一种柱塞-柱塞孔摩擦副低磨损表面轮廓设计方法

摘要

本发明公开了一种柱塞‑柱塞孔摩擦副低磨损表面轮廓设计方法，先建立柱塞‑柱塞孔摩擦副的磨损退化模型，该模型由柱塞的力和力矩平衡方程、摩擦副的润滑方程、摩擦副的油膜厚度方程、摩擦副的接触压力方程、柱塞孔的磨损深度变化量计算方程组成，求解磨损退化模型计算得到柱塞孔磨损量随时间的变化关系曲线，找到曲线上柱塞孔磨损量变化率最小时的柱塞孔磨损轮廓线，根据该磨损轮廓线确定优化后的更低磨损的轮廓表面的关键尺寸参数。本发明设计的摩擦副加工方便，且可以有效降低摩擦副磨合阶段的磨损率、延长摩擦副尤其是重载摩擦副的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明属于液压泵/马达零件的结构优化设计领域，尤其涉及柱塞-柱塞孔摩擦副的延寿设计。

背景技术

柱塞式的液压泵/马达作为液压系统的核心元件，因其功率密度高而广泛应用于航空航天、工业和移动机械中。其中，柱塞-柱塞孔之间的摩擦副是实现液压泵/马达功能的关键摩擦副之一，其过度磨损会恶化泵/马达的进、排油性能，导致泵/马达的失效。因此，为了提高柱塞-柱塞孔摩擦副的减磨抗磨性能，往往对柱塞-柱塞孔摩擦副进行表面改性。然而，在磨损率较高的磨合磨损阶段(摩擦副工作初期)，由于该摩擦副的标准圆柱表面轮廓不能提供最佳的承载和润滑条件，使得摩擦副的部分表面改性层提前出现磨损失效、丧失对柱塞-柱塞孔摩擦副的长久耐磨保护。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种柱塞-柱塞孔摩擦副低磨损表面轮廓设计方法，通过设计一种简单、易加工的预加工表面轮廓，实现柱塞-柱塞孔摩擦副的延寿设计。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种柱塞-柱塞孔摩擦副低磨损表面轮廓设计方法，包括以下步骤：

步骤1：对柱塞进行动力学分析，得到柱塞的力和力矩平衡方程。

步骤2：根据弹性流体动力润滑理论，建立柱塞-柱塞孔摩擦副之间的润滑方程和油膜厚度方程。

步骤3：建立柱塞与柱塞孔接触区的接触压力方程。

步骤4：建立柱塞-柱塞孔在流体润滑、混合润滑、边界润滑状态下的不同时刻的磨损深度变化量矩阵

步骤5：对液压泵/马达进行磨损退化模拟，联立求解上述步骤中的方程，计算不同时刻的磨损深度变化量矩阵

步骤6：对磨损深度变化量矩阵

步骤7：在柱塞孔磨损严重的两端设计易加工的倒角，倒角的轴向宽度和端面直径的确定方法为：将所述步骤6中的磨损轮廓线从轴向的中间位置分成两部分，两部分设计过程相同；其中一部分靠近需要设计倒角的柱塞孔端面，过该部分的磨损轮廓线的最大点做斜线；找到斜线的最小角度，使得该部分的磨损轮廓线刚好不会超过斜线，此时的斜线与所设计倒角的倒角边重合；该倒角边沿柱塞孔轴线的长度，即为倒角的轴向宽度，该倒角边在柱塞孔端面的直径即为倒角的端面直径。

进一步地，所述步骤1中力平衡方程为作用在柱塞上的合力为0，力矩平衡方程为作用在柱塞上的合力矩为0，表达式如下：

其中，∑F表示作用在柱塞上的合力，∑M表示作用在柱塞上的合力矩。

进一步地，所述步骤2中的润滑方程用于确定摩擦副各点的油膜压力，其表达式为：

其中，

进一步地，所述步骤2中的膜厚方程用于确定油膜厚度矩阵

其中，w为磨损深度矩阵，表示当前时刻摩擦副各位置点上的总磨损深度，为柱塞与柱塞孔之间的配合间隙，e

进一步地，所述步骤3中的接触压力方程用于计算柱塞和柱塞孔之间的油膜破裂产生接触时的接触压力，其表达式为：

其中p

进一步地，所述步骤4中的计算磨损深度变化量矩阵

其中，f

进一步地，所述步骤6中的磨损轮廓线为柱塞孔侧面展开后，各轴向位置上的最大磨损深度一个平面内连成的曲线。

进一步地，本发明的有益之处为：本发明设计的低磨损表面轮廓的尺寸参数根据磨损量变化最小时的磨损轮廓确定，可以改善摩擦副在磨合阶段时的承载润滑性能，避免摩擦副表面的抗磨改性层提前失效，从而使表面改性层达到长效耐磨防护的目的；其次，本发明设计的低磨损表面轮廓结构简单、加工方便。

附图说明

图1柱塞-柱塞孔摩擦副低磨损表面轮廓设计流程图；

图2柱塞受力分析示意图；

图3油膜厚度示意图；

图4磨损量随时间的变化曲线图；

图5磨损量变化率最小时的磨损轮廓；

图6柱塞-柱塞孔摩擦副低磨损表面轮廓示意图；

图7磨损量变化率最小时的柱塞孔磨损轮廓侧面展开图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种柱塞-柱塞孔摩擦副低磨损表面轮廓设计方法，具体设计步骤为：

以轴向柱塞泵中的柱塞-柱塞孔摩擦副为例，

步骤1：对柱塞进行动力学分析，如图2所示，柱塞受到外力F

进一步地，步骤1中所述外力F

步骤2：假设润滑剂的密度恒定，根据弹性流体动力润滑理论，建立柱塞-柱塞孔摩擦副之间的润滑方程为：

其中，z

如图3所示根据几何关系，建立油膜厚度方程为：

其中，

步骤3：建立柱塞与柱塞孔接触区的接触压力方程。

其中，p

步骤4：建立柱塞-柱塞孔在流体润滑、混合润滑、边界润滑状态下的不同位置的磨损深度变化量矩阵

其中，k

步骤5：对液压泵/马达进行磨损退化模拟，联立求解上述步骤中的方程，计算不同时刻的磨损深度变化量矩阵

步骤6：对磨损深度变化量矩阵

步骤7：在柱塞孔磨损严重的两端设计易加工的倒角，两个倒角的轴向宽度L

进一步地，所述步骤6中的磨损轮廓线为柱塞孔侧面展开后(如图7所示)，各轴向位置上的最大磨损深度在一个平面内连成的曲线(如图5所示)。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。