第一作者简介： 齐建军（1983-），男，河北丰宁人，助理研究员，博士，主要研究方向为系统可靠性，装备综合保障，就职于北京特种工程设计研究院。 基金项目： 国家自然科学基金（52075469）；国家自然科学基金（12173054） 摘 要： 轴向柱 塞泵是液压系统的动力元件，其健康状态影响着整个液压系统的性能。 磨损是轴向柱塞泵典型的渐进性故障，因此该文针对轴向，在磨损加速寿命实验的基础上，提出了一种基于流场分析轴向柱塞泵磨损退化状态识别方法。 首先，对轴向柱塞泵配流副的磨损泄漏机理进行理论分析，通过有限元法计算得到配流副油膜厚度，将其作为柱塞泵内部流场模型的边界条件； 其次，采用动态网格技术对轴向柱塞泵内部流场进行仿真模拟，从不同压力、转速、磨损间隙这三个角度，对柱塞泵性能退化进行仿真分析； 最后，通过实验对仿真结果进行了验证。 结果表明，该方法能够识别六种被试样本的磨损退化状态。 研究结果不仅为磨损退化的研究提供了解决方案同时也为柱塞泵的预测性维护提供了强有力的技术支持。
轴向柱塞泵因工作压力大、效率高和易于变量控制等优点，被广泛应用于工程机械等工况复杂领域[1] 。 配流副是轴向柱塞泵的关键部位之一，需同时满足支撑、油路分配及密封等多项功能。在高压、高速等工况环境中，由于液压油的粘性耗散以及油泥沉积导致的摩擦，配流副磨损加剧导致泄漏，影响柱塞泵的工作状态[2]
在柱塞泵退化状态识别方面，许多研究者进行了相关研究。Li H提出了一种基于修正复合谱和相对熵提取的柱塞泵寿命预测方法[3] [4] [5] 在柱塞泵退化状态模拟分析方面，Massimo M运用CFD技术研究了工作状态下柱塞泵内部流场的流动特性，对实际工况下的柱塞泵进行性能预测[6] [7] [8] [9] 综上所述，目前应用仿真技术在柱塞泵的研究领域侧重于结构特性，未涉及到磨损退化方面。因此，本文提出一种基于流场分析的轴向柱塞泵磨损退化识别方法，建立不同工况下的仿真模型，利用Fluent软件计算配流盘在不同磨损程度下柱塞泵瞬时特性数据，得到磨损退化特性指标。最后开展了柱塞泵磨损退化实验，并通过实验测得的参数验证了方法的有效性。 在实际工作运行中，柱塞泵的磨损类型主要为粘着磨损和磨粒磨损。在本章中，将讨论柱塞泵配流副的磨损和泄漏之间的关系。
柱塞泵在工作时，配流盘和缸体之间的缝隙处会形成一层油膜，其作用是在间隙处形成支承力，用以支承工作中的缸体和配流盘与减少缸体与斜盘间的接触和摩擦。由于柱塞泵在工作过程中吸油区和排油区的压力变化和本身两区域压差较大，使得配流盘与缸体之间受力不均产生倾覆力矩，其作用使配流盘和缸体之间发生倾斜，油膜厚度也因此发生波动出现分布不均的现象，倾覆较大时油膜会因为某侧油膜过于薄弱而发生破裂，配流副与缸体直接接触，导致配流副与缸体处的内外密封带破坏，容积效率下降，最终达到失效标准[10]
式（1）表明，柱塞泵配流副的泄漏流量随油膜间隙的增大而呈现指数性增长。对于柱塞泵，同一磨损间隙下配流副处泄漏更多，证明配流盘与缸体处的磨损是引起柱塞泵泄漏的关键因素。 配流副的油膜同时承担着配流盘与缸体发生相对运动时的润滑工作和密封工作，其厚度也一定程度上影响着柱塞泵的效率。要使配流副处于最佳工况，就要保证该处功率损失最小。由于配流盘的结构特点，配流盘端面产生摩擦的部位被分成了内、外密封带和隔断密封带这三个区域，因此配流副摩擦功率损失为[11]
本文选用的柱塞泵理论为10mL/r，额定转速为1500r/min，根据式(4)，额定转速下，配流副最佳油膜间隙为10.75μm，确定将仿真模型的初始油膜间隙选取为10μm。 柱塞泵运动流体域是缸体与柱塞组合成的柱塞腔。由于斜盘作用，处于运动状态的各柱塞腔中的油液容积也有所差别。静止流体域是由配流盘流道和柱塞泵吸油腔排油腔组成，该流体域负责油液的输入及输出。低高压油液分别经过柱塞泵的吸排油腔进入或输出配流盘流道，配流盘流道一端连接柱塞泵吸排油腔接收吸油腔的油液，一端连接缸体将油液送入排油腔，并负责隔断高低压流体区域。图2为柱塞泵运动流体域与静止流体域流场仿真模型。
将上述流体域网格划分结果在ICEM中完成网格装配工作，最终得到柱塞泵内部流体域有限元模型如图3所示。
柱塞泵转速设定为1500 r/min，工作条件为空载。仿真结束得到柱塞位于上死点、下死点时刻的压力和速度矢量云图如图4、图5所示。
根据仿真分析结果，柱塞腔由下死点高压区向低压区过渡时油膜处有负压现象的产生，负压为8.41MPa。而在柱塞腔经过过渡区完全进入低压区后，负压情况消失；当柱塞腔由上死点由低压区向高压区过渡时，柱塞腔油膜处压力增大，压力值为31.58MPa；油液最大速度发生在柱塞腔在由低压区向高压区转换的过渡阶段，为26.7m/s。 验证仿真模型正确性的最有效方法是比较用理论计算得到的流量与通过仿真得到瞬时流量，因此将对仿真得到的出口瞬时流量曲线进行提取，得到转速为1500r/min时额定负载压力下柱塞泵仿真所得出口瞬时流量与同转速下的理论瞬时流量曲线进行对比，其结果如图6所示。
其结果可以如表1所示，理论流量的数值和仿真流量值相差不大，但理论流量在计算时并没有将减振槽对流量脉动的影响考虑在内，而仿真模型将这一因素考虑到其中，在不考虑泄漏的情况下，仿真所得出口流量受油液和减振槽的影响相较于理论流量有着更大的脉动率，根据柱塞泵容积效率计算公式得到容积效率为99.53%。结合实际情况分析，仿真模型是可行并真实有效的。
本文仿真与采用柱塞泵额定压力为31.5MPa，额定转速为1500r/min，因此将仿真压力设定为5MPa、15MPa、25MPa、31.5MPa和35MPa，将转速分别设定为900r/min、1100r/min、1300r/min、1500r/min和1700r/min。根据单一变量的原则，将仿真温度设定为50℃，柱塞泵的转速设置为额定转速1500r/min。 不同负载压力下的柱塞泵仿真瞬时流量对比曲线如图7所示。瞬时流量随着时间的变化，呈现出较为规则的脉动，负载压力越大脉动越大。压差为5MPa时，其峰值最高，压差为35MPa时，其峰值最低。随着压差的增大，出口的瞬时流量减小，而流量脉动率却随着压力的增大而呈现出上升的趋势，说明了出口压力是造成柱塞泵内部流场不稳定的重要因素。
变转速下柱塞泵仿真瞬时流量对比曲线如图8所示。随着转速的增加，柱塞泵出口的瞬时流量呈现规律性的递增变化，流量脉动幅度随着转速的提高而减小。发现转速为900r/min时，瞬时流量平均值最小，为8.43L/min；转速为1700r/min时，瞬时流量平均值最大，为17.44L/min，说明转速增加有助于提高容积效率。
柱塞腔旋转一周时在经过上死点和下死点时会相应地产生正压力超调和负压力超调。不同压力与转速下压力超调量变化如图9所示。在不同压力下柱塞腔内部压力的超调量随着负载压力的增大而增大，柱塞经过下死点引起的压力负超调量要大于经过上死点时的正超调量，负载压力越大，压力冲击越大，柱塞泵内部的流体噪声越大。
在不同转速下，柱塞经过下死点时的压力负超调量同样高于经过上死点时的正超调量，柱塞腔内部压力的超调量随着转速的增大而增大。而压力超调量的增大代表着当柱塞腔经过吸排油过渡区时会带来更大的压力冲击，加剧柱塞泵内部的流体噪声。 图10所示为其瞬时仿真流量的对比曲线。实际工作中，柱塞泵排油口及吸油口的压差会造成配流盘倾翻，油膜形状改变至使配流盘的断面磨损不均，吸油口附近磨损略大于排油口附近磨损。但考虑到磨损程度和配流盘倾翻程度不容易测量，根据1.2节计算油膜厚度10.75μm，因此在仿真过程中将配流副的磨损确定为均匀的环形磨损，间隙设置为10μm、15μm、20μm、25μm和30μm建立了不同磨损间隙下的仿真模型。
随着磨损间隙的增大，瞬时流量逐渐降低，自20μm 开始，间隙下的流量变化曲线中各峰值和谷值的大小差别逐渐明朗。随着磨损间隙的增加，柱塞泵的流量出现了明显的降级现象，相邻两流量脉动之间在脉动率上出现偏差，说明磨损间隙的增加柱塞泵的流量出现了明显的降级现象，相邻两流量脉动之间在脉动率上出现偏差，说明磨损间隙的增加引起了柱塞泵的外部泄漏，加重了柱塞经过高压排油区和低压吸油区的过渡区域时的内部泄漏。 不同磨损间隙下柱塞腔的压力超调量随转速的变化曲线如图11所示。随着间隙的增加柱塞腔的压力超调量逐渐减小，说明磨损间隙的增大导致柱塞泵出口压力的降低，高压腔与低压腔的压差减小，柱塞经过上死点过渡区时的压力超调量随之减小，且随着油膜间隙处泄漏流量的增加，柱塞腔内完成正负超调的时间也有所增加。
为了避免变量单一化导致结果准确度不高的问题，针对不同压差和转速的情况对不同磨损间隙的仿真模型进行了研究。得到了压差不同时各磨损间隙下的泄漏流量数据如表2所示。从表中的数据中可以准确地得到在压差为5MPa，径向磨损间隙为10μm时，泄漏流量值最小，为0.04L/min；在压差为35MPa，径向磨损间隙为30μm时， 泄漏流量值最大， 达到6.69L/min。随着压差的增大，在各个磨损间隙下的泄漏流量均逐渐增加。随着径向磨损间隙的增大，在各个压差下的泄漏流量也逐渐增加。
将表2中的数据进行了转化，得到了压差不同时各磨损间隙下的容积效率如图12所示。在20MPa以下，泄漏流量为较为平缓的变化趋势，但在超过20MPa后，其上升趋势尤为明显。15μm为一个重要的转折节点，在这个节点之后，泄漏急剧上升。说明当压差越大时，磨损间隙对泄漏流量的影响会更加明显。
转速不同时不同磨损间隙下的泄漏流量数据如表2~表3所示。容积效率随着转速的增加而升高， 在磨损间隙为10μm， 转速为1700r/min时， 其最大值为97.4%，而且随着磨损间隙值越大，转速对容积效率的值影响越来越小。磨损间隙的值越大，容积效率越小，在转速为900r/min，磨损间隙为30μm时，达到最小值为62.8%。
将表3中的数据进行了转化，得到了如图13所示曲线转速不同时各磨损间隙下的容积效率曲线。随着磨损间隙增加各转速下的柱塞泵的泄漏流量均有增大的趋势，转速越低泄漏流量越大，初始时随磨损间隙增加各转速下的泄漏流量曲线均呈现缓慢上升的趋势，在磨损间隙到达25μm时同时出现大幅度的提高且转速越高趋势越明显。900r/min时容积效率下降的趋势最为明显，其他曲线下降趋势随着转速增加依次减缓。在磨损间隙为25μm时三维曲线也出现了大幅度转折，且自1500r/min开始，三维曲线图上容积效率随着转速降低出现明显的降低。
柱塞泵磨损退化试验采用10MCY14-1B斜盘式轴向柱塞泵作为试验载体。为了提高试验效率，缩短试验的时间，试验中采用预先对配流盘进行不同程度的磨损处理的方式，通过对柱塞泵更换不同磨损程度的配流盘来模拟某一磨损阶段柱塞泵的工作状况，6个不同磨损程度配流盘如图14所示。
将负载压力依次设置为5MPa、10MPa和15MPa，让柱塞泵在三种负载压力下分别保证2s的工作，传感器采集被试泵工作中产生的振动、流量和压力信号，根据数据处理结果对配流盘的磨损程度与柱塞泵退化状态进行匹配和关系模型推导。 出口流量、压力及振动信号是常用作评价柱塞泵性能退化状态的重要特征参数，将实验采集到的流量信号采用变分模态分解（Variational Modal Decom-position，VMD），降低实验数据中的干扰信号对设备状态判断造成的影响，进而分析柱塞泵的退化状态，柱塞泵磨损退化试验原理如图15所示。
以10 MPa工作状态为例，将流量信号进行处理后，求得各磨损程度下的泄漏流量如表4所示。
由表可以看出随着磨损间隙增大，柱塞泵的泄漏量逐渐增加，平均磨损量达到4μm后，泄漏量有明显的大幅度上升趋势。运用同样的VMD降噪方式分别对5MPa和15MPa下的流量信号进行处理，三种工作压力下的流量脉动曲线如图16所示。
由图16可知，随着工作压力的增加，柱塞泵的流量整体上有所下降，泄漏流量增大，平均流量无法达预期水平，而流量的脉动率却随之增大，脉动不规律现象加重，内部流场的湍流情况也更加严重，这也与第三章的仿真结果吻合。说明随着工作压力的增大，柱塞泵出口处的流量情况越发不稳定，而出口流量脉动情况的加剧会进一步导致振动的产生，影响柱塞泵的工作性能，说明工作压力是影响柱塞泵流量脉动和噪声产生的一个重要因素。 对不同压力下磨损间隙与泄漏的关系曲线如图17所示，压力的增大和磨损量的增大对泄漏量的增大同时具有促进的作用，但磨损量的影响更加明显，实验数据所显示的特征也与仿真所得规律相符。此外，在配流盘为正常状态时，柱塞泵就已经出现一定程度上的泄漏，说明这时在柱塞泵的其他区域也存在着泄漏情况，并非配流盘产生。 图17 不同压力下磨损间隙与泄漏的关系曲线
将仿真时选取的配流副磨损间隙及仿真和理论计算所得到的泄漏数据值，使用三次函数来进行曲线的拟合和绘制，并将拟合的结果当作仿真得到的正确结果，其磨损退化轨迹可以用拟合曲线代替。三次函数拟合的曲线函数如下： 式中， a、b 为常系数，X 磨损量，Y 泄漏量。最终得到配流副磨损间隙与泄漏的三次函数拟合曲线如图18所示，图中可以看出由理论计算得到的泄漏流量曲线和由仿真结果拟合得到的泄漏流量曲线具有相同的变化趋势，两条曲线之间的误差也随泄漏流量的增加而增大。两者之间的误差最小为0.09L/min，最大不超过0.43L/min。
同样运用三次函数拟合的方法分别对试验所得磨损量与容积效率的关系曲线和仿真所得磨损量与容积效率的关系曲线进行拟合。在拟合曲线时不考虑初始泄漏量，将两条拟合曲线与规定的阈值线交点作为真实的退化点，得到了如图19的对比拟合曲线，由图可知随着磨损间隙的扩大，柱塞泵的容积效率不断下降。磨损量在6μm之前，柱塞泵容积效率几乎没有下降趋势，两曲线之间差别较小；6μm 之后，容积效率下降的趋势逐渐增大，当柱塞泵的容积效率下降到95%时，试验拟合曲线和仿真拟合曲线上对应的配流盘磨损量分别为12.58μm和13.27μm，两者之间存在0.69μm的误差。
综上分析可得试验与仿真所得结果并无较大差异，说明通过建模仿真的方式对柱塞泵的退化状态进行判断与评估的可行性。 本文提出了一种基于流场仿真分析的柱塞泵磨损退化状态识别方法，并通过理论计算与实验结合验证了该方法的准确性。建立了柱塞泵磨损退化试验台，并对试验结果进行了分析。获得了样品泵的磨损退化数据，并和模拟结果进行了比较。结合三次函数拟合的方法，分析了柱塞泵配流副的磨损退化状态，对样品泵进行了客观鉴定。得出以下结论：
（1） 柱塞泵的瞬时流量随着压差的增大而下降，流量脉动幅度却随着压差的增大而上升。证明了出口压力增加是加剧柱塞泵内部流场湍流强度的重要因素，提高工作压力会加速柱塞泵的内部磨损。 （2） 柱塞泵的瞬时流量随着转速的提高而增大，而流量脉动率却有下降的趋势。说明提高转速可以作为一种提高出口流量的稳定性的方法，这在一定程度上可以起到降低柱塞泵的退化速度。 （3） 随着磨损间隙的增加，柱塞泵的瞬时流量逐渐降低，流量脉动的不均匀性逐渐突出，性能退化特征十分明显，说明随着磨损间隙的增加， 柱塞泵性能退化越来越严重。 综上所述，通过柱塞泵磨损性能退化实验数据分析，实验结果与仿真结果并无较大差异，证明了仿真方式对柱塞泵的退化状态进行判断与评估的可行性。 参考文献
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原文始发于微信公众号（液压气动与密封）：基于流场分析的液压泵磨损退化研究
本文来自液压气动与密封 ，本文观点不代表iHydrostatics静液压立场。
