目前,我国在研大型客机的液压系统主要依赖国外进口,而液压系统中最关键最复杂的部件就是柱塞泵。柱塞泵是液压系统的“心脏”,其提供二次能源,把机械能转化为液压能。对于航空液压系统,高压化高速化是提升功重比的有效手段,也是发展趋势,国际上普遍沿着21 MPa/28 MPa/35 MPa/56 MPa的发展路线推进,国内还处在21、28 MPa阶段,国外已以35 MPa为主流,并正向56 MPa发展。而液压系统高压高速化给柱塞泵的设计和制造带来更严峻的挑战。
国产航空柱塞泵设计制造最初主要是根据国外产品进行测绘仿制,并通过引进消化吸收再创造的方式取得了较大发展。但是由于其中的一些关键技术一直没有取得实质性突破,使得国产航空柱塞泵的各项性能指标与国外先进柱塞泵还有一定的差距。
航空柱塞液压泵性能失效的主要原因是关键摩擦副的润滑和磨损失效。如图 1所示,航空柱塞泵中有3对关键摩擦副,分别是柱塞缸与配流盘组成配流副、柱塞与柱塞腔组成的柱塞副、滑靴与斜盘组成的滑靴副。这3对关键摩擦副润滑和摩擦磨损特性对柱塞泵的极限工作状态、寿命和可靠性有直接影响,提升摩擦副润滑性能、降低摩擦副的摩擦磨损是提高柱塞泵机械效率、可靠性、延长柱塞泵服役寿命的关键。此外,摩擦副的耐磨性能决定了柱塞泵的可靠性和寿命。传统的加工工艺已较难将摩擦副的耐磨性能做进一步提升。为了进一步提高摩擦副的耐磨性能,很多学者提出可以采用表面强化、表面涂层和表面织构等表面改性方法,改善柱塞泵中关键摩擦副的润滑和摩擦磨损特性;很多实验也证明,采用合理的表面处理工艺和加工适当的表面织构可以有效提高关键摩擦副的使用寿命,从而大幅度增强柱塞泵的性能。
1 柱塞泵发展历程
自1905年世界上首台柱塞泵出现至今,根据柱塞泵的诞生和发展过程,可将柱塞泵的发展历程归纳为3个阶段[2]。
第一阶段:1905年至1978年,这一阶段诞生了2种结构形式的柱塞泵(斜盘式轴向柱塞泵和斜轴式轴向柱塞泵)和不同变量形式的柱塞泵[3](定量、恒压和恒功率等)。我国在此阶段主要是创建和自主研发柱塞泵[2]。这一阶段标志性事件有:
1905年,美国的Janny首次将矿物油作为传动媒介,设计了世界上第一台斜盘式轴向柱塞泵[4],并制造了相应的液压传动装置,人们称其为Janny泵。Janny泵拉开了现代柱塞泵的序幕。
1922年和1930年,瑞士的Thomas分别研制出径向柱塞泵和斜轴式轴向柱塞泵[5],人们称其为Thomas泵。
1954年,英国Lucas IP系列和美国Denison轴向柱塞泵采用轴承支承缸体的形式[6],工作压力最高可达35 MPa,引起了柱塞泵历史上的第一次飞跃。
20世纪60年代,移动式机械的液压驱动系统需要高度集成化的液压元件,通轴泵应运而生。通轴泵尾端可以安装辅助泵,使得通轴泵可以集成多种元器件,从而简化了液压系统的设计。通轴泵的诞生使得柱塞泵迎来了第二次飞跃。
1966年,我国济南铸锻所徐绳武参考国外柱塞泵,自主研发了CY14-1型轴向柱塞泵。
第二阶段:1979年至1990年,这一阶段国外开始关注柱塞泵中关键摩擦副对泵性能的影响,采取电子控制技术实现柱塞泵的变量控制,并对柱塞泵的结构进行了优化。在这一阶段我国引进了国外柱塞泵的先进技术并进行消化吸收[2],在此基础上自主研发并改进自己的产品,但是产品在质量上与国外仍有差距。这一阶段标志性事件有:
1980年,德国Bosch Rexroth公司生产了著名的A4V斜盘式轴向柱塞泵[7],它采用球面配流盘、倾斜柱塞、蝶形弹簧压紧缸体和回程盘,采用了适应原动机和多执行元件工作特点的变量控制方式等新技术,这种柱塞泵广泛用于重载、高压的工作状况。
我国在此阶段相继对CY14-1柱塞泵进行了4次大的改进,开发了Q* *CY14-1Bk系列开式低噪声泵和QT* *CY14-1Bk系列通轴泵[8]。
1989年,浙江大学路甬祥等开发了电反馈电液比例恒功率变量泵[9],该泵具有优秀的稳态控制性能和动态响应特性。
第三阶段:1990年至今,这一阶段国外学者在柱塞泵减振降噪、关键摩擦副的润滑特性、延长泵的服役寿命和优化泵的结构方面做了深入的研究,广泛采用计算机辅助方式进行柱塞泵的设计和制造[10-13]。
荷兰Innas BV分公司研制了一种浮杯结构的轴向柱塞泵,这种泵的柱塞与内燃机活塞相联,使得传动装置体积减小,效率提高,同时减小了流量脉动,降低了轴向柱塞泵的噪声和振动[14]。
美国普渡大学Maha流体动力研究中心(Maha Fluid Power Research Center)的Ivantysynova团队[15-18]对柱塞泵柱塞副进行了深入系统的研究,通过耦合求解柱塞副动力学方程、Reynolds方程和能量方程等,分析了柱塞副间油膜厚度、压力、温度和摩擦力等润滑特性,为柱塞泵结构的设计制造提供了理论依据。
这一阶段我国开始与国外先进厂商合资生产柱塞泵[2],国产泵开始走自主研发的道路,在轻量化、可靠性和服役寿命等方面有了提高。
1995年,浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室成立并通过国家验收,实验室对柱塞泵的动力学建模与优化、状态检查与故障诊断、可靠性和优化设计等方面做了大量的研究工作,已经发展为我国柱塞泵设计制造领域的重要科研力量。
回顾柱塞泵110多年的发展历程,从最初实现简单低压排水的雏形泵,到现在的高功重比并具有变压力系统的高度集成智能化产品,虽然柱塞泵在细节上发生了很大的改变,但是柱塞泵的基本结构并没有变化,尤其是其中的3对关键摩擦副。由于这些摩擦副长期处于高速、高压和重载等恶劣工况下,摩擦副就成为决定柱塞泵寿命、可靠性和性能的重要部件。针对柱塞泵绿色设计、高可靠性和高寿命等目标,国内外学者的研究主要集中在关键摩擦副的设计、润滑机理、表面改性等方面。
2 设计方法为了提高柱塞泵的各项性能并延长其服役寿命,需要从设计上确保相应部件设计的合理性。
许耀铭[19]指出,柱塞泵设计时主要考虑3个方面:1) 摩擦副采用耐磨材料;2) 选用抗磨损能力强的润滑油;3) 保证油膜充分润滑。他提出了3种设计关键摩擦副的理论方法及使用条件(剩余压紧力设计法、油膜压力反馈设计法、油膜挤压效应设计法),这3种方法都是从设计上保证摩擦副间形成适当厚度的油膜。
2.1 柱塞副柱塞泵运转过程中,柱塞在柱塞腔中作往复直线运动,实现柱塞泵的吸油和排油。
柱塞副在设计时首先需要考虑的因素是密封性,合理设计柱塞与柱塞腔之间的配合间隙,间隙过大会造成液压油泄漏量上升,容积效率下降;间隙太小,反复摩擦后容易造成柱塞“卡死”。通常将柱塞直径的千分之一作为间隙值,这个数值是兼顾效率和可靠性得出的经验公式[20]。
柱塞受力复杂,其中滑靴的反作用力与柱塞运动方向存在一个夹角,柱塞因此会受到偏置力矩的作用[20],为了减小偏置力矩的影响,在柱塞上加工均压槽,利用高压油平衡偏置力矩,减小磨损。
柱塞在排油过程中存在死容积,无法彻底排出柱塞腔中所有的液压油。随着缸体的旋转,死容积中残余的高压油进入低压区,导致液压油倒灌,不仅会造成冲击还会产生噪声,常采用厚壁式柱塞或塑料填充的方法降低死容积[20]。
柱塞数直接影响柱塞泵结构尺寸及流量脉动特性,是柱塞泵性能的决定因素,所以柱塞数的确定是柱塞副设计的重要环节,通常依靠传统经验确定柱塞数量。Manring[21]使用无因次化方法对柱塞泵流量脉动率进行数值求解,结果显示使用奇数个柱塞的流量脉动特性优于偶数。合肥工业大学袁合[22]以K3V型双联轴向柱塞泵为例,在分析影响泵结构和性能主要因素的基础上,使用综合因素评价法,对主要影响因素进行综合加权比较,计算结果表明,柱塞数为9时泵的综合性能最好。
2.2 滑靴副滑靴副是柱塞泵主要的传力部件,是影响柱塞泵高压高速和大流量的重要因素。滑靴副的设计方法主要有剩余压紧力法和静压支承法。
剩余压紧力法[23]是将柱塞孔中的高压油引入斜盘和滑靴接触面之间,滑靴副间的油膜起到润滑作用,高压油提供的反向支承力与滑靴所受的大部分压紧力相抵消,剩余压紧力用以保证滑靴与斜盘不滑脱并使膜厚保持在一定范围内。由于剩余压紧力的存在,随着柱塞泵转速、压力和流量的提高,滑靴副将出现磨损,甚至出现“烧靴”现象。
为了解决剩余压紧力法的缺陷,滑靴副设计时多采用静压支承法。在滑靴底部和柱塞腔之间加设阻尼孔,通过阻尼作用调节滑靴副间的油膜厚度,避免滑靴和斜盘直接接触导致的磨损,静压支承法能够对压力反馈进行闭环调节,确保了油膜形成的可靠性和连续性[24]。
袁合[22]使用CFD软件对滑靴阻尼孔大小与滑靴副间润滑油流动关系进行仿真,经仿真优化得到阻尼孔直径和长度,既满足液压油承载能力的需求,而且油液泄漏量适中,实现了滑靴副的综合性能最优化。
2.3 配流副配流副采取动对静的配流方式,主要失效形式为磨损和气蚀,工作过程中伴有噪声和振动[20],因此配流副设计时主要从解决润滑、密封、减震和降噪等方面考虑。
配流副设计时通常采用静压支承法、剩余压紧力法和综合设计法3种。前2种设计方法的原理与滑靴副类似,综合设计法的原理[25]为:缸体在所受外力矩基本平衡的前提下,用微小的剩余压紧力压向配流盘,使配流副间在理论上无油膜,小接触比压下正常运转;当缸体脱离配流盘之后,能借助静压支承的节流效应使它自动复位,因此摩擦副的泄漏相当小,磨损不大,从而提高配流副的性能和寿命。
哈尔滨工业大学曾祥荣等[25]采用综合设计方法,制造了一台通轴式轴向柱塞泵样机,经台架试验后满足设计要求。袁合[22]从降低噪声角度出发,对配流盘三角阻尼槽的结构进行了优化设计,给出了优化后的三角阻尼槽参数。
根据以上分析,剩余压紧力法通常用于设计压力、转速和排量比较低的柱塞泵;静压支承法可以保证摩擦副间形成稳定的油膜,柱塞泵有高速、高压和大排量需求时通常采用这种方法。除了以上提到的几种方法,有些学者利用了油楔效应、热楔效应、液体的压缩和膨胀效应等方法,提高柱塞泵摩擦副间油膜的承载能力[19]。
随着计算机硬件和仿真技术的飞速发展,国内外学者开始采用商业软件(如ADAMS、AMESim、COMSOL和ANSYS等)对柱塞泵进行建模和仿真分析,可以直观地展现柱塞泵工作过程中各摩擦副间的润滑状态、应力、温度场等的分布情况,借助这些商用仿真软件,可以提高柱塞泵设计的准确性,节省台架试验的成本,缩短柱塞泵的研发周期。
3 润滑机理摩擦副中油膜润滑特性和摩擦磨损状况对柱塞泵可靠性和寿命有直接影响。因此,国内外学者对关键摩擦副的润滑机理和摩擦磨损进行了大量的研究。
目前关于柱塞泵中3个摩擦副润滑机理的研究文献,主要分为理论计算模型和试验测试2种。随着计算机运算能力的提高,理论研究从最初的流体静压模型发展到现在的热弹性流体动压润滑模型。根据台架测试的精确度和功能,试验经历了3个发展阶段:使用与摩擦副相同材料的模型泵、使用配流副中部分组件、使用实际柱塞泵。
为了揭示柱塞泵中关键摩擦副间油膜润滑机理,学者们基于不同的理论和假设,建立了摩擦副间的润滑模型。假设油膜厚度保持不变,流体静压能提供足够支撑力,最早建立了流体静力学支撑模型,也是最简单和最理想化的模型;在考虑油膜压力导致摩擦副表面弹性变形但不考虑温度影响的基础上,学者们建立了等温弹性流体动压润滑模型。最近,在考虑摩擦副间油膜温度变化的基础上,结合摩擦副动力学分析,形成了热弹流性流体动压润滑模型,这种模型是理论模型中考虑实际影响因素比较全面的润滑计算理论模型。
可以看出,国内外柱塞泵关键摩擦副润滑理论模型考虑的实际影响因素越来越多,逐渐建立了接近实际工况的润滑计算模型,而且数值计算方法逐渐优化,计算效率和准确性越来越高。
3.1 柱塞副1972年,德国的Kolk[26]将柱塞副简化为一个倾斜的滑动轴承,首次通过求解Reynolds方程,得到了柱塞副中的压力分布数值解。
美国普渡大学Maha流体动力研究中心的Ivantysynova团队[27]在1985年采用数值方法求解了Reynolds方程和能量方程,求得了柱塞副考虑温度效应后膜厚和压力分布,并采用试验进行了验证。
1995年,Shirakashi和Fang[28]在对柱塞副进行受力分析的基础上,考虑了膜厚变化及油膜挤压效应对柱塞动力学的影响,结合Reynolds方程,求得了柱塞副的油膜厚度分布及压力场。
2010年,亚琛工业大学的Murrenhoff等[29-33]在考虑柱塞挠性变形和表面弹性变形的基础上,建立了柱塞副等温弹流润滑计算模型。
2012年,Ivantysynova团队在进一步考虑热变形的基础上,建立了柱塞副的热弹性流体动压润滑模型[34-35],如图 2所示,采用多重网格法对模型进行了求解,得到了柱塞副中的弹性变形量、温度、膜厚及压力分布。同时开发了柱塞副试验台架[17-18, 36-38],台架装有温度和压力传感器,可以测得柱塞副中的油膜温度及压力分布,通过试验得到的结果可以分析柱塞副的润滑状态、功率损失和泄漏量。
哈尔滨工业大学王克龙[39]也提出了柱塞副热弹性流体动压润滑模型,各物理场耦合关系如图 3所示,数值计算流程如图 4所示。该模型可以数值求解柱塞副微运动和润滑油膜中多物理场特性,在计算柱塞副弹性变形时采用影响系数法,并在其中引入了惯性约束,为柱塞泵的优化设计奠定了理论基础。他还搭建了双柱塞对称分布式柱塞副油膜模拟试验台,可以模拟柱塞往复运动,解决了柱塞副油膜分布式参数和摩擦功率损失不容易测量的难题。
3.2 滑靴副
1962年,Fisher[40]对柱塞泵滑靴副的润滑机理开展了研究,结果表明:在离心力矩的作用下,滑靴会产生轻微的倾覆现象,由于动压效应滑靴副油膜压力呈现偏心分布,因此滑靴将受到反倾覆力矩的作用。
1996年,英国巴斯大学的Harris等[41]采用动态仿真软件Bathfp进行仿真,分析滑靴的姿态,获得柱塞泵运行周期内滑靴副最大、最小油膜厚度曲线。仿真结果表明:在排油冲程(高压冲程),滑靴的倾覆角度较小,而在吸油冲程(低压冲程),滑靴的倾覆角度较大。
1996年,英国伯明翰大学的Hooke等[42-44]对滑靴副进行了系统的研究,采用偏心加载方式模拟滑靴受到的离心倾覆力矩。研究结果表明:离心力矩显著影响滑靴副的润滑特性,在高压工况下,影响滑靴行为的主导因素是静压和偏心载荷;而在低压工况下,影响滑靴行为的主要因素是动压和偏心载荷。
2016年,德国马格德堡大学的Hashemi等[45]结合多体动力学,建立了滑靴副的时变三维非牛顿热弹流润滑模型,计算流程如图 5所示。该研究在计算时采用真实测得的滑靴副表面,考虑了空化、流体的非牛顿性等因素的影响。他们的结果表明回程盘对滑靴的作用是不可忽略的,计算时应考虑热效应和选择满足质量守恒的空化模型。
2010年,浙江大学李迎兵等[46-47]在对滑靴副动力学分析的基础上,建立了轴向柱塞泵滑靴倾覆模型,提出了滑靴抗倾覆优化结构,优化后的滑靴在倾覆程度、稳定性和最小油膜厚度等方面性能都比较好。
浙江大学张军辉等[48]在商用轴向柱塞泵的基础上,搭建了一种新颖的三柱塞式柱塞泵滑靴测试台架,该平台引入了压紧板来维持缸体的平衡,目前主要用于测试滑靴自旋运动,未来可能用于测量滑靴副中油膜润滑特性相关的参数,比如膜厚、压力和温度分布等。
3.3 配流副1961年,Franco[49]提出一种柱塞泵中配流盘和缸体之间油膜压力场的计算方法。他考虑了油膜离心力对压力分布的影响,假定配流副间膜厚是常数,但是忽略了配流盘高低槽端部区对压力分布的影响。
1966年,日本横滨国立大学的Yamaguchi[50]将配流盘腰型槽圆形过渡区简化为矩形,同时假设这个区域为短承载区,考虑了配流副间油膜厚度的变化,首次通过数值求解柱坐标系下的Reynolds方程,得到了配流副间油膜压力分布的近似值,这种计算方法有一定的误差。
在此基础上,Yamaguchi等[51]于1984年假设配流盘腰型槽圆形过渡区包角为180°,忽略高低槽端部区的影响,求解了非稳态Reynolds方程,求得了弹性系数和阻尼系数等油膜系数,指出配流副中功率损失的主要影响因素。
浙江大学潘华辰[52]假设柱塞泵中配流副间油膜厚度为常数,采用有限差分法对直角坐标系下的Reynolds方程进行离散,使用Fortran编程求解,得到了配流盘的液压分离力。
浙江大学艾青林[53]建立了轴向柱塞泵配流副弹流润滑数学模型,该模型可以从理论上仿真配流副油膜的动态形成过程,得出压力、温度和转速等对配流副油膜厚度、支承力及流量泄漏的影响规律;他还搭建了柱塞泵配流副润滑特性试验台,通过该试验台对上述理论模型进行了验证。
北京理工大学胡纪滨等[54]分析了弹性变形对轴向柱塞泵配流副润滑特性的影响。采用弹流动压润滑理论,建立了考虑弹性变形的配流副弹流润滑计算模型,使用有限差分法求解Reynolds方程,计算结果表明:当配流副间油膜厚度较小时,考虑弹性变形后,平均油膜厚度增大了14.48%,油膜最大压力减小了18.6%,油膜承载能力和泄漏量明显增大,摩擦转矩明显减小;当油膜厚度大于15 μm时,配流副润滑特性与考虑弹性变形时基本一致。
上海工程技术大学的王兆强等[55-56]建立了轴向柱塞泵配流副的热弹性流体动压润滑模型,其计算流程如图 6所示。模型采用有限差分法和松弛迭代法对柱坐标系下的Reynolds方程进行求解,结合膜厚方程、能量方程、弹性变形方程等,得到了配流副中的膜厚、压力和温度场的分布。分析了缸体倾斜对配流副润滑特性的影响,指出缸体倾斜会造成油膜厚度的变化,形成流体动压效应,从而提高承载能力。并采用试验对理论模型进行了验证,试验得到的温度和摩擦系数与理论模型吻合较好,证明了理论模型的正确性。
综上所述,学者们建立的柱塞泵理论计算模型基本处于稳定工作状态,假设摩擦副处于全膜润滑,且满足Reynolds方程时得到的。在适当的假设和简化后,建立了柱塞泵关键摩擦副润滑仿真模型,研究了摩擦副界面处油膜的压力、膜厚和温度分布等,而且随着数值计算方法和计算机运算能力的提高,仿真计算的精确性越来越高。但是柱塞泵关键摩擦副的润滑特性受多重因素的影响,比如气穴、压力和流量脉动等,混合润滑工况下油膜非连续流动时的数值计算基本没有深入分析,柱塞泵实际工况时的润滑特性数值模拟还需要进一步深入研究;现有的关于3个摩擦副的试验都是侵入式测试,安装的传感器不可避免地影响油膜的润滑特性,未来需要采用干扰性更小的非侵入式传感器进行试验。
4 表面改性在对柱塞泵关键摩擦副润滑特性理论研究和试验分析的基础上,许多学者提出可以采用摩擦副表面织构改性和表面处理的方法,改善柱塞泵中关键摩擦副的润滑特性和摩擦磨损特性以及密封性能。很多试验也证明,加工适当的表面织构或采用合理的表面处理工艺可以有效提高关键摩擦副的使用寿命,从而延长柱塞泵的使用时间。
4.1 表面织构早期的摩擦学理论认为,表面粗糙度导致摩擦的产生[57],相互接触的表面越光滑磨损量越小[58]。一般情况下,减小表面粗糙度可以降低摩擦系数,但是超精加工后获得的表面摩擦系数反而剧增[57]。近年来,大量学者的研究表明,在相互接触的表面上加工一系列具有一定分布规律和尺寸的微小形貌,可以改善接触表面的摩擦学性能[59-61]。
1966年,Hamilton等[62]最早利用表面织构来改善摩擦性能,采用蚀刻方法在机械密封件上加工了一系列微凸体,每一个微凸体相当于微小的动压润滑轴承,可以产生流体动压效应,从而提高摩擦副的承载能力并降低摩擦系数。
北京航空航天大学傅健等[59]指出,柱塞泵摩擦副表面加工织构后将产生微流体动压效应[60-61],而且这些微织构可以储存润滑油和摩擦过程中产生的磨屑[63-64],因此表面织构可以提高摩擦副界面承载能力并提高润滑性能。
很多学者的研究表明,表面织构的参数(织构形状、深度、分布和面积率等)经过优化后会显著改变摩擦副的润滑性能。
清华大学摩擦学国家重点实验室何永勇课题组[65-66]采用沟槽形表面织构对滑靴副表面进行改性以提升其润滑性能。提出了基于遗传算法(GA)和序列二次规划(SQP)混合算法的表面织构优化策略,优化设计的目标是使油膜的承载能力达到最大值,对沟槽形表面织构的底部轮廓及端面形状进行了数值优化。理论计算结果表明:低速工况下优化得到的表面织构底部轮廓由直线段和圆弧组成;高速工况下优化得到的底部轮廓分为3部分,即空化区域、主要区域和附加区域;各转速下优化得到的端面形状均为V字形,其润滑特性明显优于其他形状,可有效降低摩擦系数以及试件表面温升[1]。
基于上述研究,何永勇课题组首先在标准摩擦磨损试验机Plint上进行环-环试验,使用激光在SiC环上加工了V字形织构,摩擦系数较无织构和其他形状织构的表面低,温升更小,验证了数值模拟得到的V字形织构的优异润滑特性。然后在斜盘内侧制备V字形沟槽表面织构的滑靴副,并在EHA泵原理样机上对该方案进行台架试验。结果表明,相同工况下,与无织构斜盘相比,优化设计得到的表面织构可使滑靴副斜盘表面磨痕深度降低1/6,特定工况下摩擦系数降低到0.003,实现了动压超滑。实际验证了提出的表面织构及其优化设计理论方法的有效性,表面织构优化可有效改善航空液压泵滑靴副润滑特性,达到滑靴副减磨延寿进而有效提升液压泵性能的目的。
2019年,浙江大学张军辉等[67]采用多目标优化设计的方法,在柱塞泵配流盘表面设计了不同的织构形状,研究结果表明:田径跑道形状的凹坑可以使摩擦扭矩下降8.2%,水滴形状的凹坑可以使流量泄漏降低9.9%。他们在钢制配流盘表面采用激光加工微织构,缸体使用铜制造,在柱塞泵样机上进行了试验,试验结果表明,在相同工作参数下,加工有织构的配流盘可以使机械效率和容积率分别提高2.6%和1.4%。
安徽理工大学的邓海顺等[68]发现,当配流盘上微织构的深度和油膜厚度相等时,油膜的承载能力达到最大值。这是因为配流副间的油膜厚度不是均匀分布的,膜厚小位置处的微织构能够增强流体动压效应并减小缸体的倾斜程度。
Ivantysynova等[69]发现,表面加工有微米级正弦波形状的柱塞可以降低柱塞副中的功率损失。正弦波的频率和幅值是2个主要设计参数,他们采用考虑弹性变形的等温全膜润滑模型CASPAR进行了计算,仿真结果表明:柱塞副间的膜厚随着正弦波频率或振幅的增大而增大,但是过大的振幅和频率会导致流量泄漏;柱塞泵在低压区工作时,波浪线表面可以增大膜厚,从而使由摩擦引起的功率损失明显下降,此时的流量泄漏可以忽略不计[70]。在较高压力下,如果处于全排量工况,总功率损失可以降低50%,部分排量工况时总功率损失可以降低65%;即使在较低压力下,在全排量和部分排量时的总功率损失将分别降低20%和60%[71]。
美国普渡大学的Portillo[72]在配流副中加工微织构,分析了织构参数对配流副间油膜的承载能力和能量耗散的影响,为柱塞泵配流副的设计提供了参考。
上述分析表明,柱塞泵摩擦副表面加工微织构后,全膜润滑状态时将会产生明显的流体动压效应,可以提高油膜的承载能力并降低摩擦系数,从而提高润滑性能[59];在混合润滑工况下,由于流体动压效果微弱,微织构提升润滑特性并不明显甚至有可能起反作用[73]。但是柱塞泵实际工作时,从启动到运行,再到停机的过程中,摩擦副将在多种润滑工况下运转,通过设计合理的微织构,提升整个运行过程中的润滑性能亟待研究。
4.2 表面处理斜盘式轴向柱塞泵中三大摩擦副的主要磨损形式为磨粒磨损和黏着磨损,为了提升摩擦副的耐磨性能和润滑性能,表面处理是常用的提升表面性能技术,从而提高柱塞泵的工作稳定性和使用寿命[74]。柱塞泵常用的表面处理方式有涂层和离子扩渗。
4.2.1 表面涂层当柱塞泵在极端工况下(高压或低速)工作时[75],摩擦副间将处于混合润滑状态[76],这将导致摩擦副界面的黏着磨损[77];当2个摩擦副表面发生直接接触并且做相对运动时,将导致出口压力下降,增大容积损失,进而使得柱塞泵总效率下降,振动和噪声增加[78]。
表面涂层是在固体表面涂覆一层或多层不同材料的薄膜来达到强化表面或使表面具有特殊功能的目的[57]。表面涂层广泛用于优化表面形貌,提高耐磨性和疲劳强度,而且不改变基体材料的整体性能。摩擦副表面的涂层可以降低摩擦磨损,提升摩擦副的承载能力,从而降低能量耗散,而且耐磨性的增强使得服役寿命相应延长[79]。涂层通常被分为软涂层和硬涂层两大类,常用的表面涂层方法有:堆焊、热喷涂、浆液涂层、电刷镀、镀膜等[57]。
1) 金属涂层。
采用贵重金属(金、银等)作为涂层材料可以降低摩擦和磨损[80],因此被用于提高摩擦副表面的服役寿命。在柱塞泵缸体表面采用电镀的方法镀银,基体材料的硬度需大于银,镀银层的厚度应该小于临界值,而且应该与基体紧密结合在一起,才能获得最佳的耐磨性[59]。
2) 金属陶瓷涂层。
金属陶瓷涂层既有金属相、又有陶瓷相,因此具有很高的硬度和韧性。比如,可以将TiN、TiCN、CrSiN、CrZnN和ZrCg等沉积在配流副表面,既减小摩擦系数,还能增强耐磨性能。韩国航空航天大学的Hong等采用物理气相沉积(PVD)方法在柱塞泵缸体表面沉积TiN涂层,研究涂层对润滑特性的影响。当压强为30 MPa时,与没有涂层的表面相比,这种涂层可以使摩擦系数下降约20%,磨损率下降40%~50%[81]。此外,他还研究了分别带有CrSiN和CrZnN涂层的柱塞缸在混合润滑情况下对摩擦性能的影响,结果表明,CrSiN涂层具有很好的自润滑特性,但是带有CrSiN涂层的柱塞缸表面的摩擦系数明显比带有CrZnN涂层的柱塞缸表面大很多,而且摩擦系数与法向载荷的大小无关[82]。
Murrenhoff[83-84]采用PVD方法在滑靴和柱塞表面镀膜,避免摩擦副直接接触,如图 7所示。这种PVD采用分级碳化锆涂层,涂层厚度不超过100 μm,碳含量随涂层厚度的增加而线性增加,因此不同厚度涂层处的硬度不同。采用这种方式后,斜盘和柱塞缸体可以使用回火钢加工,有限的磨合就使带有PVD涂层的滑靴和柱塞表面变得十分光滑。
3) 类金刚石碳涂层。
类金刚石碳涂层(以下简称DLC涂层)由于耐磨性强、抗腐蚀性好和很好的阻尼特性,因此被广泛用于摩擦副表面[85]。DLC涂层既能减小金属间直接接触[86],而且与金属陶瓷材料相比,DLC涂层的热传导率更高,摩擦副表面能快速散热[87]。
Hong等[88]将DLC涂层应用于柱塞泵的旋转斜盘和球铰,斜盘表面的DLC涂层有效地减少了复杂工况下滑靴的摩擦磨损,球头副的DLC涂层有效减少了液压泵的内泄漏率。
斯洛文尼亚的Kalin等[89]在滑靴底面制备了DLC涂层,在压力为18 MPa,转速为1 450 r/min的工况下进行了2 000 h的试验。图 8为采用DLC涂层和未采用DLC涂层的对比,涂有DLC的旋转斜盘能够有效减小滑靴上的摩擦力和磨损率,而使用DLC的球铰可以减少流量泄漏;在100 r/min以下的转速范围内,将带DLC涂层的球铰和旋转斜盘一起使用,可使总功率损失降低40%以上。在混合摩擦条件下,旋转斜盘的DLC涂层对于降低滑靴的磨损率非常有效[90]。
4) 纳米涂层。
意大利的Bonanno等[91-95]在滑靴表面涂敷纳米涂层以达到大幅降低摩擦系数,在实际工业组件中实现更好的能源效率的目的。其设计并合成了均匀性良好的改性层,证明了涂层的可行性以及沉积技术对柱塞泵滑靴的适用性。并通过专用的试验台,研究了新的超疏水和疏油表面对静液压润滑的影响。发现使用功能化的疏油涂层,可以根据不同的工作条件将摩擦系数降低20%~30%。最后通过对不同粗糙度的表面进行分子动力学模拟,研究了几何纳米尺度效应对接触角造成的影响。结果表明增加粗糙度会导致接触角增加;表面越粗糙(在固定电位下)滑移越好,即摩擦越小;更强的固液相互作用(在固定的表面粗糙度下)意味着更少的打滑,即更大的摩擦[96]。
5) 固体润滑涂层。
常用的黏结固体润滑涂层有MoS2、石墨和聚四氟乙烯(PTFE),这些材料都具有良好的摩擦学性能和修复破损表面性能[97-98]。
中国科学院兰州化学物理研究所冶银平等[97]使用SRV微动摩擦磨损试验机,研究了黏结石墨基固体润滑涂层45钢的摩擦学性能及抗承载能力,研究结果表明:在微动摩擦过程中,高速高载荷促使对偶表面形成了高质量转移膜,使得黏结石墨基固体润滑涂层具有优异的耐磨减摩性能和良好的抗承载能力。
合肥工业大学马少波等[99]在铁基粉末冶金材料表面制备了复合MoS2和石墨黏结润滑涂层,分别在干摩擦和油润滑条件下进行了摩擦磨损试验,结果表明固体润滑涂层具有良好的减磨耐摩性能和承载能力。
4.2.2 离子扩渗离子扩渗是一种常用的表面扩渗工艺。其中离子渗氮是一种常用的提升表面硬度的方法。在表面生成的铁氮化合物可以大幅提升金属表面硬度从而提升其耐磨性能。与此同时,还将减小其摩擦系数,提升表面的抗腐蚀性能。因其设备简单,操作方便得到了广泛应用。
1) 渗氮。
韩国的Kim等[100]研究了使用双电极筛网等离子体氮化(SPN)工艺改善奥氏体不锈钢的表面性能。S相是奥氏体不锈钢在渗氮后,由于氮原子在奥氏体相中扩渗而引起XRD测试结果左移后产生的新相。S相有诸多优异的性能,例如更高的硬度、更好的耐磨性以及耐腐蚀性,而处理的温度、时间、气体浓度都会对其硬度和耐蚀性产生影响。
Mitelea等[101]分析了淬火和回火后渗氮对34CrNiMo6钢空化腐蚀产生的微观结构的影响,将对淬火和回火后具有良好的微观结构和机械性能的型芯通过渗氮提高表面硬度。与退火状态相比,通过对经过淬火和回火的样品进行气体氮化处理,表面层的硬度提高到了约850~870 HV,耐气蚀性提高了约9.6倍。空化表面的形貌表明,在退火状态以及在淬火和回火状态下,铁素体区域优先变化,而经过氮化的微观结构则缓慢而均匀地退化,并带有细微的点蚀痕迹。氮化处理后,液压设备部件使用寿命延长,维护保养的时间和成本减少,氮化处理是一种有效的提高材料表面硬度的方法。
清华大学何永勇课题组[102-113]在扩渗方面做了一系列深入研究,通过改进扩渗技术,得到了表面粗糙度小,性能均衡的扩渗样品。并通过单一变量法,探索了不同钢种的最佳处理工艺。如图 9和图 10所示。
2) 碳氮共渗。
Sola等[114]为了改善42CrMo4钢的机械性能、腐蚀和耐磨性,对合金化碳钢的表面进行了氮碳共渗和渗氮处理。氮碳共渗和渗氮产生的表面形态差距较大,渗氮后的表面光滑、规则且孔隙率低,而氮碳共渗后的表面具有较高的粗糙度和较多的微孔;磨损和腐蚀测试表明,2种处理都可以大大改善磨损和抗腐蚀性能,其中氮化样品具有更好的耐磨性。在氮化和氮碳共渗的样品上氧化形成Fe3O4的特性不同,氧化物表面的形态受下层化学、物理和形态特性的影响。在氮碳共渗样品上,氧化物是光滑的、无孔的,并且与基底的黏附性很好;在氮化的衬底上,氧化物呈现出高粗糙度值和高孔隙率。结果表明,当在氮碳共渗的基材上进行氧化时,氧化促进了耐磨性和耐腐蚀性的改善,但是当在氮化后进行氧化时,氧化对耐蚀性和耐磨性具有非常不利的影响。
3) 渗硫。
渗硫后产生的硫化铁层为紧密堆积的六边形结构,因而可以用作固体润滑剂来降低表面摩擦系数,提高摩擦副的抗咬合性能[74]。
Tavakoli[115]使用等离子体电解处理St12钢表面以生成硫化层,等离子体电解产生的硫化层具有多孔特征。磨损测试的结果表明,用这种方法形成的硫化层将摩擦系数降低了40%。
中国石油大学的韩斌等[116]研究了通过激光熔覆和离子硫化形成新型复合层的微观结构和摩擦学性能。他们在镍基合金涂层表面成功制备了厚度约3~4 μm的微纳米硫化物固体润滑层。发现硫化层与激光熔覆层结合良好。硫化物层的表面形貌疏松多孔,且与激光熔覆层的微观结构有关。高硬度镍基合金熔覆层与表面硫化层、单一镍基熔覆层相比,在干润滑和油润滑条件下的摩擦系数和磨损损耗均明显降低。
清华大学王海斗等[117]比较了离子扩渗硫化层和等离子喷涂硫化层的摩擦学性能,带有离子硫化层和等离子喷涂FeS层样品的摩擦学性能均优于原始钢基体。离子硫化层具有优良的减摩和耐磨性能,较好的抗划伤能力;等离子喷涂FeS层具有良好的减摩性,较好的耐磨性和极强的抗划伤性。
4) 氮碳硫多元共渗。
清华大学何永勇课题组[74]基于空心阴极离子源扩渗方法,研究氮碳硫多元共渗对摩擦副硬表面进行改性。提出了“先碳氮共渗、后渗硫”和“碳氮硫多元共渗”2种扩渗工艺,从理论和试验两方面验证了碳氮硫同时扩渗的可行性和有效性。针对42CrMo、1Cr12MoV和Cr4Mo4V三种典型航空液压泵材料进行了试验对比研究,并对扩渗参数和工艺进行了优化。研究结果显示碳氮硫多元改性层的硬度、耐磨性、自润滑性和对磨面的保护性能均有明显提升,验证了方法和工艺的有效性。
图 11为42CrMo的多功能微摩擦磨损试验机(universal micro-tribotester, UMT)干摩擦试验结果。各改性层的干摩擦系数平均值和标准差如下:原始样品0.562(0.237);渗氮层0.491(0.083);碳氮共渗层0.435(0.162);渗硫层0.552(0.180);碳氮硫多元共渗层0.369(0.128)。因此,碳氮硫多元共渗层的摩擦系数最低,与未处理的原始样品相比减小了34.4%,标准差也比较小[118]。
图 12为42CrMo进行UMT试验后,得到的磨痕三维白光测试结果。未处理的原始样品磨痕深度最深,其次是渗硫层、渗氮层、碳氮共渗层和碳氮硫多元共渗层(碳氮共渗层和碳氮硫多元共渗层的磨痕深度基本相同)。与未处理的原始样品相比较,碳氮共渗和碳氮硫多元共渗层的磨痕深度减小了76%[118]。
香港城市大学的Wang等[119]初步的试验结果表明,等离子注入与离子增强沉积复合技术可以获得显微硬度、耐磨性、耐蚀性更好的表面。由于等离子注入技术可以对复杂形状的配件进行处理而不像等离子扩渗那样受到形状影响,并且离子浓度较好控制,因此它是一种改善柱塞泵摩擦副耐磨性和耐腐蚀性的出色技术。
此外,还有其他的一些表面改性的方法[120-121],如选择性激光熔化(selective laser melting, SLM)是一种基于粉末冶金和激光加工的增材制造方法,具有加工步骤灵活性高、材料使用率高、加工时间短等特点[122-123]。浙江大学邹军等[124-125]使用SLM方法加工柱塞泵中的配流盘,在低速下研究了其对润滑性能的影响,这种配流盘表现出较低的摩擦系数和更好的耐磨特性。
根据以上分析,柱塞泵在某种确定的工况下运转时,适当的表面织构和表面处理方式可以提高摩擦副表面的耐磨性和油膜承载能力,降低摩擦磨损。但是柱塞泵实际的工作压力和转速范围非常广,如何确保在柱塞泵的整个工作周期内,这些表面改性方式都能提高摩擦副的润滑特性,将是一个重大的挑战。
5 总结航空柱塞泵作为液压系统的重要构成部分,很多学者通过理论数值计算准确分析了3个摩擦副的润滑特性,并采用试验对理论结果进行了验证,为柱塞泵的设计制造提供了科学依据。希望通过表面改性的方式减小摩擦副的摩擦磨损,提高柱塞泵的性能,延长其服役寿命。对于柱塞泵的润滑机理和表面改性的研究,未来可以从以下几个方面开展更加深入的工作:
1) 摩擦副混合润滑时的理论研究。柱塞泵在启停阶段和恶劣的工作环境下,3个摩擦副将处于混合润滑状态,其中的润滑机理复杂,需深入研究以揭示混合润滑时的润滑机理。
2) 非接触式试验。现有的试验都是使用浸入润滑油中的传感器,对油膜润滑产生一定程度的干扰,使得采集到的数据准确度受到影响。如何在不影响实际工况中油膜润滑过程的前提下,准确地收集试验数据,需要设计非接触式的试验手段。
3) 应用范围更广的表面改性方法。当柱塞泵工作于某一特定参数时,学者们提出了相应的微织构或表面处理方式,提高了摩擦副的润滑特性,当工况改变时,这种改性手段可能会对润滑特性起到反作用。随着柱塞泵向高速高压化方向发展,需要探寻在整个工作周期内都能起到良好润滑效果的表面改性方法。
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