仿生非光滑表面滑靴副水壓軸向柱塞泵的摩擦磨損及效率試驗研究

梁瑛娜 高建新 高殿榮

(燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

軸向柱塞泵因具有結(jié)構(gòu)簡單、額定壓力高、效率高和流量調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點而被廣泛應用于海洋船舶、水下潛艇、航空航天等各類液壓系統(tǒng)中。以純水代替礦物油作為軸向柱塞泵的工作介質(zhì)，具有工作介質(zhì)獲取方便、系統(tǒng)安全穩(wěn)定、污染低、成本低等優(yōu)勢，成為近年來機械工程和環(huán)境工程領域研究的熱點問題。

Rokala等[1]利用自制試驗裝置，對不同斜盤傾角下水液壓軸向柱塞泵滑靴副的水膜厚度進行了測試。曹文斌等[2]對水壓柱塞泵柱塞的頸部和前端進行了工藝加工以加強其強度和耐磨性，并對柱塞副的受力及磨損泄漏進行了分析?？紫榧兊萚3]對水壓軸向柱塞泵配流盤進行了模態(tài)分析，研究其振動特性。孫澤剛等[4]對水壓軸向柱塞泵柱塞腔進行空化仿真探究。聶松林等[5]對水壓軸向柱塞泵進行了水膜動態(tài)特性分析，使用Matlab實現(xiàn)滑靴副動態(tài)水膜的精確求解。侯威等[6]對水壓軸向柱塞泵的U形阻尼槽進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗探究。王慧等[7]對水壓軸向柱塞泵滑靴副進行了流場仿真，分析了其流場壓力與水膜速度。翟江等[8-9]對水壓軸向柱塞泵內(nèi)的流量、壓力、空化等進行研究，建立了壓力流量模型等進行仿真，研究發(fā)現(xiàn)，由于水的黏度低、潤滑性差，會導致作為水壓軸向柱塞泵關鍵摩擦副之一的滑靴副摩擦磨損加劇，泵的泄漏流量增加，使其容積效率、機械效率降低。姜繼海等[10]針對軸向柱塞泵中滑靴副的傾覆和偏磨問題，建立了一種滑靴副潤滑數(shù)值模型和耦合求解器，提出了一種微臺階來改進滑靴結(jié)構(gòu)，并通過仿真計算對比不同微臺階結(jié)構(gòu)參數(shù)對滑靴副姿態(tài)和油膜潤滑的影響。王海吉等[11]通過改變柱塞泵滑靴副阻尼孔的結(jié)構(gòu)來探究其壓降影響。白國慶等[12]通過Simulink仿真軟件與試驗相結(jié)合得到了斜盤式柱塞泵滑靴的最佳油膜厚度公式。肖朝昂等[13]采用等離子噴涂技術對滑靴副摩擦磨損特性進行探究。段珊珊等[14]研究了柱塞泵預緊力對滑靴回程盤的影響。孟嘉嘉等[15]對滑靴副的靜壓支撐進行了探究。倪斯亮等[16-17]對滑靴副的材料匹配進行探究，在滑靴底部開設表面微坑，探究其對滑靴副油膜性能的影響。侯亮等[18]考慮帶表面紋理的輔助支撐帶的油膜壓力分布與力矩作用，建立了配流副油膜動力學模型，分析了在不同工作壓力、工作轉(zhuǎn)速和斜盤傾角下配流副流量泄漏以及摩擦損耗的變化規(guī)律。

國內(nèi)外學者從優(yōu)化結(jié)構(gòu)、優(yōu)選材料的角度出發(fā)，通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究，對水壓軸向柱塞泵滑靴副的水膜動態(tài)特性、泄漏特性和摩擦磨損特性進行了研究，在一定程度上減輕了滑靴副的泄漏和磨損問題，但傳統(tǒng)的靜壓支承結(jié)構(gòu)使性能難于進一步提升。

自然界中有許多生物的體表在長期接受外界作用下，進化成凹坑、凸包、鱗片、剛毛等形態(tài)各異的微觀非光滑形態(tài)，具有優(yōu)良的脫附、減阻、耐磨性能[19]。本文將這種非光滑表面效應引入水壓軸向柱塞泵滑靴副，在斜盤表面開設不同直徑的半球形凹坑，形成具有仿生非光滑表面滑靴副的水壓軸向柱塞泵，在純水液壓實驗臺上進行試驗泵在7、10、12 MPa下的靜態(tài)特性試驗，并采用激光共焦顯微鏡(LSCM)和掃描電子顯微鏡(SEM)對其斜盤磨損表面進行觀測，以期為仿生非光滑表面滑靴副水壓軸向柱塞泵的開發(fā)和應用提供重要參考。

1 試驗系統(tǒng)與方法

1.1 非光滑表面滑靴副水壓軸向柱塞泵

選用某型號水壓軸向柱塞泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，理論排量為25 mL/r，流量范圍為20～40 L/min，轉(zhuǎn)速范圍為700～1 800 r/min，額定工作壓力為14 MPa，最大工作壓力為16 MPa，容積效率為90%。缸體內(nèi)含有9個柱塞，均勻分布在相應的柱塞孔中，采用端面配流結(jié)構(gòu)，中心彈簧既推動止推盤與配流盤緊密接觸，又通過缸體和回程機構(gòu)使滑靴底部緊貼斜盤表面。

原型泵中的斜盤采用431不銹鋼制造，431不銹鋼是馬氏體不銹鋼中強度與韌性搭配較好的一種，對氧化性酸、大部分有機酸以及有機鹽類的水溶液有良好的耐腐蝕性，其化學成分為：C(0.11%～0.17%)、Si(≤0.08%)、Mn(≤0.08%)、S(≤0.03%)、P(≤0.035%)、Cr(16.0%～18.0%)、Ni(1.5%～2.5%)，在機械、化工、紡織行業(yè)中有廣泛的應用，主要性能參數(shù)如下：密度為7.75 g/cm3，彈性模量為210 GPa，布氏硬度為285，伸長率為10%，熱膨脹系數(shù)為10-5/℃，熱導率為20.9 W/(m·K)，抗拉強度和屈服強度分別為1 100、300 MPa。

采用431不銹鋼加工非光滑表面斜盤，如圖2所示，在9個分布橢圓上依次均布75、82、88、94、101、107、113、119、126個半球坑單元體，確保凹坑單元體之間的徑向、周向間隔大致相等。按照上述排布方式，加工具有不同直徑(d=0.7,1.0,1.3 mm)半球坑的非光滑表面斜盤各3個，作為對照組加工光滑表面斜盤3個，共計12個斜盤。

圖2 半球坑非光滑表面斜盤Fig.2 Non-smooth surface swash plate with hemisphere pits

試驗泵中的滑靴不作變化，芯部骨架采用431不銹鋼，外部包覆高分子聚合材料CF/PEEK，表面保持光滑。

將半球坑非光滑表面斜盤安裝在泵的前端蓋上，與光滑表面滑靴配合，裝配形成仿生非光滑表面滑靴副水壓軸向柱塞泵，如圖3所示。

圖3 非光滑表面滑靴副在試驗泵中的安裝Fig.3 Installation of non-smooth surface slipper pair in test pump

1.2 純水液壓實驗臺

純水液壓實驗臺如圖4所示，系統(tǒng)由動力源模塊、閥門裝配體模塊、電控模塊、水箱及支撐架綜合模塊4部分組成，可以完成泵的效率實驗和溢流閥、流量閥、方向閥等的靜態(tài)特性實驗。

圖4 純水液壓實驗臺Fig.4 Water hydraulic test bench

1.3 試驗方法

試驗前，采用超聲清洗儀將所有斜盤放入丙酮溶液中超聲清洗20 min，在空氣中自然風干。采用OLYMPUS激光共焦顯微鏡對所有斜盤原始表面進行觀測。

試驗在室溫、純水介質(zhì)下進行。首先，排除系統(tǒng)內(nèi)空氣后建壓，讓試驗泵在最低工作壓力下運行15 min；然后，使試驗泵工作壓力由最小值逐漸增大至12 MPa，其間每隔0.5 MPa記錄一次數(shù)據(jù)(包括壓力p、流量qp、溫度T、轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩M和輸入功率Pip)；最后，使試驗泵工作壓力穩(wěn)定在試驗設定的壓力值(7、10或12 MPa)下，系統(tǒng)運行60 min，其間每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)，直到試驗結(jié)束。

試驗結(jié)束后，采用OLYMPUS激光共焦顯微鏡和ZEISS掃描電子顯微鏡對所有斜盤磨損表面進行觀測。

每對滑靴副試驗持續(xù)約2 h?？疾炝藘?nèi)置光滑斜盤、3種不同直徑(d=0.7,1.0,1.3 mm)半球坑斜盤的4種不同滑靴副在試驗泵工作壓力穩(wěn)定在7、10和12 MPa下的摩擦磨損特性和試驗泵的效率，具體試驗方案見表1，每組試驗重復兩次。

表1 水壓軸向柱塞泵試驗方案Table 1 Test scheme of water hydraulic axial piston pump

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦磨損特性分析

對光滑表面斜盤及直徑為0.7、1.0、1.3 mm半球坑表面斜盤在7、10和12 MPa工作壓力下試驗前的原始表面和試驗后的磨損表面進行觀測，選取工作壓力p為12 MPa下的結(jié)果，如圖5所示。

滑靴繞斜盤軸線沿其表面逆時針轉(zhuǎn)動，在斜盤圖5(a)所示位置的下半圈(吸水區(qū))經(jīng)歷吸水過程、上半圈(壓水區(qū))經(jīng)歷壓水過程，因此上半圈承受高壓從而在其表面留下了摩擦痕跡。繼續(xù)觀察其微觀形貌的變化，發(fā)現(xiàn)試驗后磨損表面出現(xiàn)了大量沿滑靴滑動方向的溝槽，改變或者覆蓋了原始表面的加工刀痕；同時還出現(xiàn)了一定的顏色加深和黏著物附著。可以推測摩擦過程中發(fā)生了磨粒磨損和黏著磨損，磨粒導致溝槽、滑靴表面CF/PEEK黏著在斜盤表面導致顏色加深。

圖5 不同表面斜盤在p=12 MPa下試驗前后的表面形貌Fig.5 Surface morphology of swash plate with different surfaces before and after test under p=12 MPa

由圖5(a)可見，光滑表面斜盤高壓區(qū)域的摩擦痕跡明顯，其磨損表面顯微成像中還出現(xiàn)了較寬、較深的溝槽和表面發(fā)藍。在試驗初期的磨合階段，壓水區(qū)的高壓和相對運動使得滑靴與斜盤表面微凸體互相接觸、嵌入、擦傷，產(chǎn)生新的犁溝代替了原有加工刀痕，磨粒裹挾在摩擦表面間產(chǎn)生了較深的溝槽，磨粒磨損發(fā)生。結(jié)合光滑表面斜盤磨損表面EDS面掃描圖(見圖6)發(fā)現(xiàn)，磨損表面出現(xiàn)了大量O元素且其分布位置與原有的Fe、Cr、Ni等金屬元素基本相同，說明摩擦過程中發(fā)生了氧化磨損；磨損表面C元素有所增多且多分布于非溝槽區(qū)，其來源應為滑靴表面CF/PEEK中的碳纖維，表面材料遷移說明摩擦過程中發(fā)生了黏著磨損。

圖6 光滑表面斜盤在p=12 MPa下磨損表面EDS面掃描圖Fig.6 EDS surface scan of worn surface of smooth surface swash plate under p=12 MPa

由圖5(b)-5(d)可見，相比光滑表面斜盤，不同直徑半球坑表面斜盤高壓區(qū)域磨痕面積均有所減小，磨損表面的溝槽變窄、變淺，并清晰可見其表面局部區(qū)域的顏色加深和黏著物附著。結(jié)合直徑為0.7 mm半球坑表面斜盤磨損表面EDS面掃描圖(見圖7)，O、Fe、Cr、Ni、Mo(應源自試驗泵其他配副)、Mg(應源自試驗泵其他配副)、S等元素特征位置與黏著物位置相吻合且呈零星狀分布，說明其為氧化磨損的產(chǎn)物；Fe、Cr、Ni元素在黏著物位置略顯暗淡而非高亮，是因為其在431不銹鋼中含量普遍較高，而黏著物處因含有O、Mo、Mg、S等元素使得此處的Fe、Cr、Ni元素含量相對降低所致。由于凹坑具有容納磨屑的能力，使得脫落的氧化物沒有被碾壓、大面積涂抹在磨損表面。而C元素均勻分布于整個磨損表面，說明CF/PEEK磨屑因硬度較低而在摩擦過程中被捕獲、碾壓、涂抹。凹坑的容屑能力減輕了磨粒磨損，使得磨損表面的溝槽變得寬淺。圖8展示了直徑為0.7 mm半球坑表面斜盤在試驗后凹坑內(nèi)物質(zhì)的EDS能譜分析，凹坑內(nèi)殘留有磨屑證明了凹坑具有容屑能力，28.70%的O、17.25%的Fe和6.61%的Mg說明磨屑中含有氧化物。隨著凹坑直徑的增大，其容屑能力逐漸增強使得磨粒磨損減輕，但摩擦表面實際接觸面積逐漸減小使得黏著磨損和氧化磨損嚴重。綜合兩方面的效果，發(fā)現(xiàn)直徑為1.0 mm半球坑表面斜盤因其凹坑直徑和實際接觸面積均較小，其摩擦磨損特性不占優(yōu)勢(溝槽較深，氧化物等黏著物較多)。

圖7 d=0.7 mm半球坑表面斜盤在p=12 MPa下磨損表面EDS面掃描圖Fig.7 EDS surface scan of worn surface of hemisphere pit surface swash plate with diameter of 0.7 mm under p=12 MPa

圖8 p=12 MPa下d=0.7 mm半球坑內(nèi)物質(zhì)EDS能譜分析Fig.8 EDS spectra analysis of material in hemispherical pit with diameter of 0.7 mm under p=12 MPa

為研究半球坑表面滑靴副在不同工作壓力下的摩擦磨損特性，選取直徑為1.0 mm的半球坑表面斜盤在7 MPa和10 MPa工作壓力下的磨損表面形貌，如圖9所示。結(jié)合其在12 MPa下的磨損表面形貌(見圖5(c))可知，隨著工作壓力的增大，滑靴在半球坑表面斜盤上半圈高壓區(qū)域的摩擦痕跡逐漸明顯，觀察其顯微成像發(fā)現(xiàn)，磨損表面的溝槽變寬變深、顏色加深逐漸明顯。工作壓力的增大使得摩擦過程中表面微凸體的互相嵌入、擦傷更為嚴重，摩擦生熱增加，滑靴副表面材料塑性變形加大，氧化反應速率加快，表面材料互相轉(zhuǎn)移、黏著物增多加快，即摩擦過程中的磨粒磨損、氧化磨損和黏著磨損都有所增強，摩擦磨損加劇。

圖9 d=1.0 mm半球坑表面斜盤在不同工作壓力下的磨損表面形貌Fig.9 Worn surface morphology of hemisphere pit surface swash plate with diameter of 1.0 mm under different working pressure

2.2 潤滑機理分析

筆者在前期研究工作[20]中建立了水壓軸向柱塞泵滑靴副的全水動壓潤滑模型，數(shù)值模擬了光滑表面及直徑為1.0 mm半球坑表面滑靴副在1 500 r/min轉(zhuǎn)速下的動壓潤滑效應，結(jié)果如圖10所示，在水潤滑環(huán)境下，滑靴與斜盤的相對運動、半球坑與對磨表面形成的收斂楔共同作用產(chǎn)生動壓效應，形成舉升力，是半球坑表面滑靴副潤滑機理之一。

圖10 動壓潤滑數(shù)值模擬結(jié)果[20]Fig.10 Numerical simulation results of hydrodynamic lubrication

半球坑表面滑靴副潤滑機理示意圖如圖11所示：在試驗開始階段，滑靴副表面微凸體互相碰撞、擦傷較為嚴重，摩擦行為相對激烈，產(chǎn)生磨屑落入凹坑，摩擦生熱增大(見圖11(a))；摩擦表面溫度升高，滑靴CF/PEEK材料發(fā)生塑性變形、脫落、轉(zhuǎn)移至斜盤431不銹鋼表面，同時溫度升高誘發(fā)431不銹鋼表面氧化，在摩擦表面間形成局部轉(zhuǎn)移膜和氧化膜，磨屑減少，摩擦變緩(見圖11(b))；隨著黏著作用和氧化反應的深入，連續(xù)的轉(zhuǎn)移膜和氧化膜形成，避免了摩擦表面的直接接觸，磨屑進一步減少，實現(xiàn)了非光滑表面的自潤滑(見圖11(c))；在滑靴的周期性碾壓下，轉(zhuǎn)移膜和氧化膜疲勞脫落，落入凹坑，431不銹鋼表面露出，開始重新形成氧化膜，進入下一自潤滑周期(見圖11(d))，此為半球坑表面滑靴副潤滑機理之二。

圖11 半球坑表面滑靴副潤滑機理示意圖Fig.11 Lubrication mechanism schematic diagram of hemispherical pit surface slipper pair

2.3 泵效率特性分析

采用純水液壓實驗臺對光滑表面滑靴副及半球坑表面滑靴副水壓軸向柱塞泵在不同工作壓力下的靜態(tài)特性進行測試，試驗泵穩(wěn)壓在12 MPa下的流量-壓力曲線如圖12所示。不同表面滑靴副試驗泵的流量均隨壓力的升高而降低。滑靴副表面既要承受與壓力成正比的擠壓應力，又存在與轉(zhuǎn)速成正比的相對滑動速度，任何一個參數(shù)的升高都將使滑靴副中消耗的摩擦功率損失轉(zhuǎn)化為熱能的速度加快，從而使溫度升高，潤滑介質(zhì)水的黏度下降，泄漏損失增加，流量降低。試驗泵水介質(zhì)溫度隨壓力升高而上升的趨勢如圖13所示。半球坑表面滑靴副試驗泵在相同壓力下的流量均高于光滑表面滑靴副試驗泵。這說明斜盤表面的仿生凹坑與缸體轉(zhuǎn)動帶來的滑靴與斜盤的相對滑動共同作用，形成了動壓效應，提高了水膜的承載能力，同時也使滑靴表面高分子復合材料產(chǎn)生彈性變形而形成高壓區(qū)，從而減少了泄漏，增大了流量。

圖12 試驗泵的流量-壓力特性曲線Fig.12 Flow-pressure characteristic curves of test pump

圖13 試驗泵水介質(zhì)溫度隨壓力變化曲線Fig.13 Variation curves of water medium temperature with pressure of test pump

水液壓泵在能量轉(zhuǎn)換過程中存在能量損失，能量損失主要包括因泄漏而產(chǎn)生的容積損失以及因摩擦而產(chǎn)生的機械損失。容積效率ηvp是用來評價泄漏損失程度的參數(shù)，機械效率ηmp是用來評價摩擦損失程度的參數(shù)，總效率ηp為容積效率與機械效率的乘積。試驗泵最后60 min工作壓力穩(wěn)定在12 MPa下的容積效率-壓力曲線、機械效率-壓力曲線、總效率-壓力特性曲線如圖14所示。從圖14(a)可知：隨著壓力的升高，不同表面滑靴副試驗泵的容積效率均因泄漏的增大而降低，半球坑表面滑靴副試驗泵的容積效率較光滑表面滑靴副試驗泵提高了0.2%～0.6%。

圖14 試驗泵的效率-壓力特性曲線Fig.14 Efficiency-pressure characteristic curves of test pump

從圖14(b)可知：當實驗臺系統(tǒng)建立最低壓力后，所有表面滑靴副試驗泵的機械效率均隨壓力的升高而增大，這說明滑靴副的配對材料選擇合適，潤滑情況良好，摩擦損失不隨壓力的升高而增大，而當壓力升高、功率增大時，機械功率損失相對減少，機械效率增加，獲得了與油壓泵相當?shù)臋C械效率特性；半球坑表面滑靴副試驗泵在相同壓力下的機械效率均高于光滑表面滑靴副試驗泵，說明非光滑表面滑靴副具有更優(yōu)異的摩擦磨損特性，半球坑表面滑靴副試驗泵的機械效率較光滑表面滑靴副試驗泵提高了0.1%～1.7%。

從圖14(c)可知：所有表面滑靴副試驗泵的總效率先隨壓力的升高而增大，隨后趨于穩(wěn)定；半球坑表面滑靴副試驗泵的總效率較光滑表面滑靴副試驗泵提高了0.1%～2.3%。

3 結(jié)論

(1)光滑表面滑靴副摩擦過程激烈，磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損嚴重；非光滑表面滑靴副的凹坑可以產(chǎn)生動壓潤滑效應并具有容屑能力，摩擦過程中可實現(xiàn)自潤滑，達到了降阻減磨效果。

(2)隨工作壓力的增大，滑靴在非光滑表面斜盤上半圈高壓區(qū)域的摩擦痕跡逐漸明顯，磨損表面的溝槽變寬變深，黏著磨損和氧化磨損加重，摩擦磨損加劇。

(3)非光滑表面滑靴副試驗泵的容積效率、機械效率和總效率較光滑表面滑靴副試驗泵分別提高了0.2%～0.6%、0.1%～1.7%和0.1%～2.3%。