基于分形理论的静压支承滑靴系统摩擦自适应特性分析.pdf
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1、第4 8 卷第2 期2024年2 月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.004摘要:静压支承滑靴副比一般的滑动摩擦副具有更好的摩擦自适应特性,对滑靴的早期磨损有一定的修复效果,但其摩擦自适应机理目前尚不明确。为此,基于分形理论,采用分形维数、尺度系数等分形参数描述滑靴表面形貌,对摩擦自适应过程进行理论分析,开展磨损试验并以分时段更换试件的试验方法观察分形参数的变化情况,得到分形参数对摩擦学特性的影响规律,揭示滑靴摩擦自适应机理。结果表明,滑靴副在发生早期磨损后,分形维数呈增大-减小-再增大一再减小的变化过程,尺度系数和摩擦系数呈减小-增大-再减小-再增大
2、的变化过程,滑靴在早期磨损阶段呈现出显著的摩擦自适应特性,其表面性能表现出劣化-修复-再劣化-再修复的变化特征。关键词:滑靴副;摩擦自适应;分形理论;摩擦学特性中图分类号:TH137文献标志码:B文章编号:10 0 0-4 8 58(2 0 2 4)0 2-0 0 2 5-0 7Friction Adaptive Characteristics of Hydrostatic Bearing SlipperLIU Si-yuan-2,YU Chun-s-ong*,KANG Weit(1.Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmiss
3、ion and Control of Hebei Province,Yanshan University,Qinhuangdao,Heibei 066004;2.State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems,Zhejiang University,Hangzhou,Zhejiang 310027;3.The Key Laboratory of Advanced Forging Technology and Science of the Ministry of Education,Yanshan University,Ab
4、stract:The hydrostatic bearing slipper pair has better friction adaptive characteristics than the general slidingfriction pair,and has certain repair effect on the early wear of slipper,but its friction adaptive mechanism is notclear at present.Therefore,fractal parameters such as fractal dimension
5、and scale coefficient are used to describethe surface topography of slipper based on fractal theory,and the friction adaptive process is theoretically analyzed.Wear tests are carried out and the change of fractal parameters is observed by changing specimens in different收稿日期:2 0 2 2-0 2-2 3基金项目:国家自然科
6、学基金(52 2 7 50 6 9,52 17 50 6 5);河北省自然科学基金(E2022203041);流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金(GZKF-202009)作者简介:刘思远(198 1一),男,黑龙江绥化人,副教授,博士,主要研究方向为液压基础元件。液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics基于分形理论的静压支承滑靴系统摩擦自适应特性分析刘思远2 3,郁春嵩13,康伟4(1.燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室,河北秦皇岛0 6 6 0 0 4;2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州310 0 2 7;3.燕山大学先进
7、锻压成形技术与科学教育部重点实验室,河北秦皇岛0 6 6 0 0 4;4.中国人民解放军950 92 部队,河南开封4 7 50 0 0)System Based on Fractal TheoryQinhuangdao,Heibei 066004;4.Chinese Peoples Liberation Army Unit 95092,Kaifeng,Henan 475000)修回日期:2 0 2 3-0 7-11Vol.48 No.2February.202426periods,so as to obtain the influence ruleof fractal parameters
8、on tribological characteristics and reveal the frictionadaptive mechanism of slipper.The results show that after the early wear of the slipper pair,the fractal dimensionpresents a change process of increase-decrease-increase again-decrease again,the scale coefficient and frictioncoefficient present
9、a change process of decrease-increase-decrease again-increase again,the slipper showssignificant friction adaptive characteristics in the early wear stage,and its surface properties show the changecharacteristics of deterioration-repair-deterioration again-repair again.Key words:slipper pair,frictio
10、n adaptive,fractal theory,tribological properties引言高压柱塞泵普遍采用静压支承式滑靴系统,其表现出的摩擦自适应性对滑靴工作性能有重要的影响 1-2 ,揭示其摩擦自适应机理对改善滑靴副性能、提高稳定性、延长滑靴副使用寿命具有重要的意义。国内外学者在滑靴副摩擦磨损方面开展了大量的研究工作,例如,ASHKANA 等 3 提出了一种新的滑靴设计方法,通过优化滑靴表面,使其在保持效率的同时减小磨损;CASTONH等 4 通过分析滑靴和斜盘材料的固体变形、应变和磨损来预测滑靴副界面的损伤和疲劳,并通过试验进行了测试;寇保福等 5 通过试验研究了不同载荷下轴
11、向柱塞泵滑靴副在高温下干摩擦的摩擦学规律;吴德发等 6 通过数值计算探索影响滑靴摩擦的结构参数,通过对滑靴表面凹坑大小、形状与分布的控制可以优化滑靴副的摩擦学特性;张东亚等 7 通过对液压马达滑靴副表面织构参数的分析,发现经过优选的表面织构参数能够降低摩擦系数和磨损。静压支承滑靴系统摩擦自适应特性体现在当滑靴磨损导致性能下降后通过其自身的调节适应能使其恢复一定的性能,在此过程中,滑靴摩擦学特性会发生相应的变化。目前,国内外学者在滑靴副摩擦磨损领域的研究主要集中于摩擦学特性方面,其摩擦自适应机理仍不明确。因此,为揭示静压支承滑靴系统摩擦自适应机理,本研究首先应用分形理论表征滑靴表面形貌,结合分形
12、维数、尺度系数等分形参数对滑靴系统摩擦自适应过程进行理论研究,分析滑靴磨损对摩擦学特性的影响过程,然后采用分阶段换试件的试验方法,得到分形参数对磨损失效过程的影响规律,揭示出滑靴摩擦自适应的机理。1静压支承滑靴系统摩擦自适应机理分析静压支承结构滑靴系统主要由滑靴、斜盘、密封带、中心油室和固定阻尼孔等组成,如图1所示。油液从固定阻尼孔经过中心油室流入滑靴副密封带,Pa为液压与气动供油压力;Po为中心油室压力;Q为泄漏流量;h为油膜厚度;R,为滑靴密封带内边缘半径;R2为外边缘半径;F为压紧力;F。为支承力。静压支承原理设计的滑靴是一种理想的润滑状况,大多数情况下采取的是剩余压紧力设计法,即不完全
13、平衡型滑靴设计。剩余压紧力法设计下的滑靴保证了滑靴副的有效密封,而且滑靴副间极薄的边界油膜又保证了滑靴与斜盘的润滑条件。滑靴斜盘、密封带图1静压支承滑靴结构图Fig.1 Structure diagram of hydrostatic bearing slipper滑靴的摩擦自适应体现在当滑靴磨损导致泄漏量增大、性能下降时,滑靴系统本身通过自身的调节适应使得泄漏量减小,性能上升。不完全平衡型的滑靴,在F。F的情况下,压紧力F的大部分被F。平衡掉,但是还存在一小部分剩余压紧力(F=FF)将滑靴压在斜盘上,使滑靴紧贴斜盘表面滑动,这种存在剩余压紧力的状态称为欠平衡状态,在这种状态下,滑靴副表面仍然
14、存在油膜,但其厚度较薄,滑靴副表面仍会发生轻微摩擦磨损,若能保证适当的剩余压紧力,滑靴仍能保持较高的总效率和较长的工作寿命 8 滑靴副摩擦自适应的过程发生在早期磨损阶段,早期磨损阶段指滑靴副稳定磨损后期至剧烈磨损早期的过渡阶段。图2 为本研究试验得到的滑靴副全过程摩擦磨损试验的摩擦系数信号经过降噪处理后的曲第48 卷第2 期1F固定阻尼孔中心油室PdhPoR2FoQIP2024年第2 期线,为摩擦系数。从图2 中可以看出,这一组滑靴副试件摩擦磨损在7 0 0 0 s左右进人稳定磨损阶段,在25000s左右进入剧烈磨损阶段,早期磨损阶段区间在2200028000s左右,其示意图如图2 所示。滑靴
15、副自适应调节的过程如图3 所示。0.20磨合阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段0.160.120.080.0400.51.01.52.02.53.03.54.0104t/s图2滑靴副早期磨损阶段示意图Fig.2 Schematic diagram of early wear stage of slipper pair柱塞面积PdPoAp固定阻尼可变间隙阻尼图3 滑靴副摩擦自适应调节图Fig.3 Adaptive adjustment diagram of slipperpair friction从图3 可以看出,当滑靴副磨损加重时,从密封带流出的泄漏流量Q和油膜厚度h都会增大,从而使中心油腔压力减小
16、,支承面的支承力也相应减小,此时剩余压紧力会增大,导致摩擦系数增大,滑靴摩擦学特性因此变差。但其剩余压紧力增大会使滑靴与斜盘的间隙减小,油膜厚度h随之减小,使得泄漏流量Q也减小,此时由于静压支承的适应性作用,中心油室压力会增大,承载力也相应变大,滑靴处于新的平衡位置,并通过磨合重新适应新的摩擦状态。结合分形理论通过公式分析静压支承系统的摩擦自适应机理,用分形参数表征滑靴表面形貌,用W-M函数 9-10 1模拟滑靴表面轮廓曲线,二维函数W-M表液压与气动达式为:Z(x)=L(G式中,Z()一一表面轮廓高度一表面轮廓位移坐标D一分形维数,1 D ar)=(aR/a)2对上式微分,得到微凸体的面积分
17、布为:dN(A aR)aRD/2n(da总的实际接触面积为:D(Ah)2/(2-D)RABn(a)ada=0对于无辅助支撑的滑靴 13-14,其表面真实接触面积为:TTABR将式(2)和式(8)代人式(7)可得:,R2-R2.-D根据流量连续性定理,可以得出:PoPd1+mh3式中,m一常数据研究【15 可知,静压支承滑靴所受支承力为:F。=T(R3-R)Po21n(R,/R,)分析式(9)可知,当滑靴副发生磨损时,其表面分形维数D减小,尺度系数 G增大时,油膜厚度h会增大。根据式(10)可知,当油膜厚度h增大时,滑靴中心油室压力会减小,由式(11)可知,中心油室压力减小会使支承力减小。综上所
18、述,在滑靴副发生磨损后,分形维数D和尺度系数G会发生变化导致中心油室压力减小,使得摩擦学特性变差。2试验2.1试验条件本试验搭建了滑靴副磨损状态模拟试验装置,并将该装置安装于MDW-5G高温高速磨损试验机上,试验所设置转速和载荷可通过试验机调节,试验台整体如图6 所示,试验装置由上试件、下试件、油盒等组成,液压与气动(4)(5)D(6)2G(D-1)(2-D)2-DR2-R22/n(R,/R,)1第48 卷第2 期图6 试验台Fig.6Test bench(7)(8)(2-D)/2(9)(10)(11)a)上试件a)Test device above图7 试验所用试件Fig.7Specimen
19、 used in the test上试件模拟斜盘,如图7 a所示,下试件模拟滑靴,如图7b所示。试验台原理图如图8 所示,试验时,液压缸通过剩余压紧力将下试件压紧在上试件上,上试件转动,液压系统作为恒压油源向试验装置供油,油盒作为油室,形成承载油膜。电机轴上卡具上试件下试件、油盒下卡具压缸中风山Fig.8Test bench schematicb)下试件b)Test device below数据采集PLC试验机集成采集卡卜图8 试验台原理图2024年第2 期2.2试验方法为分析分形维数和尺度系数在滑靴副早期磨损阶段中对滑靴摩擦学特性的影响,采用分时段换试件的试验方法,每次试验布置了3 个下试件
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