转速对叶片泵配流盘摩擦副摩擦特性的影响

更新日期:2019-10-18 14:29:37 星期五
摘要:

0 引言   在液压传动与控制中使用最多的液压泵主要有齿轮式、叶片式和柱塞式三大类型。其中叶片泵是在 […]


0 引言

 

在液压传动与控制中使用最多的液压泵主要有齿轮式、叶片式和柱塞式三大类型。其中叶片泵是在近代液压技术发展史上最早使用的一种液压泵[1-2]叶片泵具有尺寸小、重量轻、流量均匀、噪声低的突出优点[3]。但是叶片泵结构复杂,泵在工作过程中有多对摩擦副共同工作。叶片泵转子、叶片和配流盘之间会形成一层油膜,而磨损会导致配流盘表面形貌发生变化,这又会导致油膜厚度发生变化[4]。在高转速下,叶片泵的寿命会急剧缩短,配流盘的磨损是叶片泵失效的一个重要原因[5-6]。以某型国产叶片泵的转子叶片和配流盘的材料工艺为研究对象,研究转速对配流盘摩擦副摩擦特性的影响,这对提高国产叶片泵的使用寿命有着重要的意义。

 

1 实验准备

 

首先使用乙醇对上下摩擦试样进行清洗,随后用棉纱将试样擦拭干净,并使用电子测微天平称重摩擦前的试样质量(图1,图2)。上试样材料采用20CrMnMo,热处理使表面硬度达到60HRC,精加工使摩擦面表面粗糙度达到Ra0.8,与叶片泵转子和叶片的材料工艺相同;下式样材料采用锡青铜,精加工使摩擦面表面粗糙度达到Ra0.8,与叶片泵配流盘的材料相同。通过罩杯,在摩擦实验时加入46号抗磨液压油,以此来模拟泵的工况。同时使用乙醇清洗摩擦试验机的工作台面,完毕后用棉纱擦拭干净。在实验开始前,打开摩擦试验机使其处于待机状态,使试验机预热20分钟。

 

 

图1 摩擦试验设备

 

 图2 电子测微天平

 

在实验时,摩擦副施加的载荷为200N,试验时间为1h,实验完成后取出下摩擦试样用乙醇洗去油污与摩擦后的污染物,完毕后用棉纱擦拭干净并在晾干后称重。在开始下一组实验前,需重新清洗摩擦试验机的工作台,若由于摩擦实验造成工作台发热,需等工作台完全冷却后再进行下一组实验。

 

2 转速对摩擦副摩擦系数的影响

 

该型叶片泵的实际最大工作转速为1500r/min,结合泵实际启动到正常工作下的情况,分别选取实验转速为900r/min,1200r/min,1500r/min进行实验,实验结果如下:

 

2.1 实验转速900r/min

实验得到的摩擦曲线如图3所示。

 

 

图3 实验转速900r/min时的摩擦系数曲线

 

从图3可知,配流盘的摩擦系数从0.1下降到0.05。实际零件的表面是凹凸不平的,由于摩擦载荷的作用,摩擦试样上下表面的波峰相接触,在实验开始的一瞬间,由于波峰之间无油液,此时其处于干摩擦状态,这时摩擦系数最大。实际表面轮廓如图4所示,随着波峰的挤压变形、磨损,储存在波谷的油液在表面自由能的作用下进入波峰之间,形成油膜,摩擦系数趋于减小[7]。在900r/min的工况下,实验结束时摩擦副的摩擦系数达到了0.05左右。

 

 

图4 实际表面轮廓示意图

 

2.2 实验转速1200r/min

实验得到的摩擦曲线如图5所示。

 

 

图5 实验转速1200r/min时的摩擦系数曲线

 

从图5可知,在转速提高300r/min后,试样的磨损速度更快。在1200r/min的工况下,实验结束时摩擦副的摩擦系数达到了0.042左右。

 

2.3 实验转速1500r/min

实验得到的摩擦曲线如图6所示。

 

 

图6 实验转速1500r/min的摩擦系数曲线

 

从图6可知,转速的提高进一步加速了试样的磨损,但是高转速下摩擦系数的减小速度比低转速的慢。在相同的实验时间内,摩擦系数减小的越快,说明试样进入磨合阶段和剧烈磨损阶段的时间越快。在1500r/min的工况下,实验结束时摩擦副的摩擦系数达到了0.04左右。

 

综上可见,转速越高,叶片泵配流副的摩擦系数越低;随着转速的增加,配流盘摩擦系数的减小速度变慢。

 

3 转速对摩擦副磨损率的影响

 

按上面的实验分别取900r/min,1200r/min,1500r/min实验前后的试样,通过电子测微天平可以得到试样质量的变化,则磨损率可按下式计算:

wsm/ρFnl(cm3/Nm)

式中Δm—— 磨损量(g);

ρ —— 材料密度(g/cm3);

Fn—— 接触的法向载荷(N);

—— 滑动距离(m);

 

经过计算得到的实验磨损率如图7所示。

 

 

图7 实验磨损率

 

从实验中可以得出,该摩擦副的磨损率随着转速的增加而增加,在相同的摩擦载荷下,对偶面对于锡青铜的磨损率具有相同的变化趋势。这是由于随着转速的提高,上下试样在相同的时间内接触次数更多,磨损加剧;同时剧烈的磨损产生更多的热量,使液压油的黏度降低,对偶面间的承载能力也同时降低。

 

4 结论

 

通过上述实验,可得到如下结论:叶片泵配流副材料的摩擦系数随着转速的提高而降低,但是高转速下摩擦系数的减小速度比低转速的慢。摩擦副的磨损率随着转速的增加而增加,在相同的摩擦载荷下,对偶面对于锡青铜的磨损率具有相同的变化趋势。在高转速下,锡青铜磨损加剧,材料往往是限制国产液压元件寿命的一个重要因素。相较于国外先进的液压元件来说,我们的产品不应光仅仅着重于尺寸的仿制,更多的应看到在材料与工艺上的不足。


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