姜繼海 杜博然 張健

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

液壓泵是液壓系統(tǒng)的“心臟”。其中的軸向柱塞泵效率高、功率密度大，在三航(航空、航天、航海)及工業(yè)領(lǐng)域液壓系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用。

近年來，液壓系統(tǒng)正朝著高效率、智能化、高度集成化的方向發(fā)展，目前對(duì)高效率、高可靠軸向柱塞液壓泵的需求十分緊迫，相關(guān)部門和主管單位都在積極立項(xiàng)來探討突破其關(guān)鍵技術(shù)的途徑。摩擦副作為軸向柱塞泵內(nèi)的關(guān)鍵部位直接影響泵的效率和壽命，是柱塞泵設(shè)計(jì)的核心問題。其中，配流副和滑靴副是柱塞泵故障率最高的兩個(gè)關(guān)鍵摩擦副[1]。目前普遍采用剩余壓緊力法或靜壓平衡法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，但該方法難以避免在特殊工作場(chǎng)合和極限工況出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，很難同時(shí)兼顧潤(rùn)滑與密封作用。

摩擦副設(shè)計(jì)一直是軸向柱塞泵研究領(lǐng)域首要難點(diǎn)，近年來國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究致力于降低摩擦副功率損失，主要圍繞以下方面：

(1)研究關(guān)鍵摩擦副熱-彈-流潤(rùn)滑機(jī)理[2- 15]。該方向致力于建立全面深入的液膜潤(rùn)滑模型，分析液膜動(dòng)壓產(chǎn)生過程和膜厚變化規(guī)律，并引導(dǎo)摩擦副密封尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)摩擦副偶件宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化或加工微織構(gòu)化的材料表面[16- 23]。其根本是減小運(yùn)動(dòng)偶件之間接觸力，提高液膜的支撐能力以減小材料表面的磨損。

(3)提高摩擦副材料的綜合性能。對(duì)材料進(jìn)行表面噴涂，應(yīng)用新材料以提高耐磨性、耐腐蝕性等[24- 32]。其根本作用是改變材料自身的性質(zhì)來滿足多種用途的柱塞泵，提高使用壽命。

現(xiàn)有的摩擦副設(shè)計(jì)方法難以避免磨損問題，從而難以解決摩擦副的機(jī)械損失問題。由于摩擦副材料的pv值對(duì)柱塞泵的轉(zhuǎn)速、壓力等性能指標(biāo)有著直接影響，若能實(shí)現(xiàn)摩擦副偶件懸浮于接觸面表面，同時(shí)通過控制液膜厚度保證密封作用，則可大幅提升柱塞泵的性能。我國(guó)工業(yè)、軍事領(lǐng)域等對(duì)高速、高壓、高可靠、多介質(zhì)適用的軸向柱塞泵的需求非常迫切，亟需新的摩擦副設(shè)計(jì)理念來突破柱塞泵的應(yīng)用限制。

1 軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐原理及應(yīng)用前景

1.1 軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐概述

液-磁復(fù)合支撐是在適用于軸向柱塞泵多介質(zhì)以及高速、高壓化和高可靠性發(fā)展的背景下，將工業(yè)領(lǐng)域的前沿技術(shù)——磁軸承技術(shù)與柱塞泵設(shè)計(jì)理論相結(jié)合的多領(lǐng)域融合技術(shù)。

該技術(shù)是通過調(diào)節(jié)安裝在泵體內(nèi)部的磁阻尼器輸出的磁力來改變摩擦副液膜的動(dòng)態(tài)變化過程，使摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件懸浮于接觸面之上，實(shí)現(xiàn)最佳膜厚比，保持全流體潤(rùn)滑狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)柱塞泵多用途、高效率、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。其原理如圖1所示。

1.2 軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐原理

1.2.1 磁阻尼器的設(shè)計(jì)

磁阻尼器是可以安裝在柱塞泵內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐的技術(shù)載體，其設(shè)計(jì)是以永磁軸承(PMB)、電磁軸承(AMB)等理論為基礎(chǔ)，作用在于產(chǎn)生可控磁力并干預(yù)摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件的平衡狀態(tài)，設(shè)計(jì)過程的實(shí)質(zhì)是柱塞泵內(nèi)部建立閉合磁回路，對(duì)摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件施加磁力。磁力的實(shí)現(xiàn)需要磁回路和磁極間隙的產(chǎn)生，因此需要摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件上布置磁極。如果摩擦副偶件自身不具有導(dǎo)磁性，需要柱塞泵摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件上額外安裝導(dǎo)磁材料以形成磁阻尼器的閉合回路。磁極的結(jié)構(gòu)與分布形式根據(jù)摩擦副的具體結(jié)構(gòu)來確定，由于柱塞泵中滑靴、缸體等運(yùn)動(dòng)部件多為圓柱體，并作定軸周期性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一般將磁極形狀設(shè)計(jì)為圓環(huán)或弧形環(huán)。

磁阻尼器的設(shè)計(jì)若采用永磁軸承(PMB)原理，其結(jié)構(gòu)大體由導(dǎo)磁材料、永磁材料、隔磁材料等組成，需要對(duì)永磁體有效長(zhǎng)度、磁極面積、磁極間隙進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，不過采用這種方式設(shè)計(jì)出的磁力不可控，可以平衡摩擦副之間特定的力和力矩；若采用電磁軸承(AMB)原理，其結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)磁材料、隔磁材料、繞組線圈等組成，需要對(duì)安匝數(shù)、電流密度、磁極面積、工作點(diǎn)磁極間隙進(jìn)行合理設(shè)計(jì)并考慮磁飽和強(qiáng)度，對(duì)繞組空間進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于電磁會(huì)產(chǎn)生較多熱量，同時(shí)需合理設(shè)計(jì)柱塞泵內(nèi)泄油路，以達(dá)到對(duì)磁阻尼器的冷卻效果，這種設(shè)計(jì)方式可以產(chǎn)生可控磁力，但是過大的安匝數(shù)可能占用較大空間并消耗較大的功耗。

磁阻尼器的布置一般需要與泵殼結(jié)合，要求對(duì)泵內(nèi)的空間進(jìn)行有效利用，目前可行的安裝位置主要在柱塞泵的前端蓋、泵殼、斜盤背部并采用合理的連接的緊固方式。

1.2.2 軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐技術(shù)實(shí)現(xiàn)

軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐是利用磁阻尼器產(chǎn)生的磁力、摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件對(duì)接觸面的壓緊力以及液膜產(chǎn)生的支反力共同來實(shí)現(xiàn)摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件的力學(xué)平衡，其中壓緊力和液膜支反力實(shí)現(xiàn)主要的力平衡。磁阻尼器輸出的磁力通過永磁力、電磁力或混合磁力來實(shí)現(xiàn)，可以平衡壓緊力矩和液膜支反力矩抵消之后的剩余力或力矩。通過可控式電磁力可以對(duì)液膜動(dòng)態(tài)變化過程產(chǎn)生激勵(lì)，改變動(dòng)態(tài)阻尼，通過合理的給定通入線圈中的電流，可以實(shí)現(xiàn)將油膜厚度控制在理想的范圍內(nèi)，也就是最佳膜厚比范圍，保持摩擦副的全流體潤(rùn)滑狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偶件的懸浮狀態(tài)，同時(shí)保證液膜的密封作用，盡可能地減小摩擦副的容積和機(jī)械損失，具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

液膜厚度的信息可以通過微米級(jí)位移傳感器進(jìn)行采集，隨后通過數(shù)據(jù)采集板卡傳入到控制終端，控制終端中的控制器給出相應(yīng)的控制信號(hào)，而后通過功率放大器成比例地轉(zhuǎn)換成電流輸入到磁阻尼器的線圈，進(jìn)而產(chǎn)生可控磁力。此外，也可以根據(jù)測(cè)得的液膜厚度結(jié)合相關(guān)理論給出反饋值，但準(zhǔn)確性受到較大考驗(yàn)。

當(dāng)液膜有超過合理厚度范圍的變化趨勢(shì)時(shí)，磁阻尼器產(chǎn)生的磁力阻滯液膜動(dòng)壓效應(yīng)的產(chǎn)生，降低液膜支反力；反之，液膜的支反力將增加。兩種調(diào)節(jié)方式交替進(jìn)行從而將液膜的動(dòng)態(tài)變化過程穩(wěn)定在理想范圍內(nèi)。

柱塞泵中的功率損失與液膜厚度存在直接聯(lián)系。由于柱塞泵結(jié)構(gòu)緊湊，液膜支反力動(dòng)態(tài)變化且具有較高數(shù)量級(jí)，若對(duì)液膜厚度進(jìn)行直接控制，需要引入體積大且復(fù)雜的執(zhí)行機(jī)構(gòu)并明顯增大柱塞泵體積，在技術(shù)上較難實(shí)現(xiàn)，因此間接控制較為合理。

1.3 軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐應(yīng)用前景

該技術(shù)應(yīng)用在柱塞泵中可以解決以下問題：

(1)可以解決泵啟停過程中的磨損問題。在柱塞泵啟停階段，液膜潤(rùn)滑作用還未形成，利用磁支撐力可以避免摩擦副間的接觸。目前利用磁力來提供初始支撐力解決啟停階段的磨損問題的研究主要集中在軸承，對(duì)于柱塞泵摩擦副的應(yīng)用很少有研究報(bào)道。

(2)利用磁阻尼器對(duì)液膜厚度進(jìn)行間接控制。根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的液膜厚度調(diào)節(jié)磁阻尼器的磁力輸出，調(diào)節(jié)液膜動(dòng)壓力的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)運(yùn)動(dòng)偶件的微位移進(jìn)行控制，通過合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偶件的動(dòng)態(tài)懸浮并盡可能地減小泄漏損失。

(3)摩擦副的材料種類可以更寬泛。柱塞泵摩擦副材料自身特性和處理工藝對(duì)柱塞泵的性能、壽命有著直接影響[33]。一般情況下還需要考慮材料的硬度配合，若實(shí)現(xiàn)摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件的動(dòng)態(tài)懸浮，則可以使摩擦副擺脫對(duì)材料種類和工藝的過度依賴，使材料只出現(xiàn)疲勞磨損。

(4)可以提高柱塞泵在低黏度介質(zhì)下的效率。低黏度介質(zhì)揮發(fā)性強(qiáng)，易泄漏，會(huì)大大增加柱塞泵的容積損失，降低效率。同時(shí)，由于黏度較低，使得處在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦副潤(rùn)滑油膜難以建立或厚度較薄，支撐能力較差，容易導(dǎo)致摩擦副材料直接接觸，處于混合摩擦甚至是干摩擦的狀態(tài)，致摩擦副過早失效。當(dāng)油膜壓力未形成時(shí)，采用該方法可以利用磁力控制預(yù)緊或提供輔助支撐力，使柱塞泵在低黏度介質(zhì)下工作也可保證高可靠性。

(5)可以顯著提高摩擦副的壽命，進(jìn)而提高柱塞泵的壽命。不平衡力會(huì)使摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件處于交變載荷下，加速零件的疲勞損壞[34- 35]。液-磁復(fù)合支撐使摩擦副始終處于全流體潤(rùn)滑狀態(tài)同時(shí)兼顧密封作用，避免了磨損現(xiàn)象的發(fā)生。此外，可以明顯簡(jiǎn)化柱塞泵可靠性方面的理論研究[36- 40]，降低可靠性試驗(yàn)的所需成本。

(6)可以一定程度上提高泵轉(zhuǎn)速上限。高轉(zhuǎn)速下滑靴副和配流副間會(huì)產(chǎn)生大量的機(jī)械損失，帶來的溫升導(dǎo)致油液黏度降低，液膜厚度變薄，加速摩擦副的失效[41]。Manring等[42- 43]對(duì)影響柱塞泵轉(zhuǎn)速的因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨轉(zhuǎn)速升高而升高的慣性力矩會(huì)影響吸油效率，是限制最高轉(zhuǎn)速的主要因素之一，所計(jì)算出的排量-轉(zhuǎn)速關(guān)系與力士樂和林德產(chǎn)品數(shù)據(jù)高度吻合。

高轉(zhuǎn)速是磁力支撐的固有特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)磁軸承成功應(yīng)用在透平制氧膨脹樣機(jī)轉(zhuǎn)速的最高記錄可達(dá)98 000 r/min[44]。液-磁復(fù)合支撐利用磁阻尼器控制液膜厚度，避免摩擦副機(jī)械損失，平衡柱塞泵固有的傾覆力矩以及隨轉(zhuǎn)速提高而增大的慣性力矩，對(duì)于突破由于材料極限pv值引起的泵的轉(zhuǎn)速限制有著重要發(fā)展前景。

2 液-磁復(fù)合支撐理論的發(fā)展概況

目前，液-磁復(fù)合支撐較多體現(xiàn)在磁-液軸承的應(yīng)用上。Hirani等[45- 46]為解決流體膜軸承帶來的磨損問題，對(duì)磁-液軸承展開了多年的研究，結(jié)果如圖3所示。

該團(tuán)隊(duì)分別在500、2 000和3 000 r/min的條件下進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過繪制出軸中心點(diǎn)軌跡研究軸承穩(wěn)定性，最終得到磁力應(yīng)當(dāng)平衡固定載荷，液膜應(yīng)平衡動(dòng)態(tài)載荷的結(jié)論。該團(tuán)隊(duì)提出了一種由鋁環(huán)和方形磁體組成的旋轉(zhuǎn)磁化(RMD)結(jié)構(gòu)[47]，同時(shí)對(duì)扇形磁體和方形磁體的承載能力進(jìn)行了比較研究，通過對(duì)不同組合類型的混合軸承進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)合理性。但是該方法并未引入電磁力，無法對(duì)轉(zhuǎn)軸中心位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于負(fù)載僅為轉(zhuǎn)軸重力，磁體布置方式有待進(jìn)一步探索。

Tan等[48]利用磁力為流體膜軸承提供初始支撐力，提出了一種永磁-液動(dòng)力軸頸軸承(PMHH)并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如圖4所示。

該軸承的支撐力由磁力和液膜力共同承擔(dān)，當(dāng)機(jī)器處于啟停階段時(shí)，流體膜支撐力薄弱，此時(shí)永磁-液動(dòng)力軸頸軸承(PMHH)依靠磁力支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，防止混合摩擦狀態(tài)的發(fā)生。針對(duì)轉(zhuǎn)子位置變化特點(diǎn)建立了磁力預(yù)測(cè)公式，并對(duì)磁力與液膜力解耦，分別對(duì)磁力和液膜壓力進(jìn)行了計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種軸承方案的可行性，且磁力不會(huì)引起轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)。此外，該團(tuán)隊(duì)還將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到推力軸承中，通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了軸承在7 100 r/min的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作[49]。

圖4 磁-液混合軸承試驗(yàn)裝置[48]

伊建輝等[50]提出了超導(dǎo)磁斥力與液膜力復(fù)合作用的圓形可傾瓦新型推力軸承技術(shù)，如圖5所示。該軸承用于解決火箭渦輪泵用軸承啟動(dòng)或停車過程中的混合摩擦問題，在認(rèn)為磁場(chǎng)和流場(chǎng)沒有耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上分別計(jì)算得到僅磁場(chǎng)或液膜壓力場(chǎng)作用下的磁-液復(fù)合軸承的靜態(tài)支撐力。

圖5 圓形可傾瓦新型推力軸承[50]

為了改變傳統(tǒng)的支撐系統(tǒng)、導(dǎo)軌系統(tǒng)中的靜壓支撐懸浮方式，保證支撐系統(tǒng)高精度承載，Zhao等[51- 53]提出了磁-液雙懸浮支撐系統(tǒng)，該系統(tǒng)由液體靜壓力和磁力實(shí)現(xiàn)混合支撐，其中軸向部分由電磁力和永磁力支撐，徑向部分由電磁力控制，與普通磁-液軸承不同的是，該支撐系統(tǒng)的液體靜壓力和磁力均可調(diào)節(jié)，原理如圖6所示。

由于軸承的作用在于承載，引入磁力為了解決轉(zhuǎn)子啟動(dòng)和停止時(shí)流體膜潤(rùn)滑能力不足的問題，設(shè)計(jì)目標(biāo)是令軸承在任何工作階段都保證零摩擦，而并未對(duì)定轉(zhuǎn)子間隙值有特殊要求，因此大都采用永磁體提供磁支撐力。對(duì)于柱塞泵內(nèi)摩擦副而言，除了理想中的零摩擦之外還需要液膜保持在一定厚度范圍內(nèi)以保證密封作用，減小容積功率損失。

目前國(guó)內(nèi)在軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了初步探索。為了減小高壓柱塞泵在低黏度介質(zhì)下的功率損失，魏列江等[54]提出了針對(duì)柱塞泵配流副的液膜厚度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，如圖7所示。

可調(diào)節(jié)的弧形電磁鐵安裝在前端蓋，位于配流盤兩側(cè)，弧形永磁體安裝于缸體的端面，通過調(diào)節(jié)線圈電流產(chǎn)生與永磁體之間的磁斥力，進(jìn)而調(diào)節(jié)液膜厚度。對(duì)于詳細(xì)的研究工作沒有后續(xù)相關(guān)報(bào)道。

鄧海順等[55]針對(duì)斜盤式軸向柱塞泵研究了一種磁性滑靴副，可以通過調(diào)節(jié)線圈電流對(duì)滑靴進(jìn)行預(yù)緊，如圖8所示。

圖6 磁-液雙懸浮支撐結(jié)構(gòu)示意圖[52]

其原理是在斜盤底部的柱形結(jié)構(gòu)上配置繞組線圈，利用線圈電流產(chǎn)生的電磁吸力實(shí)現(xiàn)對(duì)滑靴進(jìn)行預(yù)緊，給出了繞組線圈的匝數(shù)、鐵芯結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著鐵芯高度的變化規(guī)律，不過沒有進(jìn)行實(shí)機(jī)驗(yàn)證，也沒有提出對(duì)液膜的厚度范圍進(jìn)行控制。

圖8 磁性滑靴副示意圖[55]

3 關(guān)鍵技術(shù)展望

3.1 軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐力學(xué)平衡的實(shí)現(xiàn)

該技術(shù)分為兩個(gè)部分，一方面是磁阻尼器自身的力學(xué)平衡；另一方面是摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件的力學(xué)平衡。摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件和磁阻尼器之間存在相互作用力，需要合理地將作用在磁阻尼器上的力傳遞到殼體，實(shí)現(xiàn)其自身的平衡；傳統(tǒng)的摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件在運(yùn)動(dòng)過程中存在傾覆狀態(tài)，這主要是由于壓緊力和液膜力作用點(diǎn)不一致、液壓力矩和壓緊力矩不平衡以及隨著轉(zhuǎn)速升高不斷增大的運(yùn)動(dòng)部件慣性力造成的。除膜厚方向的應(yīng)保持力平衡關(guān)系之外，應(yīng)盡可能地降低摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件的傾覆力矩，對(duì)其進(jìn)行深入的動(dòng)力學(xué)分析，主要分為以下兩方面：

(1)建立涉及磁阻尼器參數(shù)和摩擦副結(jié)構(gòu)參數(shù)的動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一模型。壓緊力和液膜力跟摩擦副結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)，需要分析關(guān)鍵參數(shù)對(duì)膜厚方向力平衡的影響從而引導(dǎo)磁承載力的設(shè)計(jì)。

(2)傾覆力矩會(huì)隨著工況變化而變化，此外高轉(zhuǎn)速引起的慣性力矩會(huì)造成額外影響。這需要在多工況下對(duì)柱塞泵動(dòng)力學(xué)和液膜動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入分析，合理地確定磁阻尼器工作區(qū)。

有關(guān)摩擦副偶件的動(dòng)力學(xué)分析國(guó)內(nèi)外也展開了很多理論和試驗(yàn)工作。理論方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)分析已較為成熟[56- 61]。Xu等[62]建立了滑靴微運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。Zloto[63]分析了壓緊力和液膜分離力作用點(diǎn)的軌跡并得出了理想平均壓緊系數(shù)值。在針對(duì)摩擦副偶件微動(dòng)的試驗(yàn)研究方面，艾青林等[64- 65]搭建了配流副和滑靴副潤(rùn)滑特性試驗(yàn)系統(tǒng)，分別采用了3只位移傳感器對(duì)液膜厚度進(jìn)行采集，以確保對(duì)油膜的厚度值和形狀進(jìn)行測(cè)量，還可以在不同壓力、溫度等參數(shù)下研究油液黏溫特性對(duì)潤(rùn)滑特性的影響程度，為國(guó)產(chǎn)水液壓柱塞泵的研制提供了堅(jiān)實(shí)的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)(RWTH Aachen)建立了配流副實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)ε淞鞲钡哪Σ亮剡M(jìn)行測(cè)量并能對(duì)缸體多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行采集，能夠?qū)δΣ烈鸬男蕮p失進(jìn)行深入研究[66]，如圖9所示。

圖9 測(cè)點(diǎn)位置分布圖[66]

Zhang等[67]對(duì)EHA柱塞泵進(jìn)行了研究，建立高轉(zhuǎn)速下由柱塞-滑靴組件引起的缸體傾覆力矩模型，通過測(cè)量摩擦副磨損厚度和泄漏量得到了傾覆力矩的變化規(guī)律。

3.2 軸向柱塞泵緊湊型磁阻尼器的研究

實(shí)現(xiàn)液-磁復(fù)合支撐首要解決的就是磁阻尼器緊湊性的問題。由于柱塞泵固有功率密度大的特點(diǎn)，泵內(nèi)的空間十分有限，如何在保證輸出足夠磁力的條件下縮小整體結(jié)構(gòu)的體積，直接制約著磁力在柱塞泵中的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)磁力支撐結(jié)構(gòu)體積大的問題，一方面對(duì)磁體的配置方式和磁路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[68- 72]，另一方面則盡可能采用混合磁力支撐的形式即利用永磁體提供偏置磁場(chǎng)[73- 76]，從而解決單一采用電磁力帶來的體積和能耗過大的問題。

線性化磁力模型一般在狹小的距離范圍線性度較好[77- 78]。假設(shè)了磁極間隙的磁通密度不變，再加上磁力軸承中存在不可避免的漏磁、渦流損耗等現(xiàn)象，磁極存在端部磁通，建立的磁力模型很難在較寬范圍內(nèi)精確地計(jì)算出真實(shí)承載力，只能將磁極間隙保持在很小范圍內(nèi)來減少磁通密度損失。目前為了保證模型更加精確，針對(duì)磁力模型的建立大都采用等效磁路法進(jìn)行理論計(jì)算并與有限元分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[79- 80]。

3.3 軸向柱塞泵液膜動(dòng)態(tài)過程阻尼設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液膜動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。Bergada等[81]對(duì)不同壓力下固定轉(zhuǎn)速配流副液膜厚度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明，液膜厚度主要呈正弦規(guī)律變化，主頻與轉(zhuǎn)速一致；其他頻率組分與壓力區(qū)變化和彈簧、主軸剛度有關(guān)，如圖10所示。圖中T1、T2、T3為3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值。

圖10 配流副油膜厚度變化規(guī)律[81]

翟江等[82]基于ADAMS和AMESim建立了海水介質(zhì)軸向柱塞泵的虛擬樣機(jī)模型，得到了柱塞等關(guān)鍵零件的動(dòng)態(tài)等效應(yīng)力。王成賓等[83]利用換向控制信號(hào)主動(dòng)預(yù)測(cè)沖擊液壓沖擊峰值的出現(xiàn)時(shí)間，據(jù)此利用可變阻尼進(jìn)行緩沖，這種方法的前提是滿足系統(tǒng)響應(yīng)特性[83]。王彬等[84]搭建了配流副試驗(yàn)裝置，得出轉(zhuǎn)速一定時(shí)液膜平衡后呈近似的周期性。黃家海等[85]利用伺服比例閥控制變量缸從而改變斜盤擺角，針對(duì)合力矩脈動(dòng)頻率大的問題最終將合力矩平均值作為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。歐陽小平等[86]對(duì)雙壓力航空柱塞泵進(jìn)行了研究，選擇增大柱塞-滑靴組件對(duì)斜盤的平均力矩配合阻尼口的方式降低壓力超調(diào)峰值。

液-磁復(fù)合支撐最早普遍應(yīng)用于軸承，由于負(fù)載一般處于重力場(chǎng)，只考慮轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，而在軸向柱塞泵摩擦副中需要對(duì)液膜厚度進(jìn)行范圍控制。液膜力分為靜態(tài)液膜力和動(dòng)態(tài)液膜力，當(dāng)液膜受擠壓厚度變薄時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)壓力增大，從而將摩擦副運(yùn)動(dòng)偶件推離接觸面，導(dǎo)致液膜厚度增加，支撐力減小。磁阻尼器需要在液膜動(dòng)態(tài)變化的過程中施加阻尼，促進(jìn)或抑制液膜動(dòng)壓產(chǎn)生過程，將最大和最小液膜厚度保持在合理范圍內(nèi)，等效于改變液膜剛度，實(shí)現(xiàn)全流體潤(rùn)滑狀態(tài)。液膜動(dòng)態(tài)變化頻率和壓緊力頻率、壓力區(qū)變化和負(fù)載變化相關(guān)聯(lián)，需要通過仿真和試驗(yàn)的手段對(duì)動(dòng)態(tài)液膜厚度進(jìn)行頻率特性分析，提取特征液膜厚度變化頻率并分析影響因素，合理地設(shè)計(jì)磁力阻尼和激勵(lì)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)頻率與動(dòng)態(tài)液膜頻率特性的匹配。

4 結(jié)語

分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)于傳統(tǒng)柱塞泵摩擦副的主要研究現(xiàn)狀及存在的問題。介紹了液-磁復(fù)合支撐的原理，其可以利用磁力調(diào)節(jié)摩擦副液膜厚度，避免傳統(tǒng)軸向柱塞泵摩擦副固有的磨損問題，脫離材料pv值限制，對(duì)于降低摩擦副功率損失、提高柱塞泵額定壓力和轉(zhuǎn)速具有重要理論價(jià)值。概述了液-磁復(fù)合支撐相關(guān)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)和研究進(jìn)展，分析了該技術(shù)典型的應(yīng)用和在柱塞泵中應(yīng)用的不同，為提出技術(shù)難點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。針對(duì)軸向柱塞泵液-磁復(fù)合支撐的實(shí)現(xiàn)提出了關(guān)鍵技術(shù)展望，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)高可靠、多介質(zhì)適用柱塞泵研究具有重要的創(chuàng)新意義。