（机械电子工程专业论文）轴向柱塞泵平面配流副润滑特性及其参数优化.pdf

摘要 摘要 轴向柱塞泵由于结构紧凑、功率密度大、寿命长等独特优点在流体动力领域得到了广 泛应用。然而，过度磨损和内泄漏严重影响柱塞泵的寿命与容积效率，这取决于泵内三对 关键摩擦副的运行状况，尤其是各运动摩擦副建立的润滑油膜的特性。油膜对柱塞泵性能 十分重要且机理复杂，它是流体传动与控制相关研究的热点与难点。因此本学位论文研究 关键摩擦副之一的配流副的油膜特性，为轴向柱塞泵的创新设计提供一定的理论参考。 本学位论文在仿真与试验分析油膜成型特性的基础上，提出了一种配流盘密封带油膜 形态的算法。该算法用一组试验膜厚值代替油膜方程数值求解中的节点值进行计算，计算 结果可用来预测配流副楔形油膜的分布规律。为了获得准确的配流副泄漏量，提出了楔形 膜配流副泄漏的数学模型。这一模型考虑了缸体倾侧和配流盘结构对密封缝隙层流的影响， 将楔形油膜参数化，以建立油膜形态与泄漏量之间的对应关系。不同配流副结构和工况下 的仿真和试验结果对比表明，油膜厚度2 0 “m 时配流副占总泄漏约3 5 ，基本能满足三 类关键摩擦间泄漏分配的要求；油膜厚度在5 1 5g m 时油膜稳定性好，可作为配流副间隙 合适的范围。静、动态泄漏仿真与试验结果基本吻合，由此可知本文提出的泄漏模型对配 流副泄漏特性的描述正确，计算结果为柱塞泵内泄漏的最优分配比提供了参考。论文首次 在配流副结构优化中加入润滑油膜特性参数的约束条件，可成为柱塞泵优化设计的重要组 成部分。相比于以往未考虑润滑油膜的优化设计研究，本文的优化计算结果除了满足配流 副正常工作的必要条件外，理论计算可以使配流副泄漏减小、油膜刚度增大，从而提高轴 向柱塞泵的容积效率与寿命。 第一章，介绍了轴向柱塞泵的优势与当前的技术难点，论述了配流副在该类泵中的功 能、失效形式，分析了本学位论文研究配流副润滑油膜的目的和意义。 第二章，对配流副试验装置的液压系统进行了a m e s i m 建模，仿真了配流副间隙变化 的动态特性。实测了配流副的油膜厚度，提出了一种配流副油膜形态的算法。该算法将试 验膜厚值用于油膜方程的求解中，计算结果可预测配流副楔形油膜的分布特征。 第三章，基于圆盘缝隙流动的r e y n o l d s 方程推导了配流盘密封带的压力计算式，并 根据计算精度要求获得了压力线性化分布的适用条件。运用c f d 软件数值解析了油膜的 压力、速度及温度场分布。 第四章，提出了楔形油膜的配流副泄漏的数学模型，该模型考虑了缸体倾侧和配流盘 结构的影响，建立了楔形油膜与泄漏量之间的对应关系：对不同工况下配流副的泄漏量仿 i i t 浙江大学博f 一学位论文 真结果进行了试验验证，并获得了它在柱塞泵总泄漏中的分配比。 第五章，研究了配流副摩擦转矩特性及对柱塞泵机械效率的影响，在不同工况下实测 了配流副的摩擦转矩，结合缸体转动周期讨论了其变化机理。测试了配流副支承力在不同 油膜厚度、转速下随供油压力的变化关系。 第六章，将润滑特性参数作为新增的约束条件，对配流盘密封带进行了优化计算。计 算结果表明可以使配流副泄漏减小、油膜刚度增大，可为柱塞泵摩擦副的优化设计提供一 定的参考。 第七章，对本文研究的主要结论进行了归纳，对今后的研究工作提出了展望。 关键词：轴向柱塞泵配流副润滑特性油膜厚度微米泄漏量转矩 i v a b s t r c t a bs t r a c t h y d r a u l i ca x i a lp i s t o np u m ph a sb e e nc o m m o n l yu s e di nt h em a j o r i t yo ff l u i dp o w e r a p p l i c a t i o n sf o rs p e c i f i ca d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a c td i m e n s i o n ，h i g hp o w e rd e n s i t ya n dl o n g l i f e c y c l e h o w e v e r ，e x c e s s i v ew e a l a n di n t e m a ll e a k a g eh a v ea d v e r s e e f f e c t so nt h e v o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya n dl i f ee x p e c t a t i o no fp i s t o np u m p ，w h i c ha r em o s t l yd e t e r m i n e db yt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h r e ec r i t i c a lt r i b o p a i r s i n s i d et h i st y p eo fp u m p ，e s p e c i a l l yt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl u b r i c a t i n go i lf i l mw i t h i ne a c hm o v i n gt r i b o - p a i r a si t sg r e a ti m p o r t a n c e a n dc o m p l i c a t e dm e c h a n i s m ，t h eo i lf i l mi na x i a lp i s t o np u m ph a sb e e naf r o n t i e rr e s e a r c ht o p i c i nt h ef i e l do ff l u i dp o w e rt r a n s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h eo i lf i l mc h a r a c t e r i s t i c s w i t h i nt h eb a r r e l - p o r tp l a t e ，o n eo ft h r e ec r i t i c a lt r i b o - p a i r s ，w e r ei n v e s t i g a t e di n t h i st h e s i s ， w h i c hc o u l db eu s e da sa s p e c i f i ct h e o r e t i c a lr e f e r e n c et od e s i g nan e wg e n e r a t i o no f a x i a lp i s t o n p u m p a c c o r d i n gt os i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h eo i lf i l mf o r m a t i o n ，a na l g o r i t h mw a s d e v e l o p e df o rt h ef i l mc o n f i g u r a t i o no ft h es e a l i n gr e g i o n so nt h ep o r tp l a t e i n t h i sa l g o r i t h m ， as e to fe x p e r i m e n t a lv a l u e so ff i l mt h i c k n e s sr e p l a c e dt h ec o r r e s p o n d i n gn o d ep o i n tv a l u e si n n u m e r i c a lm e t h o df o rs o l v i n gt h ef l u i df i l me q u a t i o n s c a l c u l a t e dr e s u l t sf r o mt h i sa l g o r i t h m c a nb eu s e di n p r e d i c t i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h ew e d g ef i l mw i t h i nt h ep a i r i no r d e rt o c a l c u l a t ea c c u r a t eb a r r e l p o r tp l a t el e a k a g er a t e ，an e wm a t h e m a t i c a lm o d e lu s i n gt h ew e d g eo i l f i l mw a sd e v e l o p e d i nt h i sm o d e l ，b a r r e lt i l t i n ga n dp o r tp l a t es t r u c t u r ea r ec o n s i d e r e di nt h e g a pl a m i n a rf l o w w h e nt h ew e d g eo i lf i l mi se v a l u a t e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i l m s h a p ea n dt h el e a k a g ei se s t a b l i s h e d i tw a ss h o w ni nt h ec o m p a r i s o no fc a l c u l a t e da n d m e a s u r e dr e s u l t su n d e rd i f f e r e n ts t r u c t u r ea n do p e r a t i n gc o n d i t i o n st h a tt h eb a r r e l p o r tp l a t e l e a k a g er a t ew a sa c c o u n t e df o ra b o u t35 o ft h et o t a ll e a k a g ew i t h2 0 “mo ff i l mt h i c k n e s s ， w h i c hb a s i c a l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t so fl e a k a g ed i s t r i b u t i o na m o n gt h r e ec r i t i c a lt r i b o p a i r s w h e nt h ef i l mt h i c k n e s sw a sm a i n t a i n e dw i t h i n5 - 15j a m ，i tm a yb eu s e da sa no p t i m a lr a n g ef o r t h eb a r r e l - p o r tp l a t eg a p s i m u l a t i o nr e s u l t so fs t e a d ys t a t ea n dd y n a m i cl e a k a g ew e r ef o u n d r e a s o n a b l ea g r e e m e n t sw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i nw h i c ht h el e a k a g em o d e ld e v e l o p e di nt h i s t h e s i si sv a l i d a t e dt od e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a r r e l p o r tp l a t el e a k a g e t h u s ，t h e l e a k a g ec a l c u l a t i o nc a l lb eu s e da sar e f e r e n c ei nd e t e r m i n i n gt h eo p t i m a ld i s t r i b u t i o nr a t i oo f i n t e m a ll e a k a g ef o rt h i st y p eo fp u m p i na d d i t i o n ，o n ep a r a m e t e rc o n s t r a i n to ft h el u b r i c a t i n g o i lf i l mh a sb e e ni m p l e m e n t e di nt h eg e o m e t r yo p t i m i z a t i o nf o rt h eb a r r e l p o r tp l a t e ，w h i c h b e c o m e sa ni m p o r t a n tp a r to fp i s t o np u m po p t i m i z a t i o n c o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u so p t i m a l s t u d yw h e nl u b r i c a t i n go i lf i l mw a sn o tc o n s i d e r e d ，t h ec a l c u l a t e dr e s u l t si nt h et h e s i sc a nm e e t t h en e c e s s a r yr u n n i n gc o n d i t i o n so fb a r r e la n dp o r tp l a t e m o r e o v e r , t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no f t h et r i b o - p a i rc a nr e d u c el e a k a g er a t ea n di n c r e a s es t i f f n e s sl u b r i c a t i o nf i l mw i t h i nt h i st r i b o - p a i l v 浙汀大学博十学付论文 w h i c hi sh e l p f u lt oi m p r o v et h ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya n dl i f e c y c l eo fa x i a lp i s t o np u m p i n c h a p t e r1 ，a d v a n t a g e sa n dp r e s e n tt e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so fa x i a lp i s t o np u m pw e r e i n t r o d u c e d ，f u n c t i o n sa n db r e a k d o w np a t t e r n so fb a r r e la n dp o r tp l a t ew e r eo u t l i n e d ，a l s ot h e p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h es t u d yo nl u b r i c a t i n go i lf i l mw i t h i nt h ep a i rw e r ea n a l y z e d i nc h a p t e r2 ，t h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo ft h et e s tr i gf o rt h eb a r r e l p o r tp l a t ew a sm o d e l e d u s i n ga m e s i m ，a n dt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so ft h eg a pb e t w e e nb a r r e la n dp o r tp l a t ew e r e s i m u l a t e d f i l mt h i c k n e s sb e t w e e nb a r r e la n dp o r tp l a t ew a sm e a s u r e da n da na l g o r i t h mw a s d e v e l o p e df o rt h el u b r i c a t i o nf i l mc o n f i g u r a t i o n i nt h ea l g o r i t h m ，e x p e r i m e n t a lv a l u e so ff i l m t h i c k n e s sw e r eu s e dt os o l v et h eo i lf i l me q u a t i o na n dt h ew e d g ef i l md i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h e g a po fb a r r e la n dp o r tp l a t ew a sp r e d i c t e du s i n gs i m u l a t i o n i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h er e y n o l d se q u a t i o nf o rd i s kg a p f l o w , p r e s s u r ef o r m u l af o rt h e s e a l i n gr e g i o no nt h ep o r tp l a t ew a sd e r i v e d t h ea p p l i c a b l el i n e a r i z a t i o nc o n d i t i o no fp r e s s u r e d i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o na c c u r a c y t h ef i e l d so fp r e s s u r e ，s p e e d a n dt e m p e r a t u r ea r en u m e r i c a l l ya n a l y z e du s i n gc f ds o f t w a r e i nc h a p t e r4 ，am a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e dt oc a l c u l a t et h eb a r r e l - p o r tp l a t el e a k a g e r a t eu s i n gt h ew e d g eo i lf i l m i nt h i sm o d e l ，t h eb a r r e lt i l t i n ga n dt h ep o r tp l a t es t r u c t u r ew e r e c o n s i d e r e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew e d g ef i l ma n dt h el e a k a g er a t ew a s e s t a b l i s h e d s i m u l a t i o n o ft h eb a r r e l p o r t p l a t el e a k a g e r a t eu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n c o n d i t i o n sw a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nr a t i oi nt h et o t a ll e a k a g eo fp i t o n p u m pw a so b t a i n e d i nc h a p t e r5 ，s t u d i e so nf r i c t i o nt o r q u eb e t w e e nt h eb a r r e la n dp o r tp l a t ea n di t se f f e c t so n m e c h a n i c a le f f i c i e n c yo fp i s t o np u m pw e r ec a r d e do u t f r i c t i o nt o r q u ew a sm e a s u r e du n d e r d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n di t sm e c h a n i s mc o m b i n e dw i t ht h er o t a t i o n a lc y c l eo fb a r r e l w a sd i s c u s s e d b e s i d e s ，b e a r i n gf o r c eb e t w e e nt h eb a r r e la n d p o r tp l a t ev e r s u ss u p p l yp r e s s u r e w a st e s t e du n d e rd i f f e r e n tf i l mt h i c k n e s sa n dr o t a t i o ns p e e d i nc h a p t e r6 ，t h es e a l i n gr e g i o no fp o r tp l a t ew a so p t i m i z e d ，i nw h i c ht h el u b r i c a t i o n p a r a m e t e rw a si m p l e m e n t e da san e wc o n s t r a i n tc o n d i t i o n i tw a ss h o w ni nt h ec a l c u l a t e d r e s u l t st h a tt h el e a k a g er a t er e d u c e dw h i l et h es t i f f n e s so fo i lf i l mi n c r e a s e d ，w h i c hc a np r o v i d ea s p e c i f i cr e f e r e n c ef o ro p t i m i z a t i o no ft r i b o - p a i r si np i s t o np u m p i nc h a p t e r7 ，c o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da n dt h ef u t u r er e s e a r c hd e v e l o p m e n t sw e r e p r o p o s e di nt h i sc h a p t e r k e y w o r d s a x i a lp i s t o np u m p ，b a h e l p o r tp l a t e ，l u b r i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，f i l mt h i c k n e s s ， m i c r o m e t e r , l e a k a g e ，t o r q u e v 1 浙汀大学博十学位论文 x 符号 仅 仅o p l 尼 么c 么e a n l a n a p a p l ，a m p 3 ，a p 4 a m y 9 r o i i v t 五 p f 口 t p h c o q l f 1 2 a 符号清单 名称 腰槽中心角 吸、排油窗口的理论包角 斜盘最大倾角 腰形槽转矩修正系数 平衡油槽转矩修正系数 高压腔活塞有效面积 配流盘在密封面上的有效支承面积 油膜厚度变化率对供油压力的修正参数( 振动体) 油膜厚度变化率对供油压力的修正参数( 挤压膜) 配流腰形槽压差 楔形油膜大开口端外、内密封带泄漏流动压差 楔形油膜小开口端内、外密封带泄漏流动压差 纯液体摩擦转矩 缸体倾侧角 缸体转角 油膜振荡方程中的膜厚变化速率阻尼系数 油液动力粘度 有效粘性系数 湍流涡旋粘性系数 分析粘性系数 油液的运动粘度 非线性规划负增量算子 收敛因数 润滑流体介质密度 润滑介质流动时的内摩擦力 相邻两柱塞的夹角 排油腔有效面域包角 缸体转子角速度 完全楔形油膜体 平行油膜体 圆盘缝隙a w e g e n e r 粘温模型常数项 单位 o o o m m 2 删 1 1 2 m 2 k g m 2 k g m p a m p a m p a n m o k g s p a s p a s p a s m 2 s k g m 3 p a r a d s p a s 符号清肇 a b b p c c a e c a b 岛 c e p c i p c l ，c i d d l 凶 d f 凡 f f 凡 绵 r 石 f p j y f m j y 石a 卜五 h 办。 矿 厅l 办2 h a 饥 h c h 。 缸孔横截面面积 圆盘缝隙a w e g e n e r 模型半径倒数的修正系数 润滑介质的粘性阻尼系数 盘面上辅助结构导致支承面积减小的修正系数 支承内密封面积的修正系数 支承外密封面积的修正系数 流量修正系数 液压缸外部泄漏系数 液压缸内部泄漏系数 两次积分常数 柱塞缸孔直径 缸孔中心直径 柱塞缸孔小端直径 缸体外径 密封带支承压力 加载缸作用在摩擦盘上的加载力 配流副间的液压分离力 中心弹簧使缸体压向配流盘的弹簧力 配流副间的液压压紧力 配流副间的平均液压压紧力 毋、r 、玮三者的合力( 代数和) 缸体配流盘相对运动干摩擦时的动摩擦系数 配流副总泄漏方称供油 理想压紧力系数 理想压紧力距系数 日标函数 油膜厚度 缸体中心油膜厚度 点瓴，肌) 的油膜厚度 油膜柱体最大膜厚 油膜柱体最小膜厚 测试点a 油膜厚度 测试点b 油膜厚度 测试点c 油膜厚度 均值油膜厚度 彻n 2 k g s k g s n 】m m m n l m m m l ( n k n k n k n k n k n k n m s 4 k g i x m g m r t m g m l a m p m l x m “m l a m 浙汀大学博十学位论文 x i i 配流盘厚度 静压支承油膜刚度 静压支承油膜均值刚度 静压支承油膜幅值刚度 负载等效后的弹簧刚度 液体的体积弹性模量 排油窗口的长度 w jr 对配流副的压紧力矩 缸体对配流盘的压紧力产生的总力矩矢量 缸体对配流盘的压紧力对x 轴的力矩 缸体对配流盘的压紧力对y 轴的力矩 配流副间隙油膜支承力产生的力矩 摩擦盘与柱塞运动部件的总质量 缸体转速 配流盘上排油小窗口的个数 密封带压力场任一点压力 加载缸无杆腔压力 加载缸有杆腔压力 加载缸负载压力 柱塞缸孔内的工作压力 密封带点 的压力 吸油槽压力 排油槽压力 总泄漏量 内密封带泄漏量 外密封带泄漏量 总供油量 平行油膜体对应的总泄漏量 配流盘盘面左侧的泄漏量 配流盘盘面右侧的泄漏量 完全楔形油膜体q l 对应的泄漏量 平行油膜体q 2 对应的泄漏量 加载缸无杆腔进油流量 加载缸有杆腔进油流量 加载缸负载流量 m m m m 3 m m - 3 i t u t i j n m m p a m m n m n m n m n m n m k g r m i n m p a m p a m p a m p a m p a m p a m p a m p a m 3 s m 3 s m 3 s m 3 s m 3 s m 3 s m 。s m 3 s m 3 s 求| s m 3 s m 3 s 日矗以露k，屿一坞坛蝎溉刀m p肌优肌肌删肋体9鳊g鼬叫喇帅脚卯驰钆 符号清肇 r ， r 0 ，1 ，2 ，3 心 h ，p r s s s 1 6 0 c y s a l 0 v 0 3 1 & ， f l 砖 t i n t o u t t m i n 靠 丁 砟n t t o t a l “、v 、w d i , u j u 0 ，u r ，u z 圪 【v o 】 诈 取 b w 柱塞缸孔分布圆半径 密封带任一点的半径 密封带中心的平均半径 内密封带内半径 内密封带外半径 外密封带内半径 外密封带外半径 环形吸、排油腰槽宽度 配流盘上的环形吸、排油腰槽的定位半径 径向质量力 吸、排油槽宽度 切向质量力 1 6 0 c y l 4 b 柱塞泵配流盘的有效支承面积 a 1 0 v 0 3 1 系列柱塞泵配流盘的有效支承面积 缸孔的吸油面积 时间 排油窗口的径向宽度 配流副液流阻断时间 配流盘内密封带宽度 配流盘外密封带宽度 工艺上必须保证的最小密封带宽度 开始通油至膜厚达到最大值的时间 油液温度 正向载荷产生的平面配流副摩擦转矩 平面配流副总摩擦转矩 x 、y 、z 坐标方向上的速度分量 绝对速度口的分量 速度矢量即在柱面坐标系内的分量 活塞腔的有效容积 活塞腔的初始容积 配流盘允许吸油流速 切向速度 点 ，力的x 方向速度分量 a ( x ，y ) 的y 方向速度分量 环形密封带支承力 m m m ，俘 m ，屉 m m m m m m m ： 盯 车=以以以p，以以以以n m m m m m m 一 一耐一耐一一一 s s一一一s眺桃眺一。眺眺桃桃 浙汀大学博十学位论文 x l v w 1 w 2 ，w 3 ，w 4目标函数权数 x 优化计算的三维列矩阵 x 场中的横坐标 x l ，x 2 ，x 3三维列矩阵的元素 为j 点的横坐标 砩运动部件的微位移 拗中心弹簧预压缩量 y场中的纵坐标 z 柱塞数 z z 方向的质量力 州s 2 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：川年垆月 学位论文版权使用授权书 叩日 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播， 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：酬 签字嗍叫年垆月呷日f 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 导师签名： 签字日期：辟千月刁日 致谢 致谢 本文是我近五年来从事轴向柱塞泵润滑特性研究的总结报告，除了自身努力外，凝聚 了太多人的关心与帮助，在此谨向他们表示衷心感谢和最诚挚的问候! 首先感谢我的导师杨华勇教授。考入浙江大学攻读博士学位的第一天，杨老师就告诉 我攻博的艰辛，要培养的能力和追求的精神境界，用哲学理念诠释了博士生涯的宝贵经历， 让我从硕士阶段的学 - - j 状态中成功转变，这些教诲时刻勉励着我，也是本文得以完成的重 要保障。杨老师学识广泛，有着前瞻性的学术眼光、敏锐的洞察力和国际视野，导师与学 生的学术观点碰撞贯穿着论文研究始终，确保了论文的质量水平。感谢杨老师为我积极创 造条件参加境外国际学术会议，使我增长了行业见识，开阔了学术视野。我坚信，在科研 团队的学 - j 经历将对我今后的人生起到积极而深刻的影响。 周华教授，我的第二导师，四年多来我取得的每一点进步与成果都与周老师的悉心指 导分不开。周老师对我学术研究严格要求的同时又如朋友、亲人般的关心与鼓励，坚定了 我科研工作中战胜困难的决心与信心，保证了论文研究进度。周老师求是、创新、精益求 精的学术品格，勇于探索的进取精神，丰富的专业知识也将是我一生的学 - - j 榜样。感谢周 老师给我提供的良好研究环境和锻炼机会，使我在学术和工程实践方面得到了培训与提 高。 特别感谢本团队的傅新教授、龚国芳教授、阮晓东教授、徐兵教授，感谢谢海波老师、 欧阳小平与邹俊老师，感谢你们对我博士论文研究工作的关注与支持。 感谢浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的吴根茂、王庆丰、丁凡、陈鹰、李伟、 王宣银、陶国良及魏建华等诸位教授和邱敏秀研究员对本项目的关心，还有葛耀峥、朱小 援老师对试验台使用中给予的帮助! 感谢国家电液控制工程技术研究中心岳艺明和张鸿墩 两位工程师对试验台设计改进提出的宝贵建议! 感谢贵州力源液压股份有限公司曹捷、董可两位高级工程师在柱塞泵与配流盘试件方 面的技术指导! 感谢水液压组已毕业的艾青林、弓永军、邓东博士和尹成庆、魏春雨、段晓敏、付志 良、孙伟、孙健、卢宏祥、魏新、王俊霞、李根义和邵玉强硕士，以及在读的同窗成琳琳、 张增猛、侯交义、翟江、宋伟博士生，周成、张钊、吴海峰、谢安桓、王道成、章寅、徐 巧宁硕士生，感谢大家对我学 - - j 、生活上的关心与帮助，今后我将倍加珍惜这份友谊。同 l 浙江大学博f 一学位论文 时，团队已毕业博士林建杰，胡国良、刑彤、杜学文及其他同窗好友胡东明、王静、张斌、 马吉恩、周城、刘英杰、任好玲、王伟、黄硕等，感谢你们在我情绪低迷时的关心鼓励和 学术研究中的宝贵建议! 最后，感谢父母和亲人对我一如既往的理解和支持! 你们是我最大的精神动力，论文 的顺利完成也是对你们最大回报! 感谢所有关心我成长的人们! i i 王彬 2 0 0 8 年1 2 月于浙大求是园 1 绪论 1 绪论 摘要：阐述了液压泵在液压系统中的作用及对行业发展的意义、轴向柱塞泵的优势与当前 的技术瓶颈。分析了配流副在轴向柱塞泵中的作用、失效形式，其中包括固定摩擦副在不 同润滑状态、不同工况下的摩擦学特性，指出研究配流副润滑油膜特性的必要性与重要性， 点明了本学位论文研究的目的意义。重点介绍了轴向柱塞泵的发展，国内外的研究状况， 及本文开展相关研究具备的试验条件。最后，论述了本文拟开展研究的主要内容。 1 1 概述 液压泵作为液压系统核心的基础动力元件，反映了液压产品的整体技术水平，不但装 备于工程机械、冶金矿山设备、农业机械、机床、塑料机械、汽车、石油化工设备等主机 行业，且在水利工程、地下施工、物流集运、航空航天、铁路、机车车辆、医药、印刷以 及游艺等领域也有重大需求i 卜4 】。 柱塞泵是依靠柱塞的往复运动而改变柱塞缸内的容积实现吸入和排出油液，和其它形 式的液压泵相比具有结构紧凑、单位体积输出功率大、额定压力高、流量大、变量方便、 寿命长等诸多优势。按柱塞在泵内的相对位置，柱塞泵又分为轴向柱塞泵与径向柱塞泵， 前者较后者结构简单、成本低、转速高、体积小重量轻。按配流方式主要有阀配流、轴配 流及端面配流三类，其中端面配流泵的转速高、易实现无级变量、结构简单【5 1 。由此，端 面配流轴向柱塞泵( 即指下文的轴向柱塞泵) 无论在技术发展前景、制造成本及市场占有量 等方面均有较大发展优势，是成为当前得以重点开发、推广应用的主要原因。 目前国产液压柱塞泵在压力、排量、速度和可靠性、寿命等方面与国外同类产品相比 有着明显的差距，导致国内企业在国内外市场受到极大限制。与其它液压泵相同，提高压 力、流量等技术参数水平、改善性能( 泄漏、噪声等) 、延长寿命等是轴向柱塞泵的主要发 展方向 6 - 1 5 。轴向柱塞泵主要由驱动轴、斜盘、柱塞、缸体( 又称转子) 和配油盘五大部分 组成。见图1 1 、1 2 。 限制其性能提高的一个关键因素是配流盘、滑靴、柱塞处的摩擦副短期磨损严重而失 效。配流副、滑靴副和柱塞副是轴向柱塞泵内三类最为典型而又最关键的摩擦副，它们不 仅影响寿命，还影响泵的容积效率、机械效率与噪音等指标。配流副由配流盘( 又称配油 盘或分油盘) 与缸体吸，压油端面及其问的密封闻隙组成，工程应用中常出现磨损或烧盘 等破损形式，这与该类泵的工作特点有直接关系一柱塞泵是靠柱塞在柱塞腔内往复运动时 密闭容积的改变来实现吸油与压油的，必然伴随着各运动部件与固定部件的紧密接触又相 对滑动。对变流量而言，无论采用变排量或变转速方法，泵时常需高压、大流量输出，且 负载多为交变，使得摩擦副工况条件恶劣，因此轴向柱塞泵摩擦副的滑动面应保证必要的 润滑条件，以最大程度降低固体干摩擦产生的功率损失j “。 罨计 ； 1 驱动轴2 斜盘3 柱塞4 缸体5 配流盘 】i 工作原理图i2 轴向柱塞泵样田 由摩擦学原理知，两相对运动面问的摩擦功率损失与相对运动速度和正压力成正比并 与摩擦因数有关，即分别可对应于泵的转速、工作腔的压力和摩擦表面微观物理特征( 如 表面粗糙度) 。不同的润滑状态可对应不同的摩擦固数 亦可根据摩擦面的润滑膜状态评 判1 3 1 ：液体润滑( 全油膜润滑) ，f - 0 0 0 0 1 一- 00 1 ：边界润滑( 部分油膜润滑) ，= 00 5 0 3 ； 滑干摩擦( 无油膜润滑) ，00 0 0 1 00 1 。因此，若在泵内几处关键摩擦副间形成稳定的油 膜而实现纯液体润滑或边界润滑，即可大幅降低摩擦因数而减少摩擦功率损失。通常，干 摩擦为摩擦副接触面间众多接触峰摩擦学行为耦合作用的宏观表现，该状态下许多摩擦学 因素( 摩擦热，相对速度、配对材料等) 对其过程出现了质的变化，见图l3a 。2 0 世纪中叶 提出关于摩擦的机理并培用至今，即分子一机械理论、粘附理论等，对本文中的柱塞泵配 流摩擦副而言，由于主要是钢件，目前多用修正后的粘附理论【1 “。这里应指出，因为一般 零件表面不仅会有氧化膜形成，且易被润滑油湿润或污染，工程中极少存在绝对的干摩擦 状态，只是与油或气润滑相比，占有固体润滑剂的摩擦副润滑】生能不及气或液润滑而被近 似看作干摩擦；而在低速重载情况下，流体润滑膜厚度比金属摩擦表面凹凸轮廓高度小， 只能在表面的间接接触点上，存在较薄的隔离膜( 厚仅为一到两层分子高度) ，此时就属于 边界润滑问题”】。见圈13b ；摩擦副在一定速度与压力作用下，滑动面问存在一层完整的 润滑剂膜，摩擦王要为润靖油本身的粘度且按理想情况滑动表面不存在磨损，这属于流体 润滑的范畴，见图13c 。可见，在配流机构等摩擦副问一旦能形成而达到纯液体润滑或边 界润滑状态，将大幅降低摩擦因数，这对摩擦副工况有极大改善作用1 1 8 1 。 a 十镕* b 边界谰滑 空隙区 边界 润滑膜 金属 牯着区 垒润滑膜 c 体目* l3 摩擦与润靖微观机理模型 工程实践表明，柱塞泵或马达报废的主要形式之一为摩擦副的早期磨损o 4 加i ，见图 1 4 ( a ，b ，c 1 _ 粘着磨损与磨料磨损是两种主要形式。其中，轱着磨损是摩擦件的金属表 面接触发生变形或升温，使接触峰顶材料焊合，而磨料磨损则由于外界杂质进入摩擦副区 起研磨剂作用而造成”目。合理设计摩擦副，确保其间形成适当的油膜，可减缓或消除粘着 磨损，且保持一定的配流副间隙后也将尺寸小于间隙的微颗粒随润滑介质从泄漏边流走， 这也有效抑制了摩擦副的蘑料磨损 2 1 - 2 5 】。 心团；淞乞涂圈龇 an 流盘断裂b 配流盘磨损与点蚀c 体酉己流i 镕痕 4 配流副磨损实物照片 轴向柱塞泵配流副由配流盘、缸体端面及两者问的密封问隙组成，是最为关键的摩擦 副之一。作为该类容积式柱塞机械( 柱塞泵玛达) ，摩擦副的油膜形成特性某种意义上决 浙江大学博十学付论文 定了整泵的性能。全油膜润滑状态( 厂= o 0 0 1 0 0 1 ) 下滑动面间的摩擦功率损耗为干摩擦 的几十甚至上百倍之一，由此可见保持良好的润滑状态对该类泵来说，即可保证一定的机 械效率，更主要是确保高压下运行的可靠性，防止摩擦副烧损。摩擦副对应的三个润滑状 态研究表明，运行条件对摩擦学性能影响较大。以边界润滑膜为例，影响其摩擦学性能的 主要因素如润滑介质特性、边界膜强度( 定义为膜的剪切强度r ，与基体材料的剪切强度 之比f ，吒) ( 如图1 5a ) 、摩擦副相对滑动速度( 如图1 5b ) 、温度( 如图1 5c ) 及摩擦面的表 面粗糙度( 如图1 5d ) 等【17 ，2 6 2 刀。配流副的摩擦学特性也随其结构工况参数的变化而变化， 加之配流结构类型众多，因此弄清摩擦副中润滑膜形成特点、演变形态等本质规律是进行 合理摩擦副设计的首要前提，为研发更高性能的产品奠定必要的理论与试验基础。 2 0 1 5 蓄1 0 誊o s 0 d 燃 | 孓r ：77 一 、 l 0 8 0 60 40 20 剪切强度比0 a 膜与基体剪切强度比对摩擦因数的影响 o 5 0 4 蓄0 3 惹0 2 0 1 0 温度f ( ) 0 3 妄o 2 函 鍪叭 、 辎 困 骓 髓 0 1o 20 30 4 相对滑动速度1 ，( e m s ) b 滑动速度对摩擦因数的影响 表面粗糙度凡 c 表面粗糙反对摩擦因数的影响d 温度对犀擦因数的影响 1 5 边