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做好液壓柱塞泵的摩擦副有多難?

  • 分類(lèi):公司新聞
  • 作者:超級(jí)管理員
  • 發(fā)布時(shí)間:2023-08-21
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這兩天看《現(xiàn)代制造》期刊采訪(fǎng)液壓專(zhuān)家馬明東的短片,馬明東與日本川崎泵液壓專(zhuān)家交流時(shí),對(duì)方直言不諱的告訴他:中國(guó)能在十年后搞清楚軸向柱塞泵各項(xiàng)摩擦副就不錯(cuò)了。那么問(wèn)題來(lái)了,液壓柱塞泵的摩擦副有那么難做嗎?

                                                              軸向柱塞泵

現(xiàn)代液壓中,液壓柱塞泵作為能量的執(zhí)行裝置,是液壓系統(tǒng)的核心元件之一。以軸向柱塞泵為例,它比徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、制造成本更低、端面配流結(jié)構(gòu)更易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變量,廣泛用于工程機(jī)械、船舶等領(lǐng)域。

1905年,美國(guó)的工程師Janny將礦物油作為傳動(dòng)介質(zhì),設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)斜盤(pán)式軸向柱塞泵,到現(xiàn)在柱塞泵的發(fā)展已有110多年了。雖然柱塞泵細(xì)節(jié)上發(fā)生了很大改變,但是柱塞泵的基本結(jié)構(gòu)并沒(méi)有變化,尤其是其中的三組關(guān)鍵摩擦副,這些摩擦副長(zhǎng)期處于高速、高壓和重載等惡劣工況下,摩擦副就成為決定柱塞泵壽命、可靠性和性能的重要部件。

                                                        K3VG系列軸向柱塞泵示意圖

第一組關(guān)鍵摩擦副為結(jié)構(gòu)圖中的滑靴與斜盤(pán)形成的滑靴副。滑靴軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)還圍繞主軸做圓周運(yùn)動(dòng),在油液的粘性摩擦下,滑靴會(huì)自身旋轉(zhuǎn),運(yùn)動(dòng)特性很復(fù)雜。核心設(shè)計(jì)思路是建立良好的潤(rùn)滑油膜,降低摩擦副磨損,國(guó)際主流的油膜設(shè)計(jì)方法為靜壓支承法和剩余壓緊力法。當(dāng)然,油膜潤(rùn)滑前金屬之間也有磨損,摩擦副的選材同樣重要,如使用銅基和鐵基的配對(duì)使用,ZQA19-4和QT60-2做摩擦副,鐵滑靴可采用冷成型加工,再深冷處理,斜盤(pán)多采用表面氮化提高耐磨性,這也讓我想起自己開(kāi)發(fā)鑄鐵齒輪泵時(shí)的深冷處理、表面氮化了。

第二組為柱塞與缸體形成的柱塞副。工作時(shí)柱塞在缸體內(nèi)做軸向滑動(dòng),實(shí)現(xiàn)柱塞泵的吸油和排油,它會(huì)受到滑靴的反作用力和襯套摩擦力等作用力,導(dǎo)致柱塞存在偏置力矩,加快它的磨損,降低磨損的思路多為開(kāi)均壓槽。這個(gè)思路很像閥桿的均壓槽!柱塞副的配合間隙也要謹(jǐn)慎選擇,過(guò)大會(huì)加大泄漏,過(guò)小會(huì)卡死,一般取柱塞直徑的千分之一為間隙值。

                                                       壓力平衡槽對(duì)閥芯的橫向力影響,張海平某著作

第三組為缸體和配油盤(pán)形成的配流副。配流機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路較多,靜壓支承法、剩余壓緊法和綜合設(shè)計(jì)法。設(shè)計(jì)原理同滑靴副的油膜設(shè)計(jì)法,選材也是。

為了提升功重比,產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向一般為大排量、超高壓。國(guó)外壓力發(fā)展路線(xiàn)一般為21MPa/28MPa/35MPa/56MPa,當(dāng)國(guó)內(nèi)還處在21MPa、28MPa階段時(shí),國(guó)外已以35MPa為主流,并正向56MPa發(fā)展。新的發(fā)展方向需要新型的材料和測(cè)試技術(shù)支撐,目前也發(fā)展出了油膜壓力場(chǎng)試驗(yàn)、油膜溫度場(chǎng)試驗(yàn)等新的測(cè)試方法。

其實(shí)上世紀(jì)七八十年代,哈工大的流體專(zhuān)家許耀銘就已經(jīng)在研究柱塞泵的摩擦副,并提出設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮三個(gè)方面:1)摩擦副采用耐磨材料;2)選用抗磨損能力強(qiáng)的潤(rùn)滑油;3)保證油膜充分潤(rùn)滑。他提出了三種設(shè)計(jì)關(guān)鍵摩擦副的理論方法及使用條件(剩余壓緊力設(shè)計(jì)法、油膜壓力反饋設(shè)計(jì)法、油膜擠壓效應(yīng)設(shè)計(jì)法),這三種方法都是從設(shè)計(jì)上保證摩擦副間形成適當(dāng)厚度的油膜。

                                                                        軸向柱塞泵工作原理

2014年哈工大的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目對(duì)柱塞泵的三組摩擦副壽命、軸承壽命和零件的強(qiáng)度做了詳細(xì)的試驗(yàn)研究。對(duì)上述三組摩擦副給出的結(jié)論是:粗糙度、材料種類(lèi)和硬度是影響磨損的主要因素,其中粗糙度對(duì)摩擦副影響量最大;試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用錳黃銅HMn58-3與20CrMnTi合金鋼碳氮共滲配合的摩擦副磨損情況最為良好。

清華大學(xué)的摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的李玉龍做了更深入的研究。2020年收稿的研究表明,適當(dāng)?shù)谋砻婵棙?gòu)和表面處理方式可以提高柱塞泵摩擦副表面的耐磨性和油膜承載能力,降低摩擦磨損。例如金屬涂層、金屬陶瓷涂層、類(lèi)金剛石碳涂層、納米涂層、固體潤(rùn)滑涂層等等的表明涂層方式,碳氮共滲、滲硫、氮碳硫多元共滲等等的表面離子擴(kuò)滲方式。

                                                                  表面離子擴(kuò)滲方式對(duì)摩擦系數(shù)的影響

做好大排量、超高壓柱塞泵,對(duì)技術(shù)、工藝、后續(xù)處理等要求較高,近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步,高壓柱塞泵國(guó)產(chǎn)替代步伐加快,產(chǎn)品規(guī)格、功能也越來(lái)越多樣化。

太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)權(quán)龍教授說(shuō):“我國(guó)液壓工業(yè)較發(fā)達(dá)國(guó)家起步晚,制造的柱塞泵在性能上、使用壽命和可靠性方面較國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品尚有一定差距。近年來(lái)我們與國(guó)外的差距正在不斷縮小,隨著行業(yè)和企業(yè)的重視,這個(gè)差距會(huì)越來(lái)越小。”

原創(chuàng)作者:吉祥如意zz,轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。


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