柱塞泵液压压力：做好液压柱塞泵的摩擦副有多难

柱塞泵液压压力：做好液压柱塞泵的摩擦副有多难第三组为缸体和配油盘形成的配流副。配流机构设计思路较多，静压支承法、剩余压紧法和综合设计法。设计原理同滑靴副的油膜设计法，选材也是。压力平衡槽对阀芯的横向力影响，张海平某著作K3VG系列轴向柱塞泵示意图第一组关键摩擦副为结构图中的滑靴与斜盘形成的滑靴副。滑靴轴向运动时还围绕主轴做圆周运动，在油液的粘性摩擦下，滑靴会自身旋转，运动特性很复杂。核心设计思路是建立良好的润滑油膜，降低摩擦副磨损，国际主流的油膜设计方法为静压支承法和剩余压紧力法。当然，油膜润滑前金属之间也有磨损，摩擦副的选材同样重要，如使用铜基和铁基的配对使用，ZQA19-4和QT60-2做摩擦副，铁滑靴可采用冷成型加工，再深冷处理，斜盘多采用表面氮化提高耐磨性，这也让我想起自己开发铸铁齿轮泵时的深冷处理、表面氮化了。第二组为柱塞与缸体形成的柱塞副。工作时柱塞在缸体内做轴向滑动，实现柱塞泵的吸油和排油，它会受到滑靴的反作用力和衬套

这两天看《现代制造》期刊采访液压专家马明东的短片，马明东与日本川崎泵液压专家交流时，对方直言不讳的告诉他：中国能在十年后搞清楚轴向柱塞泵各项摩擦副就不错了。那么问题来了，液压柱塞泵的摩擦副有那么难做吗？

轴向柱塞泵

现代液压中，液压柱塞泵作为能量的执行装置，是液压系统的核心元件之一。以轴向柱塞泵为例，它比径向柱塞泵结构更简单、制造成本更低、端面配流结构更易实现无级变量，广泛用于工程机械、船舶等领域。

1905年，美国的工程师Janny将矿物油作为传动介质，设计了世界上第一台斜盘式轴向柱塞泵，到现在柱塞泵的发展已有110多年了。虽然柱塞泵细节上发生了很大改变，但是柱塞泵的基本结构并没有变化，尤其是其中的三组关键摩擦副，这些摩擦副长期处于高速、高压和重载等恶劣工况下，摩擦副就成为决定柱塞泵寿命、可靠性和性能的重要部件。

K3VG系列轴向柱塞泵示意图

第一组关键摩擦副为结构图中的滑靴与斜盘形成的滑靴副。滑靴轴向运动时还围绕主轴做圆周运动，在油液的粘性摩擦下，滑靴会自身旋转，运动特性很复杂。核心设计思路是建立良好的润滑油膜，降低摩擦副磨损，国际主流的油膜设计方法为静压支承法和剩余压紧力法。当然，油膜润滑前金属之间也有磨损，摩擦副的选材同样重要，如使用铜基和铁基的配对使用，ZQA19-4和QT60-2做摩擦副，铁滑靴可采用冷成型加工，再深冷处理，斜盘多采用表面氮化提高耐磨性，这也让我想起自己开发铸铁齿轮泵时的深冷处理、表面氮化了。

第二组为柱塞与缸体形成的柱塞副。工作时柱塞在缸体内做轴向滑动，实现柱塞泵的吸油和排油，它会受到滑靴的反作用力和衬套摩擦力等作用力，导致柱塞存在偏置力矩，加快它的磨损，降低磨损的思路多为开均压槽。这个思路很像阀杆的均压槽！柱塞副的配合间隙也要谨慎选择，过大会加大泄漏，过小会卡死，一般取柱塞直径的千分之一为间隙值。

压力平衡槽对阀芯的横向力影响，张海平某著作

第三组为缸体和配油盘形成的配流副。配流机构设计思路较多，静压支承法、剩余压紧法和综合设计法。设计原理同滑靴副的油膜设计法，选材也是。

为了提升功重比，产品设计方向一般为大排量、超高压。国外压力发展路线一般为21MPa/28MPa/35MPa/56MPa，当国内还处在21MPa、28MPa阶段时，国外已以35MPa为主流，并正向56MPa发展。新的发展方向需要新型的材料和测试技术支撑，目前也发展出了油膜压力场试验、油膜温度场试验等新的测试方法。

其实上世纪七八十年代，哈工大的流体专家许耀铭就已经在研究柱塞泵的摩擦副，并提出设计时主要考虑三个方面：1)摩擦副采用耐磨材料；2)选用抗磨损能力强的润滑油；3)保证油膜充分润滑。他提出了三种设计关键摩擦副的理论方法及使用条件（剩余压紧力设计法、油膜压力反馈设计法、油膜挤压效应设计法），这三种方法都是从设计上保证摩擦副间形成适当厚度的油膜。

轴向柱塞泵工作原理

2014年哈工大的国家自然科学基金项目对柱塞泵的三组摩擦副寿命、轴承寿命和零件的强度做了详细的试验研究。对上述三组摩擦副给出的结论是：粗糙度、材料种类和硬度是影响磨损的主要因素，其中粗糙度对摩擦副影响量最大；试验发现使用锰黄铜HMn58-3与20CrMnTi合金钢碳氮共渗配合的摩擦副磨损情况最为良好。

清华大学的摩擦学国家重点实验室的李玉龙做了更深入的研究。2020年收稿的研究表明，适当的表面织构和表面处理方式可以提高柱塞泵摩擦副表面的耐磨性和油膜承载能力，降低摩擦磨损。例如金属涂层、金属陶瓷涂层、类金刚石碳涂层、纳米涂层、固体润滑涂层等等的表明涂层方式，碳氮共渗、渗硫、氮碳硫多元共渗等等的表面离子扩渗方式。

表面离子扩渗方式对摩擦系数的影响

做好大排量、超高压柱塞泵，对技术、工艺、后续处理等要求较高，近年来随着国内技术的进步，高压柱塞泵国产替代步伐加快，产品规格、功能也越来越多样化。

太原理工大学机械工程学院院长权龙教授说：“我国液压工业较发达国家起步晚，制造的柱塞泵在性能上、使用寿命和可靠性方面较国外先进产品尚有一定差距。近年来我们与国外的差距正在不断缩小，随着行业和企业的重视，这个差距会越来越小。”