單磨粒的轉子配流盤摩擦磨損規(guī)律研究

袁夢霞

摘要：航空液壓泵的故障問題中，柱塞泵中轉子-配油盤摩擦副對于保持液壓泵的容積效率非常重要，而磨粒磨損是造成其泄漏的主要原因。現(xiàn)根據(jù)磨粒磨損理論，結合轉子與配流盤間的實際情況，建立了磨粒磨損理論模型，提出了配流盤上磨粒的磨損量期望的理論計算方法。由轉子配流盤間的間距仿真結果，得出轉子與配流盤間的間距呈周期性起伏。并為磨損量的實時曲線仿真提出了可行的流程方案。進行了數(shù)值計算，通過matlab仿真模擬了磨粒在磨損過程中的壓入深度變化。

關鍵詞：磨粒磨損;轉子配流盤;摩擦學

引言

航空液壓泵是飛機起飛、操縱、起落架收放和剎車的關鍵部件。飛機液壓泵一旦發(fā)生故障，輕則引起飛機液壓系統(tǒng)不正常工作，重則造成機毀人亡，帶來巨大的經(jīng)濟損失和不良的國際影響。據(jù)統(tǒng)計，航空液壓泵80%以上的故障是由于磨損污染造成的。尤其是飛機液壓系統(tǒng)向高壓化方向發(fā)展，油液污染導致的液壓泵磨損愈加顯著[1]。而在這磨損之中，柱塞泵中轉子-配油盤摩擦副對于保持液壓泵的容積效率非常重要，試驗數(shù)據(jù)表明[2]，該摩擦副的泄漏量占液壓泵全泵泄漏量的70%以上。國內(nèi)外大量學者都針對該摩擦副的磨損進行了大量研究工作。

一直以來，磨損是國內(nèi)外摩擦學研究的重要部分。人們對磨損機理的分析和理解也愈加成熟。Jacobson?等[3]建立了考慮多個磨粒同時作用的純切削過程的統(tǒng)計學模型。利用該模型研究了磨粒尺寸、載荷及工件表面硬度對磨損率的影響。預測了發(fā)生接觸的磨粒數(shù)量和磨損表面形貌。方亮等人[4]為探討三體磨料磨損中磨料顆粒粒徑的分布對材料磨損性能的影響，通過試驗結合正態(tài)概率分布坐標分析的方法，比較準確地得到磨料粒徑的分布情況。Arnold?Ismailov等[5]人用硬度不同的兩種磨粒粉進行了磨損實驗，發(fā)現(xiàn)對于硬度低的磨粒，滑行速度越快，越不易磨損。對于硬度高的磨粒，速度越快，磨損越嚴重。

轉子與配流盤間的磨粒磨損是一個非常復雜的過程，這是一個實時變化的隨機過程，并且磨粒的分布也具有隨機性。所以多年以來，對于轉子與配流盤間的磨粒磨損研究主要集中在實驗基礎上。探索不同磨粒對應的磨損情況，泄漏量與磨損量的關系等，而少有人對轉子與配流盤間的磨粒磨損有直接的計算及研究磨損規(guī)律。

本文參考了前人的研究方法和一些結論，針對轉子配流盤間的具體情況，提出了自己的理論計算。研究了磨粒在轉子配流盤摩擦磨損規(guī)律。

1.液壓泵轉子配流盤摩擦磨損機理分析

1.1?結構及工作原理

柱塞泵是液壓系統(tǒng)的一個重要裝置。它依靠柱塞在缸體中往復運動，使密封工作容腔的容積發(fā)生變化來實現(xiàn)吸油、壓油。目前，大部分的民用飛機大部分依然使用的是軸向柱塞泵，來滿足其高壓、大流量和流量易調(diào)節(jié)的需求。如圖2.1所示，軸向柱塞泵主要由傳動軸、配流盤、缸體、斜盤等組成。軸向柱塞泵按結構分類，主要有斜盤式軸向柱塞泵和斜軸式軸向柱塞泵。

圖?1?軸向柱塞泵結構圖

2.轉子配流盤磨粒磨損分析

為了方便計算，對磨粒磨損做如下假設：

（1）假設磨粒為剛性小球。

（2）磨粒位置隨機。

（3）轉子的硬度大于配流盤的硬度，因此磨損的狀況主要發(fā)生在配流盤上，只考慮在配流盤上的磨損。

2.1不考慮材料的變化的摩擦磨損

（1）平均壓強的計算

在接觸力學中，如果發(fā)生磨損，可以分為彈性磨損和塑性磨損。假設產(chǎn)生磨損的臨界進入深度為。根據(jù)接觸力學理論[6]。當，材料屈服開始。當，開始發(fā)生塑性變形。

而對于壓力P的求解，可根據(jù)壓入深度求解。

圖2磨粒壓入示意圖

由上圖的幾何關系，可以求解出，?D為磨粒的直徑，為壓入深度。

，當，為完全彈性變形，由得。

，當，彈塑變形。

，當，完全塑性變形。由得。

然而，這樣的載荷計算只限于光滑平面上的磨損，而實際中，磨損是在粗糙平面上進行的。需要加入一個修正系數(shù)

A為實際接觸面積，為光滑平面接觸面積。與表面形貌有關，是一個不確定量。

（2）彈性變形和塑性變形的判斷

克拉蓋爾斯基（Kragelskii）提出，假定用尖端半徑為d的球形磨粒在金屬表面壓入深度并劃動，根據(jù)的比值不同，即接觸特性的不同，可以將磨粒和表面的相互作用劃分為如下幾類，對于鐵基合金，當

彈性變形

塑性變形

切削

磨損量比例與有關。越大即壓入越深，越大?？梢约僭O成線性關系：

，

由牛頓第二定律知：。

3.結論

轉子與配流盤間的間距存在周期性的正弦起伏變化。由于出油高壓區(qū)的間距較小，高壓區(qū)附近的磨損最為嚴重。通過理論推導與計算，得到了磨粒在轉子配流盤間的磨損期望計算公式。另外，本文為磨損的實時曲線仿真提出了可行的流程方案。計算了粒徑為的磨粒隨轉子轉動，在配流盤配流盤上的壓入深度曲線。在彈性變形區(qū)域，可見壓入深度隨著轉子配流盤間的高度減小而快速增長。當進入塑性變形區(qū)域，壓入深度減慢。

參考文獻：

[1]葛薇，王少萍.航空液壓泵磨損狀況預測[N].???北京航空航天大學學報，?2011-11.

[2]張文超，王少萍，趙四軍.?柱塞泵三對摩擦副對回油流量的影響分析[C].?第五屆全國流體傳動與控制學術會議暨2008年中國航空學會液壓與氣動學術會議論文集，?2008：?965-970

[3]Jacobson?S，Wallen?P，Hogmark?S.?Fundamental?aspects?of?abrasive?wear?studied?by?a?new?numerical?simulation?model[J].?Wear，1998，123：207-223.

[4]杜道山，方?亮，李從心.三體磨料磨損中磨料粒徑分布測定試驗研究.潤滑與密封，總第167期，2005年1月.