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液压元件摩擦学的知识
点击次数:464 发布时间:2018-07-26

摩擦学在液压元件中的重要性

哈工大的许耀明教授、亚琛工业大学的穆任霍夫教授、还有普渡大学的莫妮卡教授,他们都认为摩擦学设计是液压泵/马达设计的核心,我赞同他们的观点。为什么呢?原因有四点,双重功能、双重目标、缺乏理论、不易反求。

我们来看齿轮泵,齿轮泵里的齿轮不但像一般的机械传动那样要起到传力的作用,他还要起到密封的作用,这就是所谓的双重功能:传力和密封。

双重目标:节能减排和延长寿命,节能减排是时代的要求,寿命是国产件与世界先进水平重要的差别。摩擦引起了能耗,摩擦也引起了磨损,磨损就导致失效。

摩擦学缺乏统一的理论。国外有学者在1995~1996年间做过统计,在1965到1995这三十年间,摩擦学建立的公式有325条,变量超过了625个,这些公式的适用范围都非常窄。那么有人可能要问:这是九十年代统计的数据,现在过去二十年了,理论是否统一了呢?那我可以回答大家,理论不但没有统一,反而更加百家争鸣、公式更多。

不易反求。我们讲的形似神不似,神主要就是摩擦学这尊大神。既然是核心那么重要,那我们重视了吗?我觉得是没有,至少是重视得不够。

摩擦学的知识

液压元件摩擦副的润滑状态是什么样?对这个问题的认识是非常关键的,它决定了你解决问题的方法。前面讲到液压元件摩擦副要起到密封的作用,这就决定了在大多数情况下,摩擦副是不可能形成流体润滑的,原因也有四点:①流体润滑泄漏量(Q∝∆Ph3)过大;②如果是流体润滑,密封面有可能会分离,存在密封失效的风险,特别是配流盘;③这不是一个稳健的设计,有人推荐理想的油膜厚度是10~20μ,那么从10~20μ,由于三次方的关系,泄漏量差了8倍;④我们从另外的角度考虑,如果真的形成了流体润滑,那么除了启动、停车这短暂的时间之外,这些耐磨的高强度材料有什么意义呢?所以液压元件摩擦副在多数情况下,只能是混合润滑,或者是边界润滑,甚至是干摩擦。

在边界润滑条件下,Q∝∆Ph2,泄漏量与间隙h的平方成正比,这个公式据我了解是比较可靠的。在这种边界润滑条件下,流体的运动不是连续的,油膜在摩擦副的表面上分布类似在高空往下观看群湖。流体的运动也类似于人通过酒店的旋转门,从这个湖旋转到那个湖,在这种润滑状态下,材料的抗磨损性能、材料的热力学性能、润滑油的吸附能力,降低和均化应力这些方面,才是解决问题的出路。

关于磨损的假说。所谓假说是指对问题作出试探性的、可检验的解答。这个概念在科学研究中是非常重要的。那么,摩擦副为什么会磨损呢?人们提出了很多假说,比较有代表性的有这么四条:临界温度假说、颗粒承载假说、绝热剪切不稳定假说、临界PV值假说,临界PV值假说是大家都熟悉的。简单的介绍下前面的三种。

临界温度假说。它认为油膜破裂是磨损的必要条件,临界温度是磨损的充分条件。意思是说,发生了磨损,油膜必然是破裂了的;但是油膜破裂不一定会发生磨损,只要温度超过临界值就会发生磨损。

颗粒承载假说。它认为当载荷主要由颗粒承担的时候,就发生磨损。虽然这个时候有油膜,但是油膜不起作用,它没有压力。颗粒从哪里来的?一个是环境的污染,第二个是材料的剥落。

绝热剪切不稳定假说。这个是美国阿贡(Argonne)实验室2005年提出的,他持续研究到近这两年,这种假说认为摩擦会发生塑性变形,塑性变形又导致两种对立的现象:一种是位错增多,强度增大;它的对立面呢,是温度升高,材料软化。这两种现象打架,当“热软”超过“功硬”的话,摩擦副就会发生磨损。

设计变量。见图1,从大的方面讲,设计变量有这几个方面:材料、工况、几何参数和环境。

 

 

图1  设计变量

 

材料包括晶体结构,面式立方、体式立方,还是密排六方。还有一个很重要的是硬度,硬度这个我要多说一下,硬度有一个很关键的指标就是热硬性,摩擦副工作过程中的硬度跟常温下测的硬度可能有很大的不同。

几年前我公司里有个客户,因为他改变了工况,也存在这种批量的磨损问题,我就是通过改变了摩擦副的热硬性解决了他的问题。这几年来,这个客户经常指定要用这种工艺,这就为客户解决了问题。工况包括载荷、速度等。无论是理论研究,还是我自己的实验都表明速度比载荷更加容易引起温升。

几何方面,面积、形状、尺寸等等。这些几何方面的变量,不但要从一般的强度、刚度、应力大小的角度去考虑,我们还应该从热力学、传热学的角度去考虑问题。图2是我做的一个设计。这两个零件组成一对摩擦副,左边是改进之前的,右边是改进之后的。我在这里通过铸造的办法掏去了一块,这样就缩短了热流通道,扩大了散热的面积。环境,包括温度、污染等,这些变量,它有很强的时间依赖性、系统依赖性和强的耦合性。

 

 

图2 改变几何形状、提高摩擦性能

磨损图是指将影响因素与磨损率集合在一起的图表,这是摩擦学领域新出来的概念。图3是一张二维磨损图,在由载荷和速度组成的二维平面里划分三个区,轻微磨损区、轻度磨损区、严重磨损区。轻微磨损属于正常的磨损,轻度磨损是可逆的磨损,意思是进入了这个区域,只要你把载荷或者是速度降下来,它就可以回到正常的磨损区。严重磨损区是不可逆转的,这里有个临界点s,当速度比较高的时候,它可以不经过这个可逆转区,直接由正常区过渡到严重磨损区。图4是三维磨损图,除了载荷和速度之外,还加上了温度。磨损面之下,属于安全区,磨损面之上属于不安全区。磨损图对于工程师来说,它的意义在于可以作为设计的判据,判断设计的变量是不是安全的,同时技术人员、科学家应该设法去扩大这个安全区。

 

 

图3 二维磨损图

 

图4  三维磨损图

 

知识的获取途径。英国拜伦说过:要有独到的见解,必须多思少读,这是不可能的,学会思考之前,势必已经阅读。所以知识的获取途径主要是两点,一个科技人员应该要广泛的阅读世界科技文献,第二个要自己做科学实验。科学实验不等于生产劳动,虽然他们可以笼统地称为实践,只有科学实验,才是出真知的实践。

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