水液压达拉带仿生织构表面的摩擦学特性研究

水液压达拉带仿生织构表面的摩擦学特性研究

0水液压马达关键副的研究背景近年来，随着石油资源的持续消耗，传统的能源行业面临着巨大的环境压力。因此，国内外相关研究人员在使用新动力介质方面做出了大量研究。其中,最为看好的水液压传动,其优势十分明显,但伴随优势而来的还有摩擦磨损、腐蚀和冲蚀等一系列问题影响水液压马达发展的难点就在于其关键摩擦副的研制。相较于传统的油压传动,水液压马达的关键摩擦副面临着更为严格的要求。为了使水液压马达可以在水环境中正常运行,对高硬度、抗腐蚀和耐磨损等材料的研究已经成为水液压元件研究过程中不可缺少的环节。随着工程陶瓷、高分子材料等新型材料的出现,水液压传动技术取得了长足的进步由此可知,在此基础上探索低速大扭矩水液压马达关键摩擦副新的摩擦磨损及润滑机理,以提高其抗磨损性能、承载能力、润滑特性及工作寿命等,具有重要的学术价值及工程意义。本文将基于有限元数值分析理论,利用ANSYSWorkbench工作平台接触摩擦分析方法,对比研究带仿生织构的水液压马达关键摩擦副/配流体摩擦学特性,为阐述表面仿生织构提高其抗磨损性能、承载能力、润滑特性及工作寿命等机理提供理论依据;并由此获得合理的微观结构,从而达到减轻磨损的目的。1重要摩擦代理的三维数值分析1.1数值模拟材料和网格划分ANSYSWorkbench的三维模型既可以通过自身建模模块获得,也可通过导入其他三维软件生成的模型来获得。在实际分析中,由于涉及较为复杂的仿生单元阵列,本文采用SolidWorks/UGNX三维软件建立实体模型,然后导入ANSYSWorkbench中进行模拟分析。在理想状态下,水液压马达的工作模式为水润滑,但实际一般为混合摩擦,而且有可能出现间歇的干摩擦;并且所有机构之间的接触和摩擦情况也非常复杂,仿真模拟时有些条件还无法准确地模拟计算,因此,本次仿真研究中,仅针对配流体/转子体摩擦副进行有限元数值模拟计算,以分析摩擦副上、下端面在干摩擦情况下所受接触应力的大小以及分布。同时,假设本文中的各部件使用材料是均匀连续,并且各向同性的。在接下来的研究中,本文将通过联合仿真,以研究其在水润滑状态下的运动状态。模拟配流体/转子体摩擦副的实际受力情况,以及等效应力的分析,需要对各个部件相应的材料属性进行定义。本次仿真实验中,转子体所使用的材料为316L不锈钢,其具有较高的强度、良好的塑韧性和耐蚀性,其热膨胀系数在20℃～300℃范围内约为17.5×1610K;具有较低的热导率(400℃时,约为18W/(m·K))、较高的弹性模量(400℃时,约为160GPa)和较低的屈服强度(400℃时,约为200MPa)。配流体选择CFRPEEK作为仿真模拟材料,其具有优良的力学性能、耐高温性能、耐溶性能和良好的耐磨损性能。其性能参数如表1所示。本次模拟中,选用ANSYSWorkbench静力结构分析模块StaticStructural。由于ANSYSWorkbench中不含有这两种材料,需要根据已知的材料特性进行设定。在EngineeringDate中新建材料,在左边工作区中,选择PhysicalProperties分区下Density、IsotropicSecantCoefficientofThermal和LinearElastic分区下的IsotropicElasticity,对新建材料的密度、热膨胀系数、弹性模量(泊松比)等数据进行设定,由此得到仿真实验所需材料。在有限元模拟分析中,网格划分的质量直接影响分析结果的准确度。因此,本次模拟中将装配体文件转存为.step格式后,导入ANSYSWorkbench,在ANSYSMultiphysics中对模型进行网格划分。ANSYSWorkbench的网格划分作为一个独立的工具平台,为ANSYS的不同求解器提供相应的网格文件。将Mesh模块设置后进行Update操作后,形成网格有限元模型。1.2摩擦磨损实验导入ANSYSMultiphysics后,系统会检测出装配体接触的情况,对其接触对进行设置。其中,需要用到的摩擦系数等数据,通过摩擦磨损试验机对摩擦副试样进行实验测试所得到。利用实验数据,设置摩擦接触对。配流体与转子体的摩擦定义为摩擦接触(Frictional),摩擦接触算法采用增广拉格朗日法(AugmentedLagrange);配流体与转子体的接触之间无间隙,同时又允许彼此间相互滑动,定义为不分离(NoSeparation)。分析过程中,对转子体施加轴向旋转速度,并添加无摩擦约束保证旋转进程;同时,在配流体上添加固定约束。2转子体等效应力分析利用ANSYSWorkbench后处理部分对配流体/转子体摩擦副的摩擦接触面的等效应力进行分析,得到摩擦副在干摩擦过程中的等效应力云图,如图1所示。从图1可以看出:仿生微织构对于摩擦副接触表面的等效应力具有明显的改善作用。2.1接触条件分析对于配流副摩擦效应分析,本文选取课题组实验中所确定的减磨耐磨效果较好的双织构(上圆柱下锥)水液压马达配流副,建立简易的分析模型。根据实验中得到的摩擦系数,与上文中设置的分析方法进行分析,由此得到上端面凹坑的不同深径比,对下端面锥形坑直径1mm在干摩擦情况下等效应力的分布云图,不同深径比下最大及最小摩擦应力值,以及深径比与摩擦副等效摩擦应力间的关系图。其中,考虑到圆孔在分析中的重要影响,采用高级尺寸功能中的On:Curvature对圆孔周围进行均匀的网格划分。上端面凹坑的不同深径比,对下端面锥形坑直径1mm在干摩擦情况下等效应力的分布云图,如图2所示。不同深径比下最大及最小摩擦应力值如表2所示。深径比与摩擦副等效摩擦应力间的关系图如图3所示。从图(2,3)及表2中可以看出:两者间为非线性关系,当2.2凹坑密度与应力笔者选用深径比为上端面凹坑密度对最大接触应力的影响如图4所示。不同凹坑密度下最大及最小摩擦应力如表3所示。凹坑密度与摩擦副等效摩擦应力间的关系图如图5所示。从图(4,5)及表3中可以看出:两者之间也为非线性关系;当凹坑密度从小增大时,最大接触应力呈现出波动下降的趋势;当凹坑直径回到原直径,并且凹坑密度大约增加到9%时,接触应力达到最小。3带仿生配流片的密度及深径比对微织构应力的影响本研究介绍了带仿生织构的水液压马达配流副,并基于有限元数值分析理论,利用ANSYSWorkbench工作平台接触摩擦分析方法,分析了不同密度及不同深径比凹坑对双织构(上圆柱下锥)低速大扭矩水液压马达配流副等效摩擦应力的影响,对比研究了带仿生织构的水液压马达关键摩擦副