柱塞表面形态对柱塞副工作性能的影响

由于柱塞实际工作中存在偏心运动，柱塞副油膜厚度分布并不均匀，存在局部峰值。改变柱塞副表面形态可以消除局部峰值，使柱塞油膜分布更均匀。

1）不同表面形态的柱塞

柱塞为外圆加工，改变柱塞的表面形态难度相对较低。

如图5.22a所示，鼓形柱塞两端直径小、中间大，这种形状使得在圆柱柱塞副油膜厚度易出现极小值处的副油膜厚度有所增加。如图5.22b所示，在柱塞副表面形成多个半径峰值，例如两峰或四峰，使得柱塞副油膜厚度更均匀，且有利于阻止柱塞副的泄漏增加。

2）柱塞副油膜形态

不同柱塞表面形态时的油膜形态如图5.23所示。

与圆柱柱塞相比，鼓形柱塞尺寸较小，能补偿柱塞偏心运动引起的柱塞副极小油膜厚度，使油膜厚度分布更均匀，改善柱塞副的润滑特性。波浪形柱塞的油膜厚度及分布与圆柱柱塞类似，但油膜当中出现多个与柱塞直径峰值对应的油厚极值。

图5.22　不同表面形态的柱塞表面

图5.23　不同柱塞表面形态下柱塞副油膜形态

3）柱塞副油膜温度场

计算不同表面形态的柱塞副油膜温度场，在同一个展开角度可得图5.24。

柱塞副油膜在某一角度展开时分布相似。鼓形柱塞温度场形态与圆柱柱塞大致相同，而波浪形柱塞由于油膜形态起伏变化大，故内部油膜在极值处发热增大，整体温度比鼓形柱塞上升。

4）轴向柱塞泵柱塞副油膜容积效率

由于各种不同形式柱塞的表面形态不同，很难找到完全相同的泵和柱塞进行柱塞泵容积效率测试。普渡大学Reece博士对各种波浪形柱塞的容积效率进行了研究，如图5.25所示。

图5.24　不同柱塞表面形态时柱塞副油膜温度

图5.25　不同柱塞表面形态时柱塞泵容积效率

增加波浪峰值可使柱塞副间隙中的油液流量大幅减少，采用4个峰值时比普通柱塞减少泄漏流量约41.4%，可大大提高泵的容积效率。当采用同样的波峰数目时，增加其峰值量，即增加其波动幅度，对减少泄漏提高容积效率也有贡献。鼓形柱塞厚度的起伏变化使得柱塞副油膜场中油液流动速度降低，有利于减少泄漏，提高容积效率。