Page 122 - 《摩擦学学报》2020年第4期

532 摩 擦
轴向柱塞泵因其容积效率高、工作压力高、结构
紧凑和噪声小等优点，广泛应用于机械工程、航空航
天和船舶潜艇等领域. 滑靴副作为轴向柱塞泵的关键
摩擦副之一，起到载荷传递和密封柱塞腔内油液的作
[1]
用 . 滑靴副的润滑性能和泄漏性能，直接决定着柱塞
泵的使用性能和使用寿命. 随着柱塞泵逐渐向高压、
高速化方向发展，以及海洋装备中不断发展起来的高
压海水柱塞泵，对滑靴副的润滑性能和泄漏性能提出
[2]
了更高的挑战 . 因此，开展柱塞泵滑靴副界面设计和
摩擦性能研究，使其具有优异的润滑、抗磨状态和容
积效率，具有重要的工程实际意义.
海洋中的海豚、鲨鱼等生物其体表存在的非光滑
微观形态近些年逐渐引起了人们的注意，这种微观结
构在与外界流体的接触过程中表现出减粘、减阻和抗
磨等优良性能，当基于这种仿生学原理的微观织构应
用在相对运动的摩擦副时，能够明显提高滑靴副的减
[3]
摩、耐磨性能 . 哈尔滨工程大学的Xuan Ma等 在轴
向柱塞泵活塞杆上建立仿生织构，优化其润滑情况.
燕山大学的高殿荣等 [5-9] 在高压海水轴向柱塞泵的滑
靴副上建立仿生织构，加强了滑靴副的动压效应，提
[10]
高了油膜承载能力. Rosenkranz等 在摩擦副表面建
立织构，利用Stribeck-like曲线评估摩擦效果，发现椭
圆形的织构较其他形状的织构在整体摩擦效果上更
好. 上述微坑织构能明显改善滑靴副的减摩抗磨性
能，但未考虑织构对泄漏的影响. 实际上，滑靴副通过
柱塞内管道与柱塞腔室连接，滑靴副的泄漏会导致腔
室内压力降低，损失泵的容积效率.
目前，依靠摩擦副端面低压侧的方向性型槽在旋
转剪切作用下，使润滑介质从低压侧反向泵送到高压
侧，实现更小的泄漏量甚至零泄漏，已广泛应用于密
封等领域. 白少先等 [11-13] 在密封端盖上建立倾斜椭圆
孔，得到了明显的上游泵送效应，甚至反向泵送，达到
零泄漏，密封效果很好. Ping Lu等 发现了结构的各
[14]
[15]
向异性可以影响摩擦性能. Juan Chen等 研究了试样
表面织构能影响流体动压润滑效果，分析了不同方向
的椭圆微坑存在不同效果，影响液体流向. 然而，基于
反向泵送原理开展柱塞泵滑靴副的降泄漏设计还未
见报道.
本文中将采用仿生学和反向泵送原理，将椭圆形
微坑仿生非光滑单元体布置在滑靴副斜盘表面，并兼
顾润滑、泄漏性能. 采用CFD方法分析润滑介质黏度、
转速和微坑倾斜角度对油膜的润滑、泄漏特性的影响
学 学 报 第 40 卷
规律，为其在高速、高压柱塞泵及海水高压泵的工程
应用奠定基础.
1 仿真模型建立
1.1 滑靴副模型阐述
为了改善斜盘式柱塞泵的滑靴副的摩擦学性能，
在摩擦副表面引入倾斜椭圆形微坑织构，使其在加强
[16]
滑靴副动压效应的同时还具有上游泵送效果 ，从而
提升摩擦副表面承载能力并降低润滑介质泄漏量.
图1所示为该模型结构示意图，斜盘固定不动，滑
靴绕斜盘中心进行无自转的公转，滑靴中心的运动轨
迹线与斜盘圆环中径圆周线重合，滑靴表面光滑，在
斜盘表面构建沿圆环中径圆周线处两侧方向相反，沿
直径方向放射性排布的椭圆微坑，引入微坑产生了额
外的动压效应，局部动压升高，整体承载能力增加.
[4]
Fig. 1 Schematic diagram of the model with inclined-
elliptical-texture
图 1 含倾斜椭圆形微坑织构的模型示意图
此外，由滑靴中心孔泵入滑靴和斜盘间隙的润滑
介质，会在摩擦副的相对旋转运动下向其两侧正向泄
漏(沿高压侧向低压侧泄漏). 在本模型中，沿图示滑靴
运动方向，通过将椭圆形微坑织构沿中径圆周线对称
倾斜，其倾斜为椭圆长轴靠近中径圆周线侧的顶点向
滑靴运动方向倾斜(如图1所示，箭头方向为微坑旋转
方向)，以期实现滑靴旋转剪切作用下织构对润滑介
质的导流 ，即上游泵送效应，从而改善摩擦副的润
[12]
滑性能.
1.2 建模方法
上述结构相对于斜盘的旋转中心呈对称排布，为
了研究倾斜椭圆形微坑织构对滑靴副的润滑性能的
影响，并兼顾仿真计算的效率和精度，选取图1矩形框
中五组微坑作为代表，组成扇形计算域，尺寸示意如
图2所示. 为兼顾计算域的代表性和计算成本，将扇形
域两侧边设为周期性边界(Periodic)进行计算，如图2