偏心状态柱塞副压力分布及其影响因素

轴向柱塞泵工作过程中，柱塞不断完成吸油排油。在压油区，柱塞副两侧为工作压力和壳体油液压力；在吸油区，柱塞副两侧为供油压力和壳体油液压力。因此，研究偏心状态下柱塞副压力分布需对压油区和吸油区分别讨论。

1）压油区压力分布

图4.26所示为柱塞副内部动压压力分布。结合式（4.64）可知，出现最小油膜厚度的位置将出现压力峰值。仅考虑最小油膜厚度处，内外侧动压压力。柱塞偏心导致柱塞副外侧动压压力峰值为35 MPa，高于柱塞泵21 MPa的工作压力。FLy、FG和柱塞外侧动压p1均指向柱塞内侧，柱塞内侧间隙压力曲线围成面积更大。外侧动压压力p2峰值高于内侧动压压力，以达到力矩平衡。

图4.26　压油区柱塞副动压压力分布

1—柱塞内侧间隙动压压力p1；2—柱塞外侧间隙动压压力p2

图4.27　吸油区柱塞副动压压力分布

1—柱塞内侧间隙动压压力p1；2—柱塞外侧间隙动压压力p2

2）吸油区压力分布

图4.27所示为吸油区柱塞副动压压力分布。柱塞副出口与入口的压力均为1 MPa，但其内部出现了超过15 MPa的压力峰值，说明动压效应使得柱塞副内部压力分布不均匀，并使得柱塞出现径向运动，导致柱塞偏心。

3）压力分布的影响因素

根据动压油膜理论，两滑动斜面间相对速度和两侧压力不同均会影响内部动压分布。选取转速为5 000 r/min、4 000 r/min、3 000 r/min和2 000 r/min四个不同转速以及35 MPa、28 MPa、21 MPa和14 MPa等压力等级作为研究对象。

如图4.28所示，不同转速下偏心状态柱塞副压力分布曲线形态相似，起点和终点压力由工作压力和壳体油液压力所决定，起始于1 MPa，终点为21 MPa。在柱塞副内部均出现压力峰值，超过出口压力。转速越高其压力峰值越高，转速达到5 000 r/min时，其压力峰值超过38 MPa，为出口压力的181%。这是由于高转速直接导致柱塞运动速度增加，动压效应带来的压力更大。在设计时，需要考虑局部高压可能会引起应力集中，超过材料的应力极限，使柱塞表面出现疲劳破坏，甚至出现裂纹。

图4.28　不同转速下的压力分布

1—5 000 r/min；2—4 000 r/min；3—3 000 r/min；4—2 000 r/min

图4.29　不同工作压力下的压力分布

1—35 MPa；2—28 MPa；3—21 MPa；4—14 MPa

图4.29所示为不同工作压力下的柱塞副油膜压力分布。不同工作压力决定了曲线终点位置，但所有曲线变化趋势均相似。柱塞副油膜内具有压力峰值，其压力值超过工作压力。压力等级越高，动压效应带来的影响越微弱。工作压力为35 MPa时，其压力峰值为40 MPa，超过工作压力14.3%。工作压力为14 MPa时，其压力峰值为24 MPa，超过工作压力71.4%。说明高压力等级下，柱塞偏心量较小，其油膜形态对柱塞副工作和润滑更有利。