剩余压紧力条件下滑靴副的油膜特性及功耗

　　当前针对轴向柱塞泵滑靴的设计最常采用的是静压支承和剩余压紧力方法. 然而对于变量柱塞泵而言，由于转速、负载和斜盘倾角等工况条件的改变，无法保证滑靴总是保持在静压支承状态，因此，现阶段国内外在高压、大排量柱塞泵中对滑靴的设计普遍采用的是剩余压紧力方法. 当滑靴在剩余压紧力状态下工作时，滑靴底面的油膜特性是影响滑靴副材料摩擦磨损的关键.

　　对于滑靴油膜的研究国内外均有报道，伯明翰大学的 Hooke 等[1-3]研究了柱塞泵/马达在低速情况下滑靴副压紧比及孔口尺寸对静压推力支承的承载能力的影响，并且搭建了能够检测柱塞泵滑靴副性能和油膜厚度以及高压泄漏损失的试验台. 文献[4]中在考虑液压油的压粘效应、油膜表面的压力弹性特性及油膜的动态刚度的前提下研究了滑靴油膜的压力分布和负载特性，并在此基础上对高压柱塞泵的系统设计和参数辨识提出了创新性的依据.Tsuta 等[5]建立了关于柱塞泵滑靴副的多体动力学模型和滑靴和斜盘相互作用时周边液压油的动态性能模型，列出了滑靴副的运动方程并且建立了液压油的模型，利用Newmark-beta 方法求解出了这一系统的动力学特性.Tanaka[6]利用电涡流位移传感器测得了滑靴副静压支撑时的动作，推导出了考虑滑靴接触表面粗糙度的滑靴副静压支撑的数学模型，通过试验验证了模型的合理性.

　　文中通过Matlab 编程对滑靴的油膜压力场进行数值求解，得到滑靴油膜的动态特性，在此基础上研究了滑靴副的功耗随负载和滑靴转速的变化规律.

　　1 滑靴副的结构及工作原理

　　目前最常采用的滑靴结构如图1 所示. 柱塞腔的高压油通过柱塞和滑靴中的阻尼小孔引入到滑靴底部的油池，使滑靴上产生液压反推力，油池的油液再通过滑靴的辅助支承带泄漏到柱塞泵的壳体腔内. 理论上，合理的设计可以使柱塞对滑靴的压紧力与上述反推力相互平衡，产生静压支承效应，从而保持可靠的流体润滑，以减小滑靴和斜盘间的磨损. 然而实际中，斜盘倾角、转速和负载的改变均会对滑靴的静压支承产生影响，所以滑靴的静压支承在现实中难以实现.

　　当滑靴的反推力不足以平衡滑靴所受的压紧力时，滑靴就会在剩余压紧力状态下工作，此时靠滑靴和斜盘之间形成的边界油膜来减轻摩擦副的磨损.

　　2 滑靴副的运动和受力分析

　　由于滑靴的磨损主要发生在排油区，而静压支承和剩余压紧力设计方法也是针对滑靴排油区的情况而言，即考虑滑靴承受高压油作用的情形，所以文中主要研究滑靴在排油区时的受力情况.

　　图2 所示为滑靴的运动轨迹. 假设斜盘倾角为γ，柱塞分布圆半径为R，取坐标系O-x，y，z，则由此坐标系可以看出，滑靴沿垂直于缸体轴线方向的运动轨迹是个圆. 而滑靴在斜盘平面O'y'z'上的运动轨迹是一椭圆，椭圆的长短轴的长度在文献[7]和[8]中均有描述. 如果柱塞以角速度ω 按图中所示的方向旋转，并且以下死点位置为起始位置，则当滑靴转到0° ～180°时泵处于吸油区，滑靴转到180° ～360°时泵处于排油区.