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液压元件/液力元件 |
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高污染耐受度液压泵的设计 |
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作者：彭佑多 刘德顺 胡燕平 张可 郭迎福 罗建荣 来源：机床与液压 |
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摘要：控制或降低液压系统油液的污染度和提高液压元件的污染耐受能力是确保液压系统可靠工作的两个重要方面，本文分析了液压柱塞泵所在系统油液污染特性一定时影响泵污染耐受能力的诸多因素，指出了在结构形式确定的条件下设计高污染耐受度液压柱塞泵所要求的摩擦副材料与主要表面工艺。
关键词：液压泵；污染耐受度；影响因素；摩擦副材料；表面工艺
0引言
由于各种因素的影响，液压系统的工作介质不可避免地受到各种污染，它们主要是固体颗粒、空气、水、微生物、化学制品、辐射、静电、热能、磁性等，其中固体颗粒是最主要的污染源，这些污染物的存在严重影响着液压系统和元件的性能、使用寿命及工作可靠性。因此，控制或降低液压系统油液的污染度是设计制造、使用维护液压系统的各环节中不可忽视的内容，而提高液压元件的污染耐受能力也是确保液压系统可靠工作的重要方面，液压泵性能的优劣直接决定着整个液压系统能否正常工作，国内外众多学者的理论分析与试验研究及作者在设计、使用液压泵及对液压泵故障与故障机理的分析结果表明，当系统污染度控制在正常范围值时，液压泵的失效主要为液压泵各摩擦副材料及表面工艺选择不理想而引起摩擦副过早的污染磨损、从而导致其容积效率急剧下降直至丧失工作性能，并且随着液压泵向高压、高速、高精度方向的发展，油液污染对液压泵工作可靠性及寿命的影响愈显突出。因此，如何提高液压泵的污染耐受能力进而延长其工作寿命、确保液压系统的工作可靠性是液压泵设计应该高度重视的问题。本文分析了液压柱塞泵在其所在液压系统油液污染特性一定时影响其污染耐受能力的诸多因素，指出了在结构形式确定的情况下设计高污染耐受度液压柱塞泵所要求的摩擦副材料与主要表面工艺。
1液压泵污染耐受度及影响因素分析
液压泵的基本性能参数包括压力、排量、流量、效率、功率、扭矩、转速和吸入能力等，而污染耐受度也是液压泵的一个重要指标，液压泵的污染耐受度是指导泵的性能和寿命受油液中污染物影响的程度，也就是液压泵对污染的敏感性，即在一定的条件下，液压泵能够容耐的最大油液污染度，一般认为，液压泵的污染敏感度和污染耐受度具有相反的含义。E.C.Fitch教授领导的美国俄克拉荷马州立大学流体动力研究中心及文献［1］、［2］等对液压泵的污染敏感性进行了研究，提出了液压泵污染磨损理论及评定液压泵污染耐受度的方法。泵的污染寿命即液压泵污染磨损失效前工作时间是反映液压泵污染耐受度的重要指标之一，液压泵的污染耐受度高其污染磨损寿命无疑会长，而液压泵的容积效率又是泵的污染寿命期内的重要功能指标，实际使用中，液压泵的容积效率值往往比较大，可以说，液压系统中所有组合件的工作性能在很大程度上取决于泵的容积效率，一般认为，液压泵的容积效率下降到70～75%时系统已不能正常工作，即认为液压泵已因泄漏而失效，液压泵容积效率的下降又主要因各摩擦副的磨损，而各摩擦副的磨损又主要取决于油液污染及摩擦副本身的耐磨能力。液压泵污染磨损失效前的工作时间即为泵的污染寿命可表示为
式中：QF——泵在时间T时的流量，即泵的最低允许流量；
QR——泵的额定流量；
nFi——尺寸区间为i的现场污染物浓度，一般地说液压泵在现场使用条件下，污染物不断地从外界侵入，同时又不断地被滤油器滤除，因此现场条件下可以认为nFi是定值；
αi——液压泵对尺寸区间i的污染颗粒的污染磨损系数，由试验确定。
液压泵的污染寿命又可表示为：
T=(1-ηVT)/I
式中：T——泵的污染寿命；
ηVT——泵的相对容积效率，ηVT=1-kh3
h——泵各摩擦副的平均间隙；
I——ηVT的下降速度；
k——与泵结构、使用参数有关的常数。
泵中摩擦副的变化是由其自身的磨损引起，其磨损量和磨损速度取决于摩擦副表面的材料及其热处理情况、运动副的初始间隙、污染颗粒特性、大小分布、浓度及形状、运动摩擦副中压力场、速度场等，因此，平均间隙h的大小是这些自变量的函数，即
h=f(a,δ,H, Δp,φ,T,…)
式中：a——污染颗粒的尺寸；
δ——污染颗粒的浓度；
H——污染颗粒的硬度；
Δp——泵的进、出口压差；
φ——泵的设计参数；
T——泵的污染寿命。
可见，影响液压泵污染寿命的因素是很多的，液压泵本身可视为一个小型摩擦学系统，其污染磨损的实质是润滑状态下的滑动表面在污染颗粒的挤压和切削作用下产生塑性变形或疲劳、脆裂或剥落的结果。即液压泵污染磨损机理主要有疲劳磨损机理、粘着磨损机理、和腐蚀磨损机理。
基于如下假设：
（1）配合面间隙是变化的，最小间隙是H0；
（2）颗粒是刚性球体，在H0条件下，颗粒对配合面不产生磨损的最大直径为2ρmax；
（3）配合面表面材料的屈服强度分别是σs1、σs2，泊桑比分别是μ1、μ2，弹性模量分别是E1、E2；
（4）配合面1和2的最大变形量分别是W01、W02。
文献［2］导出了液压泵任一配合表面不发生塑性变形的条件式：
式中：
可见，对一定结构的液压泵来说，为延长液压泵的污染磨损寿命、提高液压泵的污染耐受力须加以控制和改善的是污染颗粒大小、数量及液压泵运动副表面的材料及表面工艺特性。而对任何一液压系统，其污染控制程度总能稳定在一定的正常范围内，因此若液压泵结构一定，设计液压泵时能够也必须加以控制的是液压泵运动副表面的材料及表面工艺特性。
式（3）是在摩擦副表面为理想的几何表面的条件下导出的，然而经过加工成形工艺以后的磨损副表面具有不同的几何品质，如表面粗糙度、波纹度、宏观几何偏差和加工痕迹方向等，以及不同的物理品质，如冷作硬化、微应力和初始应力等，它们对摩擦副表面的磨损性能、疲劳强度、接触强度、耐腐蚀等都有很大的影响，无疑会影响液压泵的抗污染磨损性能。
磨合中的HR变化图
摩擦副零件的疲劳强度随其表面粗糙度参数的降低而增加，这是因为零件在承受表面重复载荷或交变载荷作用时，零件表面越凹凸不平越容易引起应力集中；故降低表面粗糙度，因材料疲劳而引起的表面断裂的机会就会减少，从而增加零件的疲劳强度。
摩擦副表面越粗糙，污染颗粒与之接触或摩擦副相互配合时，最初的点、线接触面积就越小、在一定载荷作用下表面层出现的塑性变形就会越大，从而接触刚度就越差。同时摩擦副表面越粗糙，其谷底的曲率半径就减小，越容易聚集腐蚀性液体或气体，也就越容易发生表面腐蚀，降低耐腐蚀性能，所以液压泵设计中摩擦副表面粗糙度确定也就至关重要。
XpyШoB(1947年) ДъячеHHкO（1950年）等人通过系统地实验指出，对于不同的磨损工况，即摩擦副载荷、滑动速度、润滑状况等参数的改变，表面粗糙度都有一个最优值HRO，如图所示。此时抗磨损能力最强。当表面粗糙度小于HRO时，即表面过于光滑、此时由于表面的分子作用，引起磨损加剧；而当表面粗糙度大于HRO时，即表面过于粗糙，表面的机械作用使磨损加剧。在一定工况下，不论原来粗糙度是多少，经磨合都要达到最优粗糙度，此后表面粗糙度就稳定在最佳值而持续工作。一般地说，液压摩擦副的表面粗糙度为Ra0.8～0.05。摩擦副表面波纹度对零件性能的影响与表面粗糙度相类似。
在加工冷作硬化过程中，表面的塑性变形促进氧在金属中的扩散，形成连接牢固的氧化膜，同时使表层逆性降低而硬度提高，因而提高了摩擦副材料抗氧化磨损与抗胶合能力，减少了粘着磨损；同时因接触疲劳裂纹在表面硬化层中的萌生和扩展须在较高的应力和应力循环下发生，故也提高了零件表面疲劳磨损寿命。
摩擦副零件在切削过程中，由于在切削变形、刀具与表面的摩擦、切削热引起的相变和体积变化等原因形成表面初应力，其中表面压缩初应力能提高材料的抗接触疲劳强度，因为它可以降低表面最大剪应力和等效应力，而表面拉伸应力将降低疲劳磨损寿命。以上分析目的对表面的加工品要引起足够的重视。
2高污染耐受度液压泵设计要点
（1）所在液压系统的过滤精度
液压系统中污染物主要是残留在系统中的铸砂、焊渣、铁屑、涂料、漆皮，经过加油口、防尘圈等处进入的灰尘颗粒及系统在工作中产生的各种碎片、金属粉末、沥清质、胶质、炭渣等杂质。
根据液压泵所在液压系统的组成结构、工况参数确定其滤油系统，即确定过滤器的数量、安装位置、工作压力、通流能力，然后按有关准则（如英国液压设备制造者协会AHEM的根据液压系统工况参数来确定滤油器过滤精度的要求准则）确定过滤器的绝对过滤精度，使之满足整个系统尤其是液压泵对过滤精度的要求。
这样，在合理设计和严格控制液压系统污染度的情况下，我们只要合理设计选择液压泵的摩擦副材料及表面工艺，使之满足不发生塑性变形条件式（1），便可有效控制液压泵的污染磨损、延长泵的污染寿命。
（2）摩擦副材料选择
摩擦副材料选择的依据主要是摩擦表面的压力、滑动速度和工作温度，对以面接触的摩擦副由于其表面压力较低，通常采用软硬配合的材料配对，对以点、线接触的运动副由于载荷集中作用通常使用硬材料配对。
对摩擦副材料的主要技术通常为：
①机械性能。由于摩擦表面的载荷及运动中的冲击，材料应具有足够的强度。金属材料的硬度越高，其耐磨性能好。良好的塑性使摩擦表面能迅速磨合，但塑性低的耐磨材料在受到冲击载荷时容易脆裂。
②减摩耐磨性能。良好的耐磨材料应具有较低摩擦系数，不但本身耐磨，而且也应不使配对材料磨损过大，所以减摩耐磨性能实质上是相配对材料的组合性能。
③热力学性能。为了保持良好的润滑条件，特别是在边界条件润滑状态下，摩擦副材料应具有良好的热传导性能，以降低摩擦表面的工作温度。同时材料的热膨胀系数不宜过大，否则将引起间隙变化而导致润滑性能改变甚至于因间隙过小而“咬死”。
④润滑性能。摩擦材料与所使用的润滑油应具有良好的油性，即能形成连接牢固的吸附膜。此外摩擦副材料与润滑油的润滑性要好，这样润滑能覆盖摩擦表面。
液压泵实质上本身就是一个小型摩擦学系统，在泵的设计过程中都应根据国内外液压泵摩擦副材料的配对方案，选择多种材料及其组合配对方案进行试验研究，最后确定最佳配对方案。当然这些配对材料应满足摩擦副表面不发生塑性变形的条件。
（3）摩擦副零件表面工艺
摩擦副零件表面工艺包括表面热处理、化学热处理及表面保护处理等，其中表面热处理与化学热处理能确保零件表面硬而耐磨，心部韧而耐冲击，而表面保护处理能提高零件表面的耐腐蚀性、耐磨性、装饰美观性、导电性等，尤其有的镀层还具有明显的减摩作用，所以表面工艺对液压泵摩擦副抗污染磨损性能有很大的影响。
当今，摩擦副表面工艺工程研究已成为目前摩擦学研究的重点内容之一，国内外许多科研、生产部门，广泛开展了液压泵摩擦副多种表面工艺在液压泵设计中得到了推广和应用，如离子喷焊、堆焊、电镀厚青铜、软氮化、硫—氮共渗、氮化和硫化、双金属浇铸、离子注入、蒸镀Ti等。
3设计实例与结语
作者曾经为某液压系统设计一斜盘式轴向柱塞泵，该泵主要有三对接触比压和相对运动速度很高的摩擦副，即柱塞与缸体构成的柱塞副、滑靴与斜盘构成滑靴副、缸体与配流盘构成的配流副，在摩擦副的设计过程中，我们根据国内外柱塞泵摩擦副材料的配对方案，选取8种材料，12种配对方案进行了磨损试验，最后确定其摩擦副材料及相应表面处理工艺如表所示。某液压泵摩擦副设计一览表
摩擦副
名称 | 柱塞副 | 滑靴副 | 配流副 | | 缸体 | 柱塞 | 滑靴 | 斜盘 | 配流盘 | 缸体 | | 材料 | 磷铬镍钼铜
（PCrNiMoCu）
合金铸铁 | 38CrMoAlA | 38CrMoAlA
基体上
Du16/Ag8 | Cr12MoV | 12CrNi3A | 磷铬镍钼铜
（PCrNiMoCu）
合金铸铁 | 间隙
（μm） | 0.01～0.015 | 0.02～0.08 | 0.01～0.05 | 主要
技术
要求 | 柱塞孔Ra0.4 | 圆柱表面Ra0.1
渗氮0.8～1.0
HRC60～65
冰冷处理
-70～-80℃
保持1小时
磁力探伤 | Ra0.4 | Ra0.2 | 与缸体接触面Ra0.1
渗氮0.8～1.0，
HRC60～65,
冰冷处理
-70～-80℃
保持1小时
磁力探伤 | 与配流盘
接触面
Ra0.1 |
表中泵各摩擦副所用材料经验算均符合式（3）条件要求，该泵的0～50μm单截AC细试验粉尘污染磨损试验后，对三对摩擦副进行检测，发现其中柱塞副没有明显的划痕和不均匀性，而其它摩擦副有少许划痕，但修复后其容积效率仍可提高到87%。实际工况运行结果也表明，该液压泵抗污染能力较强，工作可靠，污染寿命达到设计寿命要求。
本文所提出的液压泵污染磨损因素及抗污染磨损设计方法同样适用于其它液压泵的设计与研究。
彭佑多（湘潭工学院振动、冲击与诊断研究所，411201）
刘德顺（湘潭工学院振动、冲击与诊断研究所，411201）
胡燕平（湘潭工学院振动、冲击与诊断研究所，411201）
张可（湘潭工学院振动、冲击与诊断研究所，411201）
郭迎福（中国矿业大学机电学院）
罗建荣（湘潭电气集团公司特种电机分厂）
参考文献
［1］夏志新．液压系统控制．北京:机械工业出版社，1992
［2］赵大庆．液压泵污染磨损与控制．北京:煤炭工业出版社,1993,53～63
［3］尹克里．在液压泵设计中不断应用摩擦学研究成果．液压工业1991(2),14～16
［4］谭美田．金属切削微观研究．上海科学技术出版社,1988.127～131
［5］彭佑多．液压系统试验台污染控制设计实践,机床与液压,1998(4),70～72
［6］陈柏枫．轴向柱塞泵缸体和配流盘材料选用情况简介．煤矿机电,1982(4)
［7］何存兴主编．液压元件．机械工业出版社,1982
［8］彭佑多．TDB泵的设计与研究．湘潭工学院学报,1996(4),51～54(end)
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(1/8/2007) |
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