柱塞泵滑靴副潤滑特性分析

王官洪，周釗強，曹學鵬

（長安大學工程機械學院，陜西 西安710064）

滑靴副作為柱塞泵最重要的摩擦副之一，其潤滑特性對泵的效率和使用壽命有重要影響。國內外學者對柱塞泵滑靴副潤滑特性已做了大量研究工作，并取得了巨大成就。德國的Kumar S J將三維Navier-Stokes應用在滑靴斜盤之間的微小間隙進行數值求解，得到了泄漏流量隨滑靴副結構參數之間的關系；英國的John WATTON研究了泵的流量和壓力增大時來研究靜壓支承室結構參數對滑靴底部壓力和提升力的影響；德國的UweWieczorek通過開發模擬斜盤式軸向柱塞泵滑靴和斜盤間隙的仿真工具CASPAR，得到密封帶處的壓力、速度和溫度場分布規律[1]。這對分析滑靴副油膜厚度和油膜承載能力提供理論基礎和依據，也為設計摩擦副提供新思路。

1 滑靴副靜壓支承特性分析

在工業生產中，柱塞泵滑靴副大多采用靜壓支承方式來實現其流體潤滑，這有利于降低材料磨損，提高元件使用壽命。

1.1 靜壓支承工作原理

進口壓力P油通過阻尼孔時產生壓降Ps，在Ps的作用下，液流通過密封帶時產生泄漏流量，并在密封帶內形成具有一定變化規律的壓力場，這個壓力場和油腔壓力Ps共同抵抗外負載W.當外負載變化時，Ps也隨之改變，使油腔壓力與外負載達到一個動平衡狀態[2]。滑靴副的靜壓支承如圖1所示。

圖1 軸向柱塞泵滑靴靜壓支承示意圖

式中：P為負載壓力；P0為環境壓力；l和d為阻尼孔長度和直徑；h為油膜厚度；r0、R0分別為滑靴底面內、外半徑。

根據微小間隙的流動方程得到滑靴與斜盤之間的流量連續性方程為：

式中，μ 為油液的動力粘度。由（1）、（2）兩式可知，當滑靴結構參數、環境壓力一定時，油室壓力不僅與柱塞腔壓力有關，還與油膜厚度有關。油膜太厚或者太薄會引起效率降低或“燒盤”現象。因此，研究滑靴副的油膜厚度極其重要。

1.2 滑靴副壓力分布計算

油膜厚度是評價滑靴副潤滑特性最重要的指標

根據滑靴阻尼孔壓力流量特性及流量連續性原理得滑靴副靜壓支承油室壓力為：之一，為此，需要求出使滑靴副獲得最佳性能的油膜厚度。

當油膜處于一定厚度時，就必然有功率損失。而功率損失是由兩部分組成，一部分泄漏產生的功率損失N1，另一部分是粘性摩擦引起的功率損失N2[3]。聯立（1）、（2）式，求得泄漏損失功率為：

其中，DP為柱塞直徑；γ為斜盤傾角。

油液具有的粘度而產生粘性摩擦力矩N2：

式中：n為泵的轉速；D為柱塞分布圓直徑。

對N1和N2求和之后再對油膜厚度h求偏導，令偏導等于零，求得最佳油膜厚度為：

由（5）可知，滑靴副最佳油膜厚度取決于滑靴和柱塞的結構參數及泵的工作參數。經計算，當負載壓力為24 MPa時，最佳油膜厚度為16.08μm，負載壓力為16 MPa時，為19.69μm，沿滑靴底面半徑方向壓力分布如圖2所示。根據最佳油膜厚度計算滑靴副密封帶處壓力隨半徑的變化關系如下：

圖2 滑靴底面沿半徑方向壓力分布圖

2 滑靴副流場仿真及結果分析

采用CFD對滑靴副進行流場仿真，對模型進行簡化[4]：滑靴與斜盤之間的間隙非常小，介質是牛頓液體，且為層流，不存在渦流。

2.1 建立仿真模型及參數設置

根據（5）式計算的最佳油膜厚度和表1中的參數，建立不同負載壓力下的滑靴副流道模型，其主要包括阻尼孔流道、滑靴靜壓支承室內流體和滑靴密封帶處油膜三部分。滑靴底面油膜因具有厚度小、直徑大的特點而網格劃分較難。首先構建虛擬直線將油膜厚度方向上圓柱面進行分割，再沿厚度方向上進行線網格劃分，然后以Quad和Map方式對側面進行面網格劃分，最后以Hex/Wedge和Cooper進行體網格自動劃分。將網格文件導入到FLUENT進行參數設置。選擇基于壓力求解的3D求解器和k-ε二階精度模型；定義邊界條件，設置精度流場仿真迭代。

表1 滑靴副主要結構參數

2.2 仿真結果分析

最佳油膜厚度為16.08μm，工作壓力為24 MPa時的滑靴副油膜壓力分布如圖3所示。

圖3 工作壓力為24MPa時的壓力云圖

由圖3可知，滑靴副密封帶處油膜壓力中心為油室圓形壓力場，接近于柱塞腔壓力，周圍為環形密封帶油膜壓力場，且隨底面半徑的增大而逐漸減小。與圖2中滑靴底面壓力分布相吻合，當負載壓力增大時，滑靴油膜壓力場也隨之提高，承載能力提高以適應外負載的變化。

3 結束語

根據滑靴副損失功率最小求出最佳油膜厚度，在此基礎上，進行數值計算分析，并通過流體仿真驗證數值計算的準確性，得出了一致結論：滑靴油室中心圓形壓力接近負載壓力，密封帶處油膜壓力呈環形分布，并隨半徑的增大逐漸減小，當負載壓力增大時，密封帶處壓力也隨之增大，油膜承載力提高。流體仿真模型驗證了數值求解模型的準確性與合理性。

[1]Kumar S J，Bergada M，Watton J.Axial piston pump grooved slipper analysis by CFD simulation of three-dimensional NVS equation in cylindrical coordinates[J].Computer&Fluids，2009（38）：648-663.

[2]Uwe Wieczorek，Monika Ivantysynova.Computer Aided Optimization of Bearing and Sealing Gaps Hydrostatic Machines-The Simulation Tool Caspar[J].International Journal of Fluid Power，2002（3）:33-40.

[3]許耀銘.油膜理論與液壓泵和液壓馬達的摩擦副設計[M].北京：機械工業出版社，1984.

[4]張 靜，馬慶偉.基于CFD的軸向柱塞泵滑靴副的流場仿真[J].機械工程，2012（2）：1-3.