柱塞副温度场数学建模与性能分析

为完善轴向柱塞泵柱塞副性能分析理论体系,针对温度分布影响柱塞副性能问题进行研究,建立瞬时油膜厚度场、压力场和温度场模型以及柱塞副摩擦与泄漏模型,采用交错网格技术划分油膜网格,采用有限体积法求解能量方程和雷诺方程,以MATLAB仿真软件为依托耦合各物理场模型和柱塞微运动特性,对柱塞副动态温度场进行数值求解。研究温度对油膜压力分布、柱塞副轴向摩擦力和泄漏量的影响,并分析油膜不同入口温度对柱塞副性能参数的影响规律。研究结果表明:温度变化数值计算结果与实验结果基本一致;在柱塞副中引入动态温度后油膜压力峰值明显降低,轴向摩擦力有所下降,但柱塞副泄漏量增加较快;控制油膜入口油温能有效提高柱塞副工作性能。     

基于虚拟样机的轴向柱塞泵柱塞副仿真分析

采用虚拟样机技术对轴向柱塞泵柱塞副进行仿真分析,介绍虚拟样机子模型,通过软件接口实现子模块之间数据传递,实现柱塞副仿真模型的液固耦合和刚柔耦合;建立试验平台,通过试验测试结果验证模型的正确性,证明轴向柱塞泵虚拟样机仿真平台对轴向柱塞泵设计有很强的指导作用.仿真分析柱塞泵负载压力等级、斜盘倾角以及柱塞副间隙对柱塞副性能的影响,表明柱塞副设计是限定轴向柱塞泵压力等级和最大斜盘倾角的重要因素,适当减小间隙油膜厚度可以降低柱塞副泄露损失和摩擦损失,并有助于提高柱塞副油膜承载能力.     

织构对称性对润滑减磨性能影响的仿真和实验研究

基于雷诺方程建立单一织构动压理论模型,通过对理论模型求解研究织构对称特性对动压润滑性能的影响差异.此外,开展压裂泵柱塞密封副销、盘单元摩擦学实验,对比单元摩擦学实验结果讨论织构对称特性的影响.数值计算结果表明,不同对称特性下,动压润滑性能与织构最长边长和速度的夹角关系及速度的方向有关.摩擦实验结果表明,基于捕获磨屑、补充润滑介质的作用机理,不同织构对称特性条件下,均表现为织构垂直速度方向边长越长、织构表面的摩擦磨损性能越好.     

表面织构对巴氏合金轴承材料摩擦学性能影响

为了改善滑动轴承混合润滑时的摩擦学性能,在锡基巴氏合金表面加工出矩形阵列和发射线阵列的圆坑织构.采用销-盘式摩擦实验机和数值模拟对织构的润滑性能及机理进行分析,研究不同滑动速度和载荷下表面织构的摩擦系数,并数值模拟了表面织构的油膜压力分布.实验结果表明:表面织构能降低混合润滑的摩擦系数.随着滑动速度的增加,表面织构的减摩性能更佳;但是随着接触压力的增加,表面织构的减摩性能降低.相对于发射线阵列织构,矩形阵列织构的摩擦系数更低并且稳定性更好.面密度为8.6%的矩形织构阵列(3#)具有较优的摩擦学特性,在滑动速度0.3m/s、载荷5.0 MPa下的摩擦系数为0.015.模拟结果表明:相对于发射线型阵列织构,矩形阵列织构的油膜压力分布能减小润滑油泄漏,从而获得较好的摩擦学特性.     

斜盘式轴向柱塞泵磨损与润滑分析

摩擦与润滑直接影响着斜盘式柱塞泵的使用寿命,为延长其正常运行时间应尽量降低运行中存在的磨损.根据斜盘式柱塞泵的工作原理,其磨损主要存在于柱塞和缸体孔、滑靴与斜盘、缸体和配流盘三对摩擦副中,它们是影响柱塞泵工作性能和寿命的重要因素.着重分析了摩擦副之间磨损状况的影响因素,提出了几点相应的改进措施.     

柱塞副微运动轨迹及微倒角对其影响分析

针对轴向柱塞泵柱塞副由于接触造成的磨损问题,建立了柱塞副油膜弹性流体动压润滑数值仿真模型,在此基础上分析了柱塞在缸体孔内微运动轨迹及柱塞与缸体接触状态.提出了柱塞微深度倒角的结构改进措施,通过仿真对比了不同尺寸倒角对接触程度的影响.结果表明:微深度倒角有利于减少柱塞与缸体孔的接触,倒角深度对减少接触的作用比倒角长度更加明显;所提出的数值模型和改进措施有利于实现柱塞泵的优化设计,通过降低柱塞副的磨损最终提高柱塞泵的寿命和可靠性.     

深水环境下压力补偿泵柱塞副的润滑特性分析

压力补偿式柱塞泵可较好地适应深水极端环境,但深水极端环境会使柱塞副的润滑特性发生改变,影响其水下工作性能和应用范围。以压力补偿泵柱塞副油膜的润滑特性为研究对象,考虑深水温度、压力等环境因素对黏度、密度等介质属性的影响,建立深水环境下柱塞副油膜的数值模型,提出在柱塞偏心方向采用坐标轮换寻优和有限差分离散有机结合的方法求解柱塞副膜厚等表征润滑特性的参数。结果表明,在水深1 000 m,主轴转角约90°时,柱塞副油膜出现小于1 μm的极薄区域,且压力极差达80 MPa。改变主轴转速和斜盘倾角时,泄漏量和轴向摩擦力的变化较大气工况下更显著。不同水深下,轴向摩擦力与水深间呈正相关变化,泄漏量的变化则相反。相关研究可为深水环境下泵柱塞副的设计和开发提供有益参考。     

双侧驱动轴向柱塞泵/马达配流副摩擦转矩影响因数分析

为考察双侧驱动轴向柱塞泵/马达配流副结构参数和性能参数对其摩擦转矩特性的影响,在考虑油液黏压特性下,建立配流副物理模型,推导全膜润滑摩擦转矩公式,仿真分析压力、油膜厚度、密封带宽度、腰型槽中心角以及转速对摩擦转矩的影响。结果表明:配流副间摩擦转矩随压力增大而稍有增大,腰型槽中心角对摩擦转矩的影响较小;摩擦转矩随油膜厚度增大而减小,在增大到10μm后摩擦转矩趋于稳定;减小密封带宽度、降低转速能有效减小摩擦转矩。研究可为改善双侧驱动轴向柱塞泵/马达配流副润滑效果提供基础。     

微台阶对滑靴副微运动姿态及油膜润滑的影响

针对轴向柱塞泵中滑靴副的倾覆和偏磨问题,建立了一种滑靴副润滑数值模型和耦合求解器.在此基础上探究了滑靴产生倾覆的原因,并提出了一种微台阶来改进滑靴结构.通过仿真计算,进一步对比了不同微台阶结构参数对滑靴副姿态和油膜润滑的影响.结果表明:微台阶有助于滑靴副油膜的形成,改善油膜润滑性能;微台阶深度对滑靴微运动姿态、油膜压力和油膜厚度的影响比宽度大;所提出的数值模型和微台阶结构有助于轴向柱塞泵的优化设计,并能有效防止滑靴产生偏磨来提高柱塞泵的可靠性和寿命.     

滑动速度对织构化表面润滑状态的影响

为了研究滑动速度对织构化摩擦副的润滑状态的影响,采用Nd:YAG固体脉冲激光对GCr15钢盘表面进行织构化处理,形成直径约150μm、深度约30~40μm的环形排列的微孔。在摩擦试验机上对Al_2O_3陶瓷球/GCr15钢盘进行摩擦学性能测试,并基于Stribeck曲线和弹流理论研究滑动速度对织构化表面润滑状态的影响。研究结果表明:在油润滑条件下,试样的摩擦因数随滑动速度的增大而减小。当滑动速度大于2 m/s,润滑状态从混合润滑逐渐进入到流体润滑区域;而经过织构化处理的配副能在较低的速度下实现由混合润滑向流体润滑状态过渡。根据磨损形貌比对可以看出:在流体润滑状态下,织构可以增加摩擦配副间的润滑膜厚度,使流体产生额外动压,提高油膜承载能力,减少磨痕宽度。     

轴向柱塞泵滑靴副热平衡间隙及影响因素分析

为了改善轴向柱塞泵滑靴副润滑特性,考虑滑靴副与油膜之间的热传导关系,提出了一种基于控制体能量守恒定律的滑靴副热平衡间隙公式,讨论不同柱塞腔压力、缸体转速以及进口油液温度对热平衡间隙的影响.研究结果表明,滑靴副的热平衡间隙与材料的线膨胀系数和导热率成反比,影响材料的抗温升变形以及摩擦副的配合性能;滑靴和斜盘因表面温度升高而产生热膨胀,导致热平衡间隙显著减小,与柱塞腔压力、缸体转速以及进口油液温度成正比.因此,滑靴应该选取线膨胀系数和热导率大的材料,对于斜盘则正好相反,以减少滑靴表面磨损.     

表面织构流体动压润滑性能的研究进展

表面织构技术是指通过一定的加工技术在摩擦副表面加工制备出具有一定尺寸、形状和排列的微观结构的技术,是改善摩擦副摩擦学性能的有效手段.合理的表面织构设计可以显著改善机械零件表面的摩擦学性能,流体润滑条件下的表面织构优化设计是目前国内外研究的重点.文中在分析当前表面织构技术发展现状的基础上,较详细地论述了表面织构的形态特征及作用机制,讨论了表面织构形状和方向、表面织构分布、表面织构参数、表面粗糙度、速度和载荷等因素对织构化表面流体动压润滑性能的影响,总结了表面织构流体润滑理论的研究现状,并指出了当前表面织构化存在的问题和发展方向.     

缸套表面复合织构润滑性能理论及试验研究

通过建立织构化缸套活塞环混合润滑理论计算模型,基于织构协同润滑机理模拟分析,设计、计算了槽腔及交叉沟槽2种复合织构,同时结合摩擦学性能试验,研究了复合织构对摩擦副润滑性能的影响。结果表明,复合织构润滑性能明显优于单一织构,较槽腔复合织构而言,交叉沟槽织构在改善润滑摩擦性能方面效果更好。复合织构改善润滑的原理是:在上止点处通过协同叠加形成局部高压油膜,从而缩小了混合润滑范围;在行程中部区域通过协同互补有效地弥补了空化区域的油膜压力衰减,从而延展了有效承载面积。相比单一凹腔织构,槽腔复合织构在各行程中部区域的最小膜厚比可增加34.3%左右,交叉沟槽织构可增加57.6%,槽腔复合织构的循环摩擦功耗可降低8.2%,交叉沟槽织构可降低19.7%。摩擦磨损试验结果显示,相对于未经织构试样,织构试样表面的润滑性能可得到显著改善,尤其是交叉沟槽织构,其摩擦系数最大可降低48.1%。     

双侧驱动轴向柱塞泵/马达配流副摩擦转矩影响因素分析

为研究双侧驱动轴向柱塞泵/马达配流副摩擦转矩特性,在考虑油液粘压特性下,建立了配流副模型,推导了全膜润滑摩擦转矩公式,考察了压力、油膜厚度、密封带宽度、腰型槽中心角以及转速对摩擦转矩的影响。结果表明：配流副间摩擦转矩随压力增大而稍有增大,腰型槽中心角对摩擦转矩的影响较小;摩擦转矩随油膜厚度增大而减小,在增大到10μm后摩擦转矩趋于稳定;减小密封带宽度、降低转速能有效减小摩擦转矩。     

浮杯泵织构化配流副表面的承载特性仿真分析

浮杯泵作为柱塞泵的新型研究对象,配流副的摩擦磨损限制其高效发展.通过在滚筒板配流面上布置规则的仿生织构,探究其对摩擦副承载特性的影响.选取六种坑形,建立6凹坑润滑油膜模型,采用Fluent软件进行数值模拟,分析油膜的上表面压力分布、压力形成机理以及工况参数和织构参数对油膜承载力的影响.研究结果表明:油膜上表面的承载力中动压所占的比例最大,球形凹坑最适合浮杯泵织构化配流副的设计,转速的提高、面积率的增大、深径比的增大都有利于动压承载力的增大.     

织构化的铝合金表面摩擦学特性研究

本文利用精密加工方法在铝合金表面加工出不同的织构,通过摩擦磨损试验研究了表面织构形态对试样动压润滑、摩擦磨损特性的影响。结果表明,铝合金表面织构化可以有效地改善其摩擦学特性。条纹状织构深度越深,动压润滑效果越好,摩擦系数越小,磨损深度越浅;当网状织构夹角由小变大时,试件表面摩擦系数呈现抛物线变化,磨损深度随之增大。     

牙轮钻头滑动轴承仿生鲨鱼皮织构化表面润滑性能

牙轮钻头在超深井和大水平井的使用受到广泛关注,由于地层环境复杂化,为了使牙轮钻头有更高的稳定工作性。通过对合金材料表面织构化处理减摩效果的研究,结合鲨鱼皮减阻润滑的优势,针对牙轮钻头薄弱环节滑动轴承摩擦结合面进行了仿生鲨鱼皮织构化处理,基于所选取仿生织构的形貌参数构建滑动轴承流动润滑理论模型,采用有限差分法求解,获取润滑油的油压分布、承载能力及滑动轴承摩擦力,并探究阶跃冲击载荷下滑动轴承动压油膜的响应情况。结果表明：牙轮钻头滑动轴承流体润滑状态下,深径比大于0.3且面积率大于0.25的仿生表面织构对油膜承载力有增强效果;仿生表面织构在较低油膜压力下对油膜摩擦力影响突出,油膜摩擦力提高了14.12%;偏心率越大仿生表面织构对油膜承载力的提升效果越好,在偏心率为0.8时承载力提高效果达到200.45%;同时仿生织构的对滑动轴承流体润滑的轴向稳定性有提升效果。牙轮钻头滑动轴承仿生织构化处理有效地改善了滑动轴承润滑性能。可见,合适的织构尺寸能进一步提高滑动轴承处于流体润滑的适用工况范围,提高牙轮钻头的使用寿命。     

轴向柱塞泵配流副低压区织构化试验研究

摘要为研究低压区织构化轴向柱塞泵配流副的摩擦磨损性能,设计了配流副的摩擦磨损试验机,对织构化配流副进行了试验研究,并与无织构配流副的摩擦磨损情况进行对比．研究结果表明：低压区织构化的配流副能够有效减小摩擦系数,最大减摩率可达29．11％;低压区织构化的配流副比无织构的平均磨损体积要小,且整个摩擦面磨损较为均匀,降低了配流副的偏磨．初步磨损试验表明：平均磨损体积量对表面织构面积率和直径较为敏感,最小平均磨损体积量出现在微凹坑直径100~200μm范围内．     

基于质量守恒边界条件的液压缸织构表面空化模型

传统的雷诺边界条件没有考虑到微凹坑织构中存在的空化现象,较难准确预测织构化表面的润滑特性。本文以液压缸缸筒-活塞摩擦副为研究对象,基于质量守恒的边界条件,建立均匀分布的微凹坑织构表面油膜压力与变密度两者之间的空化数学解析模型,采用中差分模型和迎风算法进行数值离散,得到摩擦副中油膜的压力分布以及空化生成的位置。FLUENT仿真结果验证了该空化模型的有效性。     

液压缸活塞表面微条纹织构摩擦性能数值分析

在分析液压缸活塞表面微条纹形貌的基础上,建立微观规则矩形条纹润滑理论模型,采用超松弛迭代方法对油膜压力进行求解,分析微条纹个数和倾斜角对活塞表面摩擦性能的影响规律,以无量纲承载力和摩擦因子作为摩擦学性能评判标准对其进行评判。结果表明,在液压缸活塞表面加工微条纹,能够改善活塞表面润滑性能;随着微条纹个数的增加,活塞表面的摩擦因子降低,油膜承载力上升;随着微条纹倾斜角的增大,活塞表面摩擦因子增大,油膜承载力降低。