副之间要形成合理的油膜。
摩擦副的优化与设计对柱塞泵寿命、可靠性、效率、噪音等都有至关重要的影响。
1.滑靴与斜盘形成的滑靴副
柱塞泵在运转时，滑靴在随着柱塞进行轴向运动的同时还围绕着主轴圆周运动，在油液粘性摩擦的作用下，滑靴会绕自身中心旋转，运动特性复杂；其受力也十分复杂，除受到柱塞、弹簧的压力和斜盘的反作用力外，还承受离心力、倾覆力、摩擦力及油膜压力等。
因此，润滑油膜的建立是柱塞泵功能实现的前提，合理的油膜状态不但能改善摩擦副的润滑条件，而且能突破摩擦副处比功[pv]的限制，实现柱塞泵的高压、大排量化。
针对滑靴摩擦副，国内外专家都做了大量的理论研究与实验验证[3]。
当前，国际主流的油膜设计方法有剩余压紧力法与静压支承法两种。
剩余压紧力法是将柱塞孔内高压油引入滑靴与斜盘的接触面之间，靠高压油的反支承力平衡大部分滑靴所受得压紧力，而剩余压紧力用以保证滑靴压紧斜盘不滑脱同时控制摩擦副油膜在合理范围内[4]。
静压支承设计法是流体静压技术在柱塞泵领域的延伸，其设计原理同剩余压紧力类似，但其在入口端设置了阻力孔，由固定阻尼与支承面可变间隙阻尼组合形成的静压支承，能实现压力反馈的闭环调节，保证油膜建立的可靠性[5]。
油膜能大幅降低摩擦副磨损，提高泵的寿命，但液体与金属之间的磨损、油膜稳定前金属之间的磨损同样是存在，因此，要提高泵的使用寿命，摩擦副材质的选取同样重要。
现在使用最为广泛的是铜基与铁基的配对使用，如ZQAl9-4
和QT60-2做摩擦副。
为提高零件耐磨性，铜滑靴可采用冷成型加工，进行深冷处理等特殊工艺，斜盘多采用表面氮化的方式提高其耐磨性与抗咬合性。
2.柱塞与缸体形成柱塞副
柱塞泵在工作时，柱塞在缸体孔内作轴向滑动，完成吸油与压油的动作。
柱塞受滑靴反作用力、衬套摩擦力、油压力等关键作用力，因滑靴反作用力与柱塞轴心存在一个变化的偏角，导致柱塞存在一个变化的偏置力矩，加快摩擦副的磨损。
为降低偏置力矩对摩擦副的影响，多在柱塞上设开均压槽，通过引入高压油来有效平衡偏置力矩。
此外，柱塞在排油行程中，始终有一部分空间无法排空油，从而形成一种无效容积，称为死容积。
死容积的油液从高压去带入低压区时，会倒灌形成流液冲击，并伴随有强烈的噪音，此外，死容积过大将造成较大的容积效率的损失，因此，死容积应该越小越好。
现在多采用塑料填充或厚壁式柱塞的方法降低死容积空间。
而柱塞副多选用ZQAl9-4做衬套，38CrMoAl氮化作为柱塞的组合形式。
配合间隙的选取，是柱塞副设计的另一重要问题。
间隙过大，则加剧泄露，容积效率降低；间隙太小，易造成卡死，同时也会增大加工难度，国内一般选取配合间隙为柱塞直径的千分之一左右，这一比值是平衡效率与可靠性的通用经验式。
3.缸体与配流盘形成配流副
配流副由带推力轴承的平面配流结构发展到今天采用静压支承的球面配流结构，其设计日趋完善，但依然是柱塞泵的主要失效部件之一。
其主要失效形式为异常磨损与气蚀，表现为噪声、振动、效率降低，这使得配流副的减震降噪、润滑泄露成为现今研究的主要方向。
目前，配流机构设计采用较多的有静压支承法、剩余压紧法与综合设计法三类，用以改善配流副的润滑问题，其原理同滑靴副的油膜设计类似，且配流副的选材也是铜与钢的匹配，缸体烧结铜合金，配流盘多采用氮化钢。
而减震降噪的措施主要通过在配流盘上面开设减震槽、孔，设计错配角的方式，在避免形成困油的同时，减小高、低压油接通的油液冲击，以达到减震降噪的目的[6]。
随着柱塞泵向超高压、大功率方向发展，开发更耐磨、更高强度的新型材料迫在眉睫。
国内外多家研究机构已进行了大量新型材料试验，取得丰硕的研究成果。
如工程陶瓷材料与金属匹配的摩擦副具备优良的润滑性能；测试技术的发展也带动柱塞泵油膜特性的研究，大量油膜压力场、温度场的试验研究为摩擦副向更可靠、更优化的方向发展提供实证支撑，摩擦副的研究正向着微观研究与实证研究的方向蓬勃发展。
参考文献：
[1]徐绳武柱塞式液压泵[M].北京：机械工业出版社，1985
[2]许书生轴向柱塞泵摩擦副特性测试的结构优化设计与实验研究[D].浙江：浙江大学，2011
[3]马庆伟斜盘式轴向柱塞泵滑靴副静压支承润滑特性研究[D].甘肃：兰州理工大学，2012
[4]袁生杰，董恩国斜盘式轴向柱塞泵滑靴副的设计计算[J].天津工程师范学院学报，2007
[5]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
[6]颜良多作用恒流轴向柱塞泵配流副设计及特性分析[D].湖南：湖南科技大学，2010.。