航空液壓泵壽命影響因素研究

（海裝上海局駐南京地區(qū)第四軍事代表室，江蘇 南京 211100）

關(guān)于航天液壓泵使用壽命的問題，一直是航天工程領(lǐng)域著重關(guān)注和進(jìn)行多次廣泛探討的問題，而為了延長其使用壽命，技術(shù)團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了諸多實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新。結(jié)果表明，污染水平、排量、壓力、轉(zhuǎn)速以及介質(zhì)溫度等都可能對(duì)航空液壓泵的壽命產(chǎn)生影響。其中，溫度升高可能使材料的機(jī)械性能逐步降低，加速磨損；轉(zhuǎn)速也可能影響磨損，從而減少使用壽命；摩擦負(fù)荷加重，也會(huì)加速磨損，從而增加疲勞；斜盤的傾斜角度過大，可能使柱塞副徑向載荷開始增加，同時(shí)會(huì)增加的還有運(yùn)動(dòng)部件載荷，從而加速二者的磨損，增加疲勞度；油液污染也會(huì)使磨粒磨損度加大。除此之外，液壓泵使用壽命已到時(shí)，就可能出現(xiàn)老化、疲勞、磨損的情況，還伴隨各種失控狀況，所以要及時(shí)明確影響壽命的因素，以便不影響正常使用。根據(jù)以上內(nèi)容，本文對(duì)航空液壓泵的壽命影響因素進(jìn)行了研究與分析。

1 溫度和航空液壓泵磨損壽命的關(guān)系

液壓柱塞泵的主要磨損形式是在彈性流體動(dòng)力潤滑且表面粗糙的情況下，導(dǎo)致的二體磨粒磨損。針對(duì)這一情況的分析和研究表明，在磨損過程中使用的模型為Arc hard模型以及它的改進(jìn)形式，此類磨損模型可以在一定程度上將磨損量分析出來，從而根據(jù)部件材料性質(zhì)、形狀和受力等條件，推算出壽命使用情況。研究后發(fā)現(xiàn)，液壓泵介質(zhì)溫度和摩擦副磨損的壽命無直接關(guān)聯(lián)。

但介質(zhì)溫度會(huì)對(duì)壽命產(chǎn)生間接的影響，首先它會(huì)對(duì)摩擦副表面的材料特性以及潤滑介質(zhì)的屬性產(chǎn)生影響。因液壓泵中運(yùn)動(dòng)部件之間不停的運(yùn)動(dòng)以及油液在壓差流動(dòng)，從而導(dǎo)致壓力與摩擦功率均有損失，最終將此過程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為熱能。這其中有一些熱能引起溫度升高、油液的黏度也隨之降低，承載力開始下降，進(jìn)而可能引起潤滑類型發(fā)生改變；而另一部分熱能則被置于摩擦副金屬面上，導(dǎo)致局部升溫，同時(shí)油溫會(huì)根據(jù)油膜形狀發(fā)生溫度變化，有時(shí)可能達(dá)到上百度，進(jìn)而對(duì)金屬壁材料的性質(zhì)產(chǎn)生影響，或使泵磨損加速、產(chǎn)生黏著。

從中可發(fā)現(xiàn)，摩擦副介質(zhì)屬性和溫度分布對(duì)摩擦副油膜特性有直接影響，油膜流場(chǎng)特性、壓力分布以及厚度等都會(huì)被影響。由此可見，油膜特性也直接影響著航天液壓泵的摩擦副壽命。間接發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)溫度會(huì)對(duì)液壓泵壽命造成影響。在對(duì)溫度和液壓泵壽命的關(guān)聯(lián)進(jìn)行探索時(shí)，需要將溫度場(chǎng)分布描述的問題進(jìn)行解決，對(duì)流一固一熱耦合進(jìn)行分析、對(duì)黏彈性潤滑磨損的情況進(jìn)行分析等。

2 油膜特性對(duì)液壓泵壽命的影響

溫度是影響液壓泵摩擦副壽命的主要原因之一，所以要根據(jù)溫度場(chǎng)分布等進(jìn)行分析，才能得出最終結(jié)論。溫度變化是由運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)和油液流動(dòng)等導(dǎo)致，所以溫度會(huì)對(duì)部件的摩擦力產(chǎn)生影響。金屬部件在受到高溫壓迫時(shí)，其形態(tài)會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致潤滑油膜形狀出現(xiàn)變化，進(jìn)而改變運(yùn)動(dòng)情況以及部件的姿態(tài)，再次導(dǎo)致溫度變化。因此，溫度和部件的運(yùn)動(dòng)是相互影響的。

利用對(duì)外部壓力以及溫度的改變與金屬部件變形的關(guān)系進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，溫度變化引起油膜形狀變化，對(duì)航天液壓泵壽命的影響不容小覷。通過力學(xué)平衡方程這一方法可以推算出后期的加速度、速度和位移，從而發(fā)現(xiàn)另一可能對(duì)油膜形狀造成影響的因素是運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)于油液中。

3 介質(zhì)污染度和液壓泵壽命之間的關(guān)系

在探討關(guān)系之前，研究人員也做了一系列實(shí)驗(yàn)，包括基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷尿?yàn)證與校核。通過對(duì)污染度、溫度等環(huán)境參數(shù)的改變以及對(duì)流量、壓力、轉(zhuǎn)速等工況參數(shù)的檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)施針對(duì)摩擦副等關(guān)鍵部件以及對(duì)液壓泵整體常規(guī)壽命、加速壽命等的試驗(yàn)，對(duì)油膜特性、結(jié)構(gòu)狀態(tài)參數(shù)以及解決性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量與數(shù)據(jù)分析等處理，這種方式是檢驗(yàn)和預(yù)計(jì)模型壽命的關(guān)鍵一步。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)污染度對(duì)液壓泵磨損壽命的影響程度亦不容小覷。對(duì)污染度和磨損壽命的關(guān)系進(jìn)行探索時(shí)，必須使用成熟且相對(duì)穩(wěn)定的潤滑磨粒磨損模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步開展并研究分析針對(duì)液壓泵摩擦副磨損情況的影響因素。

考慮到關(guān)鍵影響因素對(duì)壽命預(yù)計(jì)模型的影響，在進(jìn)行相關(guān)的研究后，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)溫度和污染度這兩個(gè)重要的環(huán)境參數(shù)，嚴(yán)重影響著航空液壓泵壽命，其他方面如結(jié)構(gòu)形式、流量、轉(zhuǎn)速、輸出壓力等也對(duì)液壓泵壽命的工況參數(shù)與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生著或多或少的影響。在驗(yàn)證時(shí)，還要對(duì)典型失效機(jī)理加以考慮，將壽命預(yù)計(jì)模型建立在失效物理分析的基礎(chǔ)上，這也是進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)。

4 液壓泵磨損壽命的分析

一般情況下，進(jìn)行磨損量的實(shí)時(shí)測(cè)量不容易實(shí)現(xiàn)，在分析探討磨損主要影響因素以及預(yù)測(cè)磨損情況方面仍存在諸多不確定性。所以近年來研究者們研究泵磨損特性，主要還是將注意力集中于泵關(guān)鍵摩擦副的磨損方面。而在分析和探討影響因素以及磨損壽命的過程中大都采用實(shí)驗(yàn)和仿真的方法，利用模型進(jìn)行理論分析和數(shù)值的推測(cè)。

一些研究人員利用相較有參考意義的試驗(yàn)手段對(duì)節(jié)流孔尺寸進(jìn)行了對(duì)比分析，并觀察了滑靴結(jié)構(gòu)尺寸和斜盤傾角對(duì)滑靴副潤滑情況產(chǎn)生的影響，而后進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)論的總結(jié)，基于此結(jié)論對(duì)優(yōu)化滑靴副的性能和設(shè)計(jì)提供了可行性理論或?qū)嵺`建議。還有一些研究人員在實(shí)驗(yàn)的過程中對(duì)摩擦的力矩、滑靴副在不同轉(zhuǎn)速下的泄漏量、柱塞腔壓力、柱塞阻尼孔直徑以及滑靴表面粗糙度的影響做出了研究和分析。某著名工業(yè)大學(xué)也對(duì)磨損情況進(jìn)行了專項(xiàng)的實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)中所需用到的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開始了實(shí)驗(yàn)過程，并將實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的由軟材料和硬材料組成的摩擦副數(shù)據(jù)記錄了下來，并觀察其磨損情況，結(jié)果顯示，材料表面的粗糙度以及硬度與磨損量摩擦因數(shù)之間存在很大關(guān)聯(lián)，材料的質(zhì)量問題嚴(yán)重影響著磨損的壽命。

但試驗(yàn)受到了各種技術(shù)手段的限制，所以結(jié)果相對(duì)定性，無更全面的參考價(jià)值，只可以作為磨損分析的參考數(shù)據(jù)供研究人員酌情使用。所以研究人員開始在此情況的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新發(fā)展了利用數(shù)值方法進(jìn)行仿真分析磨損量的試驗(yàn)方法。

在對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析的過程中，研究人員還提出了運(yùn)用多尺度數(shù)據(jù)作為支持，使用向量機(jī)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而該方法是根據(jù)向量機(jī)進(jìn)行時(shí)間序列預(yù)測(cè)時(shí)，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和基本理論，進(jìn)行相空間重構(gòu)以及多尺度分解方法相結(jié)合的方式，進(jìn)行航空柱塞泵回油流量的預(yù)測(cè)，從而進(jìn)一步檢測(cè)磨損量。某著名航空航天大學(xué)也據(jù)此建立了相關(guān)模型以及對(duì)潤滑摩擦情況進(jìn)行分析的預(yù)測(cè)航空液壓泵壽命的模型。

在仿真方面也有研究人員提出了利用FFT計(jì)算壓力以及可以進(jìn)行彈-塑性變形的一種磨損模型，其主要被用于仿真測(cè)量平面時(shí)變磨損情況，并取得了相對(duì)來說吻合度比較高的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在分析部件運(yùn)動(dòng)以及外部受力問題的過程中，主要涉及的是理論力學(xué)相關(guān)知識(shí)和手段，通過這一方法對(duì)部件運(yùn)動(dòng)情況以及其外部載荷進(jìn)行了細(xì)致的分析。

而在分析流體潤滑的過程中，主要是觀測(cè)摩擦系數(shù)以及潤滑狀態(tài)，柱塞副的情況表明，利用Stribeck軸承曲線對(duì)潤滑油狀態(tài)進(jìn)行描述，可以得到正確結(jié)果。而在進(jìn)行關(guān)鍵副狀態(tài)的分析時(shí)，可以利用CFD的方式，采用軟件建?；蚪馕龅冗M(jìn)行分析。從中得出潤滑狀態(tài)和摩擦系數(shù)的關(guān)系，主要為摩擦系數(shù)何最小油膜厚度之間的問題。在進(jìn)行磨損量分析時(shí)，關(guān)于Arc hard模型中摩擦和磨損系數(shù)之間的關(guān)系，是許多理論試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證而得出的結(jié)論，磨損行程與載荷之前是相互對(duì)應(yīng)、不可分割的關(guān)系。所以在進(jìn)行磨損分析后，要開始衡量與考慮磨損量和壽命有什么關(guān)系，在考量的過程中，所需的判斷依據(jù)為總效率、回油量以及額定流量。根據(jù)最終試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果來說，存在于柱塞泵內(nèi)部的磨損部件，其磨損程度如果沒有破壞液壓泵主體結(jié)構(gòu)，則很難進(jìn)行測(cè)量，所以利用以上數(shù)據(jù)作為判斷壽命的依據(jù)，可為測(cè)量提供方便，且便于對(duì)比。

5 結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行航空液壓泵壽命影響因素的研究和分析中，運(yùn)用到了許多實(shí)驗(yàn)方式，并取得了相對(duì)可觀的研究成果。影響航空液壓泵壽命的因素包括溫度、環(huán)境、介質(zhì)污染度以及油膜特性等。這些對(duì)今后的研究和工程建設(shè)有一定的參考意義，但如果想實(shí)現(xiàn)對(duì)影響因素和壽命關(guān)系的定量描述，進(jìn)一步提高液壓泵壽命，則還需進(jìn)行多次研究以及技術(shù)創(chuàng)新。