轴向柱塞泵滑靴副服役损伤与防护的研究进展_王强.pdf

表面技术 第 52 卷 第 6 期 126 SURFACE TECHNOLOGY 2023 年 6 月 收稿日期：20220411；修订日期：20220605 Received：2022-04-11；Revised：2022-06-05 基金项目：国家自然科学基金（51501125，51975396）；山西省应用基础研究计划（201901D111063）；山西省回国留学人员科研资助项目（2020035）Fund：the National Natural Science Foundation of China(51501125,51975396);Natural Science Foundation of Shanxi Province(201901D111063);Research Project Supported by Shanxi Scholarship Council of China(2020-035)作者简介：王强（1996），男，硕士生，主要研究方向为金属材料表面改性。Biography：WANG Qiang(1997-),Male,Postgraduate,Research focus:surface modification of the metallic materials.通讯作者：林乃明（1981），男，博士，副教授，主要研究方向为金属材料表面改性。Corresponding author：LIN Nai-ming(1981-),Male,Doctor,Associate professor,Research focus:surface modification of the metallic materials.通讯作者：吴玉程（1962），男，博士，教授，主要研究方向为金属材料。Corresponding author：WU Yu-cheng(1962-),Male,Doctor,Professor,Research focus:metallic materials.引文格式：王强,王焕焕,袁烁,等.轴向柱塞泵滑靴副服役损伤与防护的研究进展J.表面技术,2023,52(6):126-139.WANG Qiang,WANG Huan-huan,YUAN Shuo,et al.Research Progress on Service Damage and Protection of Slipper-swashplate Pairs of Axial Piston PumpJ.Surface Technology,2023,52(6):126-139.轴向柱塞泵滑靴副服役损伤与防护的研究进展 王强1，王焕焕1，袁烁1，王杰1，林乃明1，刘志奇2，曾群锋3，吴玉程4（1.太原理工大学 材料科学与工程学院，太原 030024；2.太原科技大学 机械工程学院，太原 030024；3.西安交通大学 机械工程学院，西安 710049；4.合肥工业大学 有色金属与加工技术国家地方联合工程研究中心，合肥 230009）摘要：轴向柱塞泵是液压传动系统的核心动力元件，广泛应用于诸多工程领域。滑靴副是轴向柱塞泵中 3对关键摩擦副（滑靴副、配流副和柱塞副）之一，显著影响柱塞泵的服役安全。滑靴副的磨损是引起柱塞泵失效的主要原因，开展滑靴副的服役损伤与防护措施研究对柱塞泵向高速、高压化技术发展有着重要意义。概述了轴向柱塞泵的基本工作原理；介绍了滑靴副间隙润滑油膜的形成和 3 大作用（润滑、密封和承载），以及油膜特性测量方法和影响因素；阐述了滑靴副的磨损机理、磨损影响因素及磨损状态评估方法；基于滑靴副的油膜特性及磨损机理，着重讨论了滑靴副延寿设计方法和失效防护措施，如优化滑靴副材料匹配、结构的延寿设计方法，以及利用表面织构化、固体润滑涂层改善滑靴副表面摩擦学性能的表面改性方法。表面织构化的原理是利用微纳米加工手段在滑靴副材料表面加工出具有一定形状、尺寸且排列规则的几何阵列来收集磨屑、储存润滑介质或通过产生流体动压效应来增强润滑进而减小磨损，固体润滑涂层则是通过改变基体表面的组织结构来提高滑靴副表面的承载力和增强滑靴副的自润滑性能。最后对轴向柱塞泵滑靴副未来的研究方向提出了展望。关键词：轴向柱塞泵；滑靴副；油膜；磨损；表面织构；固体润滑涂层 中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)06-0126-14 DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.012 Research Progress on Service Damage and Protection of Slipper-swashplate Pairs of Axial Piston Pump WANG Qiang1,WANG Huan-huan1,YUAN Shuo1,WANG Jie1,LIN Nai-ming1,LIU Zhi-qi2,ZENG Qun-feng3,WU Yu-cheng4(1.College of Material Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;第 52 卷 第 6 期 王强，等：轴向柱塞泵滑靴副服役损伤与防护的研究进展 127 2.School of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China;3.School of Mechanical Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;4.National-Local Joint Engineering Research Centre of Nonferrous Metals and Processing Technology,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)ABSTRACT:As a pivotal power unit in the hydraulic transmission system,the axial piston pump plays an important role in numerous engineering fields.Slipper-swashplate pairs are one of the three key friction pairs(slipper-swashplate pairs,cylinder-valve plate pairs,and piston-cylinder pairs)in axial piston pump,which significantly affects the service safety of piston pump.The wear of slipper-swashplate pairs is the main reason for the failure of piston pump.It is of great significance to study the service damage and protection measures of slipper-swashplate pairs for the development of piston pump to high speed and high pressure technology.In this review,the basic working principle of axial piston pump was firstly presented in brief.Secondly,the formation and three functions(lubrication,sealing and bearing)of the lubricating oil film in the clearance of slipper-swashplate pairs as well as the measurement method and affecting factors of oil film characteristics were systematically elaborated.Then,the wear mechanism,wear affecting factors and wear state evaluation method of slipper-swashplate pairs were expounded.Based on the oil film characteristics and wear mechanism of slipper-swashplate pairs,the design method for life extension and failure protection measures of the slipper-swashplate pairs were emphatically explored,such as the design method of optimizing the material matching and prolonging the life of the slipper-swashplate pairs,and the surface modification method of improving the tribological properties of the slipper-swashplate pairs surface by surface texturing and solid lubrication coating.Surface texturing was to process a geometric array with a certain shape,size and regular arrangement on the surface of the slipper-swashplate pairs material by micro-nano machining means to collect wear debris,store lubricating medium or produce hydrodynamic effect to enhance lubrication and reduce wear,while solid lubrication coating improved the bearing capacity of the slipper-swashplate pairs surface and enhanced the self-lubricating performance of the slipper-swashplate pairs by changing the organizational structure of the substrate surface.Finally,the future research direction of slipper-swashplate pairs in axial piston pump was prospected.KEY WORDS:axial piston pump;slipper-swashplate pairs;oil film;wear;surface texture;solid lubrication coating 动力传送方式有液压传动、电力传动、气动传动、机械传动等，液压传动依靠密封容器内受静压力的液体传送动力，也是进行能量控制和传递的一种重要传动方式1-3。液压传动的动力源是液压泵，其性能与可靠性在很大程度上决定了液压传动系统的能量转换效率4-5。轴向柱塞泵是液压泵的一种，其工作原理如下：当输入轴转动时，泵缸体与柱塞做周向转动，柱塞一端连接滑靴始终与斜盘接触，柱塞沿轴向做往复运动，当缸体有效容积逐渐增大时，从配流盘低压进液口吸入液压介质，完成吸液过程的标准是吸液容积最大；当缸体有效容积逐渐减小时，通过配流盘高压出液口排出液压介质，当达到设计排液容积最大时排液完成；吸液和排液的交替过程实现了机械能和压力能之间的相互转换6。轴向柱塞泵因具有体积小、惯性小、传动平稳、易于实现过载保护等优点，广泛应用于农机建筑和重型机械中，其主要结构由斜盘、滑靴、柱塞、缸体、配流盘、主轴等组成，图 1 为轴向柱塞泵结构示意图7-11。轴向柱塞泵在运转过程中通过柱塞的往复运动引起柱塞腔容积变化从而实现高低压转换，保持高水平的容积效率对摩擦副的密封性和润滑性有极高的要求，然而轴向柱塞泵中摩擦副的密封与润滑通常又是自相矛盾的，这就需要对其摩擦磨损性能进行研 图 1 轴向柱塞泵结构示意图11 Fig.1 Schematic diagram for structure of axial piston pump11 究。泵的性能与寿命取决于关键摩擦副的耐磨性，磨损会增加液压介质泄漏量，缩短泵的使用寿命，降低工作效率，甚至造成重大人员伤亡12。研究表明，磨损约占设备故障与失效的 80%9。柱塞泵中主要有 3对关键摩擦副：斜盘与滑靴组成的滑靴副13；柱塞与缸体组成的柱塞副14；缸体与配流盘组成的配流副15。滑靴副是柱塞泵中主要的传力部件，其工况恶劣、苛刻，长期工作在高速、高压、重载的状态下，运动和受力复杂。润滑油膜破坏失效导致滑靴副磨损是造成柱塞泵故障的主要原因之一16。当前，滑靴副的磨损128 表 面 技 术 2023 年 6 月 是限制柱塞泵向高压高速化、低噪声、长寿命和大容量发展的核心因素。因此，研究滑靴副油膜分布、厚度和润滑等特性，分析损伤机理及诱因，并基于滑靴副的磨损失效机理对其进行防护、优化及延寿设计，是研制高性能泵的重要技术手段17-19。轴向柱塞泵服役损伤与防护方法如表 1 所示。表 1 轴向柱塞泵滑靴副服役损伤与防护方法 Tab.1 Service damage and protection method of slipper-swashplate pairs of axial piston pump Damage Protection measures The main form of damage failure:wear The conditions of occurrence:dry friction,boundary lubrication and mixed lubrication Influencing factors:temperature,rotation speed,outlet pressure,load,hydraulic medium,etc Evaluation methods:wear debris information,returning oil flow,surface vibration signals,etc Optimizing material pairing of slipper-swashplate pairs Improving the struc-tural design of slipper-swashplate pairs Using of surface tex-ture technology and so-lid lubricating coating technology 本文主要针对制约滑靴副性能提升的润滑、密封与延寿设计等问题进行研究。介绍了柱塞泵的基本工作原理、滑靴副的油膜润滑特性、磨损分析及预测方法。着重总结了针对滑靴副的延寿设计方法与表面改性技术，并结合国内外相关技术的研究进展，展望了提升滑靴副性能的技术的发展趋势。旨在为轴向柱塞泵高速高压化发展提供设计优化和理论指导。1 滑靴副油膜特性 当以液压油为液压介质的柱塞泵工作时，斜盘和滑靴之间会形成一层间隙油膜，可根据该油膜厚度与两运动表面粗糙度的不同将间隙油膜润滑分为厚膜润滑与薄膜润滑。厚膜润滑即润滑油膜的厚度大于两运动表面粗糙度之和，流体产生承载力承受全部的载荷，将运动表面完全隔离开，也称为完全润滑状态。薄膜润滑即润滑油膜厚度小于两运动表面粗糙度之和，膜厚介于完全润滑和干摩擦之间，油膜承载能力不足以完全隔离开两运动表面，通常也称为混合润滑状态或边界润滑状态。润滑油膜不能太厚也不能太薄，太厚的润滑油膜会破坏柱塞泵的密封性，增加泄漏量，降低容积效率；当润滑油膜太薄时，滑靴副容易发生过度磨损甚至出现“烧靴”现象，使泵的使用寿命缩短20-21。工作时，在不产生泄漏的情况下，厚膜润滑是一种理想的滑靴副润滑状态。适宜厚度的间隙油膜具有 3 大主要作用：（1）润滑，根据流体静压和动压原理，在滑靴副配对偶件相对运动和密封带内外压差的共同作用下，一定黏度的油液进入滑靴副间隙形成润滑油膜，将配对偶件隔离开；（2）密封，利用间隙油膜的降压节流作用阻止柱塞腔内的油液向壳体泄漏，合理设计密封带可以大大降低摩擦副的泄漏量；（3）承载，间隙油膜由动压效应、挤压效应和静压效应产生的支承力平衡外负载力22。为了设计出更加合理的滑靴副，得到适宜厚度的间隙油膜，让其兼具优良的承载能力与润滑性能，同时还能有效阻止泄漏的发生，需要研究开发准确的油膜特性分析测试方法、平台及模型，利用动静压相结合的方法准确表述滑靴副间隙油膜运转周期内的瞬时特征及周期性特征；除此之外，还需验证哪些结构有助于油膜性能的提升，也需要开发先进、精准的性能预测方法。间隙油膜的厚度场、温度场及压力场的分布与油膜形貌、流量及形变等是研究者重点关注的滑靴副油膜参数，对滑靴副的性能有重要影响，研究人员常采用实验、解析和数值分析 3 种方法进行研究23。对间隙油膜进行研究的首要问题就是测试间隙油膜的性能参数。徐兵等24-25为了得到滑靴倾覆状态，基于三点确定一个平面的基本原理，巧妙通过三点处油膜厚度值实现了精准测量，利用 Matlab 搭建滑靴倾覆模型，采用 Newton 迭代法求解，提出了一种理想状态下的滑靴副油膜动态特性研究方法。李焕军等21提出油膜厚度双面六点测量法，该方法弥补了三点法测量精度不足的问题，将油膜厚度误差控制在1 m 以内。尽管类似对滑靴副油膜特性参数的测试方法研究不少，但大多数研究在测量结果的连续性方面都具有较大的局限性：（1）一部分研究将传感器安装在斜盘上（斜盘固定，滑靴及缸体转动），该方案只能实现油膜特征参数的定点测量，很难获得运转全周期内的油膜特性参数；（2）另一部分实验研究将传感器安装在滑靴上（斜盘转动，滑靴及缸体固定），虽实现了滑靴副油膜特性的连续测量，但滑靴的自转及公转受到限制，偏离了实际工况，很难获得拟实工况的真实数据22。为了更加真实有效地连续测量滑靴副全周期内的油膜特性数据，Chao 等26-28设计了新的滑靴测量试验台，如图 2 所示。试验台的组成主要包括新型三活塞测试泵、驱动电机、分度盘、控制系统和数据记录系统。驱动电机通过联轴器带动测试泵转动，当测试泵运转达到稳定状态后，通过旋转分度盘基于 NI DAQ 模块采集信号，利用 Labview 程序监控和记录数据，依次获得每个位置的膜厚信息，实现实际工况下滑靴油膜厚度多位置的实时测量。同理，也可安装压力传感器用以获得滑靴副油膜多位置压力场数据，结合压力传感器数据、位移传感器数据及滑靴的位置坐标变化还可测得滑靴的自旋转速信息22。分度盘结构示意图如图 3 所示（Rs为传感器螺距半径；1、2、3为传感器的径向距离；S1、S2、S3为传感器的位置；Rc为传感器中心螺距半径；1和 2为旋转角；为滑 第 52 卷 第 6 期 王强，等：轴向柱塞泵滑靴副服役损伤与防护的研究进展 129 图 2 滑靴测量试验台28 Fig.2 Test rig for measurement of slipper-swashplate pairs28 图 3 分度盘结构示意图28 Fig.3 Schematic diagram for structure of index plate28 靴中心点与斜盘中心的距离）。滚动轴承同时支承旋转斜盘和分度盘，使它们围绕各自并不重合的轴线旋转，斜盘的旋转轴线垂直于倾斜的斜盘表面，而分度盘轴线是水平的，当分度盘的旋转传递到旋转斜盘时，传感器位置实现可变调节。在运转过程中油膜厚度不再是定值，而是随着转速、压紧力、油液温度、工作时间等而变化，滑靴副复杂的受力形式和运动方式产生的动压及挤压效应使滑靴副油膜微观特性更为复杂。胡纪滨等29利用仿真与试验研究发现，滑靴副油膜厚度受工作压力及转速的影响，随工作压力的增大而减小，随转速的增大而增加，增速趋势逐渐变缓，在低速高压时滑靴副处于混合润滑状态。Tang 等30利用集中参数法搭建了轴向柱塞泵滑靴副参数模型，发现挤压力和热楔轴承力是影响油膜厚度和承载力的主要因素。在高油温和高负载压力下，挤压力和热楔轴承力共同作用，油膜厚度随着压紧力的增加而减小，但承载能力增加。但值得注意的是，在高转速下油膜厚度的迅速增加十分危险，因为会使油膜波动幅度增大，降低了滑靴副间隙油膜的承载能力。适宜厚度的间隙润滑油膜是确保滑靴副平稳运转的重要保障之一。但是，尽管旋转滑靴副之间的界面被润滑，也同样面临损坏和失效问题13。当滑靴副油膜受到破坏，油膜厚度减小承载能力不足时，摩擦界面转变为混合润滑状态甚至干摩擦；当温度、压力及载荷等作用使滑靴副出现变形等情况时，滑靴副的运动及受力状态将更加复杂，摩擦磨损加剧，甚至出现失效故障。2 滑靴副的磨损研究 2.1 磨损机理 在运转过程中，受倾覆力矩及载荷波动等因素的影响，当滑靴副间隙油膜承载能力不足以将斜盘与滑 130 表 面 技 术 2023 年 6 月 靴完全隔离开时，滑靴与斜盘部分接触而发生摩擦，随着摩擦的加剧，滑靴副材料表面出现损失，造成磨损。严重的磨损会加剧滑靴副的泄漏，导致容积效率下降，使用寿命缩短，是滑靴副破坏失效最常见、最主要的原因23,31。不同润滑条件下滑靴副磨损示意图如图 4 所示。在干摩擦条件下，滑靴材料与斜盘材料直接接触发生剧烈磨损，产生的磨粒在滑靴副间隙产生二次破坏，极易造成“烧靴”现象，如图 4a 所示；在边界润滑条件和混合润滑条件下，润滑介质起到了一定的减摩作用，此时滑靴副产生磨损主要是由于润滑介质不能完全把斜盘和滑靴分隔开，工作中两材料表面仍有部分直接接触，如图 4b 所示；在流体润滑条件下，润滑介质完全将斜盘与滑靴分隔开，实现完全润滑，此时滑靴副产生磨损主要是由于润滑介质中夹杂的其他摩擦副产生的磨粒对滑靴副材料表面碰撞冲击从而造成了轻微磨损，如图 4c 所示。在工况条件下，偏磨（内边缘磨损及外边缘磨损）是滑靴副最主要的磨损形式。滑靴外边缘磨损是由于倾覆力矩的作用使滑靴与斜盘存在微小夹角时发生了磨损；内边缘磨损是由于滑靴底面产生了蝶形变形从而使内边缘微小凸起时发生了磨损32。2.2 影响因素 滑靴副磨损受多种因素影响，是典型的多因素、多场耦合作用的结果。由于目前无法实现滑靴副磨损量的实时测量，导致预测磨损状态、探究磨损影响因素的难度较大。针对滑靴副磨损问题，研究者多基于弹性流体动力润滑（Elasto-Hydrodynamic Lubrication，EHL）理论，采用磨损理论分析33、仿真34和试验35的方法对滑靴副磨损影响因素展开研究23。Ma 等31提出了一种基于 EHL 模型分析滑靴副磨损行为的方法，分别研究了滑靴副转速、液压介质、出口压力及温度对磨损质量的影响。研究发现，当转速从 1 000 r/min 上升至 5 000 r/min 时，磨损率下降了 90%；当出口压力从 21 MPa 变化至 30 MPa 时，磨损率增加了 45%；当温度从 30 上升到 130 时，磨损率增加了 320%。究其原因发现，磨损率的 变化主要是因为油膜厚度变化。当温度和出口压力增加时，油膜厚度减小，磨损加剧，磨损率增大；当转速升高时，油膜厚度变大，润滑效果增强，磨损率降低。刘思远等36在考虑滑靴副倾覆的基础上，利用数值分析方法对润滑油膜承载特性方程进行了求解，研究了强冲击载荷对滑靴副磨损的影响。研究发现，滑靴副具有一定的抗冲击载荷磨损能力，但当滑靴副所承受的冲击载荷和次数超过自身抗冲击载荷能力时，强冲击载荷会加剧滑靴副的磨损。滑靴副底面磨损轮廓随强冲击载荷和冲击次数的增加而逐渐增大，滑靴副磨损处油膜厚度及压力随磨损轮廓的增大而逐渐减小。寇保福等37在高温干摩擦条件下基于 Rtec 摩擦磨损试验机研究了不同温度、载荷和转速对由 304 钢和陶瓷球组成滑靴副的摩擦学性能的影响规律，并对滑靴副磨损体积、摩擦因数、磨痕截面曲线和表面形貌等实验参数进行了研究分析。结果发现，在高温干摩擦条件下，滑靴副的磨损体积随温度的升高先增后减，随载荷的增大而逐渐增大，随转速的增大先减后增；在高温条件下，滑靴副摩擦因数随载荷的增加而增加，随温度及转速的增大而逐渐减小；在高温条件下，磨痕宽度、深度受转速影响，且温度、载荷对磨痕深度影响显著。研究表明，在温度、载荷、转速分别为 300、50 N、75 r/min 时，滑靴副减摩抗磨效果最好。为了找到滑靴副减摩抗磨的最优工艺参数，寇保福等38将工具钢球与 304 钢配副组成新的滑靴副，通过设计正交试验研究了滑靴副的摩擦学行为。研究发现，载荷、转速和磨痕半径对摩擦因数的影响相对显著，且在载荷、转速、半径分别为 100 N、50 r/min、20 mm 时，摩擦因数达到最小值。随后，基于最优的正交试验结果，又开展了控制变量实验，研究表明，磨损体积随载荷的增大先增后减，在载荷为 50 N 时磨损体积最小，为 91.468106 m3；磨损体积随转速的增大而逐渐增大，在转速为 50 r/min 时最小，为926.613106 m3；载荷及转速对滑靴副磨痕的宽度和深度影响显著。图 4 不同润滑条件下滑靴副磨损示意图 Fig.4 Schematic diagram for the wear of slipper-swashplate pairs under different lubrication conditions:a)dry friction;b)boundary lubrication and mixed lubrication;c)fluid lubrication 第 52 卷 第 6 期 王强，等：轴向柱塞泵滑靴副服役损伤与防护的研究进展 131 Haidak 等13基于滑靴材料的力学特性演变及摩擦学行为并结合实验测试提出了滑靴副损伤与失效模型，利用仿真与试验相结合的方法对滑靴副界面摩擦磨损行为与载荷、润滑油膜（厚度、压力）和温度的关系进行了研究。研究发现，滑靴副的磨损主要发生在铜合金滑靴材料的底面，外部载荷与流体润滑介质承载能力的平衡对获得最小能量损失和最佳油膜厚度非常必要；当转速不高时，滑靴损伤对载荷敏感，滑靴比斜盘更容易发生变形和破坏。滑靴副磨损受多种因素影响，这些影响因素可根据作用机理为 2 类：一类（如温度、出口压力、转速等）是通过改变滑靴副油膜的承载能力，进而影响滑靴副的磨损；另一类（如冲击载荷等）是通过破坏滑靴副油膜的密封性以减小润滑效果，从而增加滑靴副的泄漏，造成滑靴副的磨损。滑靴副的磨损与滑靴副润滑介质有着密切的关系，因此液压介质本身的性能对滑靴副的磨损也有着重要的影响。但由于滑靴副间隙与液压油室相通，滑靴副间隙的润滑介质为液压油，而液压油的选择要综合考虑影响泵性能的多种因素，因此不能单单只考虑滑靴副的润滑性能而选择液压介质。现阶段轴向柱塞泵液压用油为 46 号液压油，针对滑靴副润滑油种类的研究较少，综合滑靴副的运动特征，未来可在不损失泵的其他性能的情况下选择具有较好承载能力、抗温升和抗腐蚀的液压油39。目前针对滑靴副磨损影响因素的研究大多都集中在单个或几个因素的定性分析中，缺少有关滑靴副磨损寿命与影响因素的定量关系模型。仿真方法可以提高滑靴副磨损影响因素研究的效率和可靠性，但复杂系统的仿真精度低，进行斜盘与滑靴两体磨损研究时难以实现引入污染颗粒三体磨损的精准仿真分析。试验方法对滑靴副磨损影响因素的研究较为直观，但对滑靴副的实际磨损工况模拟是一大难点23。2.3 评估方法 除了上述对滑靴副磨损影响因素的研究，也有学者探究了滑靴副磨损状态的预测方法。磨粒信息40、回流油量41、壳体振动42等特征信息常用于滑靴副磨损状态的预测及诊断。磨粒作为磨损的直接产物，可通过几种检测方法实时测量43-44，并精准估算磨粒数量及大小，实现滑靴副磨损状态的判别。Li 等40开发了基于监测液压油中磨屑颗粒信息以预测滑靴副磨损剩余寿命的数值方法，他们开发了一个磨粒生成模型，通过将滑靴副整个接触区域划分为小区域，基于蒙特卡罗方法（Monte Carlo，MC）模拟获得宏观压力分布下各个小区域的磨粒信息，建立粗糙表面与磨粒特征之间的微观关系，提出了一个基于 MC 采样的分区积分剩余寿命预测框架，整合部分模型以获得用于整个系统的预测概率模型。该模型被证明是预测轴向柱塞泵极端工况下剩余使用寿命的一种可行方法，且与现有基于有限元仿真模拟磨损状态的方法和利用回油量评估磨损状态的建模方法相比，其试验结果的准确性更优。但该数值模拟的方法需要大量准确的计算，还需要对其进行简化，如引入人工智能的办法来降低计算成本。刘思远等19基于滑靴副的磨损破坏机理，通过最小二乘法同时将泵回油流量、压力和壳体振动与滑靴副不同的磨损程度进行量化对应，搭建了滑靴副磨损状态评估模型。通过试验研究发现，该模型对滑靴副重度、中度、轻度和未磨损状态的评估准确率分别为92.45%、95.72%、90.75%和 91.45%，运用特征信息（回油流量、大小和壳体振动）对滑靴副磨损状态评估的结果具有很高的准确性。滑靴副之间的磨损是性能退化的主要原因，这一点已经得到了相关研究的证实31,45。在实际工况中，轴向柱塞泵滑靴副的性能退化机理极其复杂，尚且还没有确定的模型用以描述滑靴副性能退化路径。还有一些研究工作试图从油膜和接触原理的角度对模型进行改进设计46-47，但模型和结果很少用于寿命预测。滑靴副真实磨损状态只能通过透射电子显微镜和原子力显微镜进行观察研究，而不能用于组装好的产品上40，这给滑靴副的磨损研究增加了困难。为了提高滑靴副耐摩擦磨损特性，学者们主要从滑靴副材料选择与配对、优化滑靴结构和滑靴副材料表面改性等方面进行了大量研究。3 延寿设计与表面改性 3.1 滑靴副材料的选择与配对 目前，轴向柱塞泵中摩擦副主要有 3 种类型的材料配对方案：（1）硬基材与硬基材配对；（2）硬基材与软基材配对；（3）硬基材与（硬+软）基材配对48。在实际工业生产应用中，滑靴副目前多采用软硬材料配对方案，斜盘常采用球墨铸铁，滑靴采用铜合金类软材料。在这种配对方案下，滑靴副材料的导热性良好，易于磨合，抗黏着磨损，但磨粒容易嵌入软材料，从而加剧硬基材磨损，使滑靴副耐磨粒磨损能力降低。倪斯亮等49基于有限元分析法，研究了 6 种不同配对材料（20CrMnTi 与 ZQAl1044、20CrMnTi 与ZQSn101、20CrMnTi 与 HMn583、38CrMoAlA 与ZQSn101、38CrMoAlA 与 ZQAl1044、38CrMoAlA与 HMn583）组成的滑靴副在相同工况下的温度及应力变化，并比对了不同材料的部分物理参数。研究发现，不同的滑靴副材料配对组合对摩擦界面的温度、应力有显著影响；选择弹性模量大且泊松比小的斜盘材料同泊松比小、密度及弹性模量合适的滑靴材料配对可以获得良好的接触应力分布，从而减小滑靴副的形变，使接触面的磨损降低；选择导热率、比热和密度较大的斜盘材料能够显著改善滑靴底部温升，132 表 面 技 术 2023 年 6 月 及时将滑靴副累积的热量传递给外部介质，减少胶合磨损的发生。肖朝昂等48利用 250 kW 综合液压试验台对由斜盘常用材料碳素结构钢（#45）、球墨铸铁（QT5007）与滑靴常用材料多元复杂黄铜（ZY331608）、铸造锡青铜（ZCuSn10Pb11Ni3）相互配副组成的滑靴副在室温条件下进行了压力冲击试验研究。根据磨损失重结果，得 出 当滑 靴 副 配 对材 料 为 ZY331608 与QT5007 时磨损失重最小，ZY331608 的压缩强度、压溃强度及硬度没有出现断崖式下降的趋势，且摩擦表面更加光滑。Wu 等50基 于 正 交 试 验 方 法 利 用 其 开 发 的FALAX6型摩擦磨损试验机研究了6对滑靴副材料配对 方 案（38CrMoAlA与1Cr18Ni9Ti、#45与1Cr18Ni9Ti、38CrMoAlA 与 ZQAl1044、#45 与ZQAl1044、38CrMoAlA 与 ZQSn101、#45 与ZQSn101）的干摩擦学性能，并分析了材料物理性能对干摩擦界面温升的影响。结果表明，材料密度对摩擦因数的影响大于对泊松比和弹性模量的影响，滑靴应选择导热率高、密度低和比热容低的材料，斜盘材料应选择比热容高、密度高和导热率高的材料，且斜盘材料的硬度应大于滑靴材料的硬度。苟佩佩等51从合金成分设计角度出发，基于团簇加连接原子模型对现役滑靴材料耐磨黄铜（C67300）添加微量元素，对铸锭材料进行固溶、热轧、时效热处理，与 GCr15 材料进行配副，对其性能、微观组织及耐磨性进行研究。研究发现，耐磨铜合金主要由CU（FCC）、CuZn（B2）和 3 种尺寸硬质颗粒M5Si3（D88）组成。固溶处理和热轧处理均提高了合金强度，时效处理有效改善了材料塑性，使其能够满足滑靴的强塑匹配要求，可以作为滑靴备选材料。冷轧态 C67300 与 GCr15 配副摩擦学性能良好，表现出较好的耐磨性。因此，可以通过合金成分设计并结合热处理工艺来提高材料的硬弹比及力学性能以实现与配副材料配合来提高滑靴副的摩擦学性能。在连续长时间高速高压的苛刻工况下，滑靴副是柱塞泵中容易磨损的部件，需要研究者研究开发耐磨性配对良好的材料。值得注意的是，滑靴副的摩擦学性能指的是滑靴及斜盘材料配副的综合摩擦学性能，单单提升滑靴或斜盘材料的耐磨性未必会使滑靴副的耐磨性提升。滑靴副的性能不仅与材料选择及配对有关，与其结构也有着非常重要的关系。3.2 滑靴副结构设计优化 合理的结构设计是确保滑靴副性能的重要保障之一，在轴向柱塞泵中，关键摩擦副的设计主要有剩余压紧力法、油膜挤压效应法和油膜压力反馈法52-53。而滑靴副的设计方法主要有静压支承法和剩余压紧力法等，目前，多采用静压支承法54。滑靴副的静压支承设计方法即在柱塞腔与滑靴底部之间设有阻尼孔，其具有调节油膜厚度的作用，用以防止滑靴与斜盘直接接触而产生磨损，静压支承的设计方法对压力反馈起调节作用，能够有效保证滑靴副润滑油膜的连续性与可靠性；滑靴副的剩余压紧力设计方法即将柱塞腔内的高压液体介质引入到滑靴副的间隙之中，形成油膜润滑，滑靴受到的大部分压紧力与高压油液提供的反向支承力相抵消，剩余压紧力保持滑靴副不滑脱且间隙油膜保持一定厚度，由于剩余夹紧力的存在，在高速高压实际工况下，滑靴副容易发生磨损现象。有学者从滑靴的微结构、阻尼孔尺寸等方面出发对滑靴副进行改形设计及优化研究。汤何胜等55在对滑靴副功率损失特性研究时发现，滑靴半径比尺寸与过流面积相关，伴随着滑靴半径比的增加，其密封带面积变大，黏性摩擦功率损失及液压介质泄漏量也随之增加。当滑靴半径比为1.52.0 时，取较小值对黏性摩擦功率损失减小和滑靴泄漏量降低有利。滑靴副的阻尼孔长径比与其泄漏流量负相关，阻尼孔长径比增大能够有效抑制对压差流的泄漏功率损失，但油膜厚度减小会使黏性摩擦功率损失增加。当滑靴副阻尼孔长径比为 3.508.75 时，阻尼孔直径取值不能太小，否则将