轴向柱塞泵摩擦副功率损失分析与表面形貌设计研究

摘要

节能和高效是当今液压传动技术研究的一个重点和难点，变排量泵控系统取代阀控系统，可以显著提高液压传动系统能量的利用率，有助于降低系统装机功率和发热量，提高系统可靠性和工作寿命，为主机装备的最终用户带来可观的经济效益，因此，液压传动系统直接泵控、无阀化是其未来发展趋势。在泵控系统中，作为动力源的轴向柱塞泵，其全工况效率性能在整机液压传动系统效率性能中的影响已日渐凸显，本学位论文基于这一背景，对全工况下轴向柱塞泵效率与能耗变化、分布特征，及能耗产生机理与摩擦副节能高效设计技术展开研究，目的在于为节能高效、高可靠性轴向柱塞泵摩擦副的设计奠定理论基础，提供设计方法，提高轴向柱塞泵综合性能，选题具有广泛的工程应用背景和重要的学术研究价值。
　　本学位论文首先基于数学理论分析、动态仿真建模和试验测试相结合的方法，对轴向柱塞泵在不同压力、转速和排量等级工况下的效率，以及轴向柱塞泵内部分布于各摩擦副处的摩擦损失、容积损失等能耗变化、分布特征与产生机理进行了研究，发现轴向柱塞泵总效率随着排量的减小而快速降低，在低压工况时泵也处于低效区，且在低效区时泵总效率的降低在68～97％的程度上是由摩擦副处摩擦损失引起的，其中柱塞副及滑靴副处的摩擦损失是轴向柱塞泵主要的两个功率损失源;为此，论文接着进一步地以柱塞副为研究对象，提出了柱塞副油膜与摩擦界面结构体间固液耦合作用变形矩阵法求解方法，该方法基于有限容积法(FVM)解油膜流体润滑方程，通过提出的基于有限元(FEM)软件的摩擦界面计算节点规则化设置及变形矩阵精准计算方法，获得与油膜流体求解域计算节点一一对应的系列变形矩阵，基于变形矩阵对弹性变形方程进行离散化，通过将变形矩阵融入于油膜流体计算程序内部，实现油膜流体域与摩擦偶件固体域融于一体的、单一计算领域环境下的高效双向固液耦合计算，在此基础上，进一步建立起了柱塞副油膜流体动力润滑计算模型，以及油膜与摩擦界面结构体之间的耦合作用弹性流体动力润滑计算模型，并分析了柱塞副油膜的固液耦合作用现象及其润滑承载机理;另一方面，为在实践中考察柱塞副的润滑承载性能，以中、大排量等级及高速高压为设计参数，研制了基于斜盘旋转驱动的柱塞副三轴力解耦与同步测试装置，实现对柱塞副中径向方向的油膜负载力、以及相对较小的轴向摩擦力的既解耦独立又实时同步的检测，基于柱塞副三轴力测试装置，测试分析了不同转速及压力工况下柱塞副的摩擦学性能，并对建立的柱塞副油膜润滑模型等理论模型进行了实验验证;论文最后，基于建立的柱塞副油膜润滑模型，提出了柱塞副表面形貌摩擦学设计与分析方法，通过理论与实验测试分析了不同表面形貌结构的摩擦界面对柱塞副减摩性能的影响，得到了一种新型的顺锥形柱塞孔表面形貌结构，对比于传统的柱形结构柱塞副，新型的顺锥形结构的柱塞副在全工况范围内具有更小的泄漏损失，更好的减摩抗磨性能，在工艺性方面也不难于实现加工制造，其中的顺锥形柱塞孔结构的S20型缸体试件对应的柱塞副，与传统的柱形柱塞孔结构的Z30型缸体试件对应的柱塞副相对比，在不同试验工况下其减摩率最高达到-40.1％，最低时也达到了-22.1％，综合最优的顺锥形柱塞孔表面形貌几何结构为:柱塞孔中锥形区域高度差为柱形区域柱塞与柱塞孔间隙大小的46.67％，锥形区域轴向分布长度为柱塞与柱塞孔最大接触长度的49.44％。
　　论文主要结构如下:
　　第一章，指出了论文研究的背景和意义，对国内外主要的轴向柱塞泵科研院所和企业相关研究情况进行调研，综述了轴向柱塞泵摩擦副功率损失分析及表面形貌摩擦学设计相关技术的研究现状和发展趋势，在此基础上确定了本学位论文的研究内容和技术难点。
　　第二章，轴向柱塞泵全工况下效率及能耗变化与分布特征分析。采用数学理论分析、动态仿真建模和试验测试相结合的方法，对轴向柱塞泵在不同压力、转速及排量等级下的效率，以及各摩擦副处的摩擦损失、容积损失等能耗变化、分布特征与产生机理进行研究。
　　第三章，分析柱塞副间隙内油膜与摩擦界面结构体间的固液耦合作用现象及其润滑承载机理，建立油膜润滑计算模型，为节能高效、高可靠性柱塞副结构的设计奠定理论研究基础。
　　第四章，柱塞副力学特性测试方法研究与试验分析。研制中、大排量等级高压高速柱塞副三轴力解耦与同步测试装置，实现对柱塞副中径向方向的油膜负载力及轴向摩擦力的同步检测，测试分析不同工况下柱塞副的摩擦学性能，并对建立的柱塞滑靴组件动力学数学模型，柱塞副油膜润滑模型以及试验台主体机构动力学仿真模型进行实验验证。
　　第五章，柱塞副表面形貌摩擦学设计与性能强化。分析柱塞副摩擦界面微观形貌几何结构的建模方法，提出柱塞副表面形貌摩擦学设计与分析方法，通过理论及实验研究不同表面形貌结构对柱塞副减摩抗磨性能的影响，设计较易于加工制造的、具有更小容积损失及更好的减摩抗磨性能的表面形貌结构，并验证提出的柱塞副表面形貌摩擦学设计与分析方法的正确性。
　　第六章，对论文的研究结论进行总结，在此基础上提出本博士学位论文的创新点，并展望该研究课题的后续研究方向。

目录

声明

致谢

摘要

符号清单

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 摩擦副功率损失分析及表面形貌摩擦学设计技术研究现状

1．2．1 轴向柱塞泵摩擦副功率损失分析相关研究现状

1．2．2 轴向柱塞泵摩擦副表面形貌摩擦学设计相关技术研究现状

1．3 轴向柱塞泵柱塞副力学特性测试方法研究现状

1．4 课题研究内容和技术难点

1．5 本章小结

第二章 轴向柱塞泵全工况下效率及能耗变化与分布特征分析

2．1 总摩擦损失与总容积损失对比分析及效率特性测试研究

2．1．1 轴向柱塞泵能耗与效率试验测试

2．1．2 全工况下轴向柱塞泵效率变化规律及其特征分析

2．1．3 轴向柱塞泵总摩擦损失与总容积损失对比分析

2．2 轴向柱塞泵能耗显式解析模型建模

2．2．1 轴向柱塞泵动力学分析与建模

2．2．2 轴向柱塞泵液压模型建模

2．2．3 轴向柱塞泵能耗显式解析模型

2．3 摩擦损失分布特征及其变化规律分析

2．3．1 仿真与实验结果对比分析

2．3．2 大排量工况时摩擦损失分布特征分析

2．3．3 低效区时摩擦损失分布特征分析

2．4 容积损失分布特征及其变化规律分析

2．4．1 仿真参数的确定

2．4．2 压缩容积损失与泄漏容积损失对比分析

2．4．3 柱塞副及滑靴副泄漏机理分析

2．4．4 容积损失随排量工况变化规律分析

2．5 本章小结

第三章 柱塞副油膜润滑模型建模与承载机理研究

3．1 摩擦副摩擦界面固液耦合效应现象

3．2 柱塞副油膜流体动力润滑模型建模

3．2．1 柱塞滑靴组件宏观动力学特性分析

3．2．2 柱塞副油膜微观特性数值计算

3．2．3 油膜流体动力润滑模型

3．3 固液耦合作用求解方法及弹流润滑模型建模

3．3．1 变形矩阵法的计算原理

3．3．2 柱塞副摩擦界面节点变形矩阵计算方法

3．3．3 油膜弹流润滑模型

3．4 柱塞副油膜润滑承载机理分析

3．5 本章小结

第四章 柱塞副力学特性测试方法研究与试验分析

4．1 柱塞副三轴力测试方法研究与装置研制

4．1．1 试验台结构原理分析与设计

4．1．2 柱塞滑靴组件回程方法

4．2 试验台中柱塞副与实际泵中柱塞副动力学特性对比分析

4．3 柱塞副三轴力测试装置数据采集系统

4．4 测试与分析

4．4．1 轴向摩擦力干扰因素分析

4．4．2 结果分析与讨论

4．5 本章小结

第五章 柱塞副表面形貌摩擦学设计与性能强化

5．1 摩擦副表面形貌摩擦学设计原理

5．2 柱塞副混合摩擦区域的分布特征

5．3 柱塞副表面形貌摩擦学设计方法与建模

5．4 数值计算结果分析与讨论

5．4．1 不同表面形貌结构铜套的性能对比分析

5．4．2 大范围工况下柱塞副性能对比分析

5．4．3 基于油膜弹流润滑模型的计算结果分析

5．5 实验结果分析与讨论

5．5．1 试件的制备

5．5．2 结果分析与讨论

5．6 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 结论及创新点

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果