轴向柱塞泵液-磁复合支撑的应用前景及技术展望

姜继海 杜博然 张健

(哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

液压泵是液压系统的“心脏”。其中的轴向柱塞泵效率高、功率密度大，在三航(航空、航天、航海)及工业领域液压系统中有着重要的应用。

近年来，液压系统正朝着高效率、智能化、高度集成化的方向发展，目前对高效率、高可靠轴向柱塞液压泵的需求十分紧迫，相关部门和主管单位都在积极立项来探讨突破其关键技术的途径。摩擦副作为轴向柱塞泵内的关键部位直接影响泵的效率和寿命，是柱塞泵设计的核心问题。其中，配流副和滑靴副是柱塞泵故障率最高的两个关键摩擦副[1]。目前普遍采用剩余压紧力法或静压平衡法来进行设计，但该方法难以避免在特殊工作场合和极限工况出现磨损现象，很难同时兼顾润滑与密封作用。

摩擦副设计一直是轴向柱塞泵研究领域首要难点，近年来国内外相关研究致力于降低摩擦副功率损失，主要围绕以下方面：

(1)研究关键摩擦副热-弹-流润滑机理[2- 15]。该方向致力于建立全面深入的液膜润滑模型，分析液膜动压产生过程和膜厚变化规律，并引导摩擦副密封尺寸的优化设计。

(2)对摩擦副偶件宏观结构进行优化或加工微织构化的材料表面[16- 23]。其根本是减小运动偶件之间接触力，提高液膜的支撑能力以减小材料表面的磨损。

(3)提高摩擦副材料的综合性能。对材料进行表面喷涂，应用新材料以提高耐磨性、耐腐蚀性等[24- 32]。其根本作用是改变材料自身的性质来满足多种用途的柱塞泵，提高使用寿命。

现有的摩擦副设计方法难以避免磨损问题，从而难以解决摩擦副的机械损失问题。由于摩擦副材料的pv值对柱塞泵的转速、压力等性能指标有着直接影响，若能实现摩擦副偶件悬浮于接触面表面，同时通过控制液膜厚度保证密封作用，则可大幅提升柱塞泵的性能。我国工业、军事领域等对高速、高压、高可靠、多介质适用的轴向柱塞泵的需求非常迫切，亟需新的摩擦副设计理念来突破柱塞泵的应用限制。

1 轴向柱塞泵液-磁复合支撑原理及应用前景

1.1 轴向柱塞泵液-磁复合支撑概述

液-磁复合支撑是在适用于轴向柱塞泵多介质以及高速、高压化和高可靠性发展的背景下，将工业领域的前沿技术——磁轴承技术与柱塞泵设计理论相结合的多领域融合技术。

该技术是通过调节安装在泵体内部的磁阻尼器输出的磁力来改变摩擦副液膜的动态变化过程，使摩擦副运动偶件悬浮于接触面之上，实现最佳膜厚比，保持全流体润滑状态，以实现柱塞泵多用途、高效率、长寿命等特点。其原理如图1所示。

1.2 轴向柱塞泵液-磁复合支撑原理

1.2.1 磁阻尼器的设计

磁阻尼器是可以安装在柱塞泵内部，实现轴向柱塞泵液-磁复合支撑的技术载体，其设计是以永磁轴承(PMB)、电磁轴承(AMB)等理论为基础，作用在于产生可控磁力并干预摩擦副运动偶件的平衡状态，设计过程的实质是柱塞泵内部建立闭合磁回路，对摩擦副运动偶件施加磁力。磁力的实现需要磁回路和磁极间隙的产生，因此需要摩擦副运动偶件上布置磁极。如果摩擦副偶件自身不具有导磁性，需要柱塞泵摩擦副运动偶件上额外安装导磁材料以形成磁阻尼器的闭合回路。磁极的结构与分布形式根据摩擦副的具体结构来确定，由于柱塞泵中滑靴、缸体等运动部件多为圆柱体，并作定轴周期性旋转运动，一般将磁极形状设计为圆环或弧形环。

磁阻尼器的设计若采用永磁轴承(PMB)原理，其结构大体由导磁材料、永磁材料、隔磁材料等组成，需要对永磁体有效长度、磁极面积、磁极间隙进行合理设计，不过采用这种方式设计出的磁力不可控，可以平衡摩擦副之间特定的力和力矩；若采用电磁轴承(AMB)原理，其结构主要由导磁材料、隔磁材料、绕组线圈等组成，需要对安匝数、电流密度、磁极面积、工作点磁极间隙进行合理设计并考虑磁饱和强度，对绕组空间进行优化设计。由于电磁会产生较多热量，同时需合理设计柱塞泵内泄油路，以达到对磁阻尼器的冷却效果，这种设计方式可以产生可控磁力，但是过大的安匝数可能占用较大空间并消耗较大的功耗。

磁阻尼器的布置一般需要与泵壳结合，要求对泵内的空间进行有效利用，目前可行的安装位置主要在柱塞泵的前端盖、泵壳、斜盘背部并采用合理的连接的紧固方式。

1.2.2 轴向柱塞泵液-磁复合支撑技术实现

轴向柱塞泵液-磁复合支撑是利用磁阻尼器产生的磁力、摩擦副运动偶件对接触面的压紧力以及液膜产生的支反力共同来实现摩擦副运动偶件的力学平衡，其中压紧力和液膜支反力实现主要的力平衡。磁阻尼器输出的磁力通过永磁力、电磁力或混合磁力来实现，可以平衡压紧力矩和液膜支反力矩抵消之后的剩余力或力矩。通过可控式电磁力可以对液膜动态变化过程产生激励，改变动态阻尼，通过合理的给定通入线圈中的电流，可以实现将油膜厚度控制在理想的范围内，也就是最佳膜厚比范围，保持摩擦副的全流体润滑状态，最终实现运动偶件的悬浮状态，同时保证液膜的密封作用，尽可能地减小摩擦副的容积和机械损失，具体实现过程如图2所示。

液膜厚度的信息可以通过微米级位移传感器进行采集，随后通过数据采集板卡传入到控制终端，控制终端中的控制器给出相应的控制信号，而后通过功率放大器成比例地转换成电流输入到磁阻尼器的线圈，进而产生可控磁力。此外，也可以根据测得的液膜厚度结合相关理论给出反馈值，但准确性受到较大考验。

当液膜有超过合理厚度范围的变化趋势时，磁阻尼器产生的磁力阻滞液膜动压效应的产生，降低液膜支反力；反之，液膜的支反力将增加。两种调节方式交替进行从而将液膜的动态变化过程稳定在理想范围内。

柱塞泵中的功率损失与液膜厚度存在直接联系。由于柱塞泵结构紧凑，液膜支反力动态变化且具有较高数量级，若对液膜厚度进行直接控制，需要引入体积大且复杂的执行机构并明显增大柱塞泵体积，在技术上较难实现，因此间接控制较为合理。

1.3 轴向柱塞泵液-磁复合支撑应用前景

该技术应用在柱塞泵中可以解决以下问题：

(1)可以解决泵启停过程中的磨损问题。在柱塞泵启停阶段，液膜润滑作用还未形成，利用磁支撑力可以避免摩擦副间的接触。目前利用磁力来提供初始支撑力解决启停阶段的磨损问题的研究主要集中在轴承，对于柱塞泵摩擦副的应用很少有研究报道。

(2)利用磁阻尼器对液膜厚度进行间接控制。根据实时测量的液膜厚度调节磁阻尼器的磁力输出，调节液膜动压力的产生，进而对运动偶件的微位移进行控制，通过合理设计可实现运动偶件的动态悬浮并尽可能地减小泄漏损失。

(3)摩擦副的材料种类可以更宽泛。柱塞泵摩擦副材料自身特性和处理工艺对柱塞泵的性能、寿命有着直接影响[33]。一般情况下还需要考虑材料的硬度配合，若实现摩擦副运动偶件的动态悬浮，则可以使摩擦副摆脱对材料种类和工艺的过度依赖，使材料只出现疲劳磨损。

(4)可以提高柱塞泵在低黏度介质下的效率。低黏度介质挥发性强，易泄漏，会大大增加柱塞泵的容积损失，降低效率。同时，由于黏度较低，使得处在相对运动的摩擦副润滑油膜难以建立或厚度较薄，支撑能力较差，容易导致摩擦副材料直接接触，处于混合摩擦甚至是干摩擦的状态，致摩擦副过早失效。当油膜压力未形成时，采用该方法可以利用磁力控制预紧或提供辅助支撑力，使柱塞泵在低黏度介质下工作也可保证高可靠性。

(5)可以显著提高摩擦副的寿命，进而提高柱塞泵的寿命。不平衡力会使摩擦副运动偶件处于交变载荷下，加速零件的疲劳损坏[34- 35]。液-磁复合支撑使摩擦副始终处于全流体润滑状态同时兼顾密封作用，避免了磨损现象的发生。此外，可以明显简化柱塞泵可靠性方面的理论研究[36- 40]，降低可靠性试验的所需成本。

(6)可以一定程度上提高泵转速上限。高转速下滑靴副和配流副间会产生大量的机械损失，带来的温升导致油液黏度降低，液膜厚度变薄，加速摩擦副的失效[41]。Manring等[42- 43]对影响柱塞泵转速的因素进行了研究，结果表明，随转速升高而升高的惯性力矩会影响吸油效率，是限制最高转速的主要因素之一，所计算出的排量-转速关系与力士乐和林德产品数据高度吻合。

高转速是磁力支撑的固有特点，目前国内磁轴承成功应用在透平制氧膨胀样机转速的最高记录可达98 000 r/min[44]。液-磁复合支撑利用磁阻尼器控制液膜厚度，避免摩擦副机械损失，平衡柱塞泵固有的倾覆力矩以及随转速提高而增大的惯性力矩，对于突破由于材料极限pv值引起的泵的转速限制有着重要发展前景。

2 液-磁复合支撑理论的发展概况

目前，液-磁复合支撑较多体现在磁-液轴承的应用上。Hirani等[45- 46]为解决流体膜轴承带来的磨损问题，对磁-液轴承展开了多年的研究，结果如图3所示。

该团队分别在500、2 000和3 000 r/min的条件下进行了试验研究，通过绘制出轴中心点轨迹研究轴承稳定性，最终得到磁力应当平衡固定载荷，液膜应平衡动态载荷的结论。该团队提出了一种由铝环和方形磁体组成的旋转磁化(RMD)结构[47]，同时对扇形磁体和方形磁体的承载能力进行了比较研究，通过对不同组合类型的混合轴承进行实验研究验证了结构合理性。但是该方法并未引入电磁力，无法对转轴中心位置进行调节，由于负载仅为转轴重力，磁体布置方式有待进一步探索。

Tan等[48]利用磁力为流体膜轴承提供初始支撑力，提出了一种永磁-液动力轴颈轴承(PMHH)并进行了相关实验研究，结果如图4所示。

该轴承的支撑力由磁力和液膜力共同承担，当机器处于启停阶段时，流体膜支撑力薄弱，此时永磁-液动力轴颈轴承(PMHH)依靠磁力支撑转子系统，防止混合摩擦状态的发生。针对转子位置变化特点建立了磁力预测公式，并对磁力与液膜力解耦，分别对磁力和液膜压力进行了计算，实验结果证明了这种轴承方案的可行性，且磁力不会引起转子系统的振动。此外，该团队还将这项技术应用到推力轴承中，通过试验实现了轴承在7 100 r/min的转速下稳定工作[49]。

图4 磁-液混合轴承试验装置[48]

伊建辉等[50]提出了超导磁斥力与液膜力复合作用的圆形可倾瓦新型推力轴承技术，如图5所示。该轴承用于解决火箭涡轮泵用轴承启动或停车过程中的混合摩擦问题，在认为磁场和流场没有耦合关系的基础上分别计算得到仅磁场或液膜压力场作用下的磁-液复合轴承的静态支撑力。

图5 圆形可倾瓦新型推力轴承[50]

为了改变传统的支撑系统、导轨系统中的静压支撑悬浮方式，保证支撑系统高精度承载，Zhao等[51- 53]提出了磁-液双悬浮支撑系统，该系统由液体静压力和磁力实现混合支撑，其中轴向部分由电磁力和永磁力支撑，径向部分由电磁力控制，与普通磁-液轴承不同的是，该支撑系统的液体静压力和磁力均可调节，原理如图6所示。

由于轴承的作用在于承载，引入磁力为了解决转子启动和停止时流体膜润滑能力不足的问题，设计目标是令轴承在任何工作阶段都保证零摩擦，而并未对定转子间隙值有特殊要求，因此大都采用永磁体提供磁支撑力。对于柱塞泵内摩擦副而言，除了理想中的零摩擦之外还需要液膜保持在一定厚度范围内以保证密封作用，减小容积功率损失。

目前国内在轴向柱塞泵液-磁复合支撑领域已经进行了初步探索。为了减小高压柱塞泵在低黏度介质下的功率损失，魏列江等[54]提出了针对柱塞泵配流副的液膜厚度控制系统的设计思路，如图7所示。

可调节的弧形电磁铁安装在前端盖，位于配流盘两侧，弧形永磁体安装于缸体的端面，通过调节线圈电流产生与永磁体之间的磁斥力，进而调节液膜厚度。对于详细的研究工作没有后续相关报道。

邓海顺等[55]针对斜盘式轴向柱塞泵研究了一种磁性滑靴副，可以通过调节线圈电流对滑靴进行预紧，如图8所示。

图6 磁-液双悬浮支撑结构示意图[52]

其原理是在斜盘底部的柱形结构上配置绕组线圈，利用线圈电流产生的电磁吸力实现对滑靴进行预紧，给出了绕组线圈的匝数、铁芯结构参数，分析了磁感应强度随着铁芯高度的变化规律，不过没有进行实机验证，也没有提出对液膜的厚度范围进行控制。

图8 磁性滑靴副示意图[55]

3 关键技术展望

3.1 轴向柱塞泵液-磁复合支撑力学平衡的实现

该技术分为两个部分，一方面是磁阻尼器自身的力学平衡；另一方面是摩擦副运动偶件的力学平衡。摩擦副运动偶件和磁阻尼器之间存在相互作用力，需要合理地将作用在磁阻尼器上的力传递到壳体，实现其自身的平衡；传统的摩擦副运动偶件在运动过程中存在倾覆状态，这主要是由于压紧力和液膜力作用点不一致、液压力矩和压紧力矩不平衡以及随着转速升高不断增大的运动部件惯性力造成的。除膜厚方向的应保持力平衡关系之外，应尽可能地降低摩擦副运动偶件的倾覆力矩，对其进行深入的动力学分析，主要分为以下两方面：

(1)建立涉及磁阻尼器参数和摩擦副结构参数的动力学统一模型。压紧力和液膜力跟摩擦副结构参数直接相关，需要分析关键参数对膜厚方向力平衡的影响从而引导磁承载力的设计。

(2)倾覆力矩会随着工况变化而变化，此外高转速引起的惯性力矩会造成额外影响。这需要在多工况下对柱塞泵动力学和液膜动力学进行深入分析，合理地确定磁阻尼器工作区。

有关摩擦副偶件的动力学分析国内外也展开了很多理论和试验工作。理论方面，国内外学者对摩擦副运动偶件的运动学规律和动力学分析已较为成熟[56- 61]。Xu等[62]建立了滑靴微运动动力学模型并进行了试验验证。Zloto[63]分析了压紧力和液膜分离力作用点的轨迹并得出了理想平均压紧系数值。在针对摩擦副偶件微动的试验研究方面，艾青林等[64- 65]搭建了配流副和滑靴副润滑特性试验系统，分别采用了3只位移传感器对液膜厚度进行采集，以确保对油膜的厚度值和形状进行测量，还可以在不同压力、温度等参数下研究油液黏温特性对润滑特性的影响程度，为国产水液压柱塞泵的研制提供了坚实的试验基础。

德国亚琛工业大学(RWTH Aachen)建立了配流副实验研究系统，该系统能够对配流副的摩擦力矩进行测量并能对缸体多个自由度的运动信息进行采集，能够对摩擦引起的效率损失进行深入研究[66]，如图9所示。

图9 测点位置分布图[66]

Zhang等[67]对EHA柱塞泵进行了研究，建立高转速下由柱塞-滑靴组件引起的缸体倾覆力矩模型，通过测量摩擦副磨损厚度和泄漏量得到了倾覆力矩的变化规律。

3.2 轴向柱塞泵紧凑型磁阻尼器的研究

实现液-磁复合支撑首要解决的就是磁阻尼器紧凑性的问题。由于柱塞泵固有功率密度大的特点，泵内的空间十分有限，如何在保证输出足够磁力的条件下缩小整体结构的体积，直接制约着磁力在柱塞泵中的应用。目前国内外针对磁力支撑结构体积大的问题，一方面对磁体的配置方式和磁路进行优化设计[68- 72]，另一方面则尽可能采用混合磁力支撑的形式即利用永磁体提供偏置磁场[73- 76]，从而解决单一采用电磁力带来的体积和能耗过大的问题。

线性化磁力模型一般在狭小的距离范围线性度较好[77- 78]。假设了磁极间隙的磁通密度不变，再加上磁力轴承中存在不可避免的漏磁、涡流损耗等现象，磁极存在端部磁通，建立的磁力模型很难在较宽范围内精确地计算出真实承载力，只能将磁极间隙保持在很小范围内来减少磁通密度损失。目前为了保证模型更加精确，针对磁力模型的建立大都采用等效磁路法进行理论计算并与有限元分析的结果进行对比[79- 80]。

3.3 轴向柱塞泵液膜动态过程阻尼设计

国内外学者对液膜动态过程进行了大量的理论和试验研究。Bergada等[81]对不同压力下固定转速配流副液膜厚度进行了测量，结果表明，液膜厚度主要呈正弦规律变化，主频与转速一致；其他频率组分与压力区变化和弹簧、主轴刚度有关，如图10所示。图中T1、T2、T3为3个测量点的测量值。

图10 配流副油膜厚度变化规律[81]

翟江等[82]基于ADAMS和AMESim建立了海水介质轴向柱塞泵的虚拟样机模型，得到了柱塞等关键零件的动态等效应力。王成宾等[83]利用换向控制信号主动预测冲击液压冲击峰值的出现时间，据此利用可变阻尼进行缓冲，这种方法的前提是满足系统响应特性[83]。王彬等[84]搭建了配流副试验装置，得出转速一定时液膜平衡后呈近似的周期性。黄家海等[85]利用伺服比例阀控制变量缸从而改变斜盘摆角，针对合力矩脉动频率大的问题最终将合力矩平均值作为系统动态性能的评价标准。欧阳小平等[86]对双压力航空柱塞泵进行了研究，选择增大柱塞-滑靴组件对斜盘的平均力矩配合阻尼口的方式降低压力超调峰值。

液-磁复合支撑最早普遍应用于轴承，由于负载一般处于重力场，只考虑转子的稳定性，而在轴向柱塞泵摩擦副中需要对液膜厚度进行范围控制。液膜力分为静态液膜力和动态液膜力，当液膜受挤压厚度变薄时产生的动压力增大，从而将摩擦副运动偶件推离接触面，导致液膜厚度增加，支撑力减小。磁阻尼器需要在液膜动态变化的过程中施加阻尼，促进或抑制液膜动压产生过程，将最大和最小液膜厚度保持在合理范围内，等效于改变液膜刚度，实现全流体润滑状态。液膜动态变化频率和压紧力频率、压力区变化和负载变化相关联，需要通过仿真和试验的手段对动态液膜厚度进行频率特性分析，提取特征液膜厚度变化频率并分析影响因素，合理地设计磁力阻尼和激励点，实现激励频率与动态液膜频率特性的匹配。

4 结语

分析了国内外对于传统柱塞泵摩擦副的主要研究现状及存在的问题。介绍了液-磁复合支撑的原理，其可以利用磁力调节摩擦副液膜厚度，避免传统轴向柱塞泵摩擦副固有的磨损问题，脱离材料pv值限制，对于降低摩擦副功率损失、提高柱塞泵额定压力和转速具有重要理论价值。概述了液-磁复合支撑相关领域的理论基础和研究进展，分析了该技术典型的应用和在柱塞泵中应用的不同，为提出技术难点奠定基础。针对轴向柱塞泵液-磁复合支撑的实现提出了关键技术展望，该技术的实现对高可靠、多介质适用柱塞泵研究具有重要的创新意义。