【i专栏】W10：滑靴损坏原因分析
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一台液压柱塞泵是由多个机械零件组成，形成数十个摩擦副，例如泵内轴承滚柱与滑道之间是一对摩擦副，阀芯与阀套间同样也是一对摩擦副，滑靴球窝与柱塞球头组成的摩擦副，但大家常说的柱塞泵三大摩擦副是指：1，滑靴与斜盘间形成的滑靴副。2，缸体配流端面与配流盘间组成的配流副。3，柱塞杆与缸孔间组成的柱塞副。这三对摩擦副静压油膜润滑特性，决定柱塞泵的使用寿命。
本文谈斜盘式变量柱塞泵中最为关键的摩擦副之一：滑靴与斜盘对这摩擦副，这是泵中三大摩擦副中工况最为复杂，液压技术含量最高，静压理论尤为高深，目前国内外的液压专家采用仿真技术以及各项实测手段，还不能达到在线全条件的复盘研究，科学理论也无法解释这对摩擦副种种矛盾存在，是高压泵压力升级主要障碍之一。
一个滑靴静压摩擦表面要兼顾泵从静止到起动状态、转数从低升高过程状态、长时间低压待命状态、处于高压时柱塞吸、排油过程中转换压力场交变过程滑靴油膜变化状态、单次峰值压力时续超出10秒后滑靴微变形控制、瞬间超高压冲击滑靴受力状态，在上述林林总总变化过程中，防止脱盘，保持滑靴摩擦表面上液压油膜刚度，方能确保泵性能及使用寿命。
滑靴设计的工作原理是根据静压推力轴承油膜润滑理论支撑，油液在缸孔中被柱塞每一次压缩油都会使油液压强升高，同时在高压作用下油液随之会过滑靴中心的节流孔导流到滑靴中心蓄油室，因球铰下面的弹簧力作用在滑靴背面，推动滑靴压靠在斜盘平面上，滑靴中心油室内溢出的压力油液撑开斜盘在二者之间建立油膜，间隔二者金属间防止接触摩擦，从滑靴与斜盘之间溢出的油液泄漏到泵壳体内，静压油膜是一种有效的在滑靴与斜盘之间保持流体膜和斜盘往复滑动，从而减小滑靴与斜盘表面接触摩擦力。
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图一
泵在停止状态时，泵壳体内的油液从滑靴平面示意图图一标注（1处）的四个开口导入标注（3）的内凹环槽内，储存在凹槽内，动力源起始转动泵时，滑靴从静止状态到移动时，是这圈内凹环槽内所含持的油液覆盖在低压辅助四段支承环表面上，起到润滑膜作用。滑靴从低速移动到高速旋转前这段时间内，是壳体内的油液不断的导入到凹槽内再覆盖到四段凸起的辅助支承环表面，是滑靴铜表面油液层间隔开与斜盘钢基二者间，使二者间没有发生接触性摩擦，一旦滑靴节流孔形成稳定18bar以上的压力时，图上所标注（1、2、3）处凹凸槽就立即失去主导作用而变成辅助功能。
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泵进入到高速旋转稳定状态后，泵自控变量控制机构在没有接收到增大摆角指令时，泵处于待命状态，斜盘摆角停止在最小角度位置，滑靴表面上的静压油膜的形成是靠柱塞微小的往复行程排油时，建立从滑靴节流孔溢出的18bar以上的压力油液从滑靴中心蓄油室扩散环（5处）凹槽内再从（4处）高压动密封主支承环表面溢出，阻隔二金属。滑靴从斜盘表面转动360°一圈时，完成吸、排油各一次，只有在滑靴向缸孔中下行程时压油时的约半圈内，压力油液从滑靴中心节流孔中溢出是形成主支承环表面油模，而在柱塞吸油的半圈行程内滑靴中心蓄油室内的油液是减少，在非正常情况下，在柱塞吸油半程时，滑靴表面上没有形成油膜而发生滑靴与斜盘二金属间发生接触摩擦，发生滑靴表面油膜减少量多少是取决于泵壳体压力。
决定泵壳体压力值大小，因素很多，最关键的是取决泵吸油口压力与壳体压力之间的压差，压差最优是同值，最高差值不可大于（超出）0.5bar。所以出现了柱塞泵吸油口与壳体泄油口相贯通的新式柱塞泵，这种新式的壳体压力与吸油口之间无压差的柱塞泵无论使用在什么条件下，永远为无压差。也减少泵壳体上一根排泄壳体油管，世界上的事物永远是有利有弊矛盾中，笔者认为这种新式泵利远远的大于弊，利与弊不在此文中赘述。笔者根据自己对柱塞泵各摩擦副运动机理研究与理解，滑靴油膜变化机理：假设泵吸油口压力是表压0.bar，而泵壳体内压力是0.5bar，S口与T口二者间存在0.5bar压差，柱塞与滑靴是处于：滑靴在0.5bar壳体压力下，而柱塞在缸体吸油窗口中的0.bar压力场下，滑靴与柱塞端面形成压差0.5bar，液体压力油液的特点是从高压永远向低压流动，柱塞吸油时的上行程是斜盘强力约制回程盘提拉滑靴带动柱塞向上行程抽吸配流窗口内的油液，柱塞在向上行程时，滑靴中心蓄油室内的油液因压力差会被吸入滑靴中心节流孔中流入到柱塞杆空芯孔中，一旦发生这样的情况时，就会在斜盘吸油区域段表面上留下摩擦痕迹（见图二）。
图二
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泵变量控制机构在接收到增大斜盘倾角指令后，斜盘瞬间从最小摆角跃升到最大摆角，这个正阶跃响应的同时，滑靴与柱塞间的倾斜角度也跟随改变，柱塞增大往复行程抽吸及压缩油液，滑靴从斜盘高点滑动到低点，是柱塞一次压缩油液初始到压缩油液终端，滑靴对斜盘撑开力在这一过程中始终在变化，由弱到强，图一（4处）滑靴密封主支承环与斜盘间的鏠隙即是油膜厚度，滑靴在压油区是这道主密封支承环起主导作用，柱塞在吸油区域时，因滑靴节流孔中没有压力油溢出，这道主密封支承环失去作用而是图一（2处）的四段支承环起主导作用，交替互换主导作用。
泵在高速旋转时，泵壳体内的旋转部件在转动时搅动壳体与旋转体部件之间一圈壳内油液，壳体内这圈油液在泵旋转时呈现不规则旋转翻涌的液体学术上称为“间隙环流”。壳体压力越高，间隙环流刚性就越强，刚性的间隙环流翻涌撞击滑靴，促使滑靴在与斜盘平面上不能平行滑动而产生倾角，造成滑靴边缘与斜盘二金属间发生接触摩擦，造成滑靴外圆棱边与斜盘发生摩擦（见图三）。
图三
自吸泵壳体压力大于2bar时，泵主轴转数超出1500转时，高速旋转柱塞在与刚性的间隙环流发生冲击，间隙环流压力迎击到柱塞台肩部位时便产生下压柱塞台肩力，这“力”把柱塞压入缸孔，回程盘又提拉滑靴使柱塞不能入缸孔中，在回程盘提拉柱塞吸油时，因柱塞在缸孔中抽吸油时的虹吸力，使柱塞在向上行程时又产生拉拔力拉拔滑靴，柱塞台肩上的压力与柱塞的拉拔虹吸力这二力汇集滑靴上，促使柱塞在进入吸油区时滑靴便脱开斜盘，造成柱塞在吸油区域内，滑靴在这一区域内全程脱盘，脱盘间隙量取决于壳体压力，待到柱塞滑入压油区时，高压腔的压力油通过配流盘上三角减振槽瞬间冲击进入到柱塞容积腔内，促使柱塞带动滑靴撞击斜盘，使滑靴摩擦面被拍平（见图四），同时也在斜盘表面撞击处留下痕迹（见图五）。
图四
图五
在缸孔中的柱塞抽吸油液时，是要从配流盘低压窗口内抽吸油液，如果配流窗口内的压力是负压，这个负压值有多大是S管道的管径、长度、共有几个直角弯、液位高度、水头压力等等因素决定的，如果低压测配流窗口绝对压力值超出标准，柱塞需要在20毫秒左右时间内完成一次上行程抽吸油液，这个霎间的行程，缸体柱塞容积腔也同样是霎间增大容积，因油液的粘度与摩擦力、水头压力等原因没能同时添补增加，造成容积内的负压进一步的增大，倍增的负压对柱塞上行程抽吸油液时产生强劲虹吸力倒拖柱塞，最终这虹吸力会施加到回程盘强力拉拔滑靴带动柱塞上行程，使滑靴与柱塞间产生分离力，久之，滑靴与柱塞球头间从松脱演变到脱靴。
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滑靴静压滑动表面摩擦是一门复杂的课题，涉及到金属材料摩擦学与润滑条件下摩擦机理，二者相辅相成、缺一不可，滑靴材料太软，抗剪强度低，高压时易发生平面变凸起性弧面塑性变形。滑靴材料太硬，在与斜盘表面高压状态滑动时，滑靴表面凸起支承环表面上的油膜被压破裂，造成凸起支承环表面上形成无油膜润滑状态，使二金属发生接触摩擦磨损，图六图片上的滑靴表面磨㾗即是边界润滑中的磨损，无油润滑的滑靴表面与斜盘发生接触滑动产生高温形成冷焊又被撕开，滑靴表面粘附着切削瘤。
图六
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图七
宽支承环式柱塞滑靴（图七），这种原本是轻型柱塞泵的柱塞滑靴，静压支承摩擦面上是没有迷宫式沟槽的，只有圆心处有内凹蓄油池，这种柱塞泵的柱塞滑靴，经过美国普渡大学莫妮卡教授团队的研究与改进，应用在工程机械液压系统中有很多的优势，主要显著的特点是抗冲击强，超高压瞬间过载荷能力强，低压到中压时，支承环带能够与斜盘平面形成静压支撑油膜，高压到超高压时，斜盘强力挤压滑靴摩擦面、而柱塞球头又强力挤压滑靴内球面，柱塞球头这一侧的挤压使滑靴材料塑性延伸变形，滑靴端面变成微凸起，形成弧面（见图八），压力越高、弧面越增大，接触面形变成窄边静压环状，普渡大学莫妮卡团队采用控制材料延伸率，交变载荷控制技术，利用环内高压与环外低压梯度差，演变成混合边界润滑摩擦，减少发热点，提高泵的压力。这种形式的滑靴有它最大的致命缺陷，就是不可以在低压下转动超出3分钟，如果在小于22bar压力下高速转动时，滑靴转动到吸油区时会与斜盘平面发生二金属间接触性摩擦(见图九），所以，力士乐公司对A10V系列泵在低压状态转动时，明确要求压力不可低于17bar，另外还有一个先决条件，就是泵在最大排油状态时，泵S口的压力要达到绝对压力1.0bar以上！如果吸油口压力低于1.0bar压力，泵在空转待命时，泵的P口压力必需达到22bar以上才能确保滑靴润滑。这种宽支承环式柱塞滑靴被卡特公司应用于工程机械柱塞泵中。
图八
图九
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图十
图十图片上的滑靴是承受超高压滑靴，公称压力450bar，最高压力500bar,瞬间压力可达630bar，这是新材料与材料控制技术的一次革命。但在泵压力达 500bar压力时单次持续时间不得超越10秒，这种能够承载500bar压力的静压滑靴在泵压力达到500bar时，支承环1与支承环2这二圈环实际上已与斜盘平面发生静压润滑与边界润滑交替混合状态滑动，支承环3起到封闭静压油膜支撑。如果泵在最高压力时滑靴支撑单次持续时间大于10s时，后果就是烧靴烧盘。国内某些柱塞泵制造厂，因没有按科学规律生产，使用常规铜材，无法控制延伸率，知其然而不知其所以然，照猫画虎，制造出的柱塞泵在压力达到高压时，铜滑靴塑性变形，向内凹的静压蓄油池平面被柱塞球头顶凸出，节流孔边缘与斜盘发生接触摩擦（见图十一），节流孔油液被封堵不能溢出，滑靴得不到油液润滑，发生破坏性二金属摩擦。
图十一
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细微观察滑靴面上的全部痕迹。在柱塞泵维修时，对分解后的静压摩擦副各零件表面划㾗、磨㾗细致的观察，会收集到很多信息，单从滑靴摩擦副来观察，①，从滑靴摩擦面条状划㾗可观测出油液中的颗粒大小及数量多少，柱塞泵工作时油液温度值，油液的润滑性能及油品质量。②，从划㾗可观测出滑靴受力变化状态，间隙环流压力对滑靴冲击的影响。③，从滑靴磨㾗可观测出这台柱塞泵的输出压力最大值是多少及总工作的大约小时数。④，从滑靴磨㾗可观测出滑靴材料性能。⑤，从滑靴磨㾗可观测出零件制造水平及包球工艺优劣。⑥，从滑靴与柱塞球头间隙量可观测出泵S口吸油压力值是否达标。⑦，从滑靴摩擦面及滑靴与回程盘间磨㾗可观测出柱塞泵零件尺寸链的合理性。
一只新制造出的滑靴材料塑性在应用中是发生变化的，随着工作压强变化及温度变化，其塑性，延伸率得到增强，这是取决于材料“次载锻炼”对材料性能的改变，是控制金属材料一种新科学方法。所以，在维修泵时，只要柱塞还能用时，就不必要更换柱塞，因为钢柱塞与铜滑靴已经历过次载锻炼，使用性能强过新品。现国内某家泵制造厂以引进美国类似次载锻炼机器应用于柱塞制造。
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欧美各品牌柱塞泵生产商都对柱塞泵在线使用有种种条款要求与限制条件，例如：泵的最高转数与壳体压力的技术要求、泵的S口与泵壳体T口之间压差关系，但对违反条款使用时会造成什么样的后果没有明确的说明，误导使用者与液压设计者对系列技术条件産生误解，同时、这些欧美厂商对自家所设计与生产的液压系统也存在明显的违反自家应用条款的液压设备。针对柱塞泵壳体压力最高上限、针对吸油口绝对压力与泵转数匹配要求，针对柱塞泵壳体泄油管路长度及弯度、管径、流体流速都有明确的要求，但目前国内的液压站还都处在错误的使用中，极大的减少泵在线使用寿命，每年造成大量的柱塞泵下线维修或更换新品。
作者：马明东，13904129294微信同号