《Actuators》：Dynamic Tribological Behavior of Surface-Textured Bushings in External Gear Pumps: A CFD Investigation
Masoud Hatami Garousi,
Paolo Casoli,
Massimo Rundo and
Seyed Mojtaba Hejazi
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本研究针对外啮合齿轮泵（EGP）吸油侧衬套-齿轮间隙的动态行为，通过三维CFD模型，探究了表面织构（micro dimples）和衬套微动对油膜有效刚度与阻尼的影响。研究发现，间隙高度减小会急剧增加油膜的刚度和阻尼，而增加织构面积则会略微增大有效间隙高度，降低其承载能力与动态特性。该研究为开发含织构衬套的EGP集中参数模型提供了关键的动态特性数据，对优化泵的轴向稳定性、减少磨损、提升整体性能具有重要指导意义。
外啮合齿轮泵（External Gear Pumps, EGPs）作为一种结构简单、应用广泛的液压元件，其内部组件的微小间隙内却上演着复杂的“流体芭蕾”。在这些间隙中，齿轮端面与浮动侧板（又称衬套，bushings）之间的润滑油膜扮演着至关重要的角色。它不仅要承载巨大的压力，还要在齿轮高速旋转和衬套微小运动（micromotion）的双重作用下保持稳定。一旦这层薄薄的油膜“失稳”或失效，就可能引发密封不良、泄漏加剧、摩擦磨损乃至泵体振动等一系列问题，直接影响泵的效率和使用寿命。尤其在吸油侧，由于压力较低，油膜对工作条件的变化更为敏感，其动态行为尤为关键。为了提升性能，工程师们为衬套表面“纹身”——即引入微米级的凹坑阵列（表面织构，surface texturing），以期改善润滑。然而，这些“纹身”究竟如何影响油膜在动态条件下的“弹性”（刚度）和“粘性”（阻尼），进而影响衬套的稳定性，此前却缺乏深入、定量的认识。这就像我们知道给滑板轮子加了花纹能防滑，但并不知道它在高速过弯时具体的抓地力变化规律。为了填补这一知识空白，并精确指导高性能齿轮泵的设计，一项聚焦于EGP吸油侧润滑间隙动态特性的研究在《Actuators》期刊上发表。
为了揭示表面织构对EGP衬套-齿轮界面油膜动态特性的影响，研究人员采用了基于计算流体动力学（CFD）的数值模拟方法。他们建立了一个精细的三维模型，该模型仅截取了一个齿轮齿及其对应的衬套区域，以高效、高精度地模拟局部的流动和压力场。研究考虑了齿轮旋转带来的滑移运动和衬套轴向趋近带来的挤压运动的耦合效应。通过设置一系列稳态模拟（改变间隙高度）来获取流体动力的非线性力-位移关系并提取刚度，再通过施加简谐扰动的瞬态模拟，并利用基于加速度的滤波后处理技术来评估阻尼系数。研究所用的润滑油为ISO VG46，其密度ρ=850 kg/m3，动力粘度μ=0.039 Pa·s。关键的几何与操作参数通过文中的表格（Table 1）给出。
2.1. 衬套-齿轮相互作用模型
该部分阐述了EGP中浮动衬套在吸油侧的工作机制。由于流体静力不平衡和压力差产生的倾斜力矩，衬套会向齿轮方向移动，形成一个时变的润滑间隙。当齿轮齿从啮合区向吸油侧旋转约90°角时，齿面与衬套间的轴向间隙从最大值h_max减小到最小值h_min。这种轴向收敛会引发显著的挤压膜效应，是薄油膜内产生流体动力的重要贡献者。作用在衬套上的总流体动力载荷可分解为与间隙高度变化敏感度相关的刚度贡献，以及与挤压运动中流体压缩阻力相关的阻尼贡献。理解这些动态分量对于表征浮动衬套的微动和预测实际工况下的轴向稳定性至关重要。
2.3. 控制方程
润滑行为由描述薄油膜在滑动和挤压运动下压力产生的三维不可压缩雷诺方程（Reynolds equation）所控制。在吸油侧操作条件下，密度变化低于0.5%，因此润滑油被视为不可压缩（ρ=常数），且对于刚性表面，拉伸项消失，方程简化为文中给出的形式。该方程是连接几何、运动、流体属性与最终产生的压力场和动态系数的理论基础。
3. 结果
3.1. 流体动力载荷与间隙高度的关系
研究首先通过稳态模拟，考察了光滑表面和两种不同织构覆盖率（10%和20%）的衬表面对应不同间隙高度下的流体动力载荷。结果表明，对于所有表面类型，流体动力载荷都随着间隙高度的减小而显著非线性增加。在非常小的间隙下，载荷急剧上升，这源于润滑剂在狭小间隙区域受到的强烈约束。对比不同表面，增加织构面积会略微增大有效间隙高度，从而导致在相同名义间隙下，流体动压承载能力略有下降。
3.2. 有效刚度
有效刚度通过稳态力-位移曲线的局部斜率计算得到。结果显示，刚度值随间隙高度的减小而急剧增加，这与载荷的急剧上升趋势一致。重要的是，表面织构对刚度有明确影响：与光滑表面相比，具有织构的表面在相同间隙高度下表现出更低的刚度值。织构覆盖率越高，刚度降低得越多。这说明，虽然织构可能通过其他机制（如储油）带来益处，但它会“软化”油膜的弹性响应。
3.3. 阻尼系数
阻尼系数通过分析衬套在施加的简谐趋近运动下的瞬态响应获得。结果表明，阻尼系数同样对间隙高度高度敏感，随着间隙减小而大幅增加。与刚度类似，表面织构也降低了系统的阻尼。织构覆盖率越高，阻尼系数越低。这意味着织构在减小油膜对挤压运动阻力的同时，也可能影响系统的振动衰减能力。
4. 讨论与结论
本研究通过高保真的三维CFD模拟，首次对外啮合齿轮泵（EGP）吸油侧织构化衬套-齿轮润滑膜的动态特性（有效刚度和阻尼系数）进行了定量表征。主要结论可归纳如下：
首先，研究明确了间隙高度是支配油膜动态特性的最关键参数。当间隙高度减小时，由于润滑剂被强烈限制，油膜的刚度（弹性恢复力）和阻尼（能量耗散能力）都会急剧上升。这一发现强调了在泵的设计和运行中精确控制最小工作间隙对于维持轴向稳定性的极端重要性。
其次，研究定量揭示了表面织构对动态特性的影响。增加织构的覆盖面积会轻微增大有效间隙高度，从而降低流体的承载能力。这直接导致在相同名义间隙下，织构化表面的油膜刚度和阻尼值均低于光滑表面。这一行为凸显了表面织构配置（如凹坑几何、分布、面积率）是一个关键的设计参数。织构并非总是提高动态性能，不恰当的设计可能会削弱油膜所需的刚度和阻尼，从而对衬套的稳定性和振动控制产生不利影响。
最后，本研究提供了一套基于CFD提取动态系数的完整方法学，并获得了适用于EGP吸油侧工况的刚度与阻尼定量数据。这些数据为开发包含织构化衬套的EGP集中参数模型（lumped parameter models）奠定了坚实的基础，使得工程师能够在设计阶段更准确地预测泵的轴向平衡、动态响应及稳定性，从而优化织构设计，在改善摩擦、密封与维持足够动态刚度/阻尼之间取得最佳平衡，最终提升齿轮泵的整体性能和可靠性。
