水压三腔独立支承滑靴副的抗倾覆特性研究

　　滑靴副是水压轴向柱塞泵的关键组件之一，直接影响泵的寿命及效率。普通水压滑靴副采用一组支承腔室加阻尼小孔的结构。滑靴在水压泵的工作过程中，将承受交变的作用力，工况比较复杂，极易倾斜，发生偏磨。由于水膜较油膜更薄并且水的润滑性较差，一旦滑靴倾斜后，将发生较大的摩擦和磨损。因此，通过在滑靴表面涂覆具有较好润滑特性或摩擦特性的材料，有助于提高滑靴的寿命。另外，采用静压支承设计的普通滑靴既具有一定的轴向调节刚度，也具有一定的抗倾覆能力^{[1 -6]}。

　　在实际应用中发现，普通的水压滑靴副存在如下不足: 一是抗倾覆刚度较差; 二是抗倾覆的敏感性较差，在平衡调整前可能已和斜盘发生部分固体偏磨;三是滑靴易出现塌边现象。塌边将使滑靴有效的支承面积及密封带宽度减小，轻微时将造成平均水膜厚度减小及磨损加剧，严重时将使整个滑靴底面变成锥面而建立不起压力场，滑靴不能正常工作。本文作者分析多腔滑靴抗倾覆机制，设计了三腔独立静压支承结构的滑靴，并分析了其抗倾覆的能力。

　　1 滑靴的抗倾覆能力

　　通过对滑靴性能的计算可知，轴向抗负载调节刚度和抗倾覆刚度间具有一定的关系。滑靴倾斜后的工作姿态如图1 所示。

　　由图1可知，在外力的作用下使滑靴倾斜后，滑靴和斜盘间的水膜厚度不再均匀，一侧变大，另一侧变小。由于高压水从滑靴的支承腔室向四周流动，因此流经小间隙所产生的压力大于流经大间隙所产生的压力。在大小间隙间的压力差作用下，使得滑靴绕球头副的中心产生一个抵抗负载力矩M_L的抗倾覆力矩M_r。在抗倾覆力矩的作用下，滑靴副就具备抗倾覆的能力。对于不同结构的滑靴，具有不同大小的抗倾覆能力^[1]。

　　由文献[1]可知，普通滑靴的抗倾覆力矩系数可用下式计算:

　　式中: 为抗倾覆力矩系数; R₁为滑靴外圆半径;d_p为柱塞直径; R₂为支承腔室半径。由式( 1) 可知，滑靴的抗倾覆力矩系数与滑靴的封液带尺寸有关。在一定的滑靴外圆尺寸下，支承腔室半径越小，抗倾覆力矩系数越大，但轴向调节刚度越小，因此滑靴的抗倾覆能力与轴向调节刚度是一对矛盾，在设计滑靴时必须二者兼顾。

　　2 多腔滑靴抗倾覆机制

　　根据静压支承的负载适应调节原理可知，水膜具有抵抗负载变化的能力，即是说，水膜变薄时，水膜中的压力增加，反之则减小，因此，提出采用多腔独立支承滑靴提高其抗倾覆性，其思路是采用多组相互独立的静压支承结构。当滑靴倾斜时，小间隙处的局部压力增加，大间隙处的局部压力减小，从而产生一个较大的反倾覆力矩，对滑靴的工作姿态进行调节，直至保持和斜盘表面的平行姿态^{[1 -2]}。采用多腔独立支承后，相当于把滑靴副的水膜流场分成多个准独立的支承区域。每个区域设置一组支承腔室和阻尼小孔组成静压支承结构，因此，在这多个支承区域中，相应的流场压力都具有适应负载变化的调节刚度。一旦滑靴倾斜时，处于小间隙处的支承腔室便产生较大的流场分布力，而大间隙处支承区域的压力减小，如此形成一个较大的反抗力矩，抵抗滑靴倾斜并促使滑靴重新恢复与斜盘表面的平行姿态^[3]。多腔独立支承滑靴的支承原理如图2 所示。