轴向柱塞泵滑靴磨损行为的仿真与测量研究【好文推荐】

关键词：轴向柱塞泵，磨损，间隙测量，仿真

由于其高能量密度，高效率和整体稳健性，轴向柱塞泵已成为高压和移动设备应用的主要选择。这种机器的使用寿命可以非常高，特别是由于它们的流体静压油膜，然而，泵和马达都将需要经历了一个关键的磨合过程，其中标称加工部件磨损。这种磨损会产生影响系统下游其他部件的颗粒。主要是摩擦副密封，它已经在微米公差内加工，改变其表面拓扑结构，以承受所需的负荷。轴向柱塞泵的运动部件和分离这些部件的流体油膜的插图如图1所示。滑靴/斜盘界面，是本研究的重点。

图1 轴向柱塞泵摩擦副和流体油膜

图2 开式泵的典型滑靴间隙高度，使用 Caspar FSTI 进行模拟，并在突出显示的部分进行了验证

本文的目的是提出一种使用 Caspar FSTI 模拟滑靴磨合在不同操作点的方法, Caspar FSTI 是一种能够使用数值方法计算轴向柱塞泵间隙高度的模拟工具。当前版本的 Caspar FSTI 不包含对磨损的计算部分。但是，可以输入测量的磨损曲线，从而进行间接磨损分析。如果零件设计已经存在，这很有用。

作者研究的目标是开发一种能够仅根据模拟结果预测磨损的方法。然后泵设计者可以使用这种方法设计零件磨损更少，甚至可能没有磨损。这方面的一个例子可能是微表面形状，它已被证明可以减少零件的磨合，同时还可以提高效率。

本研究对一个92cc开式泵进行了一系列的测量，包括了配流副和滑靴副的温度和间隙高度的测量。配流盘和滑靴，每个都是比它们对应的滑动摩擦副更软的材料，都经过了一个磨合过程，这可以在测量的信号中观察到。滑靴间隙高度的测量特别有趣，因为它们清楚地说明了流体膜厚度的变化和滑靴在整个运行过程中的运动轨迹。使用三个涡流传感器测量流体膜厚度，这些传感器仔细放置在高压侧和低压侧、底部高低压过渡中心(BDC)和顶部低压与高压过渡区中心(TDC)四个位置。传感器在TDC处的放置位置如图3所示。这三个传感器的定位方式是这样的，它可以在TDC(phi=180˚)上进行精确的测量。

图3 涡流传感器在 TDC 的测量位置

图3中的图表说明了当滑靴在斜盘上滑动时的每个传感器输出。可以看到，传感器1（绿色S1）和3（蓝色S3）分别为外部和内部流体油膜的读数。传感器2(红色的S2a和橙色的S2b)输出两个窄带，因为它的传感器信号被斜盘中心孔中断。如果S1高于S3，则滑靴将向内部倾斜（围绕x轴）。如果S2a低于S2b，则这表示滑靴在TDC后升起，或者滑靴向前倾斜(围绕y轴)。单个传感器信号还包含关于该实例下滑靴的当前运动的状态。这些单独的滑靴测量值（S1-3）平均超过50转。其中一个工作点的结果如图4和图5所示。由于该泵由多个单独的滑靴组成（在本例中为9个），因此我们观察到每个滑靴都有不同的初始间隙高度（图4），并执行一个单独的磨合过程。每个滑靴在初始运行(图4中的t=0小时)和120小时后（图5）所测量的流体膜厚度。

图4 t=0时的滑靴间隙高度测量值

透过这些柱壮直方图水平线是所有滑靴动态的平均值，并作为滑靴彼此统一的参考。在最初的磨合过程中，可以看到许多滑靴偏离了平均值，有些偏离甚至相当明显。磨合后的滑靴接近均值。在图4中，每只9只滑靴上都有不同的间隙高度和位置，如传感器彼此之间的关系所示。例如，在滑靴S1信号高于S3，表明滑靴稍微向内侧轻微倾斜。平均间隙高度为9µm。然而，滑靴3显示出相反的倾斜度，平均间隙高度为6µm。对所有的9只滑靴都可以进行同样的分析。经过120小时（图5），间隙都收缩为一个均匀的流体膜。在初始测量的滑靴5被不同的形状取代作为接触面后，因此它缺失了，但是所有其他8只滑靴都非常接近平均值，并显示出相同的趋势和在空间中的位置。

图5 t=120时的滑靴间隙高度测量值

值得注意的是，从最初测量和120小时后最终测量，泵总共测量了78个不同的工作点。这意味着泵在不同的工作点运行，而不仅仅是一个工作点。这将反映出一个典型的现实世界中的运行状况。有趣的是，所有滑靴的间隙在磨合后的间隙高度都高于最初的未磨损的测量。间隙越大，意味着粘性摩擦力越小，但泄漏量越高。对于每个工作条件，都有一个最佳的间隙高度，这意味着摩擦和泄漏造成的损失之和最小。损失可以计算如下。

hG为间隙高度，PG为油池中的压力，ω为转速，µ为动力粘度，rout和rin代表单只滑靴的内径和外径。功率损耗是泄漏和前摩擦的总和。对于这些分析计算，假设间隙高度是恒定的和均匀的。在与图4，5中测量值相同的工作条件下，在500rpm、50bar和斜盘100%排量条件下，不同滑靴间隙高度的功率损耗如图6所示。这里的粘性和泄漏损失绘制与不同的滑靴间隙高度。可以观察到，流体膜厚度的微小变化会导致功率损失发生相当大的变化(10W等于效率下降2.6%)。

图6 在500rpm, 50bar, 100% 排量下随着间隙高度变化而预测的功率损失

在图6中，绘制了9只滑靴磨合后的新形状(实线中为t=0h)和操作120小时后（以折线进行磨合后）的测量间隙高度。新条件下的滑靴在间隙高度上有很大的分布，从4到14µm，导致所有滑靴的功率损失从2-6.5W（总功率输出的0.5-1.7%）。滑靴3在这个作点有一个相当完美的形状，导致在2w时产生最低的功率损失。在磨合过程后，滑靴都在斜盘中心孔上面高度上从紧密压合到脱开扩散，这表明它们在磨合后都有统一的表面形状。然而，所产生的流体膜高度高于磨合前最差的滑靴(14.2-15.2µm)，并在8W左右导致更严重的功率损失，这等于泵的效率下降的2%。这种趋势可以在多种操作条件下观察到，也可以在图7中看到关于更高的速度和更高的压力的另一个例子。这里的功率损耗高一个数量级，导致50W的差异，这导致在这个工作点上最好的新设计和最差的设计之间的总效率下降2%。这些结果清楚地表明，磨合过程不能导致零件的最佳形状，而是为了消除制造公差。生成的形状可能比运行过程之前更差。这些发现不能作为一个总体趋势，因为这只是在一个泵上测量的。然而，它们表明，在设计过程中需要考虑磨合过程，因为它会极大地影响零件的效率。

图7 在1500rpm, 100bar, 100% 排量下随着间隙高度变化而预测的功率损失

以下仿真结果均基于阿卡尔德的方法。它在仿真中的实现是在一个递归循环中完成的，直到磨损过程完成，仿真的第一步是找到哪种工作条件会导致给定泵设计的磨损量最大值，这可以通过使用颗粒传感器进行测量，或通过经过验证的仿真模型来实现。这是可以做到的，通过使用颗粒传感器进行测量颗粒，提供测量的总磨损。测量到的分离固体颗粒无法溯源到某个零件上。92cc泵的模拟模型已经在以前使用间隙和温度测量进行了验证，因此它被用来确定滑靴的最关键条件。

测量的工作条件为仿真的转速范围，为500–1800rpm，50–300bar和50–100%排量。这个仿真的操作条件滑靴的预计磨损如所示下表1。黄色高亮显示操作为磨合选择的条件。被选择用于过程中的磨损，因为仿真预测了更强的磨损。

表1 92cc泵带有接触压力的模拟工作条件

图8 轮廓磨损计算

图9 磨损仿真的数据流程

图10 各种操作条件下模拟预测的最终磨损曲线

这似乎不是很直观，最多的磨损发生在一个中等压力。可以认为，它要么发生在低压下，在那里滑靴的流体动压力发挥更大的作用，增加倾斜度，或在高压下，压力变形往往会改变间隙的形状。然而，事实证明，对于这种滑靴的设计，静压力的平衡相当低。这意味着需要流体动压力来平衡力，因为流体静压力是不够的。在低速时，流体动压力不足，因此磨损增加。随着速度的增加，几乎没有任何磨损，而且在1500rpm后，滑靴在任何压力下都没有任何磨损。速度对磨损量的影响如图11所示。这里显示了4个操作点。三个速度水平：500、750和1000rpm，以及两个排量水平均在相同的压力下。可比较的工作点以相同的颜色绘制，而速度水平以不同的线类型显示：虚线500rpm，虚线750rpm，整线1000rpm。

图11 转速对磨损轮廓的影响

可以观察到，在相同的压力水平下，较低的工作速度比，较高的工作速度产生更多的磨损。而斜盘的角度越大，磨损量就越高。这是有意义的，因为滑靴上的力随着更大的斜盘角度增加而提高。图12中更多的压力值显示了这一趋势。与图11相似，每个排量值都有自己的线形，在相同的500rpm的速度下，类似的工作点以相同的颜色显示。可以看出，在500rpm和1000rpm中，可以出现与图11相同的趋势。排量越小，磨损程度就越低。

图12 斜盘角度对磨损轮廓的影响

在图13中介绍了压力对磨损轮廓的影响。在相同的速度和排量下显示了四个压力水平。有一种趋势是，压力越高，磨损就越高。这似乎是合乎逻辑的，因为滑靴上的力随着压力的增加而增加，特别是对于失衡的滑靴。然而，200bar的磨损预计比300bar的高。这在一开始似乎是相当违反直觉的，但是它确实是有意义的，因为滑靴的压力和温度变形随着压力的增加而增加，而且形状变形，实际上增加了外径的间隙高度。这也解释了为什么在300bar的工作条件下比200bar的磨损更少。

图13 压力对磨损轮廓的影响

图14 测量的轮廓与模拟的轮廓

测量的磨损曲线如图14所示，它由一系列来自所有滑靴的平均测量点组成。外边缘的轮廓磨损似乎很好地符合整体趋势。外边缘的磨损可能比仿真中要高，但需要考虑到仿真只考虑稳态条件。很有可能，在冷启动或高度动态的条件下，如快速摆动，滑靴倾斜增加和磨损更多。这也可能是导致滑靴外边缘磨损的原因。只有少数仿真表明在外密封带的内半径有磨损，但它们在公差带的最大值上，并不能解释平均尺寸的磨损。一种解释可能是，在冷启动时，当所有温度都同样低时，滑靴开始倾斜并减少外边缘的液体膜，增加摩擦和局部温度。这种热载荷可能导致不寻常的变形，因为内部密封带的轮廓低于外部。粗的绿线表示在不同压力下低速累积磨损曲线。这表明，低速磨合可能足以实现所有操作条件下的工作轮廓。总的来说，我们可以这样说，Archard的方法产生了合理的结果，特别是在高磨损条件下，如OC10和OC22。

间隙高度测量为了观察仿真是否能够预测运行前后在功率损耗和间隙高度方面的正确性能，将再次使用功率损耗图。OC4, 500rpm，50bar和100%排量的如图15所示。

图15 在OC4条件下进行仿真和测量的磨合前后的间隙高度

测量结果用实线表示，仿真结果用虚线表示。测量的间隙高度在运行前有一个很大的空域，这是由于制造过程的公差所致。在运行后，间隙高度缩小，得到一个更高的值，损失更大。仿真预测了标称滑靴在测量的公差分布范围内的间隙高度。运行后测量和仿真的间隙高度都增加了，但是仿真的没有测量的那么强烈。这可以解释如下。对于这个操作点，仿真预测了一些磨损，但不是很显著。这意味着滑靴的原始形状表现得足够好。磨损只发生在低压侧，间隙高度产生高摩擦。一旦滑靴流体膜足以承受载荷，就不再发生磨损。这意味着只有当滑靴在最低点到最高点时才会磨损。如果滑靴在不同的工作点磨损，比如压力较高的滑靴，那么形状就会改变，它也会影响在较低压力OC下的性能。黄色虚线表示使用测量的滑靴轮廓的仿真输出。使用这个剖面，模拟预测了一个间隙高度，这是更接近测量的高度。