柱塞泵零件㾗迹学-滑靴
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作者:马明东
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发布时间: 2020-12-24
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滑靴、是斜盘柱塞泵中极为重要的关键零件，滑靴的工作特性决定整台柱塞泵的峰值压力。滑靴的种类呈多样性，种类繁多，从轻型柱塞泵到重载、高压柱塞泵滑靴，世界各国滑靴迷宫形式是争奇斗艳，滑靴静压油模有液压油液、柴油、航空煤油到水基，材料也是林林总总，新材料、新技术不断的在滑靴上体现，美国已在滑靴摩擦面上制备石墨烯涂层。大排量滑靴式柱塞泵峰值压力现已达到620bar，滑靴在峰值压力持续时间从1秒发展到10秒，斜盘阶跃速度高达20ms，转数也相应的有所突破，适应能力强。
滑靴、是斜盘柱塞泵中极为重要的关键零件，滑靴的工作特性决定整台柱塞泵的峰值压力。滑靴的种类呈多样性，种类繁多，从轻型柱塞泵到重载、高压柱塞泵滑靴，世界各国滑靴迷宫形式是争奇斗艳，滑靴静压油模有液压油液、柴油、航空煤油到水基，材料也是林林总总，新材料、新技术不断的在滑靴上体现，美国已在滑靴摩擦面上制备石墨烯涂层。大排量滑靴式柱塞泵峰值压力现已达到620bar，滑靴在峰值压力持续时间从1秒发展到10秒，斜盘阶跃速度高达20ms，转数也相应的有所突破，适应能力强。
斜盘式柱塞泵“滑靴”经历了110多年间无数液压人不断的改进与完善，重载型柱塞泵在400bar以内压力下使用，只要是整套系统设计与制造达到鲁棒性，性能已经是很完美，使用寿命可越越设计寿命。但在所难免的会有特殊情况，因种种瑕疵诱因导致的原因，造成滑靴的功能失控，发展到失衡，演变到泵寿命终结。
读懂滑靴摩擦面留下㾗迹，它会告诉你滑靴沿斜盘滑动一圈时，从低压区到高压区再返回低压区这一圈平衡力变化是否在正常状态，高、低压时静压支承油模变化状态是否优劣，油液中所含硬质棵粒数量及体积量，壳体内压力与吸油口压力差值，加载压力和热引起的滑靴表面动态变形量，是否承受峰值压力挤压效应。
一台开式液压系统中的自吸式柱塞泵在吸、排油液时，滑靴在斜盘上滑动一圈，缸体柱塞腔有四次压力突化，1，柱塞腔吸油，闭死容积增大。2，增大的闭死容积腔低压油液约在0.7ms瞬间完成提升压力（缸体配流窗口越过配流盘高压窗口前端三角渐扩槽）。3，柱塞压缩排出油液，闭死容积缩小。4，缩小的闭死容积腔高压油液在0.7ms瞬间泄压（缸体配流窗口越过配流盘低压窗口前端三角减压槽）。这些油液压力瞬变过程也必然反映到滑靴支承面上，滑靴因此其与斜盘间支承油模厚度、油模刚度、滑靴倾斜角度、接触面积都有很大的变化。
滑靴在过程2时，因配流盘高压窗口内高压油液瞬间灌入缸体闭死容积内，再通过柱塞中心孔到达滑靴节流孔溢出，滑靴瞬间形成具有撑开力的流体模，滑靴如有脱盘间隙时也同时瞬间撞击斜盘。
滑靴在过程3时，此段滑靴静压摩擦面展现的工况极为复杂，加载压力、液体模润滑性能、流体模流量、滑靴倾斜角度、热量、接触面积、摩擦系数、滑靴材料抗变形刚度等这一系列外界因素，导致滑靴在与斜盘滑动的结果是千变万化，斜盘挤压滑靴压迫柱塞压缩油液，油液反力作用在柱塞杆上产生轴向力，柱塞球头的轴向力强劲挤压滑靴球窝，使球窝向外凸起，滑靴外补助支承环与斜盘间出现间隙（见图2），这是滑靴和斜盘由于压力和热引起的表面动态变形，柱塞球头加载力继续增大超越滑靴材料屈服强度值，支承密封环外侧圆也会撬起、只有内侧为线性密封流体模油液，柱塞球头加载力再继续增大，内补助支承环便会与斜盘表面发生临界混合接触摩，出现滑靴摩擦面烧损，严重时会出现油室节流孔边缘与斜盘发生金属摩擦。
图2
滑靴在过程4时，滑靴支承面上的静压流体模瞬态消失，由瞬态表面压力变形引起的挤压效应变形的滑靴痊复。
尽管滑靴与斜盘间有弹性流体动力薄模油液润滑，二者间磨损发生的机理和严重程度不同，滑靴与斜盘表面相对运动粘滞摩擦，滑靴与柱塞球头包角摩擦，滑靴与回程盘孔径表面摩擦，具体的几何形状，载荷条件，滑靴这些因素难以模式，难以理清。滑靴即要有低摩擦系数、还要有超强的抗峰值压力段抗变形刚度，钢基加低摩擦系数铜合金层是唯一的发展方向。
下面图例滑靴摩擦面㾗迹：
R. Bosman∗, D.J. Schipper
University of Twente, Drienerlolaan 5, 7500 AE, The Netherlands
斜盘式柱塞泵“滑靴”经历了110多年间无数液压人不断的改进与完善，重载型柱塞泵在400bar以内压力下使用，只要是整套系统设计与制造达到鲁棒性，性能已经是很完美，使用寿命可越越设计寿命。但在所难免的会有特殊情况，因种种瑕疵诱因导致的原因，造成滑靴的功能失控，发展到失衡，演变到泵寿命终结。
读懂滑靴摩擦面留下㾗迹，它会告诉你滑靴沿斜盘滑动一圈时，从低压区到高压区再返回低压区这一圈平衡力变化是否在正常状态，高、低压时静压支承油模变化状态是否优劣，油液中所含硬质棵粒数量及体积量，壳体内压力与吸油口压力差值，加载压力和热引起的滑靴表面动态变形量，是否承受峰值压力挤压效应。
一台开式液压系统中的自吸式柱塞泵在吸、排油液时，滑靴在斜盘上滑动一圈，缸体柱塞腔有四次压力突化，1，柱塞腔吸油，闭死容积增大。2，增大的闭死容积腔低压油液约在0.7ms瞬间完成提升压力（缸体配流窗口越过配流盘高压窗口前端三角渐扩槽）。3，柱塞压缩排出油液，闭死容积缩小。4，缩小的闭死容积腔高压油液在0.7ms瞬间泄压（缸体配流窗口越过配流盘低压窗口前端三角减压槽）。这些油液压力瞬变过程也必然反映到滑靴支承面上，滑靴因此其与斜盘间支承油模厚度、油模刚度、滑靴倾斜角度、接触面积都有很大的变化。
(a) (b)
图1
上述4种瞬变压力直接反映到滑靴润滑界面上[1]，滑靴在过程1时，没有压力油液从滑靴节流孔中溢出，此时提供滑靴润滑油液是:图1(a)所示，A－支承密封环外圈油液润滑，如果此刻壳体压力＞泵吸油口0.5bar压力，滑靴会产生脱盘现象[2]，滑靴脱盘的同时也会产生滑靴边沿与斜盘发生接触摩擦。滑靴在过程2时，因配流盘高压窗口内高压油液瞬间灌入缸体闭死容积内，再通过柱塞中心孔到达滑靴节流孔溢出，滑靴瞬间形成具有撑开力的流体模，滑靴如有脱盘间隙时也同时瞬间撞击斜盘。
滑靴在过程3时，此段滑靴静压摩擦面展现的工况极为复杂，加载压力、液体模润滑性能、流体模流量、滑靴倾斜角度、热量、接触面积、摩擦系数、滑靴材料抗变形刚度等这一系列外界因素，导致滑靴在与斜盘滑动的结果是千变万化，斜盘挤压滑靴压迫柱塞压缩油液，油液反力作用在柱塞杆上产生轴向力，柱塞球头的轴向力强劲挤压滑靴球窝，使球窝向外凸起，滑靴外补助支承环与斜盘间出现间隙（见图2），这是滑靴和斜盘由于压力和热引起的表面动态变形，柱塞球头加载力继续增大超越滑靴材料屈服强度值，支承密封环外侧圆也会撬起、只有内侧为线性密封流体模油液，柱塞球头加载力再继续增大，内补助支承环便会与斜盘表面发生临界混合接触摩，出现滑靴摩擦面烧损，严重时会出现油室节流孔边缘与斜盘发生金属摩擦。
图2
尽管滑靴与斜盘间有弹性流体动力薄模油液润滑，二者间磨损发生的机理和严重程度不同，滑靴与斜盘表面相对运动粘滞摩擦，滑靴与柱塞球头包角摩擦，滑靴与回程盘孔径表面摩擦，具体的几何形状，载荷条件，滑靴这些因素难以模式，难以理清。滑靴即要有低摩擦系数、还要有超强的抗峰值压力段抗变形刚度，钢基加低摩擦系数铜合金层是唯一的发展方向。
下面图例滑靴摩擦面㾗迹：
图3
图4
图3：首先映入眼帘的滑靴摩擦面凸起的环嵌入摩擦副表面上掉下来的钢屑，俗称：挂铁。发生这种现象是多个缺陷原因合并症碰撞在一起，才会发生这种挂铁现象。首先是与滑靴配对摩擦的钢基材料耐磨盘金属表面层因受到外界因素影响，材料表面产生氧化吸附层，也称为：物理、化学反映层，该层受到压力压强，会开始屈服、表层变形。受到温度的极大影响，表层产生塑性变形，基材开始形成波峰，润滑剂没能覆盖罩住波峰，受到滑靴犁耕式摩擦磨损，从轻度磨损发展到严重磨损再到超热磨损这三个阶段的过渡，滑靴与斜盘间滑动时，犁耕剪切触点高峰，从斜盘表面分离的粗大碳化物，在高温高压环境下，分离的粗大碳化物便嵌入滑靴摩擦面上。还有更深层的绣因，如润滑油液的添加剂腐蚀金属表面产生的分离层。液压气蚀，液压冲击（滑靴撞击）金属表面等一系列因素，就不在此累述。
图5
图5：是典型的超越滑靴材料屈服强度，滑靴中心内凹油室凸起，滑靴内补助支承环与斜盘发生直接接触摩擦所留下的光亮磨㾗。
图6
图6：滑靴加载到某压力值时，密封环边缘撬起，所标的剪头发亮的一小圈为静压油模密封环，这圈发亮的一圈是流体模从密封环尖角溢出油液冲刷的结果。
图7
图7：滑靴外密封带分为外圈与内圈，这二圈从照片上也观察很清楚，外圈外侧浅黑色一圈是滑靴与斜盘发生脱盘摩擦㾗迹，外圈内侧较深的黑色一圈与内补助支承环是与斜盘表面直接发生高温摩擦㾗迹，这说明压强大或是油液润滑性能差。滑靴表面上的条状条纹证明泵壳体内油液含有的硬质颗粒量及颗粒体积。
图8
图8：内圈开口式支承环端面与斜盘金属表面发生接触式临界混合摩擦磨㾗。
图9
图10
图9：滑靴摩擦面呈放射性纹路，这不是滑动摩擦磨㾗，是液压冲击造成的撞㾗，超高压力瞬间反冲击作用在柱塞杆端面、柱塞再带动滑靴瞬间撞向盘表面。柱塞球头顶击滑靴球窝中心瞬间撞向斜盘平面，因滑靴中心有内凹空间，撞击时促使内凹油室向外凸起，滑靴呈张驰扩张现象，一放一收，便呈现这种放射状条纹。图10与图9一样的情况，但滑靴表面有高温烧损㾗迹。
图11
图12
图11、12：都是液压冲击造成滑靴面损伤，只是图11的液压撞击力超级大。
图13
图13：滑靴液压力撞击后，超越材料屈服强度N倍，才使滑靴材料不能痊復。
图14
图14：是美国Oilgear公司PVV540柱塞泵滑靴，柱塞泵使用压力345bar，峰值压力400bar。柱塞在压缩油液时，每只柱塞最大挤压力达5.97T.滑靴材料从外观看像是粉未合金，滑靴外圆的一圈，可见到滑靴脱盘时与斜盘发生摩擦㾗迹（见图15），磨㾗的内圈，呈放射线的斑㾗，最能说明问题的是滑靴节流孔边缘的一圈明亮圈是与斜盘发生直接摩擦的磨㾗，即证明这圈区域在高压时凸起与斜盘产生摩擦。
图15
注：图4取自：Mild wear maps for boundary lubricated contacts R. Bosman∗, D.J. Schipper
University of Twente, Drienerlolaan 5, 7500 AE, The Netherlands
作者：马明东 2020/12/23
