轴向柱塞泵织构化柱塞副低压程润滑特性研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.11.007

中国机械工程 ›› 2025, Vol. 36 ›› Issue (11): 2525-2536.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2025.11.007

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轴向柱塞泵织构化柱塞副低压程润滑特性研究

罗刚¹^,²^,³(), 何涛¹^,²^,³(), 王传礼¹^,²^,³, 赵凯平¹^,²^,³, 郑浩¹^,²^,³

^1.安徽理工大学煤炭无人化开采数智技术全国重点实验室, 淮南, 232001
^2.安徽理工大学机电工程学院, 淮南, 232001
^3.安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室, 淮南, 232001

收稿日期:2024-07-03 出版日期:2025-11-25 发布日期:2025-12-09
通讯作者: 何涛
作者简介:罗刚，男，1999年生，博士研究生。研究方向为流体传动与控制。E-mail：lg1469757460@163.com
何涛^*（通信作者），男，1987年生，副教授。研究方向为流体传动与控制、矿山智能装备与技术。E-mail：taoheaust@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金(52205041);安徽省高校优秀青年人才支持计划(gxyq2022017);矿山智能装备与技术安徽省重点实验室开放基金(ZKSYS202101);安徽省矿山智能技术与装备科研创新团队(2022AH010052);安徽省新时代育人质量工程项目(2023cxcysj087);安徽省新时代育人质量工程项目(2024xscx074)

Research on Lubrication Characteristics of Textured Piston-cylinder Pairs of Axial Piston Pumps under Low-pressure Stroke

Gang LUO¹^,²^,³(), Tao HE¹^,²^,³(), Chuanli WANG¹^,²^,³, Kaiping ZHAO¹^,²^,³, Hao ZHANG¹^,²^,³

^1.State Key Laboratory of Digital and Intelligent Technology for Unmanned Coal Mining，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui，232001
^2.School of Mechatronics Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui，232001
^3.Anhui Key Laboratory of Mine Intelligent Equipment and Technology，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui，232001

Received:2024-07-03 Online:2025-11-25 Published:2025-12-09
Contact: Tao HE

摘要/Abstract

摘要：

柱塞副的润滑状态是决定轴向柱塞泵使用寿命的关键，因此提出一种织构化柱塞副以降低低压程油膜的失效风险。针对柱塞副的支撑长度可变，基于动态节点网格建立了一种柱塞副织构化表面润滑模型。采用有限差分法对压力方程进行离散处理，通过油膜压力和偏心量的双层循环获取织构化表面的压力和膜厚分布，分析工况参数和织构参数对润滑特性的影响。研究结果表明：更大的织构半径和织构面积率对柱塞副的润滑减摩效果更好，减摩作用的影响顺序（从高至低）为：织构面积率，织构半径，织构深度；增大织构半径和减小织构深度均可增强油膜的承载能力，且30%的织构面积率具有更高的工况适应度；结合负载试验，织构化试件的摩擦因数较无织构时的摩擦因数最大降幅可达29.8%。研究结果可为轴向柱塞泵的摩擦学设计提供参考。

关键词: 轴向柱塞泵, 织构化柱塞副, 润滑特性, 低压程, 偏心量

Abstract:

The lubrication states of piston-cylinder pairs were the key to determining the service life of axial piston pumps. Therefore， a textured piston-cylinder pair was proposed to reduce the failure risk of oil film under low-pressure stroke. A textured lubrication model for piston-cylinder pairs was established based on a dynamic node mesh to address the variable support length of piston. Besides， the pressure equation was discretized by using a finite difference method， the pressure and thickness distribution of oil films were obtained by a double-layer cycle of film pressure and eccentricity. The influences of working parameters and texture parameters on lubrication characteristics were analyzed. The results show that the greater the texture radius and texture area ratio， the better the antifriction effectiveness， and the order of the effect in reducing friction（from high to low） is： texture area ratio， texture radius， texture depth. Both increasing the texture radius and decreasing the texture depth may enhance the bearing capacity of oil film， and a texture area ratio of 30% has higher adaptability. Combined with loading test， the maximum reduction in friction coefficient of textured specimen compared to that of non-textured specimen is as 29.8%. The results may provide some references for frictional design of axial piston pumps.

Key words: axial piston pump, textured piston-cylinder pair, lubrication characteristics, low-pressure stroke, eccentricity

中图分类号:

TH117

罗刚, 何涛, 王传礼, 赵凯平, 郑浩. 轴向柱塞泵织构化柱塞副低压程润滑特性研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2525-2536.

Gang LUO, Tao HE, Chuanli WANG, Kaiping ZHAO, Hao ZHANG. Research on Lubrication Characteristics of Textured Piston-cylinder Pairs of Axial Piston Pumps under Low-pressure Stroke[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(11): 2525-2536.

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图/表 30

图1 柱塞副织构化油膜

Fig.1 Textured oil film of piston-cylinder pair

图2 柱塞副油膜动态节点网格

Fig.2 Dynamic node grid of oil film of piston- cylinder pair

图3 柱塞副织构化表面润滑计算流程

Fig.3 Calculation process for lubrication of textured surface of piston-cylinder pair

表1 柱塞副润滑计算参数

Tab.1 Calculation parameters for lubrication of piston-cylinder pair

参数	数值	参数	数值
柱塞半径r_p/mm	8.00	压力收敛精度ε₁	10^-4
缸体孔半径r_c/mm	8.02	承载收敛精度ε₂	10^-2
常压黏度μ₀/（Pa·s）	0.05	黏压指数α	0.68
常压密度ρ₀/（kg·m^-3）	850	松弛因子ω	0.01
入口压力p_j₌₁/MPa	0.1	空化压力p_c/MPa	10^-8
出口压力p_j₌_J /MPa	0.1	柱塞长度l_max/mm	50

表2 指定算例下织构参数和网格参数

Tab.2 Texture parameters and mesh parameters under specified examples

织构参数	数值	网格参数	数值
织构半径r_t/mm	0.7	径向子域数M	14
织构深度h_t/μm	30	轴向子域数N	12
径向间距d_t_a /mm	3.5	径向节点数I	501
轴向间距d_t_b /mm	3.4	轴向节点数J	421
织构数n_t	168	网格数n_g	2.1×10⁵

图4 柱塞副织构化油膜厚度

Fig.4 Thickness of textured oil film of piston- cylinder pair

图5 柱塞副织构化油膜压力

Fig.5 Pressure of textured oil film of piston- cylinder pair

图6 不同工况参数下柱塞副织构化油膜压力

Fig.6 Oil film pressure of textured piston-cylinder pair under different working parameters

图7 不同径向载荷下间隙膜厚和最小膜厚

Fig.7 Gap film thickness and minimum film thickness under different radial loads

图8 不同径向载荷下堆叠压力

Fig.8 Stacking pressure under different radial loads

图9 不同径向载荷下摩擦因数、偏心量和最大压力

Fig.9 Friction coefficient， eccentricity， and maximum pressure under different radial loads

图10 不同轴向速度下间隙膜厚和最小膜厚

Fig.10 Gap film thickness and minimum film thickness under different axial velocities

图11 不同轴向速度下堆叠压力

Fig.11 Stacking pressure under different axial velocities

图12 不同轴向速度下摩擦因数、偏心量和最大压力

Fig.12 Friction coefficient， eccentricity， and maximum pressure under different axial velocities

表3 不同支撑长度下网格参数

Tab.3 Grid parameters under different support lengths

网格参数	支撑长度l/mm
网格参数	29	32	35	38	41	44
径向子域数M	14	14	14	14	14	14
轴向子域数N	8	9	10	11	12	13
径向节点数I	501	501	501	501	501	501
轴向节点数J	285	319	353	387	421	455
网格数n_g/10⁵	1.42	1.60	1.77	1.93	2.10	2.27

图13 不同支撑长度下间隙膜厚和最小膜厚

Fig.13 Gap film thickness and minimum film thickness under different support lengths

图14 不同支撑长度下堆叠压力

Fig.14 Stacking pressure under different support lengths

图15 不同支撑长度下摩擦因数、偏心量和最大压力

Fig.15 Friction coefficient， eccentricity， and maximum pressure under different support lengths

图16 不同织构参数下柱塞副织构化油膜压力

Fig.16 Oil film pressure of textured piston-cylinder pair under different texture parameters

表4 不同织构半径下网格参数

Tab.4 Grid parameters under different texture radii

网格参数	织构半径r_t/mm
网格参数	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
径向子域数M	20	16	14	12	11
轴向子域数N	17	14	12	10	9
径向节点数I	751	601	501	451	401
轴向节点数J	633	505	421	379	337
网格数n_g/10⁵	4.75	3.03	2.10	1.70	1.35

图17 不同织构半径下偏心量和摩擦因数

Fig.17 Eccentricity and friction coefficient under different texture radii

图18 不同织构半径下间隙膜厚和最小膜厚

Fig.18 Gap film thickness and minimum film thickness under different texture radii

图19 不同织构深度下偏心量和摩擦因数

Fig.19 Eccentricity and friction coefficient under different texture depths

图20 不同织构深度下间隙膜厚和最小膜厚

Fig.20 Gap film thickness and minimum film thickness under different texture depths

表5 不同织构面积率下计算参数

Tab.5 Calculation parameters under different texture area ratios

参数	织构面积率σ_t/%
参数	6	12	20	30	42
径向子域数M	10	14	18	22	26
轴向子域数N	8	12	15	18	22
织构数n_t	80	168	270	396	572
网格数n_g/10⁵	2.10	2.10	2.10	2.10	2.10

图21 不同织构面积率下偏心量和摩擦因数

Fig.21 Eccentricity and friction coefficient under different texture area ratios

图22 不同织构面积率下间隙膜厚和最小膜厚

Fig.22 Gap film thickness and minimum film thickness under different texture area ratios

图23 不同织构参数下的平均摩擦因数

Fig.23 Average friction coefficient under different texture parameters

图24 低压程下表面摩擦因数

Fig.24 Surface friction coefficient under low- pressure stroke

图25 不同径向载荷下摩擦因数对比

Fig.25 Comparison of friction coefficients under different radial loads

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Research on Lubrication Characteristics of Textured Piston-cylinder Pairs of Axial Piston Pumps under Low-pressure Stroke

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