水液壓柱塞泵摩擦副材料極限pv值

李東林， 劉明偉， 張 良， 郭富航， 劉銀水

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 河南 洛陽 471003； 2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

引言

以海水或淡水為工作介質(zhì)的水液壓系統(tǒng)具有綠色環(huán)保、安全高效等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于浮力調(diào)節(jié)、海水淡化和消防等領(lǐng)域[1]。水液壓柱塞泵是水液壓系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)件，為系統(tǒng)提供壓力和流量。

然而，由于水的低黏度、弱潤滑和強(qiáng)腐蝕的挑戰(zhàn)，水液壓柱塞泵的摩擦副常處于混合潤滑甚至干摩擦的狀態(tài)[2]，這對摩擦副材料提出了嚴(yán)苛的要求。為此，國內(nèi)外學(xué)者對水潤滑摩擦副配對材料進(jìn)行了大量研究。

國外，20世紀(jì)70年代美國海軍工程試驗室進(jìn)行了大量的海水潤滑摩擦副材料配對試驗，發(fā)現(xiàn)水潤滑環(huán)境下摩擦副很難實(shí)現(xiàn)流體潤滑，金屬與金屬配對時，摩擦系數(shù)較高；塑料與金屬配對時，摩擦系數(shù)和磨損量都低于其他配對方案[3]。2001年葡萄牙阿韋羅大學(xué)的DAVIM等[4]在銷 - 盤接觸形式的試驗機(jī)上對碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(PEEK)與316 L不銹鋼在水潤滑條件下摩擦特性進(jìn)行了研究，接觸比壓3～5 MPa，相對滑動速度0.02～0.1 m/s，發(fā)現(xiàn)PEEK的摩擦磨損性能主要受表面粗糙度、相對滑動速度和接觸比壓的影響。

國內(nèi)，焦素娟等[5]采用環(huán) - 塊接觸形式的摩擦試驗機(jī)，在0.84 m/s的滑動速度下，研究了改性聚醚醚酮與不銹鋼在水潤滑下對磨的摩擦磨損特性，并對其磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。唐群國等[6]采用端面 - 端面接觸形式摩擦試樣，在0.46 MPa和0.77 MPa的接觸比壓、0.68～3.40 m/s的滑動速度下，對熱處理強(qiáng)化的2Cr13不銹鋼與碳纖維增強(qiáng)PEEK在水潤滑下的摩擦特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在相同工況下經(jīng)過離子滲氮提高表面硬度的試樣的摩擦系數(shù)低于未熱處理的試樣。張振華等[7]采用端面摩擦試驗機(jī)，在1.33 MPa和3.32 MPa接觸比壓、1 m/s和1.5 m/s滑動速度下，對比研究了碳纖維增強(qiáng)PEEK和碳纖維、聚四氟乙烯、石墨復(fù)合填充PEEK與AISI630不銹鋼的摩擦磨損特性，結(jié)果表明：碳纖維、聚四氟乙烯、石墨復(fù)合填充PEEK具有更好的摩擦學(xué)性能。張增猛等[8]發(fā)現(xiàn)在水潤滑下316 L與PTFE和石墨及碳纖維填充PEEK的摩擦系數(shù)、磨損量最小。

李東林等[9]采用端面摩擦試驗機(jī)，在0.61 MPa和1.83 MPa接觸比壓、0.68 m/s和1.36 m/s的滑動速度下， 研究了水介質(zhì)溫度對CFRPEEK摩擦磨損的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)CFRPEEK的磨損率隨著介質(zhì)溫度的升高而增加。王志強(qiáng)等[10]采用端面 - 端面接觸形式，在0.106 MPa接觸比壓和0.157 m/s滑動速度下，研究了具有仿生非光滑織構(gòu)表面316 L不銹鋼與CFRPEEK在海水潤滑條件下的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)非光滑表面配對材料的摩擦系數(shù)比光滑表面的摩擦系數(shù)小。WU等[11]設(shè)計了具有模擬海深壓力的摩擦試驗機(jī)，研究了431不銹鋼與CFRPEEK在0～8000 m海深下的摩擦磨損特性。

對于水液壓柱塞泵，基于材料pv值的滑靴、配流盤和柱塞等關(guān)鍵摩擦副仍是十分有效的手段。然而，現(xiàn)有的水潤滑摩擦副材料實(shí)驗大多用于材料對比、研究摩擦學(xué)規(guī)律，試驗的接觸比壓、滑動速度與泵中摩擦副的真實(shí)狀態(tài)有較大差異。因此，本研究以摩擦學(xué)性能優(yōu)異的1Cr17Ni2/CFRPEEK作為摩擦副配對材料，在接近泵內(nèi)摩擦副真實(shí)狀態(tài)的摩擦試樣接觸形式、接觸比壓(p)和滑動速度(v)等條件下，研究摩擦副材料的極限比功(pv值)，進(jìn)而指導(dǎo)水液壓柱塞泵的設(shè)計和使用。

1 摩擦副pv值分析

1.1 泵的結(jié)構(gòu)原理

水液壓柱塞泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，泵總體結(jié)構(gòu)為軸向雙支承斜盤后置柱塞式盤配流結(jié)構(gòu)。工作原理如下：在主軸的驅(qū)動下，缸孔內(nèi)的柱塞隨之旋轉(zhuǎn)，在彈簧和液壓力的作用下，滑靴始終貼緊斜盤滑動，柱塞在缸孔內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動，使得柱塞腔的體積發(fā)生變化，柱塞腔的水通過配流盤與泵的入口和出口相通，當(dāng)柱塞腔的體積增大時，低壓水介質(zhì)被吸入柱塞腔；反之，當(dāng)柱塞腔的體積減小時，柱塞腔中的水介質(zhì)在擠壓的作用下壓力升高，被排出柱塞腔。該泵柱塞與缸套構(gòu)成的柱塞副、滑靴與斜盤構(gòu)成的滑靴副、浮動盤與配流盤構(gòu)成的配流副均采用水潤滑。該泵額定壓力6 MPa，最大壓力10 MPa，額定轉(zhuǎn)速1000 r/min，最大轉(zhuǎn)速1800 r/min。

1.主軸 2.配流盤 3.浮動盤 4.缸套 5.柱塞組件 6.大軸承7.斜盤 8.回程盤 9.回程彈簧 10.缸體 11.小軸承圖1 水液壓柱塞泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a water hydraulic piston pump

1.2 摩擦副的pv值計算

1) 柱塞副

根據(jù)柱塞的運(yùn)動學(xué)分析，其運(yùn)動速度為：

vp=ωRtanγsinωt

(1)

式中,R—— 柱塞分布圓半徑

γ—— 斜盤傾角

ω—— 缸體的旋轉(zhuǎn)速度

t—— 時間

由泵的結(jié)構(gòu)可知，在斜盤對滑靴的支撐力作用下，柱塞與缸套產(chǎn)生接觸比壓pp，其值可表示為[12]：

(2)

式中，F(xiàn)1—— 柱塞的接觸力

d—— 柱塞直徑

Φ—— 柱塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其值為Φ=1+2/

f—— 柱塞與缸孔之間的摩擦系數(shù)

l—— 柱塞長度

l0—— 柱塞留缸長度，l0=lmin+Rtanγ(1-cosωt)

lmin—— 柱塞與缸孔最小留缸長度

柱塞的慣性力Fg=-mRω2tanγcosωt，其中m為柱塞滑靴組件的質(zhì)量；柱塞的離心力Fpc=mRω2；液壓力Fhp=pπd2/4。則柱塞副的比功pvp可表示為：

(3)

2) 滑靴副

根據(jù)滑靴的運(yùn)動學(xué)分析，其運(yùn)動速度為：

(4)

滑靴采用剩余壓緊力設(shè)計方法，其接觸比壓ps可以表示為：

(5)

Fs—— 中心彈簧力

λs—— 壓緊系數(shù)

r1,r2—— 分別為滑靴密封帶內(nèi)、外半徑

滑靴副的比功pvs可表示為：

(6)

3) 配流盤

配流副的相對滑動速度為：

(7)

式中，R1和R4分別為配流盤內(nèi)密封帶的內(nèi)半徑和外密封帶的外半徑。根據(jù)配流副的受力關(guān)系，其接觸比壓pv為[12]：

(8)

式中，F(xiàn)hv—— 高壓區(qū)柱塞對配流盤的壓緊力

zh—— 高壓區(qū)柱塞的個數(shù)

Fb—— 配流盤高壓區(qū)所形成的支撐力

φ—— 配流盤高壓區(qū)的包角

R2,R3—— 配流盤內(nèi)密封帶的外半徑和外密封帶的內(nèi)半徑

配流副比功pvv可表示為：

pvv=pv·vv

(9)

1.3 pv值計算結(jié)果分析

已知柱塞直徑d=36 mm，分布圓半徑R=60 mm，柱塞數(shù)量z=7，柱塞滑靴組件質(zhì)量m=0.706 kg，柱塞與缸孔之間的摩擦系數(shù)f=0.05，柱塞與缸孔最小留缸長度lmin=67.3 mm，柱塞長度l=104 mm，斜盤傾角γ=15°，壓緊系數(shù)λs=1.05，中心彈簧力Fs=960 N，滑靴內(nèi)密封帶半徑r1=14.5 mm，外半徑r2=21.4 mm，配流盤內(nèi)密封帶內(nèi)半徑R1=46 mm，外半徑R2=50.5 mm；配流盤外密封帶內(nèi)半徑R3=64.5 mm，外半徑R4=69 mm，配流盤高壓區(qū)的包角φ=168.4°。將以上數(shù)據(jù)代入式(1)～式(9)，可分別計算三大摩擦副的p和pv值。

由額定工況下圖2a可知，柱塞的pp和pvp值的變化規(guī)律，當(dāng)轉(zhuǎn)角為0°時，達(dá)到最大接觸比壓ppmax，但此時pvp值為0；當(dāng)轉(zhuǎn)角約為65.5°時，柱塞最大比功pvpmax為7.26 MPa·m/s。從圖2b可以看出，ppmax和pvpmax值隨著壓力和轉(zhuǎn)速的升高而增加，且轉(zhuǎn)速的影響更大，當(dāng)壓力6 MPa，轉(zhuǎn)速n從1500 r/min增加到3000 r/min 時，ppmax由8.38 MPa增至18.60 MPa，pvpmax值由13.96 MPa·m/s增至61.22 MPa·m/s。

圖2 柱塞副的載荷和速度特征Fig.2 Load and velocity characteristics of piston pairs

由圖3可知，額定工況下滑靴的ps值較小(最大值psmax為0.94 MPa)，但其pvs值較大(最大值達(dá)5.93 MPa·m/s)；此外，隨著轉(zhuǎn)速的增加滑靴的ps和pvs值顯著增大，6 MPa時，轉(zhuǎn)速從1500 r/min增加到3000 r/min時，滑靴最大比功pvsmax值由11.36 MPa·m/s增加到49.27 MPa·m/s。

圖3 滑靴副的載荷和速度特征Fig.3 Load and velocity characteristics of slipper pairs

由圖4可以看出，配流副的pv和pvv值的呈周期變化。6 MPa，1000 r/min時最大比壓pvmax和最大比功pvvmax值分別為2.00 MPa和12.04 MPa·m/s。此外，配流副的pvmax與轉(zhuǎn)速無關(guān)，只隨著壓力的增加而增加；pvvmax值與轉(zhuǎn)速為一次方關(guān)系，6 MPa，1500 r/min時，最大pvvmax值可達(dá)18.06 MPa·m/s。

圖4 配流副的載荷和速度特征Fig.4 Load and velocity characteristics of valve-plate pair

由以上計算可知，在6 MPa，1000 r/min的額定工況下，柱塞副、滑靴副和配流副的最大p，v和pv值如表1所示，其中柱塞接觸比壓最大、速度較小且是往復(fù)運(yùn)動，工況最為惡劣。

表1 三大摩擦副最大p，v和pv值Tab.1 Maximum p,v and pv values of three friction pairs

2 配對副材料極限pv值實(shí)驗

2.1 實(shí)驗原理與過程

水液壓柱塞泵中關(guān)鍵摩擦副均為面接觸形式，且摩擦副均有流動的水介質(zhì)潤滑。環(huán) - 塊接觸形式理論上為線接觸，端面 - 端面接觸形式水介質(zhì)難以進(jìn)入摩擦面，兩者均不能模擬泵中摩擦副的狀態(tài)。而銷 - 盤形式為面接觸形式，且有流動的水介質(zhì)潤滑，與泵內(nèi)摩擦副潤滑狀態(tài)接近。因此，本研究以銷 - 盤接觸形式進(jìn)行CFRPEEK與1Cr17Ni2的摩擦磨損試驗，分析不同接觸比壓和速度對其摩擦學(xué)性能的影響， 并獲得摩擦特性惡化的臨界點(diǎn)，獲得CFRPEEK的極限p值(接觸比壓)和pv值(比功)，為水液壓柱塞泵設(shè)計和使用提供依據(jù)。參考柱塞副的接觸比壓和速度，本摩擦磨損實(shí)驗的線速度分別取1，2， 3 m/s，p值以5 MPa為起始值，依次增加5 MPa，直到無法進(jìn)行摩擦試驗為止。材料的磨損率按下式計算：

(10)

式中， Δm,ρ—— 試樣磨損量和密度

FN，L—— 試樣之間的接觸力和相對滑動距離

每組試驗均采用未使用過的摩擦試樣，重復(fù)3次。所得到的摩擦系數(shù)和磨損率為3次試驗的平均值。

2.2 實(shí)驗結(jié)果與分析

圖5為線速度1 m/s時，不同p值下CFRPEEK的摩擦系數(shù)f隨時間的變化曲線。從中可以看出，接觸比壓5～30 MPa，CFRPEEK的摩擦系數(shù)都有一段明顯磨合階段，且比壓越大，磨合期越短；接觸比壓5～15 MPa，CFRPEEK的摩擦系數(shù)經(jīng)過磨合期的下降后保持穩(wěn)定，無明顯變大的趨勢。然而，當(dāng)接觸比壓為25 MPa時，CFRPEEK的摩擦系數(shù)經(jīng)過磨合階段后，隨著試驗時間的延長而顯著增大。特別地，當(dāng)接觸比壓為30 MPa時，磨合階段僅為3 min左右，摩擦系數(shù)由0.08迅速下降到約0.06，累計運(yùn)行27 min后，摩擦系數(shù)出現(xiàn)波動，跳至0.07以上，該組試驗僅持續(xù)68 min，試樣的磨損量很大，有大塊CFRPEEK碎片剝離，之后停機(jī)。

圖5 CFRPEEK摩擦系數(shù)隨時間的變化Fig.5 Variation of friction coefficient of CFRPEEK with time

圖6為線速度1 m/s時，不同p值下CFRPEEK的平均摩擦系數(shù)和磨損率，CFRPEEK的平均摩擦系數(shù)隨著接觸比壓的增加而升高，當(dāng)接觸比壓從5 MPa增加到20 MPa時，平均摩擦系數(shù)由0.035逐漸升至0.053；當(dāng)接觸比壓大于20 MPa時，CFRPEEK的平均摩擦系數(shù)跳升至0.07以上，增幅明顯。接觸比壓5～20 MPa，CFRPEEK的摩擦率小于等于1.11×10-7mm3/(N·m)，屬于正常磨損工況；接觸比壓25 MPa時，磨損率達(dá)到了4.3×10-7mm3/(N·m)，磨損較快；當(dāng)接觸比壓為30 MPa時，CFRPEEK磨損率為856.9×10-7mm3/(N·m)，是20 MPa時磨損率的800多倍，進(jìn)入非正常磨損工況。

圖6 CFRPEEK平均摩擦系數(shù)和磨損率Fig.6 Average friction coefficient and wear rate of CFRPEEK under different contact pressure

圖7為接觸比壓30 MPa、線速度1 m/s時，CFRPEEK磨損后的外觀和表面形貌，從材料磨損后的外觀可以看出，試樣的摩擦面被嚴(yán)重破壞，大塊的CFRPEEK碎片從試樣上剝離，使得摩擦面凹凸不平，試驗載荷超出材料極限，斷裂破壞特征明顯。從放大200倍的表面形貌可以看出，碳纖維從基體中分離出來，材料發(fā)生明顯的擠壓、分層和塑性變形。造成材料失效的原因一方面是接觸比壓大，使材料發(fā)生塑性變形，在交變載荷的作用下，試樣表面出現(xiàn)斷裂破壞；另一方面，載荷大，接觸區(qū)域的水膜變薄，潤滑作用變差，使得配對副的摩擦系數(shù)變大，在大的載荷和速度下，發(fā)熱量急劇增加，摩擦副的界面溫度隨之升高，高的界面溫度降低了CFRPEEK的強(qiáng)度和硬度，加速了材料的失效。

圖7 CFRPEEK磨損后的外觀和表面形貌Fig.7 Appearance and surface morphology of worn CFRPEEK

同樣的方法，可以獲得線速度分別為2 m/s和3 m/s下CFRPEEK平均摩擦系數(shù)和磨損率，結(jié)果如圖8和圖9所示。特別地，當(dāng)接觸比壓分別大于20 MPa和15 MPa時，摩擦系數(shù)和磨損率都很大，摩擦試驗不能持續(xù)進(jìn)行。

圖8 不同接觸比壓CFRPEEK平均摩擦系數(shù)和磨損率(線速度2 m/s)Fig.8 Average friction coefficient and wear rate of CFRPEEK under different contact pressure (linear velocity 2m/s)

圖9 不同接觸比壓CFRPEEK平均摩擦系數(shù)和磨損率(線速度3 m/s)Fig.9 Average friction coefficient and wear rate of CFRPEEK under different contact pressure (linear velocity 3 m/s)

綜合以上不同轉(zhuǎn)速和接觸比壓下的摩擦磨損數(shù)據(jù)，獲得摩擦學(xué)特性顯著惡化的工況區(qū)間，進(jìn)而繪制CFRPEEK的極限接觸比壓隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖10所示。從圖中可知，線速度1 m/s時，接觸比壓從20 MPa升至25 MPa時，平均摩擦系數(shù)由0.053跳到0.072，磨損率由1.11×10-7mm3/(N·m)增至4.3×10-7mm3/(N·m)，在此載荷區(qū)間，材料的摩擦磨損特性明顯惡化。因此，線速度1 m/s時，CFRPEEK的極限p值應(yīng)該在20～25 MPa之間。按此分析方法，可得線速度2 m/s和3 m/s時CFRPEEK的極限p值的區(qū)間分別是15～20 MPa和10～15 MPa。

圖10 CFRPEEK的極限p值Fig.10 Limit p value of CFRPEEK

將圖11得到的極限p值與對應(yīng)線速度相乘，可得CFRPEEK的極限pv值，如圖11所示，圖中的封閉區(qū)域為CFRPEEK極限pv值的取值區(qū)域，推薦取下限，極限pv值約為20～30 MPa·m/s，轉(zhuǎn)速較高時，考慮到動壓效應(yīng)，可取較大值；轉(zhuǎn)速低時，不僅要限制pv值，還要避免p值過大，防止CFRPEEK塑性變形。

圖11 CFRPEEK的極限pv值Fig.11 Limit pv value of CFRPEEK

3 泵內(nèi)摩擦副的試驗驗證

3.1 試驗原理

在真實(shí)泵內(nèi)對摩擦副pv值進(jìn)行試驗驗證，如圖12所示，實(shí)驗系統(tǒng)原理詳見文獻(xiàn)[13]。在6 MPa，1000 r/min的額定工況下對泵樣機(jī)進(jìn)行耐久性考核，通過測量泵的效率和摩擦副的尺寸變化來驗證泵摩擦副比功的合理性。根據(jù)表1和圖11的結(jié)論，極限pv值(取20 MPa·m/s)與各摩擦副最大pv值的比值，即材料使用裕度分別為：2.75，3.37和1.66。

圖12 泵樣機(jī)耐久性試驗Fig.12 Durability test of pump prototype

3.2 試驗結(jié)果

經(jīng)過200 h耐久性試驗，對泵的效率進(jìn)行測試，結(jié)果如圖13所示。出口壓力pout為6 MPa，轉(zhuǎn)速1000 r/min和1500 r/min時，泵的容積效率ηv分別為94.8%和96.9%；當(dāng)泵出口壓力為10 MPa時，不同轉(zhuǎn)速下的容積效率分別為92.6%和93.0%，容積效率保持在較高的水平；機(jī)械效率ηm方面，當(dāng)轉(zhuǎn)速不超過1000 r/min， 5～10 MPa，機(jī)械效率均達(dá)到93.3%以上；總效率η方面，壓力6 MPa，轉(zhuǎn)速1000 r/min和1500 r/min時的總效率分別為90.2%和86.9%。因此，泵內(nèi)摩擦副設(shè)計合理，泵的效率較高。

圖13 泵的效率特性曲線Fig.13 Pump efficiency characteristic curve

拆機(jī)檢查各零部件無異常損壞，零件表面無明顯銹斑，主要摩擦副表面光滑，無明顯偏磨，外觀如圖14所示。斜盤和浮動盤磨損痕跡輕微，磨痕深度小于0.003 mm。柱塞缸套直徑平均增加量小于0.002 mm，內(nèi)孔無明顯溝槽。

圖14 泵主要運(yùn)動零部件摩擦面的外觀Fig.14 Appearance of friction surface of main moving parts of pump

4 結(jié)論

本研究采用銷 - 盤接觸形式，對水液壓柱塞泵1Cr17Ni2/CFRPEEK摩擦副材料的極限pv值進(jìn)行了實(shí)驗研究，分析了不同接觸比壓和滑動速度下的摩擦磨損特性，并在泵樣機(jī)內(nèi)進(jìn)行了驗證，得到了如下結(jié)論：

(1) 以CFRPEEK摩擦系數(shù)和磨損率顯著惡化的載荷區(qū)間為依據(jù)，得到了CFRPEEK的極限pv值為20～30 MPa·m/s，轉(zhuǎn)速較高時，可取大值；轉(zhuǎn)速低時，不僅要限制pv值，還要避免p值過大導(dǎo)致CFRPEEK塑性變形;

(2) 研制的泵樣機(jī)在柱塞副、滑靴副和配流副最大pv值分別為7.26，5.93，12.04 MPa·m/s的工況下累計進(jìn)行200 h耐久性考核，泵的總效率為90.2%，各摩擦副表面光滑、磨損量極小，表明基于極限pv值的泵摩擦副材料設(shè)計和選用合理。