高速高压轴向柱塞泵微尺度液膜动力学研究

高速高压是实现轴向柱塞泵高功率密度的重要途径，但目前柱塞泵设计所涉及的速度和压力等级较低，继续提高缺乏理论支持，技术难度较大。本项目拟综合高速高压柱塞泵设计所涉及的流体力学、弹性力学、多体动力学、摩擦学等多个学科的基础理论，研究柱塞泵摩擦副构件约束空间液膜微尺度运动轨迹、表面变形与结构变形的数学描述，建立液膜动力学方程，研究摩擦副构件表面变形与结构变形的耦合计算方法和微尺度液膜动力学方程求解方法，分析摩擦副构件微运动和微尺度液膜动态特征，结合试验结果，探索构件微运动循环特征稳定性问题，探讨微尺度油膜参数变化规律。研究结果对阐明高速高压柱塞泵摩擦副构件微运动的控制机理以及微尺度油膜的形成机制有重要意义，为形成我国自主的高速高压柱塞泵设计方法奠定理论基础，服务于我国的国家安全与经济建设。

高速高压柱塞泵关键摩擦副的设计需要综合考虑速度压力大跨度特征、摩擦副构件结构变形及其表面的弹性变形、摩擦副构件多自由度空间运动状态、微尺度液膜时变特性、构件接触状态等的影响。本项目拟通过建立高速高压柱塞泵的微尺度液膜动力学模型并进行高效、耦合优化求解算法的研究，分析高速高压柱塞泵摩擦副构件间微尺度液膜的时变特征及其参数影响规律，阐明高速高压柱塞泵摩擦副构件微运动的控制机理以及微尺度液膜的形成机制。.通过数学推导，给出了柱塞泵滑靴副、柱塞副以及配流副的非均匀微尺度液膜形状以及运动轨迹描述方程，在此基础上采用有限单元与影响系数相结合的方法计算了摩擦副的表面及结构变形，并将其引入到摩擦副非均匀液膜厚度计算中，获得了考虑形变的非均匀液膜厚度方程；针对滑靴副、配流副以及柱塞副的接触特征，分别建立等温条件下摩擦元件的弹性流体动力润滑方程，把液膜支撑力及摩擦力引入到摩擦元件的动力学方程中，建立了包含液膜润滑、摩擦副表面及结构变形、表面轮廓等因素影响的轴向柱塞泵摩擦副非线性液膜动力学模型；分别确定了滑靴、柱塞以及缸体的液膜动力学模型的数值解法，分析了工作转速、压力以及弹性变形等参数对滑靴副、配流副以及柱塞副的液膜润滑特性的影响；最后，研究了关键摩擦副在速度和压力大幅值变化条件下的微运动特征及液膜变化规律，并通过台架试验，研究了表面轮廓及深槽结构对微尺度液膜成膜润滑的影响。.项目研究所获得的成果主要有：1）构建了考虑润滑液膜作用以及表面弹性变形的轴向柱塞泵摩擦副元件的欠约束摩擦动力学，确定了摩擦动力学模型的数值求解方法，为实现柱塞泵摩擦副的液膜特性分析提供了理论支撑；2）揭示了摩擦副构件液膜变化规律：柱塞泵摩擦副液膜厚度总体上随着工作转速的增大而小幅度的非线性增加，随工作压力的增大而大幅度非线性减小；工作转速对液膜楔形角的影响不大，而工作压力对液膜楔形角有着重大影响，工作压力越高，楔形角越大，因此高压工况下摩擦副容易出现偏磨；3）研究确定了摩擦副表面轮廓对液膜形成的作用特征，摩擦副表面轮廓对高速高压柱塞泵摩擦副的成膜润滑有重要作用，“内凸外凹”型的欠约束摩擦元件表面具有较好的流体动压作用效果，容易使摩擦副在高压低速工况形成微尺度液膜润滑，且能增强摩擦副的抗倾能力。