軸向柱塞泵摩擦副功率損失分析與表面形貌設(shè)計(jì)研究.pdf

1、節(jié)能和高效是當(dāng)今液壓傳動(dòng)技術(shù)研究的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，變排量泵控系統(tǒng)取代閥控系統(tǒng)，可以顯著提高液壓傳動(dòng)系統(tǒng)能量的利用率，有助于降低系統(tǒng)裝機(jī)功率和發(fā)熱量，提高系統(tǒng)可靠性和工作壽命，為主機(jī)裝備的最終用戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，因此，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)直接泵控、無閥化是其未來發(fā)展趨勢(shì)。在泵控系統(tǒng)中，作為動(dòng)力源的軸向柱塞泵，其全工況效率性能在整機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)效率性能中的影響已日漸凸顯，本學(xué)位論文基于這一背景，對(duì)全工況下軸向柱塞泵效率與能耗變化、分布特征，及能

2、耗產(chǎn)生機(jī)理與摩擦副節(jié)能高效設(shè)計(jì)技術(shù)展開研究，目的在于為節(jié)能高效、高可靠性軸向柱塞泵摩擦副的設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)，提供設(shè)計(jì)方法，提高軸向柱塞泵綜合性能，選題具有廣泛的工程應(yīng)用背景和重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。
　　本學(xué)位論文首先基于數(shù)學(xué)理論分析、動(dòng)態(tài)仿真建模和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)軸向柱塞泵在不同壓力、轉(zhuǎn)速和排量等級(jí)工況下的效率，以及軸向柱塞泵內(nèi)部分布于各摩擦副處的摩擦損失、容積損失等能耗變化、分布特征與產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)軸向柱塞泵總效

3、率隨著排量的減小而快速降低，在低壓工況時(shí)泵也處于低效區(qū)，且在低效區(qū)時(shí)泵總效率的降低在68～97％的程度上是由摩擦副處摩擦損失引起的，其中柱塞副及滑靴副處的摩擦損失是軸向柱塞泵主要的兩個(gè)功率損失源;為此，論文接著進(jìn)一步地以柱塞副為研究對(duì)象，提出了柱塞副油膜與摩擦界面結(jié)構(gòu)體間固液耦合作用變形矩陣法求解方法，該方法基于有限容積法(FVM)解油膜流體潤(rùn)滑方程，通過提出的基于有限元(FEM)軟件的摩擦界面計(jì)算節(jié)點(diǎn)規(guī)則化設(shè)置及變形矩陣精準(zhǔn)計(jì)算方法，

4、獲得與油膜流體求解域計(jì)算節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的系列變形矩陣，基于變形矩陣對(duì)彈性變形方程進(jìn)行離散化，通過將變形矩陣融入于油膜流體計(jì)算程序內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)油膜流體域與摩擦偶件固體域融于一體的、單一計(jì)算領(lǐng)域環(huán)境下的高效雙向固液耦合計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立起了柱塞副油膜流體動(dòng)力潤(rùn)滑計(jì)算模型，以及油膜與摩擦界面結(jié)構(gòu)體之間的耦合作用彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑計(jì)算模型，并分析了柱塞副油膜的固液耦合作用現(xiàn)象及其潤(rùn)滑承載機(jī)理;另一方面，為在實(shí)踐中考察柱塞副的潤(rùn)滑承載性能，以

5、中、大排量等級(jí)及高速高壓為設(shè)計(jì)參數(shù)，研制了基于斜盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的柱塞副三軸力解耦與同步測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞副中徑向方向的油膜負(fù)載力、以及相對(duì)較小的軸向摩擦力的既解耦獨(dú)立又實(shí)時(shí)同步的檢測(cè)，基于柱塞副三軸力測(cè)試裝置，測(cè)試分析了不同轉(zhuǎn)速及壓力工況下柱塞副的摩擦學(xué)性能，并對(duì)建立的柱塞副油膜潤(rùn)滑模型等理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;論文最后，基于建立的柱塞副油膜潤(rùn)滑模型，提出了柱塞副表面形貌摩擦學(xué)設(shè)計(jì)與分析方法，通過理論與實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了不同表面形貌結(jié)構(gòu)的摩擦

6、界面對(duì)柱塞副減摩性能的影響，得到了一種新型的順錐形柱塞孔表面形貌結(jié)構(gòu)，對(duì)比于傳統(tǒng)的柱形結(jié)構(gòu)柱塞副，新型的順錐形結(jié)構(gòu)的柱塞副在全工況范圍內(nèi)具有更小的泄漏損失，更好的減摩抗磨性能，在工藝性方面也不難于實(shí)現(xiàn)加工制造，其中的順錐形柱塞孔結(jié)構(gòu)的S20型缸體試件對(duì)應(yīng)的柱塞副，與傳統(tǒng)的柱形柱塞孔結(jié)構(gòu)的Z30型缸體試件對(duì)應(yīng)的柱塞副相對(duì)比，在不同試驗(yàn)工況下其減摩率最高達(dá)到-40.1％，最低時(shí)也達(dá)到了-22.1％，綜合最優(yōu)的順錐形柱塞孔表面形貌幾何結(jié)構(gòu)為:

7、柱塞孔中錐形區(qū)域高度差為柱形區(qū)域柱塞與柱塞孔間隙大小的46.67％，錐形區(qū)域軸向分布長(zhǎng)度為柱塞與柱塞孔最大接觸長(zhǎng)度的49.44％。
　　論文主要結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章，指出了論文研究的背景和意義，對(duì)國(guó)內(nèi)外主要的軸向柱塞泵科研院所和企業(yè)相關(guān)研究情況進(jìn)行調(diào)研，綜述了軸向柱塞泵摩擦副功率損失分析及表面形貌摩擦學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上確定了本學(xué)位論文的研究?jī)?nèi)容和技術(shù)難點(diǎn)。
　　第二章，軸向柱塞泵全工況下效

8、率及能耗變化與分布特征分析。采用數(shù)學(xué)理論分析、動(dòng)態(tài)仿真建模和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)軸向柱塞泵在不同壓力、轉(zhuǎn)速及排量等級(jí)下的效率，以及各摩擦副處的摩擦損失、容積損失等能耗變化、分布特征與產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究。
　　第三章，分析柱塞副間隙內(nèi)油膜與摩擦界面結(jié)構(gòu)體間的固液耦合作用現(xiàn)象及其潤(rùn)滑承載機(jī)理，建立油膜潤(rùn)滑計(jì)算模型，為節(jié)能高效、高可靠性柱塞副結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定理論研究基礎(chǔ)。
　　第四章，柱塞副力學(xué)特性測(cè)試方法研究與試驗(yàn)分析。研制中、

9、大排量等級(jí)高壓高速柱塞副三軸力解耦與同步測(cè)試裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)柱塞副中徑向方向的油膜負(fù)載力及軸向摩擦力的同步檢測(cè)，測(cè)試分析不同工況下柱塞副的摩擦學(xué)性能，并對(duì)建立的柱塞滑靴組件動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，柱塞副油膜潤(rùn)滑模型以及試驗(yàn)臺(tái)主體機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　第五章，柱塞副表面形貌摩擦學(xué)設(shè)計(jì)與性能強(qiáng)化。分析柱塞副摩擦界面微觀形貌幾何結(jié)構(gòu)的建模方法，提出柱塞副表面形貌摩擦學(xué)設(shè)計(jì)與分析方法，通過理論及實(shí)驗(yàn)研究不同表面形貌結(jié)構(gòu)對(duì)柱塞副減摩抗磨