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。
泵使用效果视频
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