（机械设计及理论专业论文）轴向柱塞泵配流副的织构化及其摩擦学性能研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 液压泵作为液压系统的核心动力元件之一，广泛应用于工程机械、机床、汽车和石油化工 设备等行业。而轴向柱塞泵和其他液压泵相比，具有结构紧凑、功率大等优点，故得到更为广 泛的应用。随着轴向柱塞泵向高压、高速、大流量方向的发展，对轴向柱塞泵的各摩擦副的性 能提出了更高的要求，而配流副又是轴向柱塞泵中关键的摩擦副之一。所以改善配流副的润滑 特性，对于提高轴向柱塞泵的性能有着极其重要的意义。 表面织构技术是指在摩擦副表面加工出规律分布的微几何形状，因其具有降低摩擦、减小 磨损等特点，引起了国内外学者的关注，并在磁介质存储、人工关节以及滑动轴承等方面得到 了广泛的应用。表面织构技术的发展，为改善轴向柱塞泵配流副的摩擦学性能提供了一个新的 途径。 为研究表面织构对轴向柱塞泵配流副润滑特性的影响，自行研制了一台试验机，该试验机 模拟轴向柱塞泵的实际工作条件，可以连续调节加载力和出口压力的大小，并对试验所产生的 数据进行采集和处理。 本研究采用光刻电解技术，在模拟配流盘的试件上加工出不同参数的微凹坑织构，试验中 所设计的织构的主要参数有：微凹坑深度、微凹坑直径、凹坑面积率。通过在自行设计制造的 试验机上对具有不同织构参数的试件进行摩擦学试验来研究织构参数对配流副摩擦磨损性能的 影响。文中采用正交试验的设计方法，对微凹坑深度、微凹坑直径、凹坑面积率三因素分别取 四个水平，试验时转速为6 0 0 r m i n ，模拟轴向柱塞泵的工作压力为0 4 m p a ，取加载力为1 0 0 0 n 条件下，连续运行4 小时后上试件的磨损体积为试验指标。通过正交试验的分析，评价各参数 对配流副的摩擦学性能的影响。 试验研究结果表明：与无织构的试件相比，通过在模拟配流盘的试件上合理地设计表面织 构可以有效地降低配流副表面的摩擦系数，从而减小轴向柱塞泵由于配流副摩擦产生的能量损 失。通过正交试验的数据分析发现影响配流副磨损性能的最主要的因素为微凹坑的面积率，其 次为微凹坑深度，最后为凹坑直径，设计出的最优组合为微凹坑的深度为5 p m ，微凹坑直径为 1 0 0 “m ，凹坑面积率l o 。 关键词：表面织构，配流副，摩擦，磨损，正交试验 轴向柱塞泵配流副的织构化及其摩擦学性能研究 a b s t r a c t a so n eo ft h ek e yp o w e rc o m p o n e n t si nh y d r a u l i cs y s t e m ，h y d r a u l i cp u m pi sw i d e l yu s e di n e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y , m a c h i n et o o l s ，a u t o m o t i v ea n dp e t r o c h e m i c a le q u i p m e n t c o m p a r e dw i t h o t h e rh y d r a u l i cp u m p s ，a x i a lp i s t o np u m pi sw i d e ru s e db e c a u s eo fi t sc o m p a c ts t r u c t u r ea n dl a r g e p o w e r w i t ht h ed e v e l o p i n go fa x i a lp i s t o np u m pt oh i 曲p r e s s u r e ，h i g hs p e e d ，b i gf l o w , t h er e q u e s to f t h ef r i c t i o nc o u p l e p r o p e r t i e si na x i a lp i s t o np u m pb e c o m eh i g h e r a st h ek e yp a r to fa x i a lp i s t o n p u m p ，l u b r i c a t i o ni m p r o v e m e n to fp o r tp l a t ep a i ri sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v m e n to fa x i a lp i s t o n p u m pp e r f o r m a n c e s u r f a c et e x m d n g ，f a b r i c a t i o nm i c r og e o m e t r i cs h a p e sd i s t r i b u t e do nt h es u r f a c 七o ff r i c t i o n c o u p l e ，r a i s et h ea t t r a c t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sf o ri t sc h a r a c t e r i s t i c 勰r e d u c i n gf r i c t i o n ， d e c r e a s i n gw e a r re t c a n di sw i d e l yu s e di nm a g n e t i cs t o r a g em e d i u m ，a r t i f i c i a lj o i n t sa n ds l i d i n g b e a r i n ge t c t h ed e v e l o p m e n to fs u r f a c et e x t u r et e c h n o l o g yp r o v i d e san e ww a yf o ru st oi m p r o v et h e a x i a lp i s t o np u m pp o r tp l a t ep a i r t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s i no r d e rt or e s e a r c ht h el u b r i c a t i o np e r f o r m a n c eo ft e x t u r e dp o r tp l a t ep a i r , at r i b o l o g i c a lt e s t e r h a sb e e nd e s i g n e di nt h i sr e s e a r c h , t h i st e s t e rn o to n l yc a ns i m u l a t ea x i a lp i s t o np u m p sa c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n , b u ta l s oa d j u s tl o a d i n gf o r c ea n dt h es i z eo ft h eo u t l e tp r e s s u r e ，a n dc o l l e c tt h et e s td a t a g e n e r a t e di nt e s tp r o c e s s i n g i nt h i sp a p e r , p h o t o l i t h o g r a p h ye l e c t r o l y t i ct e c h n o l o g yi se m p l o y e dt of a b r i c a t em i c r od i m p l e s w i t hd i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r s 笛d i m p l e sd e p t h , d i m p l e sd i a m e t e r , d i m p l e sr a t i o w ed e s i g n e d a n dm a n u f a c m r e dt h et e s t e r , w i t hw h i c hs p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n tg e o m e 仃i cp a r a m e t e r sw e r et e s t e d a n dw er e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r , w i t ht h ed e s i g n m e t h o d so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t , f o u rl e v e lh a sb e e nt a k e no nt h et h r e ef a c t o r s ：t h ed e p t ha n d d i a m e t e ro ft h em i c r or a t i o i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h et e s ts p e e di s6 0 0 r m i n , t h ew o r k i n gp r e s s u r eo ft h e s i m u l a t e da x i a lp i s t o np u m pi s0 4m p a m e a n w h i l et h ew e a r v o l u m eo ft h es p e c i m e n sw e r et e s ta f t e r 4h o u r sc o n t i n u o u so p e r a t i o nw h i l et h el o a d i n gf o r c ei s10 0 0 n t h r o u g ht h ea n a l y s i so no r t h o g o n a l t e s t , w ec a ne v a l u a t et h ei n f l u e n c ec a u s e db yd i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt h et r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so fp o r tp l a t ep a i r n ec o n c l u s i o no ft h et e s t 弱f o l l o w s ：c o m p a 南dw i t ht h eu n t e x t u r e dp o r tp l a t e t h et e x t u r e d s p e c i m e n sw i t hr e a s o n a b l et e x t u r ed e s i g n e dc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t s ot h e e n e r g yl o s so fa x i a lp i s t o np u m pc a u s e db yt h ef r i c t i o no fp o r tp l a t ep a i rc a nb es a v e d t h r o u g h a n a l y z i n gt h ed a t ao fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t , i ti s f o u n dt h a tt h ed i m p l e sa r e ar a t eo ft h em i c r o i i 南京航空航天大学硕士学位论文 d i m p l e st e x t u r eh a v el a g e r e s ti n f l u e n c eo nt h ew e a ro fp o r tp l a t ep a i r , t h en e x ti sd e p t ho f t h em i c r o d i m p l e sa n dm i c r od i m p l e sd i a m e t e r f r o mt h ec o n c l u s i o n ，t h eo p t i m a lc o m b i n a t i o nc a nb ed e s i g n e d 嬲5 p md e p t h ，1 0 0 p mi nd i a m e t e ro f t h em i c r od i m p l e s ，a n d1 0 i nd i m p l e sa r e ar a t e k e y w o r d s ：s u r f a c et e x t u r e ，p o r tp l a t e ，f r i c t i o n ，w e a r ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t i i i 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 直轴式轴向柱塞泵结构简图2 图1 2 不同试件的磨痕及截面图3 图1 3 配流盘表面构造图3 图1 4 静压缓冲垫3 图1 5 试验装置简图4 图1 6 配流副油膜测试系统原理图5 图1 7 测试系统结构图6 图1 8 传感器在泵体上的安装示意图6 图1 9 自然界中的表面织构7 图1 1 0 压刻工艺及加工试件。8 图1 1 1高频脉冲微细电解加工的微细结构8 图1 1 2s t r i b e c k 曲线9 图1 1 3 非液体润滑条件下织构减磨机理1 0 图1 1 4 流体润滑下织构减磨机理。l o 图1 1 5 边界润滑条件下织构减磨机理1 0 图2 1轴向柱塞泵的工作原理图1 2 图2 2 配流副摩擦特性试验台的工作原理图1 3 图2 3 液压系统原理图1 4 图2 4 配流盘表面的压力分布图1 6 图2 5 试验机机械运动原理图1 8 图2 6 变频器和变频电机实物图1 9 图2 7c x h 1 0 3 传感器外形图2 1 图2 8 单点式压力传感器2 2 图2 9u s b 6 0 0 9 数据采集卡2 3 图2 1 01 2 通道的r s e 测量系统2 3 图2 1 l 初始偏差计算程序框图。2 4 图2 1 2 传感器压力和输出电压关系图2 5 图2 1 3 数据保存程序框图2 6 图3 1 上下试件的零件图2 8 v i i 轴向柱塞泵配流副的织构化及其摩擦学性能研究 图3 2 配流副试件实物图2 8 图3 3 试件表面织构排列示意图2 9 图3 4 光刻工艺流程图3 0 图3 5s c i b 型甩胶台。3 0 图3 6j k g 2 a 型曝光机3l 图3 7 电解加工原理图3 3 图3 8s p w m 3 0 3 0 单脉冲电源3 3 图3 9 电解使用夹具3 4 图3 1 0 三维形貌仪及所拍试件照片3 4 图3 1 l 不同面积率和深度下压紧力和摩擦系数的关系3 7 图3 1 2 磨损量测量位置及形貌图3 7 图3 1 3 不同深度下面积率与磨损量的关系3 8 图4 1 部分上试件的磨损三维形貌图4 2 图4 2 所有试件的磨损体积对比图4 3 表2 1 液压系统辅助元件选型表1 5 表2 2c x h 1 0 3 具体参数2 2 表3 14 5 0 钢的化学成分。2 7 表3 24 5 0 钢的力学性能2 7 表3 3g c r i5 轴承钢的化学成分2 7 表3 4 负型光刻胶参数3 l 表3 5b n 负胶显影剂参数3 l 表3 6b n 负胶漂洗剂参数3 2 表3 7b n 负胶去膜剂参数3 2 表3 8 电解加工参数3 4 表4 1 因素水平表：4 0 表4 2 正交试验表。4 l 表4 3 在转速为转速为6 0 0 r m i n ，压紧力为1 0 0 0 n 的条件下各试件磨损体积的极差分析表。“ 表4 4 在加载力为1 0 0 0 n ，试验4 小时后磨损体积的方差分析表4 9 v i | l 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 液压缸面积r 慨 液压系统电机功率 阀关闭前管内流量p ， 蓄能器最高工作压力 三 阀由全开到全关时间 冠 内密封带的外半径足 外密封带的外半径p 密封带上任意一点的凡 半径 驱动电机功率 r 转速 r 皮带轮额定功率n 小带轮齿数 西l 带速伽 皮带轮带长厶 皮带轮齿数a 小齿轮啮合齿数尸。 皮带轮带宽 ， 传感器压力 ， 下试件等效半径 昂 凹坑直径 ， 总的偏差平方和 s s , ，砜 总的自由度织，妩，妮 各因素的均方 m s , 误差的偏差平方和 尺 最大压强 蓄能器容积 蓄能器最低工作压力 产生冲击波的管长 内密封带的内半径 外密封带的内半径 缸内液体压力 液压反推力的总和 转矩 半径 带轮节距 小带轮节圆直径 轴间距 皮带轮节线长 实际轴间距 基本额定功率 摩擦系数 挡杆长度 凹坑面积率 凹坑的间距 各因素的偏差平方和 各因素的自由度 误差的均方 极差 i x s 胪q n，恐心r 榔p凡刁y厶z细尻fd岛诉姗 溉 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着社会经济的发展，国家城市化进程日益加快，对自然资源的需求逐渐加大。在这样的 社会条件下，大型工程机械正在逐步取代传统的人力物力，在经济建设的过程中扮演着至关重 要的作用。由于对大功率和高速、高压的要求，9 5 以上的工程机械都采用了液压传动与控制 技术【l 】。而液压泵是整个液压系统的心脏，液压泵性能的好坏关系到整个液压系统能否正常运 行1 2 】o 相对于其他类型的液压泵，轴向柱塞泵具有排出压力高、单位体积输出功率大、转速高、 体积小、结构简单等优点，在工程机械、农业机械、航空航天、军事等领域都得到极其广泛的 应用【3 】。 早在1 9 0 2 年，美国h a r v e yw i l l i a m s 教授和r e y n o l dj a n n e y 工程师就设计了第一台端面配 流的斜盘式轴向柱塞泵，并于1 9 0 5 年成功应用在军舰的炮塔液压传动装置上。在1 9 3 0 年，瑞 士人h a n st h o m a 教授设计了第一台斜轴式轴向柱塞泵。这两种类型的泵经多年来一代又一代 的更新，已发展成为现代几种常见结构型式的轴向柱塞泵。随着液压技术向高压、高速方向发 展，提高轴向柱塞泵的性能显得更为迫切【4 1 。而且由于近年来电子、材料、制造、控制等技术 的发展，以及这些技术在泵和马达上的应用，使得轴向柱塞泵马达的发展日新月异，新产品层 出不穷，尤其以德国、丹麦、荷兰等国家的产品走在世界的前列，如r c x r o t h 公司生产的电子 智能泵，i n n a s 公司开发的f l o a tc u p 结构柱塞泵等。而我国的柱塞泉主要是2 0 世纪六、七十。年 代开发的c y 系列柱塞泵，以及从德国引进r e x r o t h 技术后生产的泵和马达，并且目前轴向柱 塞泵马达的技术进展比较缓慢，已经跟不上工业发展的需要。所以对于提高国内液压泵的性能 的要求就显得越来越迫切，尤其是提高液压泵马达的元件的可靠性和质量就显得非常重要【5 1 。 柱塞泵是靠柱塞在缸体中作往复运动造成密封容积的变化来进行吸油和压油的液压泵，按 结构形式可以分为斜盘式轴向柱塞泵和斜轴式轴向柱塞泵【6 】。直轴式轴向柱塞泵主要由斜盘、 柱塞、缸体、配流盘、驱动轴等零部件组成( 见图1 1 ) 。在轴向柱塞泵中有三个典型和关键的 摩擦副，它们分别是配流副( 配流盘和缸体之间形成的摩擦副) ：滑靴副( 柱塞和斜盘之间形成 的摩擦副) ；柱塞副( 柱塞和缸体之间形成的摩擦副) ，它们的磨损失效是限制柱塞泵性能提高 的一个关键因素，而配流副的磨损又是其中最为关键的一个部分。 配流副在柱塞泵的运动过程中起着密封和配流的作用，而且在泵的工作过程中承受着较大 的载荷。其中配流盘的弹性变形，缸体受不平衡力矩及轴的挠曲变形使最小油膜厚度减小，是导 致配流副磨损的主要原因【7 】。因此，配流副的合理设计可以有效降低配流副的温升、磨损，对 轴向柱塞泵配流副的织构化及其摩擦学性能研究 于提高轴向柱塞泵的容积效率、机械效率，工作可靠性与工作寿命有着重要的影响i s - g 。 图1 1 直轴式轴向柱塞泵结构简图 l 一手轮；2 斜盘；3 一回程盘；4 _ 滑履；5 一柱塞；6 缸体；7 一配流盘；8 传动轴； 卜中心弹簧；l 旷锁紧螺母：l l 一丝杠；1 2 一变量活塞；1 3 一轴销 1 2 国内外研究现状 在轴向柱塞泵配流状况的研究方面，国内外都进行了大量的工作。长期以来，德国、英国、 日本、美国、法国等国家的有关专家、学者围绕着配流状况问题，进行了多方面的研究。在国 内的高校，比如浙江大学、哈尔滨工业大学、甘肃工业大学、中国矿业大学等，也对配流副的 润滑状况进行了深入的研究。集合国内外的研究现状，对配流副的润滑特性的研究主要集中在： 配流副密封区域压力场和流场的分布规律的研究；配流副润滑膜间隙的实验研究；配流副的摩 擦特性研究等。以上研究成果，为不断改进和开发一代又一代的新型轴向柱塞泵提供了理论基 础和设计依据【4 】。 1 2 1 国外研究现状 2 0 0 5 年，韩国学者s a n g y u ll e e 1 0 l 等研究了表面进行了复合t i n 涂层( 等离子渗氮和t i n 涂层) 的轴向柱塞泵配流副的摩擦学性能。试验采用的试件经过复合t i n 涂层后硬度达到 4 0 0 h v l 0 ，表面粗糙度r a = o 0 2 岬。将经过复合处理后的试件和没有处理及单独处理的试件分 别在不同的条件下进行了摩擦、磨损的试验研究。试验后的磨痕截面如图1 2 所示。通过试验 发现：经过复合处理的表面有着良好的摩擦学性能，特别是在启停阶段，能够减小试件的配流 副的磨损速率。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 2 不同试件的磨痕及截面图 1 9 6 6 年日本学者y a m a g u c h i 1 1 等对轴向柱塞泵配流副的油膜厚度和压力场分布规律进行了 数值计算。考虑了楔形油膜的变化所带来的影响，通过计算极坐标下的雷诺方程得到配流盘内 外密封带的压力分布规律。在计算过程中，y a m a g u c h i 等人将腰形槽的圆形过渡区简化成矩形， 从而使计算结果产生比较大的误差。2 0 0 2 年y a r n a g u e h i t l 2 1 3 继续对配流副的压力分布进行了计 算，在计算过程中，考虑了配流副的承载能力、能量损失和配对材料的弹性模量之间的关系。 通过计算发现：通过软硬材料的搭配可以获得最大的承载能力和最小的能量损失。并对t 作介 质为水和油的情况分别计算，并通过比较发现：对于水泵，由泄漏引起的能量损失相对于由摩 擦引起的损失比较大，而总体能量损失与油泵相比明显减小。 1 9 8 7 年，日本学者a m u s h iy a m a g u c h i 1 4 】对配流副之间油膜的形成过程进行了理论分析。在 轴向柱塞泵的配流盘的四周加上静压垫孔，配流盘及垫孔的形状如图1 3 和图1 4 所示。通过对 配流副之间油膜厚度方程和压力分布方程联立求解，得出了油膜的形成规律。根据理论计算结 果，发现通过引入静压垫孔，油膜可以在不同的润滑范围和工作环境中快速形成。 簇 扒 裁x 一 憋势k e t 图1 3 配流盘表面构造图图1 4 静压缓冲垫 3 轴向柱塞泵配流副的织构化及其摩擦学性能研究 2 0 0 3 年，韩国学者j o n g - k ik i m 和j a e y o u nj u g _ 1 1 5 对轴向柱塞泵的油膜厚度进行了试验测 量，作者通过在配流盘上加静压垫孔并和原始配流盘的油膜特性进行了比较。通过如图1 5 所 示的实验装置，使用微型位移传感器，对不同工况和尺寸条件下的油膜特性进行了测量和比较。 通过试验发现：油膜在输出区域的厚度最小：输出压力随着油膜厚度的变化而变化；随着转速 提高油膜厚度也会变化；通过引入静压垫孔可以减小油膜厚度差，并提高油膜的稳定性。 1 2 2 国内研究现状 飘瞄h 绅嘲嗣噼辫c y l m o m rb l o c kv a t v ei 豳l t e 图i 5 试验装置简图 1 9 9 8 年，贵州大学的闫州盛，周元康教授【1 6 1 等对离子束混合处理改善液压泵配流副的摩擦 学性能进行了研究。他们对锡青铜材料的配流副试件进行b + b 2 0 3 表面蒸镀成膜，然后用n + 离 子束对膜和基体反冲注入，实行离子束混合处理。配偶静件材料为2 5 c r 3 m o a ，经过常规调质 氮化处理。在模拟工况条件下进行摩擦、磨损对比实验。试验结果表明，处理后的配流副的摩 擦学性能有显著的改善。主要表现在：提高硬度、降低摩擦系数( 接近2 0 ) 和降低磨损率( 降低 2 倍以上) 。同时离子注入引起材料表层组织与亚组织的微观变化，既克服了低能量注入，注入 层薄并且不耐磨的缺点，又解决了蒸镀技术中膜层附着力差的问题。 2 0 世纪7 0 年代，哈尔滨工业大学许耀铭教授在不同配流盘结构参数和不同工况下。对轴 向柱塞泵配流副的油膜厚度进行了实测，如图1 6 所示。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 6 配流副油膜测试系统原理图 1 过滤器2 供油泵3 电机4 溢流阀5 压力表6 开关7 摩擦副8 压力传感器 9 动态电阻应变仪l o 量杯1 1 半导体点稳计1 2 油箱1 3 位移传感器1 4 位移振动测量仪1 5 光线示波器1 6 - 力口热器 许耀铭教授在该试验系统上利用两组摩擦副进行实验，每组试件都在不同的压力和温度下 进行。在试验中实测油膜厚度、压力平衡油槽压力、平均流量和油液进、出口温度等参数，研 究了供油开关盲孔个数和包角对油膜的影响。1 9 9 8 年，哈尔滨工业大学【1 7 1 8 1 还对液压泵新型端 面配流副进行了理论研究，并且设计了模拟液压泵运行工况的实验台，对配流副的润滑状态进 行了试验研究。 1 9 8 6 年，中国矿业大学的周士搿1 9 】等分别在静力和动态情况下对b 1 - 7 2 5 型斜轴式柱塞 泵的配流副油膜厚度进行了测量。测试系统如图1 7 所示，在测试过程中他们分别考察了转速、 液压泵压力、缸体摆角和油温对配流副油膜厚度的影响。测量过程中所采用的位移传感器为天 津大学所研制的j d c s 型精密电容式测微仪，将4 个相同的传感器安装在泵上，安装位置如图 1 8 所示，根据其中任意三个位移传感器的测量结果就可以确定配流副间隙的大小，并得出结论： 配流副的间隙呈楔形，间隙最大处在低压区，而最小处在高压区，配流副的间隙随压力的增大 而减小。作者根据配流副间隙的工作状况并结合斜轴泵配流副密封面磨损情况得出结论：配流 副之间的磨损失效并不是由配流盘和缸体之间的直接接触引起的，而是由油液中的污染物所引 起的。但是作者在试验的过程中测量的是油箱温度，而不是配流副之间的实际温度，而由于摩 擦副剪切摩擦热的影响，油膜温度要比油箱温度高，所以对于温度的影响还要进一步研究。 5 轴向柱塞泵配流副的织构化及其摩擦学性能研究 图1 7 测试系统结构图 j厂 。飞 弋严 、 、 ， ， 、 、夕 。 i c j 图1 8 传感器在泵体上的安装示意图 5 4 1 摆缸体；2 缸体：3 配流盘；4 传感器；5 泵盖 1 9 9 4 年哈尔滨工业大学的孙毅刚等 2 0 - 2 2 对液压泵摩擦副部件的磨损进行了模拟强化试 验研究。通过测量液压泵的p v 值来对摩擦副材料的配对性能进行研究，研究发现摩擦副 的极限值主要取决与软金属，当配对的硬金属差别不大，而软金属相同时，其极限值基本 相同。 2 0 0 7 年，浙江大学的艾青林 2 3 - 2 5 1 为了测试轴向柱塞泵配流副的润滑特性自行研制了润滑特 性试验台。在该试验台中加入了微米级的电液位置反馈控制装置，使用的高精度电涡流微位移 传感器能保证油膜厚度的测量误差在l t t m 以内，并使用p i d 控制系统对润滑膜厚度进行反馈控 制。利用该试验台考察了压力、转速、温度等工况对配流副的摩擦扭矩、配流副间隙、液压支 承力和泄漏流量等各项参数的影响进行了测试，发现油膜厚度随油液温度变化而发生相应的变 化：温度增加时，平均油膜厚度减小；温度减小时，平均油膜厚度增加。同时发现随着配流副 转速的提高，其摩擦转矩也越来越大，此时配流副更加容易磨损，主要是由于油膜厚度不易建 立，不能形成稳定的油膜。 1 3 表面织构技术 表面织构【2 6 】( s u r f a c et e x t u r e ) 即固体表面规律分布的微几何形状。通常在摩擦副表面加工 出具有一定尺寸和规则排列的几何形貌( 如微小凹坑或是沟槽等) ，因其优异的降低摩擦、减小 6 南京航空航天大学硕士学位论文 磨损和提高承载能力等特性，被证明是改善摩擦副表面摩擦学特性的一种有效手段 2 7 - 2 8 l 。 在奇妙的自然界中有着很多具有启发意义的现象，科学家们通过对自然界细微的观察，从 中总结出对人类有意义的经验。同样对于表面织构大家并不陌生，只是没有仔细关注它。科学 家们发现在自然界中存在着很多非光滑的表面，但是他们却具有光滑表面所不具备的许多优异 性能。图1 9 列举了自然界中我们常见的几种具有表面微结构的动植物表面比如( a ) 中由于荷 叶表面布满了大小在几微米到十几微米之间的突起而产生的“自清洁效应”1 2 9 】；( b ) 中鲨鱼表 皮上具有精细间隔的磷脊，磷脊间有圆谷，可以大大减小鲨鱼在水中快速游动时的阻力1 3 0 】；( c ) 中雌神农蜣螂前胸背板非光滑表面结构的存在使其对生活环境中的土壤具有防粘降阻的功能 【3 l 】。 ( a ) 荷叶表面；( b ) 鲨鱼体表；( c ) 蜣螂体表 图1 9 自然界中的表面织构 对于表面织构技术，国内外也进行了大量的研究，研究内容主要包括表面织构的加工方法 和工艺以及表面织构减磨的机理。 1 3 1 表面织构的加工技术研究 表面织构的应用得益于微细加工技术的快速发展，由于不同加工技术的各种优点使得对不 同材料和结构的表面织构加工方法有了很大的选择空间。从而能够设计和制造出理想的表面微 织构，为表面织构技术的深入研究提供了基础。目前主要有：激光加工技术、压刻技术、微细 电解加工技术、离子刻蚀技术等。 ( 1 ) 激光表面造型技术 激光表面造型技术【3 2 1 ，是指利用一定能量密度的激光束，在工件工作表面上形成与润滑性 能要求优化匹配的、连续均匀的、并具有一定密度( 间距) 、宽度、深度、角度及形状的贮存和 输送润滑油的沟槽、纹路或凹腔。机械部件中，如发动机气缸套、活塞环、端面机械密封环等 都可成为激光表面造型的加工对象。激光加工过程中功率、脉宽、聚光强度等参数易于控制， 且加工速度快、效率高，但由于激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，工件表面易 产生热影响区、变质层以及微裂纹等；同时激光加工影响因素较多，因此其精密微细加工精度 ( 尤其是重复精度和表面粗糙度) 不易保证。 7 轴向柱塞泵配流副的织构化及其摩擦学性能研究 ( 2 ) 压刻技术 压刻技术是指由压印工具在工件的表面压刻出具有规则特征的表面形貌，即将压印工具的 表面形貌复制到工件上去，其加工原理如图1 1 0 所示。2 0 0 3 年，瑞典学者p e t t e r s s o nu 等【j 引 利用通过蚀刻技术制作的金刚石工具在工件表面制作出了规则排列的凹坑和沟槽形貌，并对其 摩擦学特性进行了研究。研究表明：试验过程中所用的压印工具具有高硬度和高精度的特点， 并且能够有效的在零件表面加工出需要的微造型。但是由于金刚石压印工具具有成本高，制作 工艺复杂的特点，并且工具表面金刚石容易脱落，所以有待继续深入研究。 图1 1 0 压刻工艺及加工试件 ( 3 ) 微细电解加工技术 微细电解加工技术是微细制造技术【3 4 1 的一个重要组成部分，它是利用金属在特定的电解液 中发生电化学反应，从而使阳极溶解的原理对工件进行加工的方法。从电解加工的机理上看， 阳极上的工具是因为失去电子后成为离子，从而溶解到电解液当中去，所以材料的去除是以离 子为尺度的，所以加工精度非常高。又因为在电解加工的过程中工具电极和工件不直接接触， 具有加工材料范围广，不受材料硬度、强度和韧性的影响的特点，并且工件加工表面无应力、 工具电极无损耗、无变形以及热影响区、加工表面质量好p 5 1 。而且由于工艺技术水平的提升和 设备性能的发展，使微细电解加工技术的应用领域得到了进一步的扩展。图1 11 为南京航空航 天大学用高频脉冲微细加工技术加工的微结构。 图 图1 1 1 高频脉冲微细电解加工的微细结构 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 3 ) 刻蚀技术 刻蚀技术是指选择性地清除掉薄膜层上无遮蔽的部分，根据刻蚀的原理不同分为湿法刻蚀 和干法刻蚀。湿法刻蚀的过程是将具有抗蚀光刻胶的基底放入化学腐蚀剂中，胶层镂空处得基 底材料在化学腐蚀的作用下被腐蚀掉，湿法腐蚀不仅可以用于硅材料，还可以用于金属、玻璃 等许多材料，被广泛应用于微细结构图形制备。而干法刻蚀则是利用气体腐蚀剂去除材料，采 用等离子刻蚀已经成为一种主要的刻蚀方法。其中南京航空航天大学的王晓雷【3 6 1 教授利用反应 离子刻蚀技术在s i c 表面加工出直径为3 5 0 i ，u n 和4 0 p x n 的微凹坑织构，研究了水润滑条件下表 面织构的摩擦磨损性能。 1 3 2 表面织构减磨机理研究 对于表面织构的减磨机理的研究，最早可以追溯到上世纪5 0 年代，1 9 5 2 年，m e s a l a m a 3 7 l 博士在实验中发现：在滑动过程中，由于推力轴承表面的微观形貌的存在，能够在轴承表面形 成一定的流体动压来支撑所受载荷。经过多年的研究，专家学者针对不同的摩擦润滑状态，对 表面织构减磨的机理做了分类，如图1 1 2 所示为典型的s t r i b e c k 曲纠3 引，它表示滑动轴承的润 滑状态转化过程和摩擦系数随无量纲化轴承特性数( 叩c p ) 的变化规律。在s t r i b e c k 曲线中分 为几个不同的润滑状态，在各种不同的润滑状态中，表面织构的减摩机理又不一样。 l o 1 0 籁0 0 1 圜 辎 避0 0 0 1 0 0 0 0 1 r u p 图1 1 2s t r i b e c k 曲线 在非液体润滑摩擦条件下，对于硬质材料来说，表面织构可以吸收接触表面间材料因为磨 损而产生的颗粒，以减少因为这些磨屑所产生的犁耕作用，从而降低磨损：如图1 1 3 所示。而 对于粘弹性材料，表面织构的作用主要体现在减小摩擦副的接触面积，达到减小粘附、减小摩 擦的效果。 9 轴向柱塞泵配流副的织构化及其摩擦学性能研究 在流体润滑状态下，表面织构减摩主要体现在两个机理：流体动压润滑机理和二次润滑机 理。对于流体动压润滑理论起源于1 9 6 6 年h a m i l t o n 提出的利用摩擦表面的凸起来产生动压润 滑效果的想法，该想法认为凸起的一边与摩擦副的另一面之间形成收敛楔而产生流体动压力， 同时凸起另一边与摩擦副另一面之间产生发散楔从而导致负压，但是由于“气穴”的作用而得 到抑制，最终在相对运动的表面产生额外的承载力，其原理如图1 1 4 所示。 而“二次润滑”机理主要体现在边界和混合润滑的条件下，如图1 1 5 所示，在摩擦副表面 相对运动的过程中，存储在凹坑织构中的润滑液可以被当做润滑液的二次供给源，这些润滑液 可以补充到摩擦副的接触表面，从而达到降低摩擦和磨损的作用，“二次润滑”机理在摩擦副表 面在边界润滑的条件下的作用尤为明显。 形尼 材料1 1 图1 1 3 非液体润滑条件下织构减磨机理 0 w ( b ) 润滑过程中 图1 1 4 流体润滑下织构减磨机理 图1 1 5 边界润滑条件下织构减磨机理 1 4 本文的主要研究内容及意义 综上所述，轴向柱塞泵配流副的润滑状态对柱塞泵的工作性能( 压力，工作效率，噪声等) 有着巨大的影响，正因为如此，国内外的许多专家对此进行了大量的研究，这些研究主要集中 在以下几个方面： 1 0 南京航空航天大学硕十学位论文 1 配流副密封区域压力场分布规律的研究； 2 配流副油膜间隙的试验研究： 3 配流盘结构形式对柱塞泵流量脉动特性影响的研究； 4 配流盘和缸体零部件变形的有限元分析计算研究。 在这些研究中，学者们多数将目光放在改善配流副材料和表面处理方法上，然而由于柱塞 泵高压、大流量的工作状况的影响，使得这些技术并不是能很好的解决上述问题。考虑到合理 的表面织构设计能够产生流体动压效果，从而提高承载能力，起到减小磨损、降低摩擦的作用， 故可考虑在配流盘表面设计出不同的表面微造型来改善配流副的摩擦润滑特性。 在表面织构的加j 方面，本田公司所用的喷丸处理方法，存在不能精确控制表面织构的参 数( 如直径等) 的问题，而激光加工的方法又存在织构形状的最小尺寸有限等问题。综合考虑， 故采用电解加工技术来进行表面织构的加工，这是因为电解加j 二能够精确控制加上因素，并且 具有加工效率高，无热应力等优点。因此，用电解加工的方法制作表面织构，并应用于轴向柱 塞泵配流副润滑特性的研究，具有很好的应用前景和价值。 在本课题中采用自制的偏载型平面对磨试验机，模拟配流副在实际工况条件下的润滑状态。i 通过微细电解加工的方法在配流盘试样表面加工出具有不同深度、不同直径以及不同面积率的 凹坑型表面织构，研究在不同的试验条件下表面织构对于抗磨减摩效果的影响，并通过正交试 验的方法合理的选择试验因素，来考察表面织构的不同参数对润滑状态的影响大小，并优化出 合适的参数集合。 本论文主要分为五章： 第一章绪论部分主要介绍了课题的研究背景和意义，以及对于柱塞泵配流副润滑状态的研 究现状和表面织构技术的发展和应用。 第二章主要介绍了摩擦试验机各个机构的工作原理和设计方案。 第三章详细介绍了配流副润滑状态的摩擦学准备工作，包括试样的选用和加工，以及初步 的摩擦学试验。 第四章通过正交试验设计，对表面织构的各参数对配流副磨损性能的影响进行了分析，分 析出对配流副磨损性能的织构参数的主次作用。 第五章主要是对本文工作的总结及以后工作的展望。 轴向柱塞泵配流副的织构化及其摩擦学性能研究 第二章试验原理及试验机设计 2 1 轴向柱塞泵工作原理 轴向柱塞泵是将多个柱塞轴向配置在一个共同缸体的圆周上，并使柱塞中心线和缸体中