軸向柱塞泵摩擦副功率損失分析與表面形貌設(shè)計研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、節(jié)能和高效是當(dāng)今液壓傳動技術(shù)研究的一個重點和難點,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系統(tǒng)能量的利用率,有助于降低系統(tǒng)裝機功率和發(fā)熱量,提高系統(tǒng)可靠性和工作壽命,為主機裝備的最終用戶帶來可觀的經(jīng)濟效益,因此,液壓傳動系統(tǒng)直接泵控、無閥化是其未來發(fā)展趨勢。在泵控系統(tǒng)中,作為動力源的軸向柱塞泵,其全工況效率性能在整機液壓傳動系統(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)生機理與摩擦副節(jié)能高效設(shè)計技術(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)計奠定理論基礎(chǔ),提供設(shè)計方法,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)研究價值。
  本學(xué)位論文首先基于數(shù)學(xué)理論分析、動態(tài)仿真建模和試驗測試相結(jié)合的方法,對軸向柱塞泵在不同壓力、轉(zhuǎn)速和排量等級工況下的效率,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)生機理進行了研究,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,在低壓工況時泵也處于低效區(qū),且在低效區(qū)時泵總效率的降低在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功率損失源;為此,論文接著進一步地以柱塞副為研究對象,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)解油膜流體潤滑方程,通過提出的基于有限元(FEM)軟件的摩擦界面計算節(jié)點規(guī)則化設(shè)置及變形矩陣精準(zhǔn)計算方法,

4、獲得與油膜流體求解域計算節(jié)點一一對應(yīng)的系列變形矩陣,基于變形矩陣對彈性變形方程進行離散化,通過將變形矩陣融入于油膜流體計算程序內(nèi)部,實現(xiàn)油膜流體域與摩擦偶件固體域融于一體的、單一計算領(lǐng)域環(huán)境下的高效雙向固液耦合計算,在此基礎(chǔ)上,進一步建立起了柱塞副油膜流體動力潤滑計算模型,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力潤滑計算模型,并分析了柱塞副油膜的固液耦合作用現(xiàn)象及其潤滑承載機理;另一方面,為在實踐中考察柱塞副的潤滑承載性能,以

5、中、大排量等級及高速高壓為設(shè)計參數(shù),研制了基于斜盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的柱塞副三軸力解耦與同步測試裝置,實現(xiàn)對柱塞副中徑向方向的油膜負(fù)載力、以及相對較小的軸向摩擦力的既解耦獨立又實時同步的檢測,基于柱塞副三軸力測試裝置,測試分析了不同轉(zhuǎn)速及壓力工況下柱塞副的摩擦學(xué)性能,并對建立的柱塞副油膜潤滑模型等理論模型進行了實驗驗證;論文最后,基于建立的柱塞副油膜潤滑模型,提出了柱塞副表面形貌摩擦學(xué)設(shè)計與分析方法,通過理論與實驗測試分析了不同表面形貌結(jié)構(gòu)的摩擦

6、界面對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型缸體試件對應(yīng)的柱塞副相對比,在不同試驗工況下其減摩率最高達到-40.1%,最低時也達到了-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)域軸向分布長度為柱塞與柱塞孔最大接觸長度的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,對國內(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)計相關(guān)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,在此基礎(chǔ)上確定了本學(xué)位論文的研究內(nèi)容和技術(shù)難點。
  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、動態(tài)仿真建模和試驗測試相結(jié)合的方法,對軸向柱塞泵在不同壓力、轉(zhuǎn)速及排量等級下的效率,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)生機理進行研究。
  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)象及其潤滑承載機理,建立油膜潤滑計算模型,為節(jié)能高效、高可靠性柱塞副結(jié)構(gòu)的設(shè)計奠定理論研究基礎(chǔ)。
  第四章,柱塞副力學(xué)特性測試方法研究與試驗分析。研制中、

9、大排量等級高壓高速柱塞副三軸力解耦與同步測試裝置,實現(xiàn)對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,測試分析不同工況下柱塞副的摩擦學(xué)性能,并對建立的柱塞滑靴組件動力學(xué)數(shù)學(xué)模型,柱塞副油膜潤滑模型以及試驗臺主體機構(gòu)動力學(xué)仿真模型進行實驗驗證。
  第五章,柱塞副表面形貌摩擦學(xué)設(shè)計與性能強化。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)計與分析方法,通過理論及實驗研究不同表面形貌結(jié)構(gòu)對柱塞副減摩抗磨

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