高污染耐受度液壓泵的設(shè)計(jì)

　　由于各種因素的影響，液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)不可避免地受到各種污染，它們主要是固體顆粒、空氣、水、微生物、化學(xué)制品、輻射、靜電、熱能、磁性等，其中固體顆粒是zui主要的污染源，這些污染物的存在嚴(yán)重影響著液壓系統(tǒng)和元件的性能、使用壽命及工作可靠性。因此，控制或降低液壓系統(tǒng)油液的污染度是設(shè)計(jì)制造、使用維護(hù)液壓系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)中不可忽視的內(nèi)容，而提高液壓元件的污染耐受能力也是確保液壓系統(tǒng)可靠工作的重要方面，液壓泵性能的優(yōu)劣直接決定著整個(gè)液壓系統(tǒng)能否正常工作，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的理論分析與試驗(yàn)研究及作者在設(shè)計(jì)、使用液壓泵及對(duì)液壓泵故障與故障機(jī)理的分析結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)污染度控制在正常范圍值時(shí)，液壓泵的失效主要為液壓泵各摩擦副材料及表面工藝選擇不理想而引起摩擦副過早的污染磨損、從而導(dǎo)致其容積效率急劇下降直至喪失工作性能，并且隨著液壓泵向高壓、高速、高精度方向的發(fā)展，油液污染對(duì)液壓泵工作可靠性及壽命的影響愈顯突出。因此，如何提高液壓泵的污染耐受能力進(jìn)而延長(zhǎng)其工作壽命、確保液壓系統(tǒng)的工作可靠性是液壓泵設(shè)計(jì)應(yīng)該高度重視的問題。本文分析了液壓柱塞泵在其所在液壓系統(tǒng)油液污染特性一定時(shí)影響其污染耐受能力的諸多因素，指出了在結(jié)構(gòu)形式確定的情況下設(shè)計(jì)高污染耐受度液壓柱塞泵所要求的摩擦副材料與主要表面工藝。
　　
　　1、液壓泵污染耐受度及影響因素分析
　　
　　液壓泵的基本性能參數(shù)包括壓力、排量、流量、效率、功率、扭矩、轉(zhuǎn)速和吸入能力等，而污染耐受度也是液壓泵的一個(gè)重要指標(biāo)，液壓泵的污染耐受度是指導(dǎo)泵的性能和壽命受油液中污染物影響的程度，也就是液壓泵對(duì)污染的敏感性，即在一定的條件下，液壓泵能夠容耐的zui大油液污染度，一般認(rèn)為，液壓泵的污染敏感度和污染耐受度具有相反的含義。E.C.Fitch教授領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)俄克拉荷馬州立大學(xué)流體動(dòng)力研究中心及文獻(xiàn)［1］、［2］等對(duì)液壓泵的污染敏感性進(jìn)行了研究，提出了液壓泵污染磨損理論及評(píng)定液壓泵污染耐受度的方法。泵的污染壽命即液壓泵污染磨損失效前工作時(shí)間是反映液壓泵污染耐受度的重要指標(biāo)之一，液壓泵的污染耐受度高其污染磨損壽命無疑會(huì)長(zhǎng)，而液壓泵的容積效率又是泵的污染壽命期內(nèi)的重要功能指標(biāo)，實(shí)際使用中，液壓泵的容積效率值往往比較大，可以說，液壓系統(tǒng)中所有組合件的工作性能在很大程度上取決于泵的容積效率，一般認(rèn)為，液壓泵的容積效率下降到70～75%時(shí)系統(tǒng)已不能正常工作，即認(rèn)為液壓泵已因泄漏而失效，液壓泵容積效率的下降又主要因各摩擦副的磨損，而各摩擦副的磨損又主要取決于油液污染及摩擦副本身的耐磨能力。液壓泵污染磨損失效前的工作時(shí)間即為泵的污染壽命可表示為
　　
　　（1）
　　
　　式中：QF——泵在時(shí)間T時(shí)的流量，即泵的zui低允許流量；
　　
　　QR——泵的額定流量；
　　
　　nFi——尺寸區(qū)間為i的現(xiàn)場(chǎng)污染物濃度，一般地說液壓泵在現(xiàn)場(chǎng)使用條件下，污染物不斷地從外界侵入，同時(shí)又不斷地被濾油器濾除，因此現(xiàn)場(chǎng)條件下可以認(rèn)為nFi是定值；
　　
　　αi——液壓泵對(duì)尺寸區(qū)間i的污染顆粒的污染磨損系數(shù)，由試驗(yàn)確定。
　　
　　液壓泵的污染壽命又可表示為：
　　
　　T=（1-ηVT）/I（2）
　　
　　式中：T——泵的污染壽命；
　　
　　ηVT——泵的相對(duì)容積效率，ηVT=1-kh3
　　
　　h——泵各摩擦副的平均間隙；
　　
　　I——ηVT的下降速度；
　　
　　k——與泵結(jié)構(gòu)、使用參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。
　　
　　泵中摩擦副的變化是由其自身的磨損引起，其磨損量和磨損速度取決于摩擦副表面的材料及其熱處理情況、運(yùn)動(dòng)副的初始間隙、污染顆粒特性、大小分布、濃度及形狀、運(yùn)動(dòng)摩擦副中壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)等，因此，平均間隙h的大小是這些自變量的函數(shù)，即
　　
　　h=f（a,δ,H,Δp,φ,T,…）
　　
　　式中：a——污染顆粒的尺寸；
　　
　　δ——污染顆粒的濃度；
　　
　　H——污染顆粒的硬度；
　　
　　Δp——泵的進(jìn)、出口壓差；
　　
　　φ——泵的設(shè)計(jì)參數(shù)；
　　
　　T——泵的污染壽命。
　　
　　可見，影響液壓泵污染壽命的因素是很多的，液壓泵本身可視為一個(gè)小型摩擦學(xué)系統(tǒng)，其污染磨損的實(shí)質(zhì)是潤(rùn)滑狀態(tài)下的滑動(dòng)表面在污染顆粒的擠壓和切削作用下產(chǎn)生塑性變形或疲勞、脆裂或剝落的結(jié)果。即液壓泵污染磨損機(jī)理主要有疲勞磨損機(jī)理、粘著磨損機(jī)理、和腐蝕磨損機(jī)理。
　　
　　基于如下假設(shè)：
　　
　　（1）配合面間隙是變化的，zui小間隙是H0；
　　
　　（2）顆粒是剛性球體，在H0條件下，顆粒對(duì)配合面不產(chǎn)生磨損的zui大直徑為2ρmax；
　　
　　（3）配合面表面材料的屈服強(qiáng)度分別是σs1、σs2，泊桑比分別是μ1、μ2，彈性模量分別是E1、E2；
　　
　　（4）配合面1和2的zui大變形量分別是W01、W02。
　　
　　文［2］導(dǎo)出了液壓泵任一配合表面不發(fā)生塑性變形的條件式：
　　
　　（3）
　　
　　式中：
　　
　　可見，對(duì)一定結(jié)構(gòu)的液壓泵來說，為延長(zhǎng)液壓泵的污染磨損壽命、提高液壓泵的污染耐受力須加以控制和改善的是污染顆粒大小、數(shù)量及液壓泵運(yùn)動(dòng)副表面的材料及表面工藝特性。而對(duì)任何一液壓系統(tǒng)，其污染控制程度總能穩(wěn)定在一定的正常范圍內(nèi)，因此若液壓泵結(jié)構(gòu)一定，設(shè)計(jì)液壓泵時(shí)能夠也必須加以控制的是液壓泵運(yùn)動(dòng)副表面的材料及表面工藝特性。
　　
　　式（3）是在摩擦副表面為理想的幾何表面的條件下導(dǎo)出的，然而經(jīng)過加工成形工藝以后的磨損副表面具有不同的幾何品質(zhì)，如表面粗糙度、波紋度、宏觀幾何偏差和加工痕跡方向等，以及不同的物理品質(zhì)，如冷作硬化、微應(yīng)力和初始應(yīng)力等，它們對(duì)摩擦副表面的磨損性能、疲勞強(qiáng)度、接觸強(qiáng)度、耐腐蝕等都有很大的影響，無疑會(huì)影響液壓泵的抗污染磨損性能。
　　
　　摩擦副零件的疲勞強(qiáng)度隨其表面粗糙度參數(shù)的降低而增加，這是因?yàn)榱慵诔惺鼙砻嬷貜?fù)載荷或交變載荷作用時(shí)，零件表面越凹凸不平越容易引起應(yīng)力集中；故降低表面粗糙度，因材料疲勞而引起的表面斷裂的機(jī)會(huì)就會(huì)減少，從而增加零件的疲勞強(qiáng)度。
　　
　　摩擦副表面越粗糙，污染顆粒與之接觸或摩擦副相互配合時(shí)，zui初的點(diǎn)、線接觸面積就越小、在一定載荷作用下表面層出現(xiàn)的塑性變形就會(huì)越大，從而接觸剛度就越差。同時(shí)摩擦副表面越粗糙，其谷底的曲率半徑就減小，越容易聚集腐蝕性液體或氣體，也就越容易發(fā)生表面腐蝕，降低耐腐蝕性能，所以液壓泵設(shè)計(jì)中摩擦副表面粗糙度確定也就至關(guān)重要。
　　
　　XpyШoB（1947年）ДъячеHHкO（1950年）等人通過系統(tǒng)地實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)于不同的磨損工況，即摩擦副載荷、滑動(dòng)速度、潤(rùn)滑狀況等參數(shù)的改變，表面粗糙度都有一個(gè)*值HRO，如圖所示。此時(shí)抗磨損能力zui強(qiáng)。當(dāng)表面粗糙度小于HRO時(shí)，即表面過于光滑、此時(shí)由于表面的分子作用，引起磨損加劇；而當(dāng)表面粗糙度大于HRO時(shí)，即表面過于粗糙，表面的機(jī)械作用使磨損加劇。在一定工況下，不論原來粗糙度是多少，經(jīng)磨合都要達(dá)到*粗糙度，此后表面粗糙度就穩(wěn)定在*值而持續(xù)工作。一般地說，液壓摩擦副的表面粗糙度為Ra0.8～0.05。摩擦副表面波紋度對(duì)零件性能的影響與表面粗糙度相類似。
　　
　　在加工冷作硬化過程中，表面的塑性變形促進(jìn)氧在金屬中的擴(kuò)散，形成連接牢固的氧化膜，同時(shí)使表層逆性降低而硬度提高，因而提高了摩擦副材料抗氧化磨損與抗膠合能力，減少了粘著磨損；同時(shí)因接觸疲勞裂紋在表面硬化層中的萌生和擴(kuò)展須在較高的應(yīng)力和應(yīng)力循環(huán)下發(fā)生，故也提高了零件表面疲勞磨損壽命。
　　
　　摩擦副零件在切削過程中，由于在切削變形、刀具與表面的摩擦、切削熱引起的相變和體積變化等原因形成表面初應(yīng)力，其中表面壓縮初應(yīng)力能提高材料的抗接觸疲勞強(qiáng)度，因?yàn)樗梢越档捅砻鎧ui大剪應(yīng)力和等效應(yīng)力，而表面拉伸應(yīng)力將降低疲勞磨損壽命。以上分析目的對(duì)表面的加工品要引起足夠的重視。
　　
　　2、高污染耐受度液壓泵設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　
　　（1）所在液壓系統(tǒng)的過濾精度
　　
　　液壓系統(tǒng)中污染物主要是殘留在系統(tǒng)中的鑄砂、焊渣、鐵屑、涂料、漆皮，經(jīng)過加油口、防塵圈等處進(jìn)入的灰塵顆粒及系統(tǒng)在工作中產(chǎn)生的各種碎片、金屬粉末、瀝清質(zhì)、膠質(zhì)、炭渣等雜質(zhì)。
　　
　　根據(jù)液壓泵所在液壓系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工況參數(shù)確定其濾油系統(tǒng)，即確定過濾器的數(shù)量、安裝位置、工作壓力、通流能力，然后按有關(guān)準(zhǔn)則（如英國(guó)液壓設(shè)備制造者協(xié)會(huì)AHEM的根據(jù)液壓系統(tǒng)工況參數(shù)來確定濾油器過濾精度的要求準(zhǔn)則）確定過濾器的過濾精度，使之滿足整個(gè)系統(tǒng)尤其是液壓泵對(duì)過濾精度的要求。
　　
　　這樣，在合理設(shè)計(jì)和嚴(yán)格控制液壓系統(tǒng)污染度的情況下，我們只要合理設(shè)計(jì)選擇液壓泵的摩擦副材料及表面工藝，使之滿足不發(fā)生塑性變形條件式（1），便可有效控制液壓泵的污染磨損、延長(zhǎng)泵的污染壽命。
　　
　　（2）摩擦副材料選擇
　　
　　摩擦副材料選擇的依據(jù)主要是摩擦表面的壓力、滑動(dòng)速度和工作溫度，對(duì)以面接觸的摩擦副由于其表面壓力較低，通常采用軟硬配合的材料配對(duì)，對(duì)以點(diǎn)、線接觸的運(yùn)動(dòng)副由于載荷集中作用通常使用硬材料配對(duì)。
　　
　　對(duì)摩擦副材料的主要技術(shù)通常為：
　　
　　①機(jī)械性能。由于摩擦表面的載荷及運(yùn)動(dòng)中的沖擊，材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。金屬材料的硬度越高，其耐磨性能好。良好的塑性使摩擦表面能迅速磨合，但塑性低的耐磨材料在受到?jīng)_擊載荷時(shí)容易脆裂。
　　
　　②減摩耐磨性能。良好的耐磨材料應(yīng)具有較低摩擦系數(shù)，不但本身耐磨，而且也應(yīng)不使配對(duì)材料磨損過大，所以減摩耐磨性能實(shí)質(zhì)上是相配對(duì)材料的組合性能。
　　
　　③熱力學(xué)性能。為了保持良好的潤(rùn)滑條件，特別是在邊界條件潤(rùn)滑狀態(tài)下，摩擦副材料應(yīng)具有良好的熱傳導(dǎo)性能，以降低摩擦表面的工作溫度。同時(shí)材料的熱膨脹系數(shù)不宜過大，否則將引起間隙變化而導(dǎo)致潤(rùn)滑性能改變甚至于因間隙過小而“咬死”。
　　
　　④潤(rùn)滑性能。摩擦材料與所使用的潤(rùn)滑油應(yīng)具有良好的油性，即能形成連接牢固的吸附膜。此外摩擦副材料與潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性要好，這樣潤(rùn)滑能覆蓋摩擦表面。
　　
　　液壓泵實(shí)質(zhì)上本身就是一個(gè)小型摩擦學(xué)系統(tǒng)，在泵的設(shè)計(jì)過程中都應(yīng)根據(jù)國(guó)內(nèi)外液壓泵摩擦副材料的配對(duì)方案，選擇多種材料及其組合配對(duì)方案進(jìn)行試驗(yàn)研究，zui后確定*配對(duì)方案。當(dāng)然這些配對(duì)材料應(yīng)滿足摩擦副表面不發(fā)生塑性變形的條件。
　　
　　（3）摩擦副零件表面工藝
　　
　　摩擦副零件表面工藝包括表面熱處理、化學(xué)熱處理及表面保護(hù)處理等，其中表面熱處理與化學(xué)熱處理能確保零件表面硬而耐磨，心部韌而耐沖擊，而表面保護(hù)處理能提高零件表面的耐腐蝕性、耐磨性、裝飾美觀性、導(dǎo)電性等，尤其有的鍍層還具有明顯的減摩作用，所以表面工藝對(duì)液壓泵摩擦副抗污染磨損性能有很大的影響。
　　
　　當(dāng)今，摩擦副表面工藝工程研究已成為目前摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，國(guó)內(nèi)外許多科研、生產(chǎn)部門，廣泛開展了液壓泵摩擦副多種表面工藝在液壓泵設(shè)計(jì)中得到了推廣和應(yīng)用，如離子噴焊、堆焊、電鍍厚青銅、軟氮化、硫—氮共滲、氮化和硫化、雙金屬澆鑄、離子注入、蒸鍍Ti等。