（机械设计及理论专业论文）斜盘式柱塞泵柱塞缸体副的润滑性能研究.pdf

北京工商大学硕士学位论文 摘要 柱塞一缸体副是斜盘式柱塞泵主要的摩擦副之一，其接触润滑状态是影响泵的性能 及使用寿命的重要因素。在高压起动及低速情况下，柱塞与缸体间一般处于混合润滑状 态。为了在更广泛的工作范围内实现流体润滑，保证和改进斜盘式轴向柱塞泵节能、高 效、长j 蚵正常运转，采用数值模拟研究影响柱塞一缸体问润滑膜的分布规律及润滑特性， 进而探索改善柱塞一缸体之间润滑性能的具体措施具有重要的理论意义和实用价值。 本文从柱塞一缸体副流体润滑的基本理论入手，通过差分法、超松弛迭代法，借助 m a t l a b 开发软件对柱塞一缸体副油膜特性进行数值模拟，研究了柱塞一缸体副倾斜角 度、供给压力、柱塞一缸体相对转速、油膜中心偏心距等因素对油膜压力分布的影响，找 出了其规律曲线并进行了分析。 根据柱塞一缸体副流体润滑的基本理论和有限元方法，本文对m a r c 的滑动轴承 分析模块进行二次开发，使之用来分析柱塞一缸体副的润滑性能。依据该方法探讨柱塞 一缸体副的承载机理。由此，研究了采用非线性方法求解油膜润滑问题的途径。该方法 可综合研究材料、接触、温度等因素对柱塞一缸体副的油膜分布规律的影响。 为了验证理论分析的正确性，本文将部分理论分析结果与已有的实验结果进行对比 验证，研究润滑特性规律的一致性，并分析了其中部分误差的原因。 关键词：斜盘式柱塞泵，油膜，润滑，数值模拟，液压 斜盘式柱塞泵柱塞缸体副的润滑性能研究 a b s t r a c t p i s t o na n dc y l i n d e rt d b o p a i ri so n eo ft h ep r i m a r yf r i c t i o np a i r so fs w a s h p l a t et y p ea x i a l p i s t o n sp u m p w h i c h o ft h ec o n t a c tl u b r i c a t i o ns t a t ei sa ni m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h e p e r f o r m a n c ea n dl i f e s p a no ft h ep i s t o np u m p e s p e c i a l l yw h e nr u n n i n gi nh i g hp r e s s u r el o w v e l o c i t yc o n d i t i o n s ，t h ep i s t o na n dt h ep u m pa r ea l w a y si nm i x e dl u b r i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i n o r d e rt or e a l i z ee f f e c t i v ef l u i dl u b r i c a t i o ni nal a r g e ro p e r a t i n gr a n g e s ，e n s u r i n ga n di m p r o v i n g t h es l a n t i n ga x i a lp i s t o np u m pw o r k i n ge c o n o m i c a l l y , e f f i c i e n c ya n dd u r a b i l i t y , i t su s e f u lt o c a r r yo u tr e s e a r c hw o r ko nf i l md i s t r i b u t i o na n dl u b r i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，a n do fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u ef o rf u r t h e rp o i n t i n go u tt h e d e t a i l e dm e a s u r e sw i t hb e t t e rl u b r i c a t ep e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo ft h ef l u i dl u b r i c a t i o n ，d i f f e r e n c em e t h o d ，s o ri t e r a t i v e m e t h o da n dm a t l a bs o f t w a r ew e r ea d o p t e dt oa n a l y z et h el u b r i c a t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ， t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ef a c t o r ss u c ha st h es l a n t i n ga n g l eb e t w e e nt h ep i s t o na n dt h ep u m p ， s u p p l yp r e s s u r e ，r a n g eo fr o t a t i o n ，o f f s e to f t h ef i l mc e n t e rp r o d u c e sd i f f e r e n ti n f l u e n c eo nt h e f i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n b a s e do i lt h ef l u i dl u b r i c a t i o n t h e o r y a n dt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，s e c o n d a r y d e v e l o p m e n to ft h es l i d eb e a r i n ga n a l y s i sm o d u l eo fm a r c ，o n ec u r r e n tf e as o f t w a r e ，w a s c a r r i e do u tt os t u d yt h el u b r i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef r i c t i o np a i r a c c o r d i n g l y , w i t ht h i s a p p r o a c h ，t h eb e a r i n gm e c h a n i s mb e t w e e nt h ep i s t o na n dt h ep u m pw a sd i s c u s s e d m a k i n gu s e o ff e as o f t w a r ep r o v i d e sa na p p r o a c ht os t u d yf i l ml u b r i c a t i o nw i t hn o n l i n e a r i t y m e t h o d ， w i t hw h i c ht h er e l a t i o n s h i p ，b e t w e e nt h ef i l md i s t r i b u t i o na n dt h ef a c t o r ss u c ha sm a t e r i a l s ， c o n t a c ta n d t e m p e r a t u r e ，c a nb es t u d i e da tc o m p l i c a t e dc o n d i t i o n s i no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a lr e s u l t s ，i nt h i sp a p e rt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec o m p a r e d ，n o to n l yt h es i m i l a r i t ya s p e c t s ，b u ta l s ot h ed i s c r e p a n c y a s p e c t sw e r ed i s c u s s e di n t e n s i v e l y k e y w o r d s ：s w a s h p l a t et y p ea x i a lp i s t o n sp u m p ，f i l m ，l u b r i c a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，h y d r a u l i c j 艺窳工商夫学学位论文原翻性零溺 零人郑重声明：所撼交的学傲论文是本人在导师指导下进行的研究工作所 取得的研究成果。除了义中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人或 集髂避经发表或撰写避豹磺究残暴。鼯搴文瓣鹾究皴滋重要贡献戆令太纛嶷露， 均汉在文中以明确方式标明。本声明的法律后果完全由本人承摁。 学位论文僖者签名。塞塑蕴 日期：，笋p 月捌嬲 j l ：袈工裔大攀擎位论文授权篌丽声溺 本人完全了解北京工商大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京工商大学。学校有权僳留并 囊溺家弯关部门或规稳邀交论文魏复窜转移邀予叛，允诲学馒论文被查阕秘诺 阅；学校可以公布学位论文的全鄢或部分内容，可以采用影印、缩印或戴它复 麓手裁保存、滋编学佼论文。( 绦密兹学位论文在解镣箍遵守忿瓣定) 学位论文电子版同撩提交后，可于口当年口年口= 年后在学校图 书馆黼站上发布，供校内师生测龅。 学位论文作者链名：蕉趔导师签名： 期；凇摔朋膨日 北京工商大学硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 液压动力传动系统由于其装置体积小，重量轻，惯性力小，反应速度快等优点，被 广泛应用于航天航空，船舶工业，建筑机械，汽车工业，农业机械等领域。在同等功率 条件下，液压设备的重量及尺寸仅为电机的1 0 - 2 0 左右，小型高动力密度是液压动 力传动系统最大优势。近年来为了进一步提高液压动力传动系统这一优势，国际上美日 英德等国展开了液压设备的高压小型化、高效化的研发竞争。作为液压动力传动系统主 要元件斜盘式轴向柱塞泵、马达与叶片泵马达，齿轮泵马达等其他型式的液压泵马达 相比较具有结构简单，机械效率高，小型轻量高动力密度等优点，最适合高压小型化， 高效化。为了缩短与国外的差距，我国目前正加紧研发力度。 液压泵的发展历史已将近一个世纪，其型式主要有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵。齿轮 泵虽然具有结构简单、成本低等优点，但其效率低、不能变量、噪声较大。斜盘式轴向 柱塞泵相比变量叶片泵具有容积效率高、流量损失小、恒压误差等优点，因此斜盘式轴 向柱塞泵在性能、寿命、变量特性上都优于变量叶片泵。特别是通轴式斜盘柱塞泵的变 量形式丰富，能实现变量的智能化与网络化，而且由于在结构上便于与其它任何形式的 马达组合、外型尺寸小、布置方便、功率质量比大、总效率高，相比其它形式的泵更具 竞争力和发展前途。从技术发展、实际市场占有量的变化趋势、回路组合与节能方面来 看，通轴式斜盘式柱塞泵的开发都具有更广阔的发展空间f m l 。 轴向柱塞泵是一种容积式液压泵，主要是依靠柱塞的往复运动，改变柱塞缸内的容 积进行吸入和排出液体。从柱塞泵的结构可以看出，在一台柱塞泵中就必然存在多对摩 擦副，由于这些摩擦副长期处于高速、重载的情况下工作，所以这些摩擦副就成为影响 整台柱塞泵的性能、寿命及可靠性的薄弱环节。尤其对工作在高压、高速的轴向柱塞泵， 这几对摩擦副对整台泵的性能、寿命及可靠性的影响就更为突出。据统计，液压泵的故 障主要是因运动摩擦副的磨损导致的。当前，液压泵的发展趋势是：高速化、高压化、大 容量、低噪声和长寿命，要实现这些目标的关键问题之一就是如何提高效率、降低温升、 减轻磨损，提高寿命和可靠性。因此，对这几对摩擦副的润滑性能研究具有重要的现实 1 斜盘式柱塞泵柱塞一缸体副的润滑性能研究 意义。 1 2 斜盘式柱塞泵的结构特点 斜盘式轴向柱塞泵是将多个柱塞配置在一个共同缸体的圆周上，并使柱塞中心线和 ， 缸体中心线平行的一种泵。图i - 1 为其工作原理图，这种泵主体由缸体( 4 ) 、配油盘( i ) 、 柱塞( 6 ) 和斜盘( 1 0 ) 组成。柱塞沿圆周均匀分布在缸体内。斜盘轴线与缸体轴线倾斜成一 角度，拄塞靠机械装置或在低压油的作用下压紧在斜盘上( 图中为弹簧) ，配油盘和斜盘 固定不转，当原动机通过传动轴使缸体转动时，由于斜盘的作用，迫使柱塞在缸体内作往 复运动，并通过配油盘的配油窗口进行吸油和压油。如图所示回转方向，当缸体转角在 n 2n 范围内，柱塞向外伸出，柱塞底部缸孔的密封工作容积增大，通过配油盘的吸油 窗口吸油；在o n 范围内，柱塞被斜盘推入缸体，使缸孔容积减小，通过配油盘的压 油窗口压油。缸体每转一周，每个柱塞各完成吸、压油一次，如改变斜盘的倾角，就能 改变柱塞行程的长度，即改变液压泵的排量，改变斜盘倾角方向，就能改变吸油和压油 的方向，即成为双向变量泵【”。 1 098 76 5 432l 配流盘左视图 圈l i 斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图 卜配油盘2 一传动轴3 一键4 一缸体5 一弹簧6 一柱塞7 一套8 回程盘9 精靴10 一斜盘 斜盘式轴向柱塞泵主要存在四对摩擦副：柱塞与缸体孔。柱塞与滑靴，滑靴 与斜盘。缸体与配流盘。四对摩擦副的主要有密封、润滑、力的传递三个作用。这四 对摩擦副作为柱塞泵的重要组成部分，它的性能直接影响整个柱塞泵的使用寿命。 2 北京工商大学硕士学位论文 1 3 斜盘式柱塞泵主要摩擦副的国内外研究现状 根据斜盘式柱塞泵的结构特点和运动特性，对斜盘式轴向柱塞泵的工作性能和使用 寿命的研究，主要在于柱塞泵的四对摩擦副的研究。近二十多年来，国内外学者围绕着 摩擦副的结构形式、运动学和动力学机理、摩擦副设计方法和摩擦副材料选择等内容， 对这结构中的摩擦副作了大量的研究【5 4 l ： 1 ) 配流盘与缸体之间的配流副 关于这对摩擦副的研究工作已有将近4 0 年的历史。由于配流副工作状况的优劣直 接决定营柱塞泵质量的优劣，长期以来，前苏联、德国、日本、美国及中国等国的有关 专家、学者围绕着配流工作状况问题，进行了多方面的研究，取得了不少定性的及半定 量的理论与实验研究成果【剐1 1 0 - 1 2 。 稳定工况下，配流副不仅能承受巨大的压紧力，而且具有密封作用和良好的润滑性 能，即在摩擦副间形成适当的油膜。油膜的存在，一方面可以减少或消除金属间的直接 接触，减少磨损和功率损失，改善了润滑条件，另一方面油膜油液的新旧更换，可以带 走配流机构大部分摩擦产生的热量。但是油膜又不能过大，否则会影响密封作用，降低 泵的容积效率，增加功率损失。 最早的配流机构是在缸体与配流盘之间安装止推轴承，但由于轴承受到较大的偏心 负载，磨损不均，易出现“烧盘”、泄漏问题。为了解决载荷不均匀，出现了开设卸荷槽 道的结构，但实际应用结果并不理想。后来，采用机械密封的方法，但密封件极易损坏， 泄漏还是很大。通过这些尝试，于是出现了“剩余压紧力设计法”，即使缸体所受的压紧 力适当大于油膜产生的分离力，使摩擦副间既形成适当的边界润滑油膜，又有一定的密 封性能。但这层油膜是不稳定的，摩擦副的可靠性受到临界值的限制，在泵高压或高转 速情况下，会出现“烧盘”现象i ”】。为了克服剩余压紧力设计法的上述缺陷，液压工作 者进一步探讨能否在配流机构摩擦副问形成宏观的稳定的油膜，从而利用流体压力场全 部平衡掉压紧力( 即不存在剩余压紧力) ，使边界润滑过渡到纯液体润滑。 1 9 7 5 年哈尔滨工业大学许耀铭教授提出了间歇供油的油膜挤压效应设计法，并将之 应用于国产c y 2 5 0 轴向柱塞泵的改造，取得了显著的效果。1 9 8 3 年，对这个产品进行了 批量抽样寿命实验，在超载压力4 0 m p a 下，连续运转3 0 0 小时，摩擦副磨损极其轻微， 容积效率几乎没有下降。间歇供油的油膜挤压效应设计方法的特点在于：压力油不是连续 地而是间歇地注入摩擦副内的油道，在注油期间像连续供油的静压支承一样，形成一定 3 斜盘式柱塞泵柱塞缸体副的润滑性能研究 的油膜厚度；而在停油期间，则利用已形成的油膜的挤压效应来平衡外负载力，并在油 膜被挤薄到允许值之前，又一次注入油。这样，摩擦副间形成了在一定幅度内波动的油 膜，从而实现纯液体润滑。除了间歇供油的设计法外，还有连续供油的静压支承设计法。 这种方法是借助于固定阻尼与可变阻尼的匹配，使摩擦副问形成具有适当刚度的油膜， 以保证在负载变化下，油膜不被破坏，能保持完全的液体润滑，避免金属直接接触1 1 4 4 列。 2 ) 滑靴与斜盘之间的滑靴副： ， 早期一般采用剩余压紧力法设计滑靴，即柱塞腔的高压油通过柱塞中心孔进入滑靴 底部产生一定的液压反推力w ，这样滑靴和斜盘承受的不是柱塞腔的总作用力p ，而是 这个总作用力与滑靴底部的液压反作用力之差( p - w ) ，即所谓剩余压紧力，并将这种滑 靴称为剩余压紧力滑靴。剩余压紧力滑靴和斜盘之间的摩擦副处于边界油膜润滑状态工 作。这种方法设计无法保证轴向柱塞泵长期地正常工作，因为随着排量、压力和速度的 提高，当摩擦副材料的耐磨性和液压油的润滑性不够好时，滑靴和斜盘的磨损很严重， 有时还会出现“烧靴”现象。后来，出现了多种按静压支承原理设计的滑靴副。国内外 许多学者都对这种滑靴进行了研究( 协1 9 】。最早按这种方法设计出的阻尼管型静压支承滑 靴，是在柱塞腔和滑靴底部之间加设有压力调节作用的阻尼管( 常称进口阻尼) ，使滑靴 和斜盘在一定的油膜厚度下达到平衡( 即不存在剩余压紧力) ，以保证滑靴和斜盘问的摩 擦为纯液体摩擦。由于这种滑靴能够保证摩擦副间的完全液体润滑，这种方法设计的滑 靴副具有较大的静态和动态油膜刚度、动静摩擦力较小、高效率、高额定转速和额定压 力、温升小、噪声小等优点【删。 1 9 7 4 年，德国学者h t h o m a 提出螺旋阻尼槽型静压支承滑靴结构的设想。同年，另 一位德国学者h l a c h e r 按h t h o m a 所提出的初步设想进行了简要的理论分析。1 9 7 6 年， 哈尔滨工业大学的许耀铭教授设计了这种滑靴，并将其应用于c y 2 5 0 泵上，取得了良好 的效果。这种滑靴的进口阻尼设在滑靴端面上，在端面上加有螺旋三角槽，阻尼槽有一滑 动边，因此不易堵塞，工作可靠性好，而且加工方便。 国内许多研究人员对这种配流盘进行了研究。1 9 7 8 年，哈尔滨工业大学的曾祥荣教 授和王致清教授对这种滑靴的设计理论和设计方法进行了理论分析和探讨，并得出了一 些重要的结论【2 1 1 。1 9 8 1 年，哈尔滨工业大学的许耀铭教授指导其研究生韩德才对螺旋槽 型静压支承滑靴作了进一步的理论分析和实验研究。 3 ) 柱塞与滑靴之间的球铰副 在实际工作中，柱塞球头承受着来自柱塞的全部压力，同时还作相对于滑靴球凹的 4 北京工商大学硕士学位论文 运动。因此，在该球铰副中必然要产生磨损和机械效率损失，并且对滑靴副的油膜厚度、 倾侧产生很大的影响i 笠例。1 9 7 8 年，英国伯明翰大学的c j h o o k e 和y p k a k o u l l i s 教授，在对轴向柱塞泵中滑靴的润滑进行理论分析和实验研究过程中，就考虑了柱塞球 头与滑靴球凹之间的摩擦力对滑靴的倾侧和油膜厚度所产生的影响瞵1 。 同时，c j h o o k e 在实验研究中，采用了在线测量的方法，同时测量当滑靴处于斜 盘上的某一位置时，其上的四个不同点的油膜厚度，并采用微处理机对测量结果进行了 数据处理，测试手段较为先进。但是，这种在线测量方法无法测得油膜厚度随时间的变 化过程，也无法测得压力，因此无法考虑和分析由低压到高压或由高压到低压切换时， 由于压力冲击而引起的油膜厚度随时间的变化过程，也无法对滑靴底面的润滑油膜所形 成的压力场进行比较分析。 1 9 8 0 年，日本横滨国立大学的山口淳教授研究组在对阻尼管型静压支承滑靴支承特 性作理论分析、实验研究及总功率损失最小原则设计滑靴的方法等系列专题研究时，就 考虑了球头与球凹之间的摩擦副的摩擦力矩对滑靴倾侧而引起的其底面的静压场的变 化、动压效应及柱塞因高低压切换而引起的油膜厚度的波动情况。在山口淳教授的研究 中考虑的因素较多，理论分析较为全面。但是，由于是采用斜盘旋转、缸体固定的实验 装置，因此在实验过程中并未完全模拟滑靴的受力情况，如滑靴所受的惯性力等，而在 实际泵的运行中，离心力对滑靴底面油膜特性的影响是不可忽视的，特别是在高速的情 况下，因为离心力的大小与转速的平方成正比，离心力的作用结果将会使得滑靴的倾侧 角度变大，甚至发生直接的金属接触【2 0 1 。 此外，日本长岗技术科学大学的小林俊一、方义、松本和幸及池谷光荣等人对斜盘 式轴向柱塞马达的柱塞球铰副变形、泄漏、摩擦损失特性的研究工作比较深入。方义和 池谷光荣就斜盘式轴向柱塞马达如何提高其效率的研究中提出：静压支承滑靴的润滑性 能，很大程度上受球铰副摩擦性能的影响。松本和幸及池谷光荣通过试验，研究了球铰 副摩擦性能与供油压力、表面粗糙度和摩擦系数的关系，指出：球铰中的摩擦力矩严重影 响着滑靴副的油膜厚度及泄漏，而它受供油压力的影响很大。小林俊一等人采用有限元 ( f e m ) 方法，重点研究了球铰副中弹性变形的分布及其对油膜厚度的影响。国内杨国昌从 球头作用力的偏心和摩擦副元件的弹性变形角度分析双斜盘轴向柱塞液压马达滑靴副烧 盘原因。 4 ) 柱塞与缸孔之间的柱塞副 这对摩擦副传统的设计方法是采用选择合适的间隙的方法来保证其正常工作。这对 5 斜盘式柱塞泵柱塞缸体副的润滑性能研究 摩擦副首先要起到密封的作用，保证缸孔中的压力油液不会产生过大的泄漏，同时又要 能承受一定的径向分力，并保证柱塞能在缸孔中自由往复运动。当柱塞运动时，一般很 难保证缸体孔壁与柱塞表面之间保持完全液体润滑，因为在径向分力的作用下，柱塞的 尾部及处于缸孔入口部位的柱塞表面总是要与孔壁发生直接金属接触的。因此，该摩擦 副一般处于边界润滑状态瞄】。 日本横滨国立大学的山口淳教授曾对斜轴式轴向柱塞泵的该摩擦副作过理论分析 与实验研究【。但是，在斜轴式柱塞泵中柱塞的受力情况远比在斜盘式柱塞泵中的柱塞 的受力情况要好，因此其润滑状况亦较好。还有日本的市川常雄也曾对斜盘式轴向柱塞 马达中的这对摩擦副进行了实验研究，指出该摩擦力的大小随着柱塞离开上死点时缸体 的转角或柱塞行程的增大而增大，同时还随压差的增加而增加。 柱塞副在实验条件下，因为流体润滑及流体润滑形成前的混合润滑状念下柱塞结构 的滑动面间的摩擦力非常小，正确测定其微小的变化是十分困难的，特别是混合润滑状 态下的金属接触与油膜分离的交替变化，使得油膜厚度的测定不可捕捉。日本长岗技术 科学大学的方义、白坚正高和池谷光荣等人为了定量地把握混合状态下柱塞一缸体间的润 滑状态变化，从实验的角度在柱塞机构的滑动面间施加微小电压，通过测定柱塞缸体间 的分离电压来间接得到接触电阻值，并且对分离电压进行二值化处理，据此分别求出泵 行程接触时的接触率，从而分析其润滑特性【2 7 锄1 。 1 4 柱塞一缸体副的失效分析 为了延长柱塞与缸体的使用寿命，就有必要判断柱塞缸体这对摩擦副的各种失效 形式，了解它的失效过程及失效机理，从而能及时的对一些早期失效采取正确的措施。 根据柱塞缸体的动力特征，可以将柱塞缸体问的磨损分为三个阶段，并根据不同的失 效机理，又可以分为磨粒磨损、粘着磨损及疲劳失效等形式f 2 9 】。 1 4 1 磨损过程的三个阶段 磨损是一个复杂的非线性变化过程，按其磨损量随时间的变化关系，磨损大都可以 分解为三种组成阶段： 1 ) 磨合磨损阶段 磨合磨损常出现在摩擦副开始运行时期，其磨损率随时间的增加而降低。主要是由 6 北京工商大学硕士学位论文 于刚加工装配的摩擦副表面具有微观和宏观的几何缺陷，使配合面在开始摩擦时的实际 接触点压力很高，因而磨损剧烈。在磨损过程中，通过峰点磨损和塑性变形，使实际接 触面积增加，而表面压力、摩擦系数和磨损率随之降低，使摩擦副在几何上相互服贴， 获得适合工作条件的稳定表面品质，一般的磨损率较正常工作的大5 0 1 0 0 倍，磨去最 大租糙峰高度h 。的6 5 7 5 。选用合理的磨损规范不但可以提高使用元件的工作寿 命，还能有效地改善摩擦副的其它性能，如有利于建立流体动压润滑膜，减少擦伤痕迹， 提高密台性能等。 为提高磨合性能，可采取的措施有 3 0 3 2 l ： 选用合理的磨损舰范：应逐步地增加载荷和摩擦速度，使表面品质得到相应的改 善，并使磨合的最后阶段的工作条件能接近使用工况。注意磨合以后，将带有磨屑的润 滑油更换后再投入使用。 选用适当的润滑油和添加剂：润滑油性质对磨合表面有显著的影响，许多实验都 证明粘度低的润滑油，由于导热性好，容易维持表面吸附膜，磨合过程中粘着磨损较轻， 所以通常对提高磨合性能有很大的作用，而随着润滑油表面粘度的增加，粘着磨损所形 成的擦痕也较深和较宽，使表面耐磨性降低。也可以在磨合中选用适当的添加剂，不但 可以加速磨合过程，还可以加强吸附膜，避免了粘着磨损的痕迹。 采用适当的材料配对：磨合性能良好的材料不仅本身易于磨合，而且又能对互配 件的磨合起促进作用。为提高柱塞与缸体这对摩擦副间的耐磨性，经常选用的方法有： 曲缸体上安装铜套，铜套材料为锡青铜( z q s n l o 2 ) b 1柱塞上电镀喷涂或激光熔敷其他耐磨材料，如电镀一层硬铬，或表面刷镀或 喷涂高碳马氏体耐磨材料，表面熔敷高硬度耐磨合金粉末。 c )缸体采用无铜套，在缸体孔内只制备有非晶态薄膜或涂层，或在泵缸体上采 用球墨铸铁氮化处理，再在柱塞杆表面上附上一层独特的薄膜涂层。 控制制造精度和表面粗糙度。 2 ) 稳定磨损阶段 这是摩擦副的正常工作时期，是摩擦表面经磨合后达到的稳定状态，磨损率保持不 变。宏观上看，接触表面的磨损率似乎是确定值，磨损率基本稳定，但微观上，摩擦副 的旧表面陆续被重复摩擦而剥离形成新表面，形成接触表面连续新陈代谢的动态过程， 与磨合阶段相似，该阶段是正常磨损，在摩擦副的生命周期内，具有较长的时间尺度。 3 1 急剧磨损阶段 7 斜盘式柱塞泵柱塞缸体副的润滑性能研究 其磨损率随时间而迅速增加，随着磨损过程的进行，系统润滑状况逐渐恶化，磨粒 积聚逐渐变多，摩擦温度越来越高，使得表面磨损加快，系统失稳，功能丧失。 1 4 2 磨损失效形式 柱塞副的磨损失效主要分为磨粒磨损、粘着磨损和疲劳失效等形式【扭3 3 1 。 t ) 磨粒磨损 磨粒磨损是从外部进入摩擦面间的游离硬质颗粒或摩擦表面上的硬质凸峰，在摩擦 过程中引起材料脱落的而引起的磨损。它是柱塞与缸体主要的失效形式，一般来说磨粒 磨损的机理是磨粒的犁沟作用，即微观切削作用，其材料的硬度和载荷对它起着重要的 作用，磨损i 主要发生在柱塞与缸体之间的接触面上。一般由于用油不清洁，混入了铁锈、 砂粒等杂质。 2 ) 粘着磨损 当摩擦表面的不平度凸峰在相互作用的各点产生结点后再相对滑移时，材料从运动 副的一个表面转移到另一个表面，便形成了粘着磨损。按理在理想状态下柱塞一缸体之间 有润滑油膜分隔，不易产生粘着磨损。但是在实际使用条件下由于各种原因往往使油膜 破坏而导致柱塞与缸体的金属表面局部直接接触。如在边界润滑条件下或维护后有部分 杂质混入，在油膜较薄时，柱塞与缸体或与杂质直接接触而产生大量摩擦发热，甚至胶 合。摩擦发热还会使润滑油温度升高，润滑油粘度降低，造成油膜减薄，增加发生胶合 的可能性。另外结构刚性不良也会使润滑油膜破裂而促使产生胶合。机器在启动或停车 时润滑不足就会形成边界润滑，使柱塞与缸体间发生粘着磨损。 影响粘着磨损的因素，包括表面载荷、表面温度、摩擦副材料、润滑条件等因素。 主要的因素是表面载荷和表面温度，但是对哪个因素是决定性的目前尚未取得统一的认 识。 3 ) 疲劳失效 疲劳剥落是在交变应力大于材料的疲劳极限时才产生的，是含柱塞或缸体疲劳失效 的最终破坏形式。疲劳剥落常在结合线附近产生，且在剥落部位有合金残留痕迹，剥落 区周边呈不规则形状。 影响疲劳磨损的因素： 在干摩擦或润滑条件下的宏观应力场。 北京工商大学硕士学位论文 摩擦副材料的机械性质和强度，合理提高材料硬度可提高抗疲劳磨损能力，但硬 度过高材料的脆性也增加，反而降低接触疲劳的寿命。 材料内部缺陷的几何形状和分布密度。 润滑剂或介质与摩擦副材料的作用。增加润滑油的粘度可提高抗接触疲劳能力， 并且润滑剂的化学成分可影响接触疲劳寿命l o 倍的变化。 1 5 本课题的来源及主要研究内容 1 5 1 课题的来源 本课题来源于北京市教育委员会科技发展计划项目( 高压斜盘式柱塞泵马达润滑性 能研究，k m 2 0 0 5 1 0 0 1 1 0 0 5 ) 的部分研究内容。 o 1 5 2 课题的主要研究内容 本课题以斜盘式轴向柱塞泵柱塞缸体之间的润滑油膜为研究对象。在高压低速起 动状态下，柱塞与缸体间的润滑状态多数情况处在混合润滑状态下，其润滑状态对泵的 性能及寿命产生严重的影响，对摩擦润滑性能的研究是保证和改进斜盘式轴向柱塞泵节 能、高效、长期正常运转的基本前提，本课题研究的主要内容是： 1 ) 建立柱塞缸体摩擦副之间的数学物理模型，根据雷诺方程的基本假设，对方程 进行简化和推导，并提出油膜厚度方程和载荷方程。 2 ) 利用差分法、超松弛迭代法、复化辛普森积分法对柱塞缸体的润滑模型进行数 值计算分析，得出油膜的压力分布，分析柱塞与缸体的倾斜角度、供给压力、柱塞一缸体 相对转速、油膜中心偏心距等因素对压力分布的影响。 3 ) 借助通用软件m a r c ，用有限元法对润滑油膜的承载压力分布进行了探讨。 4 ) 理论结果与实验结果的比较。 5 ) 总结研究内容，给出柱塞缸体间润滑性能研究的主要结果。 9 斜盘式柱塞泵柱塞缸体副的润滑性能研究 第二章柱塞一缸体副流体润滑的基本理论 从对流体动压现象的研究以来，人们对流体油膜产生动压的机理的认识已经趋于成 熟，现代流体润滑理论已经得到长足的发展。从数学的观点来看，各种流体润滑计算的 基本内容就是对r e y n o l d s 方程的应用和求解。本章针对斜盘式柱塞泵柱塞一缸体副润滑 问题建立数学一物理模型。该模型根据润滑问题的基本假设、边界条件和初始条件，进行 雷诺方程的推导并建立油膜厚度方程和载荷方程。 2 1 雷诺方程 2 1 1 基本假设 实际的柱塞一缸体间隙内流体的流动是三维的复杂运动过程，其精确模型的求解在 大多数情况下几乎是不可能的。因此为了简化计算，根据经典润滑理论，在推导油膜的 数学模型前首先作如下假设【3 4 l ： 1 ) 流体不受体积力( 重力或磁力) 的作用。 2 ) 在沿润滑膜厚度h ( 一般h 很小) 的方向上，不计压力的变化，即印砂一0 。 3 ) 运动副表面的曲率半径与油膜厚度h 相比要大的多，故可以不计表面运动速度方 向的改变。 4 ) 润滑剂在边界上无滑动。 5 ) 润滑剂运动时的惯性力与粘性力相比可以忽略不计。 6 ) 润滑剂为牛顿流体，即剪应力正比于剪应变速率。这对于一般工况条件下使用的 矿物油而言是合理的。 7 ) 润滑剂在间隙中的流动为层流，油膜中不存在涡流和紊流。 8 ) 组成间隙的两表面是刚性的。 9 ) 润滑剂是不可压缩的流体。 1 0 ) 润滑剂的粘度在间隙流动过程中保持不变，即不计温度与压力对粘度的影响。 1 0 北京工商大学硕士学位论文 2 1 2 方程的推导 建立右手坐标系如图2 - 1 所示表面1 与表面2 之间为流体润滑膜。表面i 和表面2 处于运动中。流体膜中任取点p ，它对应三个坐标方向x ，y ，z 的流速分别为u ，v ，c a ) 。 过p 点作垂直于x o y 平面的直线，分别交表面l 、表面2 于p 1 、p 2 点，则如图所示p 点 油膜的厚度为h = h 2 - h l 。 图2 - 1 坐标系和固体表面 对于流体膜，z 方向的尺度比x 方向和y 方向的尺度小若干个数量级，则与速度梯 度。和哆乞相比较，其他速度梯度均为高阶小量，可以忽略不计。根据假设忽略流 体的体积力和惯性力，可以得出对应x 方向的应力及其变化关系。x 方向的受力分析可 得【3 5 。3 6 】： a f ，a p a za x 由n e w t o n 粘性定律，l - 肛娑，代入上式得： d z 罢。* 詈) 同理，在y 方向可得： a 砂p 叭a ( p i 0 3 。) 将方程( 2 2 - 1 a ) 和( 2 2 - i b ) 对z 积分一次得： “竺。望z + c ， 韶d z ( 2 2 - 1 b ) 斜盘式柱塞泵柱塞一缸体副的润滑性能研究 h 土望z 2 + 鱼z + c z 2 d z“ 根据无滑动速度边界条件：z = h 。时，u = u 。，z = h 2 时，u = u 。，得积分常数c 。和c ：为： 代回去，得： c1一肛等一1op(hhh2o x ：+ 啊) j 1 j c ：叱+ 瓦1 罢协- h , 学h h 。2 “缸，一， 去空等专竺忆岫)卜(22-2a)ox hh o x 2 肛 i 2 1 2 一 “i + + 瓦1 _ 警h 2 h , u 2 。- u , 一 同理可以导出y 方向的流速为 ，去妾 i 媸一上望坼：+ 乜) l ： 2 p 砂 l h 2 - h , 2 , ua y 一“j ( 2 2 - 2 b ) + k + 五1 - 詈y y h z h , - h , 必h z - h i 定义x 方向的体积流量为： 吼一u d z 将( 2 2 - 2 a ) 式代入，完成积分，且h = h z - h ，得： 吼，一瓮面a p + 1 ，1 l u , + u 2 )吼一面面+ 2 j 同理： 圹一盖，詈+ 批+ ) 吼面方+ j 附p ：j 记质量流量为肌；。p q ，m ，一p q ，则有： ”一卺。面a p 毛肪p 。也) 妒一篇考+ l 力( v 1 2 川 1 2 砂 “ 由流体力学知，一般流体的连续性方程为： ( 2 2 - 3 a ) ( 2 2 - 3 b ) ( 2 2 - 4 a ) ( 2 2 - 4 b ) a _ z p + 掣+ 必+ 必，o o ta r a y a z ( 2 2 5 ) 对变量z 积分上式并应用无滑动速度边界条件：z = h 。时，。= 肾。，z _ h ：时，u = w ：，得： 其中： 职堋一t 挚一j ：2 挚一r 挚 彤。堕+ u ，亟+ k 塑 o t1 缺 1 a v 职。堕+ u 一+ 旷韭z o h 。 o to x 2 a y 根据数学分析中的积分求导法则： ( 2 2 - 6 ) ( 2 2 - 7 a ) ( 2 2 - 7 b ) 广2 旦o x ，& 出z k = 去2 厂g 班z k 一，。小 ：) 尝+ 厂g 出，l 。) 誓 将该法则用于( 2 2 - 6 ) 式的三个积分，得： 2 挚一掣一p 鲁+ 磅 r 掣。誓- p u 2 堕+ 嬲o ，h ! 1 0 j t 缸缸x 一1 缸 r 蛾o y ，等叫鲁堋軎 如 却2 却 1 a 、， ( 2 2 - 8 a ) ( 2 2 - 8 b ) ( 2 2 - 8 c ) 将( 2 2 - 7 ) 和( 2 2 - 8 ) 各式代入( 2 2 - 6 ) 式，化简得积分后的连续方程 丝+ 堡+ 刿。o a xa v o t 将m x 和i l l y 的表达式( 2 2 - 4 ) 代入( 2 2 - 9 ) ，整理得： 去伊罢) + 专降万a p ) 叱去( 脚) 化专( p v o ) m 掣 式中：u 。，妙。+ u ：) 2 一( e + ) 2 方程( 2 2 - 1 0 ) 即为等温条件下的r e v n n l d 。青程 ( 2 2 - 9 ) ( 2 2 - 1 0 ) 斜盘式柱塞泵柱塞缸体副的润滑性能研究 2 1 3 雷诺方程的简化 根据表面无滑动速度条件，设砜一0 , u ：，u ，k 一0 ，一y 即方程表示： j 8 烈 p 肛h 3 “囊) + 专( 譬吉) 。s b ( u 肚) + 吉c 印n ) + z p ( 一) 】 根据柱塞一缸体的几何特性，将其转化为圆柱坐标系为： 南( 鲁鱼r 0 ) + 三a z ( 鲁塞1 一s 赤( 坼h ) + 旦8 z ( v p h ) + 印( 一吡) 1 r a 肛i a zj【a 驴一7 7 一“ “j 式中( 一吡) ：o 即娑，由于不考虑在油膜厚度方向的速度成分，则所示方程的 2 p ( 一) = 0 ，由于流体不可压缩，则在压力和温度变化不大的条件下，流体的密度 为常数，由于油膜中热效应不是十分显著，可视为等温状态，其粘度u 为常数，其方程 简化为： 静珈2 计珈解2 掣+ 掣 方程无量纲化，取： 石，鱼 丢；三 胪痢 啡2 i 嘲- - t - 露专 代入化简得： 品( 石3 嚣) + ( 兰) 2 壶( 矿鲁) 一a b 篆一( 兰声嘉 其中露- - - - i ，表示柱塞向z 轴正方向滑动，露= 一1 ，表示柱塞向z 轴负方向滑动。 1 4 北京工商大学硕士学位论文 2 1 4 边界条件 求解雷诺方程时，需根据压力分布的边界条件来确定积分常数【3 7 】。根据柱塞工作环 境，并为了排除负压问题，采用半s o m e r f e l d 边界条件，即按s o 衄e r f e l d 的边界条件 得到的反对称压力后，再舍去全部负压，即如图2 2 所示x o 处取p = o 。 国 、 - - j 、f 一 f ( o ，三) 一万( 扔，三) 三) 一嚣( 蛳) 歹0 ，o ) 一死 芦0 ，1 ) 一0 2 2 膜厚方程 图2 - 2 反对称压力分布 图2 - 3 为柱塞与缸体的几何结构示意图，根据其结构特点，采用圆柱形坐标系，柱 塞与缸体的平均间隙为：c = r 1 一r p 其中：r 厂为缸体孔半径，r p - 柱塞半径。 考虑存在不同心状态，设油膜幅宽中心对应的柱塞轴心偏心量为e ，则 ，z ) j c + e + 口( z 一考) 】。s 妒 斜盘式柱塞泵柱塞缸体副的润滑性能研究 无量纲化，取： 一 e e = 一 c 一 口 口= 一 2 c 工 z1 一 石，h c 缸体 习1 锸去节溆， 巴一一岁心以一 ， 坐弘矧下 图2 - 3 柱塞一缸体的几何结构示意图 得无量纲化油膜厚度方程： i - - + 石+ 2 昂( 手一丢) 】c 。s 妒 其中：五是无量纲油膜厚度，i 是无量纲油膜幅宽中心截面偏心距，万是无量纲柱 塞轴与缸体孔轴心的偏向角，三是无量纲油膜坐标，l 是油膜幅宽( m ) ，毋是斜盘自转相 位角( r a d ) 。 2 3 载荷方程 载荷计算方程为： f l l 讧，y ) d x d y 承载能力方程： w 一瓯 北京工商大学硕士学位论文 式中： w x 一支篮2 p r c o s 曲材a i z ；w ，一丈艺。邮i n a t z d 驴。 无量纲化，取： f 。f 0 吵r ，i c ：) ；。p 0 y r c 2 ) ；一z l 得无量纲油膜流体力方程和坐标位置为： i 一( l r ) 腼c o s 妒- d d - ：。，止三竺! 竺竺 价c o s 妒d d z 取 ( 2 4 - 1 ) ( 2 4 - 2 ) 得不同参数变化对应的流体力l f f 。i 、流体力作用点坐标三，的变化规律。 2 4 本章小结 本章阐述了雷诺方程的基本假设、边界条件和初始条件，对雷诺方程进行了推导、 简化，并得出油膜厚度方程和载荷方程。 1 7 c酽矿 氇舭儿 积只孙 i - 1 只瓦一卯 斜盘式柱塞泵柱塞缸体副的润滑性能研究 第三章柱塞一缸体副润滑影响因素研究 本章根据柱塞一缸体副润滑的基本理论，用差分法、超松弛迭代法、复化辛普森积 分法，井借助m 棚a b 软件对雷诺方程进行数值模拟，研究影响油膜压力分布的主要 因素，为提高柱塞一缸体副的润滑性能提供理论依据。 3 1 数值方法 数值法的一般原则：首先将求解域划分成有限个数的单元，并使每个单元充分的微 小，以至于各单元内的未知量( 如油膜压力p ) 相等或依线性变化，而不会造成较大误 差，然后通过物理分析或数学变换方法，将求解的偏微分方程写成离散形式，即将它转 化为一组线性代数方程。该代数方程组表示了各个单元待求的未知量与周围各单元未知 量的关系，最后根据g a u s s 消去法或g a u s s - s e i d a l 迭代法求解代数方程组，从而求得整 个域上的未知量d 【3 5 l 。 3 1 1 差分法和计算网格划分 2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术、计算方法及测试技术的发展，该类润滑分 析计算己取得重大进展。差分法已经成为公认的求解二维雷诺方程的有力工具。 用差分法解压力分布，就是将油膜划分为许多网格，如图3 1 ，用逐个节点上的压 力值构成各阶差商，近似取代r e y n o l d s 方程中的导数，将方程化为一组代数方程，由此 解出各育点上的压力值。所得的一组离散的压力数值，也就近似表达了油膜中的压力分 在。 1 8