斜盘式柱塞行走马达配流盘的球冠形微观织构引起缸体振动的机理研究

摘要

行走马达是斜盘式轴向柱塞马达、控制阀组、行星减速机构集成的用于行走驱动、吊装升降的集成装置，广泛应用于工程机械、船舶、农业机械、航空等相关领域中。量大面广的工程机械液压系统效率低下，国内外学者分别从液压系统设计、高效率元件选择、能量再生储备和按需分配功率等方面进行研究，提高其效率，其中，提高工程机械液压系统液压动力元件与执行元件本身效率，尤其是泵马达的效率，效果较为明显，有利于实现低成本，低污染，高能效的目标。
　　在行走马达整个功率损失中，配流盘可以引起5％左右的摩擦功率损失，3％左右的泄漏功率损失。研究如何降低配流盘引起的功率损失，是提高行走马达效率的关键所在。国内外学者纷纷运用表面成形与织构技术，新材料与表面涂覆技术，先进生产制造技术，进行研究。本课题结合国际流体动力传动领域学科前沿，运用表面成形与织构技术，偿试在行走马达配流盘上下死点区域加工球冠形微观织构以减摩提效，建立了球冠形微观织构配流副楔形油膜数学模型，并进行数值计算与研究分析，设计了高分辨率行走马达性能测试实验台与行走马达配流盘摩擦性能测试实验台，并进行摩擦性能测试，从实验上验证:在行走马达配流盘表面加工球冠形微观织构可以起到减摩提效的作用。
　　美国著名学者Ivantysynova Monika团队与韩国学者Shin J H，Kim K W.在研究配流盘整体表面波浪形微观织构减摩提效过程中，以及德国HubertusMurrenhoff团队在研究配流盘整体表面椭球形微观织构减摩提效过程中，发现缸体会产生振动现象，但没有给出相应的机理分析，本文作者对行走马达配流盘表面球冠形微观织构引起缸体振动机理进行了分析，提出了“球冠形微观织构稳定油膜厚度”与“临界稳定油膜厚度”概念，用以判断球冠形微观织构配流盘与缸体组成的配流副稳定运行的判据，并设计低成本接触式配流副油膜厚度测量装置，成功测试出球冠形微观织构配流副油膜厚度变化情况。阐明了困绕国际学者的问题—行走马达配流盘表面球冠形微观织构引起缸体振动的机理。
　　本课题将以研制出高效率、长寿命、完全国产化的行走马达为目标，研究球冠形微观织构配流盘摩擦性能，球冠形微观织构配流副楔形油膜润滑特性，球冠形微观织构配流盘行走马达缸体振动机理，安装球冠形微观织构配流盘行走马达效率特性，并设计研发相应的实验装置进行实验验证，为球冠形微观织构配流盘行走马达减摩提效的研究和开发提供参考，这与当前所倡导的绿色环保、能源节约大政方针相一致。
　　论文主要分为以下几部分:
　　第一章是全文综述。介绍了本课题研究背景—美国Ivantysynova Monika团队与韩国学者Shin J H, Kim K W.提出轴向柱塞泵配流盘整体表面波浪形微观织构减摩提效新方法，以及德国Hubertus Murrenhoff团队提出轴向柱塞泵配流盘整体表面椭球形微观织构减摩提效新方法，进一步分析了摩擦学领域微观织构减摩国内外研究现状，基于机械密封振动模型与行走马达缸体振动模型相似性考虑，分析了微观织构机械密封振动国内外研究现状，同时分析了最近国际上轴向柱塞泵、马达微观织构摩擦副研究现状与存在问题，最后阐述了选题依据与研究意义。
　　激光加工球冠形微观织构最适合作为行走马达配流盘上下死点区域减摩提效微观织构。著名学者研究选择的微观织构造型繁多，通常研究选择造型为:正方形，三角形，圆柱形，波浪形，球冠形微观织构，只有分析对比出它们的油膜负载能力等特性，才能选择出适合行走马达配流盘使用的微观织构。经过分析对比，本文优选出球冠形微观织构作为行走马达配流盘表面采用的微观织构。美国著名学者Ivanty synova Monika团队与韩国学者Shin J H，Kim K W.在研究配流盘整体表面波浪形微观织构减摩提效过程中，以及德国Hubertus Murrenhoff团队在研究配流盘整体表面椭球形微观织构减摩提效过程中，发现缸体会产生振动现象，由于在斜盘式轴向柱塞泵配流盘高低压腔密封带处加工微观织构，会使斜盘式轴向柱塞泵缸体所受到的不平衡推开力矩增加，这样，斜盘式轴向柱塞泵缸体绕正交坐标直径角度摆动幅度会更加严重，不利于斜盘式轴向柱塞泵缸体的稳定性运行。所以需要偿试改变微观织构在配流盘表面分布方式，在减小缸体振动的前提下，还能够提高微观织构油膜负载能力，优化缸体受力，减小摩擦磨损程度。所以本文偿试在配流盘上下死点区域加工球冠形微观织构进行减摩提效研究。球冠形微观织构分布于配流盘上下死点区域表面，当配流盘结构参数变化时，需要研究球冠形微观织构配流副楔形油膜润滑特性，因此，第二章建立了正方形，三角形，圆柱形，波浪形，球冠形微观织构的油膜控制方程，并采用有限差分法对其进行了求解，对比分析了这几种微观织构的油膜负载能力;建立了行走马达球冠形微观织构配流副楔形油膜控制方程、油膜形态方程，并进行无量纲化，最后采用有限差分法对其进行求解分析。分析了行走马达配流盘的密封带宽度、液压油粘度、缸体转速、初始油膜厚度、缸体倾斜角度等对其压力分布，性能参数、坐标等影响。
　　优化造型的球冠形微观织构可以明显地降低配流盘摩擦系数，减小磨损。当行走马达配流盘结构参数确定后，球冠形微观织构结构参数与分布形式变化，对球冠形微观织构配流副楔形油膜润滑特性均会产生影响，需要对其进行研究，优化出行走马达配流盘表面采用的球冠形微观织构结构参数与分布形式，因此，第三章建立了球冠形微观织构配流副楔形油膜润滑方程、油膜形态方程，并进行无量纲化，最后对其进行求解分析。分析了微孔直径、深度、面积率变化对配流副油膜压力分布、推开力、推开力矩、摩擦力、摩擦系数、摩擦扭矩、液膜平均刚度的影响;同时设计开发了行走马达配流盘摩擦性能测试实验台，并且加工了不同造型球冠形微观织构的配流盘，进行摩擦性能测试，经过实验发现:采用优化造型的球冠形微观织构的配流盘，可以明显地降低摩擦系数，减小磨损。
　　当“球冠形微观织构稳定油膜厚度”小于“临界稳定油膜厚度”时，行走马达配流盘表面球冠形微观织构引起缸体的振动消失或减轻。美国著名学者Ivantysynova Monika团队与韩国学者Shin J H，Kim K W.在研究配流盘整体表面波浪形微观织构减摩提效过程中，以及德国Hubertus Murrenhoff团队在研究配流盘整体表面椭球形微观织构减摩提效过程中，发现缸体会产生振动现象，但没有研究其产生振动的机理，严重影响了这一研究方向继续可靠地向前发展，本文作者对行走马达配流盘表面球冠形微观织构引起缸体振动机理进行了分析，因此，第四章分析了球冠形微观织构配流盘行走马达缸体受力情况，建立了球冠形微观织构配流盘行走马达缸体振动的数学模型—轴向振动和角度摆动（章动）模型，分析了缸体振动的机理，基于最小功率损失，求解了各工况下最佳油膜厚度，同时运用根轨迹方法进行稳定性判断。同时建立了球冠形微观织构配流副油膜厚度测量实验装置，可以用于实时在线测量行走马达球冠形微观织构配流副油膜厚度、温度变化，发现球冠形微观织构提高配流副油膜厚度作用不明显，但是可以降低配流副油膜温度。
　　在配流盘表面加工球冠形微观织构，一定工况下，可以优化行走马达缸体受力，同时可以降低其周围的磨损程度。配流盘表面加工球冠形微观织构对行走马达效率影响;球冠形微观织构对行走马达配流盘实际工况摩擦磨损性能影响;从理论与实验两方面均需进行验证，因此，第五章对行走马达配流盘的球冠形微观织构引起效率变化进行了仿真分析;自行设计了高分辨率行走马达性能测试实验台，对行走马达效率进行测试，发现在配流盘表面加工球冠形微观织构，一定工况下，可以优化行走马达缸体受力，适当提高行走马达效率;将不同造型球冠形织构的配流盘安装于同一行走马达上进行测试，对比分析不同造型球冠形织构配流盘对行走马达效率影响;并采用电子显微镜对测试过的配流盘进行观测，通过对比分析球冠形微观织构配流盘表面摩擦磨损情况，发现在配流盘表面加工球冠形微观织构，可以降低其周围的磨损程度。
　　第六章对本文的研究工作进行了总结，对进一步的研究提出了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．1．1 研究背景

1．1．2 行走马达简介

1．2 微观织构减摩国内外研究现状

1．2．1 微观织构减摩国内研究现状

1．2．2 微观织构减摩国外研究现状

1．3 微观织构机械密封振动国内外研究现状

1．3．1 微观织构机械密封振动国内研究现状

1．3．2 微观织构机械密封振动国外研究现状

1．4 轴向柱塞泵、马达微观织构摩擦副研究现状

1．4．1 国内研究现状

1．4．2 国外研究现状

1．5 选题依据和研究意义

1．5．1 选题依据

1．5．2 研究意义

第二章 倾斜缸体球冠形微观织构配流副摩擦特性研究

2．1 微观织构造型研究

2．1．1 微观织构几何造型研究

2．1．2 微观织构结构与特性分析

2．1．3 行走马达配流盘球冠形微观织构模型提出

2．2 球冠形微观织构配流副数学建模

2．2．1 球冠形微观织构配流副数学模型分析

2．2．2 球冠形微观织构配流副数学模型无量纲化

2．2．3 球冠形微观织构配流副控制网格模型研究

2．2．4 球冠形微观织构配流副数学模型线性化

2．2．5 球冠形微观织构配流副数学模型收敛判据

2．3 球冠形微观织构配流副油膜形态

2．3．1 球冠形微观织构配流副油膜形态方程建模

2．3．2 球冠形微观织构配流副油膜形态方程无量纲化

2．3．3 球冠形微观织构配流副油膜形态方程离散化

2．4 球冠形微观织构配流副数学模型解析

2．4．1 球冠形微观织构配流副数学模型边界条件

2．4．2 球冠形微观织构区域及布局

2．4．3 球冠形微观织构配流副性能参数

2．4．4 球冠形微观织构配流副数学模型程序流程

2．4．5 倾斜缸体无织构油膜形态及压力分布云图

2．4．6 倾斜缸体球冠形微观织构油形态度及压力分布云图

2．5 不同工况参数下倾斜缸体球冠形微观织构配流副性能变化趋势

2．5．1 缸体倾角对其性能影响

2．5．2 密封带宽度对其性能影响

2．5．3 缸体转速对其性能影响

2．5．4 液压油粘度对其性能影响

2．5．5 初始油膜厚度对其性能影响

2．6 倾斜缸体球冠形微观织构配流副仿真分析

2．7 本章小结

第三章 球冠形微观织构行走马达机械效率研究

3．1 倾斜缸体球冠形微观织构结构参数变化对其性能影响

3．1．1 球冠形微观织构面积率变化对其性能影响

3．1．2 球冠形微观织构深度变化对其性能影响

3．1．3 球冠形微观织构半径变化对其性能影响

3．2 平行缸体球冠形微观织构结构参数变化对其性能影响

3．2．1 球冠形微观织构面积率变化对其性能影响

3．2．2 球冠形微观织构深度变化对其性能影响

3．2．3 球冠形微观织构半径变化对其性能影响

3．3 球冠形微观织构结构参数优化

3．3．1 基于最大推开力约束函数球冠形微观织构结构参数优化

3．3．2 球冠形微观织构结构参数优化流程

3．4 球冠形微观织构配流副仿真分析

3．5 球冠形微观织构配流副摩擦性能实验研究

3．5．1 球冠形微观织构配流盘实验材料

3．5．2 球冠形微观织构配流副摩擦性能实验方案

3．5．3 激光加工配流盘球冠形微观织构装备

3．5．4 球冠形微观织构配流副摩擦实验机

3．5．5 球冠形微观织构配流副摩擦实验装置

3．6 球冠形微观织构配流副摩擦性能实验数据分析

3．6．1 不同转速下摩擦性能变化趋势

3．6．2 不同压力下摩擦性能变化趋势

3．7 本章小结

第四章 针对球冠形微观织构配流盘行走马达缸体的轴向稳定性分析

4．1 行走马达缸体推开力

4．2 行走马达缸体压紧力及力矩

4．2．1 缸体压紧力

4．2．2 缸体压紧力矩

4．2．3 缸体弹簧压紧力

4．2．4 柱塞体摩擦力

4．2．5 配流冲击振动模型

4．3 缸体振动模型

4．3．1 缸体的运动方程

4．3．2 缸体动力学方程

4．3．3 初始参数

4．4 缸体振动特性

4．4．1 缸体轴向振动特性

4．4．2 缸体轴向振动稳定性频域分析

4．4．3 最佳油膜厚度与临界稳定油膜厚度

4．5 行走马达配流盘的球冠形微观织构引起缸体振动程序设计流程

4．6 微观织构配流副油膜厚度测量实验测试原理

4．6．1 微位移传感器标定

4．6．2 测试装置控制电路及编程算法

4．6．3 球冠形微观织构配流副油膜厚度测量系统

4．7 球冠形微观织构配流副油膜性能实验研究

4．7．1 行走马达油膜厚度测量分析

4．7．2 不同工况参数下油膜厚度研究

4．7．3 球冠形微观织构配流副油膜温度研究

4．8 本章小结

第五章 球冠形微观织构配流盘行走马达综合效率研究

5．1 球冠形微观织构配流盘行走马达综合效率改善

5．1．1 不同直径下球冠形微观织构综合效率研究

5．1．2 不同面积率下球冠形微观织构综合效率研究

5．1．3 球冠形微观织构配流盘行走马达综合效率计算流程

5．2 球冠形微观织构配流盘行走马达性能实验台搭建

5．2．1 球冠形微观织构配流盘行走马达综合效率计算

5．2．2 球冠形微观织构配流盘行走马达性能测试实验原理

5．2．3 球冠形微观织构配流盘行走马达性能测试技术研究

5．3 球冠形微观织构配流盘行走马达性能测试分析

5．3．1 球冠形微观织构配流盘行走马达综合效率分析

5．3．2 行走马达球冠形微观织构配流盘磨损分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢