第一作者简介：杨东亚(-)，男，江苏徐州人，副教授，博士，主要从事斯特林发动机密封技术的研究，工业机器人轨迹规划研究等工作，就职于兰州理工大学机电工程学院。摘要：鉴于目前高压柱塞泵服役工况愈发严苛，指出学者大多探究柱塞泵流体场、温度场耦合的复杂工况对可靠性与寿命的影响，归纳讨论了国内外柱塞泵关键摩擦副磨损机理、润滑特性、结构优化，通过对比归纳不同的研究方法指出制约高压柱塞泵发展的关键性科学问题。在此基础上，对流-固-热三学科耦合的研究前景进行展望。为高压柱塞泵在我国高端装备、军事机械、航空航天等领域发挥更大的作用做出理论参考和技术指导。关键词：高压柱塞泵；关键摩擦副；磨损机理；润滑特性；结构优化0

引言

随着高端装备、航空航天、军事工业等领域对机器服役要求达到空前高度，在要满足低能耗、低污染、长寿命、高效率等要求的基础上，高速、高温、重载等严苛服役工况使得机器部件之间的磨损问题日益突出。机械设备摩擦副界面的润滑情况是提高机器服役寿命、制约发展高端装备的关键因素。因此，探究关键摩擦副磨损机理与失效形式，并开展关键摩擦副润滑情况研究，已成为机械设备摩擦学领域的重要研究方向。

高压柱塞泵作为液压系统中的动力元件和核心装置，近年来因结构独特、高效率、耐高压、可实现多变量功能等特点在液压元器件中脱颖而出，被人们广泛用于战地坦克、潜艇、石油开采、载重机等方面。Manring等[1]和Yang等[2]针对柱塞泵目前发展现状作出了较为全面的综述，研究发现高压柱塞泵能够表现出优于其余液压元器件的性质，发挥出比单排量泵体更优异的性质。此外他们还指出，学者们应把研究重点放在摩擦副磨损机理探究[3]与试验仿真[4]、摩擦副油膜特性[5]、摩擦副配副材料[6]等方面。

长期以来，探究柱塞泵摩擦副润滑情况是延长泵体服役寿命的有效途径，柱塞泵中柱塞副的运动机理与轴承基本相似，但其比传统轴承运动更加复杂，涉及摩擦副上的负载、几何关系、压力分布和运动学关系。因其复杂的运动学机制，柱塞在缸孔呈一定倾角，且柱塞球头在滑靴中转动，自由度具有不确定性，使得其受力情况与摩擦副计算远比轴承困难。因此，在普通轴承理论基础上积累的经验，只能有限制的使用。关于轴承内部存在的摩擦行为，德国学者Stribeck曾经对滚动轴承与滑动轴承的摩擦进行试验，探讨运动速度、法向载荷和润滑剂黏度等参数与摩擦系数之间的关系[7]，并绘制了著名的Stribeck曲线。轴向柱塞泵是液压系统中的动力元件和核心装备，柱塞长期处于高速自转、往复及高负载的工况下，根据典型的Stribeck曲线理论可知[8-9]，柱塞副润滑界面始终是一个动态变化的过程[10]，如图1所示：柱塞与缸体在最低点接触，两表面金属凸起直接接触。当柱塞泵刚启动时速度较低，柱塞与缸孔之间仍存在少量金属凸起接触，在摩擦力作用下，柱塞向右上爬升，此时进入边界润滑阶段。随着转速的增大，柱塞与缸体慢慢分离，两表面之间形成较薄的油膜，此时进入混合润滑阶段。当柱塞转速较高时，楔形间隙中的油液增多，开始形成楔形油膜，当楔形油压足以克服施加于柱塞的载荷F时，柱塞被抬起并与缸体分离，此时进入弹流润滑阶段。柱塞的转速越高，油液的黏度越大，楔形间隙的油量越充足，楔形油膜的承载能力越强，柱塞副的润滑性能越好，柱塞与缸体之间的磨损越小，柱塞中心越接近缸体中心位置。

图1Stribeck曲线

普渡大学Monika团队搭建了系统的柱塞泵整机瞬态热弹性流体动力润滑模型[11]，优化了柱塞副总成的宏观微观结构设计[12]，针对柱塞泵摩擦副中存在的流体—固体—热学三学科耦合现象作出了较为系统的研究。浙江大学研究涉及容积损失[13]、建立滑靴副模型的雷诺方程[14]、滑靴结构优化[15]、摩擦副油膜特性[5]等方面的研究，搭建了测试平台以支撑理论研究。

研究表明，国内外学者对高压柱塞泵的研究百家争鸣，其结构、尺寸、材料、油膜特性的变化对关键摩擦副的影响各不相同。因此，本文通过对高压柱塞泵关键摩擦副磨损机理、失效形式、结构优化的综述，期望对高压柱塞泵结构设计研究及其摩擦副材料选配提供参考依据。

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关键摩擦副磨损机理

鉴于目前国产柱塞泵的高需求和技术不成熟，自主研发高压柱塞泵以适应特定行业需求，实现高压柱塞泵国产化制造显得尤为重要。目前影响柱塞泵寿命的主要因素为：疲劳寿命短、摩擦副失效、工质泄漏等原因。柱塞泵中的磨损现象主要发生在其三个关键摩擦副，即柱塞/缸体（柱塞副）、斜盘/滑靴（滑靴副）与缸体/配流盘（配流副）（见表1）。

表1斜盘式轴向柱塞泵的三个主要摩擦副摩擦副

磨损是一个复杂的微观动态变化过程，是材料的重要失效形式，对零部件的寿命、可靠性影响极大。关键摩擦副的磨损主要包括滑靴副中发生的黏着磨损，即在斜盘或滑靴表面上存在焊接或撕裂现象；也包括柱塞副中发生的磨粒磨损，即较硬的柱塞在较软的缸体上发生切削，产生较深的犁沟与较大磨粒。Greg[6]表示在轴向柱塞泵中，缸体与配油盘之间的润滑界面是一个重要的摩擦学系统，通过控制压制压力和烧结温度改变材料的宏观力学性能，从而间接影响磨损过程。柱塞泵在运行过程中，缸体与配流盘接触并具有较高的相对转速，滚动摩擦占主导地位。在目前的摩擦磨损理论体系中，研究者定义磨损的真实接触面积仅为表面上微凸体相互作用，他们的尺寸一般为0.1μm到几微米，而这些微凸体的尖端承载着表面载荷，其所形成的接触区域远远小于接触区域的宏观尺寸，微凸体上承受巨大应力，以至于其很快超出屈服应力产生塑性变形，随着凸体尖端应力的增加，材料很可能在接触点出粘附或微焊接。当微凸体的变形增大到宏观接触面积时，系统将达到一种变形平衡状态，如图2所示。

图2表面形貌演化过程

一方面两表面之间的粘合力小于内应力，则微焊缝将发生剪切现象，两表面形貌不发生变化。另一方面，粘合力大于内应力，则剪切可能发生在其中一个较粗糙表面上。这将导致材料从一个表面转移到第二表面，这一过程被称为黏着磨损[6]。Lansdown[18]等发现两表面之间通常包含污染物、氧化物和不匹配的晶体或晶粒结构，这些物质会导致附着力变差。在此研究的基础上，他们还发现了材料的转移分为两种情况：第一种情况是，粘附的磨屑由于进一步相对运动接触而脱落，变为松散的磨粒。第二种是，粘附的磨屑牢固地附着在基体表面，此时选择一个与其对应物相似的配合面从而加剧黏着磨损，快速达到变形平衡状态。

陈旭斌[19]通过对轴向柱塞泵配流副工况分析及模型的简化（盘-环），在油润滑摩擦磨损试验台上进行实验，以研究表面形貌、激光熔融快速成型、工况和材料对配流副摩擦磨损特性的影响，并将摩擦系数、磨损率、温度、Ｘ射线衍射图谱、显微结构和表面形貌等作为主要评价指标。

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关键摩擦副润滑特性

柱塞泵关键摩擦副在泵体实际工作中的作用至关重要，且各摩擦副的润滑特性极大地影响了泵体的整体性能。目前国内外学者在摩擦副油膜润滑特性方面主要

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