液压传动是液体介质进行能量与信号传递、转化、分配和控制的一种传动方式,是现代机械传动与控制的关键技术之一[1]。液压泵是液压传动系统的核心及动力源,其效率的高低决定着液压系统的服役性能与使用寿命[2]。轴向柱塞泵(图1(a))因其容积效率高、运转平稳、噪声低、工作压力高等优势而广泛应用于液压传动系统[3-4]。轴向柱塞泵主要有两种类型,分别为斜盘式和斜轴式,而本文主要针对的是斜盘式轴向柱塞泵,其中共存在三组关键摩擦副如图1(b)所示:1) 由滑靴与斜盘形成的滑靴副;2) 由柱塞与缸体形成的柱塞副;3) 由缸体与配流盘形成的配流副[5]。与斜盘式轴向柱塞泵不同的是,斜轴式不存在滑靴副。
图1 轴向柱塞泵及斜盘式轴向柱塞泵摩擦副示意图
Fig.1 Schematic diagram of an axial piston pump and friction pairs of a swash plate axial piston pump
轴向柱塞泵在高速、高压以及交变应力等复杂、苛刻工况下服役[5]。柱塞副对柱塞泵的作用主要有三方面:首先是密封作用,合理的摩擦副间隙可以形成密封面,防止液压油泄露;其次是润滑作用,由于柱塞副间存在润滑油膜,使得配副间由原来的干摩擦变为润滑膜分子间的摩擦,极大避免了磨损,提高了泵的使用寿命;最后是传递动力的作用,其运动示意图如图2所示,在高速旋转过程中,柱塞副将传递和承受较大的力或力矩作用[7-8]。综上,柱塞副的性能对其服役可靠性和使用寿命有极大影响[9-11]。
图2 柱塞副的运动示意图
Fig.2 Motion diagram of plunger pairs
若柱塞副之间的间隙过大,将导致液压油从中泄漏,挤压作用难以形成;若柱塞副之间的间隙过小,则不能形成润滑油膜,这会导致两者直接接触从而造成柱塞副间的干摩擦磨损现象[12,13]。具体地,当液压油中存在固体颗粒及一定量的腐蚀介质时,柱塞副会受到磨粒磨损和腐蚀磨损作用,而液压泵内若存在残留气泡,在局部高压区发生溃灭时则会造成柱塞副的气蚀损伤,严重影响了柱塞副的服役行为(表现为振动、噪声、效率降低)。因此,降低泵的磨损,提高其寿命是当前需要解决的关键问题[14-16]。
本文从轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性和摩擦学特性出发,综述了的润滑减摩机理及表面织构化对柱塞副摩擦学性能的影响,旨在为促进轴向柱塞泵的研发和应用提供参考。
1 油润滑轴向柱塞泵柱塞副油膜特性
柱塞副的主要作用是通过柱塞在缸体中的往复运动,使容腔容积发生变化,进行吸油和排油,进而实现机械能向液压能的转化。在运行过程中,柱塞与缸体之间会形成一层间隙油膜,其性能直接影响着泵的寿命,柱塞副的润滑性能主要由油膜的厚度决定,油膜厚度主要受油膜压力和温度分布的影响,为了保证泵的正常运行,需要保证活塞-缸体内随时存在压力油膜,使摩擦副处于完全液体润滑状态[17]。轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性,是影响磨损的主要参数。柱塞受到的径向力会使油膜厚度减小,导致其磨损更加严重[18]。研究柱塞副润滑性能的三大重要因素包括油膜的压力场、厚度场及温度场。目前,国内外研究者对柱塞副油膜特性开展了广泛的研究,而研究方法主要有理论计算和仿真分析。
1.1 理论计算
目前,国内研究者对柱塞副油膜特性的研究大多基于仿真软件建立虚拟样机进行模拟[18-19],在建立模型求解过程中,以恒温为前提,忽略了实际工况的需要,对实际应用意义不大。马俊等[19]针对柱塞副中的实际温度进行了理论分析和数值求解,基于柱塞副能量方程,
假设流体热传导系数为常数,温度在相邻网格间线性变化,能量方程可简化为,
apθp=aEθE+aWθW+aNθN+aSθS+b.
(2)
其中,
aP=aE+aW+aN+aS.
(3)
对方程(2)采用超松迭代法进行求解,并结合边界条件,分别沿长度方向和圆周方向得到油膜的温度场。
柱塞泵在运行过程中,柱塞会受到复杂多变的力,使得柱塞与缸体的中心无法重合,进而产生一定的偏心,导致油膜形成不规则的形状。宋旸[20]基于对柱塞偏心的数学描述,建立了油膜的厚度场模型,通过数值求解,得到油膜的厚度方程,
若考虑柱塞副弹性变形的影响,油膜的厚度方程可表示为,
hp=h+δp.
(5)
式中:(xp,yp)表示任意截面的偏心坐标,Rk表示柱塞的半径,φk表示偏心角,δp表示柱塞副表面的弹性变形。此厚度方程为后续油膜压力分布的研究奠定了基础。
为研究柱塞副的油膜压力分布,王克龙等[21]提出了轴向柱塞泵柱塞副油膜流固热耦合模型的算法,先基于Navier-Stokes方程
将公式(6)在各方向进行分解,并根据边界条件,
u|
z=zc=uc,v|
z=zc=vc,
u|
z=zp=up,v|
z=zp=vp.
(7)
得到柱塞副油膜特性方程,即雷诺方程,
结合得到油膜的厚度分布情况h,柱塞表面的运动速度vp,柱塞表面的挤压速度
柱塞副油膜的压力边界条件,求解雷诺方程,从而获得柱塞副油膜上的压力分布p.
1.2 仿真分析
为了更加形象地表示油膜特性,提高结果的准确度和可靠性,并对理论计算结果进行验证,在建立了油膜的温度场、厚度场及压力场数学模型的基础上,还有不少学者利用各种仿真软件将其描绘出来,为之后的实验研究提供理论基础。以下归纳了部分研究者对油膜特性的仿真分析。
油膜的厚度可以直观地反映轴向柱塞泵中柱塞和缸体之间的接触情况,当柱塞副油膜厚度过低时,会导致过大的摩擦和磨损,为减低磨损损伤,提高轴向柱塞泵的使用寿命,张梦俭等[22]通过MATLAB软件分析得到了柱塞副油膜厚度的分布情况如图3所示,主轴转速分别设置600 r/min、900 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min.仿真结果表明,主轴转速越快,油膜厚度变化越小,越趋于稳定。
图3 不同主轴转速下柱塞副油膜的厚度
Fig.3 Oil film thickness of plunger pairs at different spindle speeds
国内研究机构针对油膜温度特性的研究,较多关注在设计合理的结构,减少泵中能量的散发。俞奇宽等[23]利用仿真手段研究了柱塞副油膜的温度场分布,并使用MATLAB建立了温度场的仿真程序,输入主要的仿真物理参数,得到入口油温为40 ℃下油膜的温度场如图4所示。此模拟误差控制在±0.7 ℃,研究表明,油膜温度沿着轴向逐渐上升,且在油膜中段,温升最高可达10 ℃,而油膜两侧温升较为缓慢,最根本的原因是油膜两端柱塞的偏心量较大,黏性耗散较高。适当的温度可以使油膜黏性较好,润滑更充分,有利于降低泵的磨损,提高寿命。
图4 油膜温度仿真结果(入口温度40 ℃)[23]
Fig.4 Simulation results of oil film temperature (inlet temperature 40 ℃)[23]
柱塞和缸体的弹性变形会对油膜的厚度产生影响,进而间接影响柱塞副的磨损率。卫昌辰[24]通过观察动态润滑膜的流动状态,对柱塞副进行了受力分析,在此基础上,建立了油膜压力模型,并通过调节单一工况参数(负载压力、主轴转速、斜盘倾角),利用MATLAB软件研究了实际深海环境中油膜的润滑特性如图5所示。结果表明,柱塞在不同倾角下所受到的力不相同,这会导致油膜的形貌时刻发生变化。当柱塞施加给油膜的作用力与外力达到平衡时,油膜便可保持动态稳定,进入稳定磨损阶段。
图5 不同转角下柱塞副油膜的分布
Fig.5 Distribution of oil film of plunger pairs at different rotation angles
除此之外,还有部分学者同时对两种油膜特性模型进行了仿真分析。张雪超[25]根据柱塞副所处位置的不同,分别构建了关于柱塞副油膜的厚度场与压力场的模型,继而使用MATLAB软件进行了多种参数(包括转速与压力)下柱塞副油膜的仿真分析。同时,作者还采用有限体积法进行网格划分并将油膜压力场控制方程进行了离散化求解。研究表明,当柱塞副受到外界压力作用时会在缸体中转变为倾斜的状态,并且当其受到的压力不断增大时,倾斜程度增大,而油膜的厚度在减小,处于此种状态时能从压力分布图中看到明显的压力尖峰。但是该结果未能与实验结果吻合,实验压力曲线呈三角形,而仿真曲线呈矩形波形,主要原因在于配流机构,当压力增大后,配流机构泄漏增大,不能持续保持高压。
2 轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性
2.1 基础理论
轴向柱塞泵虽应用广泛,但随着更高性能液压系统的需求,解决轴向柱塞泵的磨损问题迫在眉睫。柱塞副作为轴向柱塞泵的关键摩擦副之一[26],其长期面临着高压高速带来的磨损损伤和失效问题。轴向柱塞泵运行过程复杂,柱塞的受力情况复杂多变,因此可以通过力学分析描述柱塞的磨损行为[27-28]。
卢义敏等[27]使用MATLAB软件对柱塞的受力情况进行了数值模拟,通过旋转缸体使其处于不同转角时对柱塞受力进行求解,并选取了柱塞与缸体间的合适间隙来平衡泄露和磨损,研究表明柱塞前端比后端受力更大,磨损更多,当柱塞和缸体间隙为6～10 μm时,液压泵整体工况较好。
实际上,柱塞与缸体之间存在套筒,大多数研究者在受力分析时未能充分考虑其影响,导致结果与实际产生偏差。申儒林等[28]分析了柱塞在缸体内往复运动时柱塞所受到的力,结果表明,由于柱塞副的间隙远大于柱塞与套筒的间隙,会使保持运动状态中的柱塞在发生偏心时,其末端与缸孔之间的缝隙变大,造成的挤压就会变小,因此,为了反映真实情况就需要对柱塞中段部分进行详细受力分析。
除了运行过程中发生必要的磨损之外,轴向柱塞泵所处环境及柱塞副的材料也影响其磨损性能。在2.2中将具体阐述国内外学者针对环境及材料对柱塞副磨损特性影响的研究。
2.2 介质对柱塞副摩擦学特性的影响
柱塞副的液压介质可分为油介质和水介质。随着更多高难度大型项目在极寒环境中的开发,液压油的低温性能较差而导致大多数的普通液压泵无法进行正常工作,因此,提高液压油的低温性能,使其具有良好的流动性、合适的黏度成为迫切需要解决的问题。马海军[29]从黏度、比热容、热膨胀性、倾点、凝点、闪点等角度对矿物油系液压油和难燃型液压油进行了对比,结果表明,在-40 ℃的低温环境中,L-HS32液压油更好的满足了低倾点及高粘度的要求。
在航天液压系统中,随着越来越轻量化要求的提出,以煤油作为液压介质成为了一个新的趋势。姜继海等[32]分析了以煤油为介质的轴向柱塞泵摩擦副寿命较传统轴向柱塞泵的优劣势,煤油可直接从发动机传导,不需要额外携带油箱,还可作为燃料为其他系统提供动力,但是由于其黏度较低,容易导致柱塞与缸体直接接触,从而造成干摩擦,寿命降低。
为应对更大的需求,轴向柱塞泵的使用环境已扩展到海水中,但由于海水介质黏度较低,润滑性相对较差,导致柱塞副容易发生润滑失效现象[24],因此,对海水中柱塞副磨损特性的研究成为重中之重。
由于海水几乎没有边界润滑的能力,再加上海水中存在固体杂质,使得柱塞副发生严重的黏着磨损,所以必须进行技术探究,寻求合理的解决方案。杨曙东[31]在进行理论计算的基础上,配合计算机仿真分析与实验研究相结合的方法,研制出了国内第一台中高压海水泵,该泵使用高分子复合材料作缸套,并设计了配合长度为定值的缸孔柱塞副结构和配合间隙,突破性地解决了柱塞和缸孔在干摩擦环境下的互相刮削及泄漏问题。
张涛华[32]主要研究的对象是轴向柱塞泵柱塞副在海水中的磨损形式,结果表明,最主要的磨损形式包括腐蚀磨损、气蚀磨损及冲蚀磨损。腐蚀磨损主要是由于海水中的大量粒子构成了电化学腐蚀,形成了对柱塞副的极大破坏,其影响因素具体如图6所示[32];而柱塞副在海水中发生气蚀磨损,是由于大量气泡破裂产生局部冲击高压,对柱塞造成破坏;冲蚀磨损则是海水中的颗粒物垂直冲击柱塞副表面,释放出比表面结合力更大的能量造成的结果。
图6 腐蚀磨损的主要影响因素[32]
Fig.6 Main influencing factors of corrosive wear[32]
腐蚀磨损是摩擦副在相互摩擦和腐蚀介质共同作用下发生的磨损现象,在摩擦副的相互接触过程中,不仅破坏了材料表面的保护膜,使其丧失保护效应,而且直接磨耗了材料,因此,腐蚀磨损后果更加严重[33]。
综上所述,柱塞泵的磨损形式为腐蚀磨损、气蚀磨损和冲蚀磨损,海水中颗粒物较多、介质黏度低且容易气化等则是造成磨损行为的主要原因。要想从根本上解决柱塞副摩擦磨损的难题,还需要从材料选取上着手,2.3将具体阐述柱塞副材料匹配的选取,并对其性能优劣进行了测试。
2.3 材料对柱塞副摩擦学特性的影响
除介质外,材料对柱塞副摩擦特性也值得被深入研究。现如今,轴向柱塞泵摩擦副材料的匹配形式主要包含3种类型:硬基材与硬基材配对、硬基材与软基材配对、(硬+软)基材与硬基材配对[34]。其中,柱塞副主要采用软/硬材料的匹配形式,该形式的优点是导热好及抗黏着磨损能力强,但仍存在缺陷,如耐磨粒磨损能力差[34]。
在日常的工作环境中,有不少学者就对材料影响进行了实验分析,LIU et al[35]选择了7对材料进行实验,调整转速从100 r/min到1 200 r/min,在确认系统运行正常后加载,压力从2 MPa到12 MPa,最终,选择速度和压力分别为1 200 r/min和12 MPa,每2 h记录一次,观察测量腐蚀磨损,试验结果表明,柱塞材料为1Cr18Ni9Ti,缸体材料为Torlon 4301时,磨损性能最好,这是由于与司太立合金、Monelk 500合金、TC4合金和1Cr18Ni9Ti相比,Torlon 4301柱塞表面熔质合金的硬度较高,耐磨能力较高。此外,导热系数也是柱塞副材料选择中必须考虑的一个因素。同年ZHANG et al[36]研究了在70 MPa超高压情况下摩擦副材料的选择,研究表明,30Cr2MoVA材料的硬度较低,陶瓷材料的硬度较高,而硬度越高,摩擦系数相对越低,因此30Cr2MoVA材料的摩擦系数较高,磨损率相对较高;陶瓷材料摩擦系数较低,磨损率相对较小。
海水泵已被广泛用于发电厂、炼铁厂、化工厂等行业,海水被用作海水淡化和制盐设备的原料与冷却水[37],在海水环境中柱塞副材料的选择是当前面临的比较大的问题。焦素娟等[38]分析了水润滑条件下柱塞副材料为改性聚醚醚酮与不锈钢时的摩擦磨损特性。研究发现,柱塞副在高载荷下发生严重的塑性变形,磨损机理主要为疲劳磨损,该配副仅适用于小载荷工况,该研究为后续高聚物材料在摩擦副中的应用提供了依据。
在软/硬材料的匹配形式中,陶瓷作为一种硬度较高的材料,常常被用在柱塞副的缸体中。YANG et al[39]使用MM-200磨损测量仪研究了940不锈钢与氧化铝陶瓷配对的柱塞副的摩擦磨损性能,在水润滑条件下调节负荷为196 N,速度为0.84 m/s,持续时间1 h,通过磨损测量仪记录摩擦力矩和滑动距离之间的关系如图7所示。结果表明,940不锈钢表面磨损严重,表面细条纹较多,氧化铝陶瓷表面有黑色金属颗粒,磨痕平均宽度为14.6 mm,二者接触边缘有过热的黄色斑点。将不锈钢与工程塑料匹配进行同样条件下的摩擦磨损测试,结果表明,实验后不锈钢表面无磨损现象,这是因为工程塑料块在不锈钢表面产生了一层塑料转移膜,降低了二者间的摩擦阻力。
图7 水润滑条件下摩擦力矩与滑动距离的关系[37]
Fig.7 Relationship between friction torque and sliding distance under water lubrication condition[37]
晏小伟[40]在前人的基础上综合分析了金属材料、工程塑料、工程陶瓷在海水中的摩擦磨损性能,结合海水泵摩擦副的选材原则,对柱塞副进行了材料设计,研究表明,TC4/TORLON 4301柱塞副效果最好,转速为1 500 r/min、压力为14 MPa时,其磨损性能依然很好。杨金祥[41]对柱塞和缸体的尺寸以及柱塞所能承受的最大PV值进行了设计计算,最终发现氮化硅陶瓷作为柱塞材料,TORLON 4301 PAI作为缸体的材料,可以很好地满足PV值要求,并且该柱塞副耐磨性好,尺寸稳定。申凤梅[42]研究了海水环境下多种材料与CFRPEEK配对的柱塞副的耐磨性能,发现碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷与CFRPEEK配对时,摩擦系数最小,大致为0.1.廖武举等[43]在MCF-10摩擦磨损试验机上模拟了海水情况下无烧结陶瓷SiC与工程塑料PEEK450-FC30的磨损性能,实验结束后用电子显微镜观察其表面形貌并对其磨损机理作出了分析。结果表明,该摩擦副磨损率相对较低,耐磨性能相对较好。就摩擦磨损机理而言,工程塑料的磨损大致分为两个阶段,第一阶段为刚开始时的黏着磨损,第二阶段为摩擦过程中工程塑料向陶瓷表面的转移。李东林等[44]研究了1Cr17Ni2/CFRPEEK和17-4PH /CFRPEEK两种配对的柱塞副摩擦特性实验,研究表明,柱塞副配对材料1Cr17Ni2/CFRPEEK比17-4PH/CFRPEEK的耐磨性能好。从以上研究可以看出在柱塞副匹配形式中不仅陶瓷材料发挥重要作用,高聚物材料也得到了高度认可。
本节从柱塞副的磨损特性基础理论研究出发,分别综述了介质和材料对柱塞副磨损特性的影响。其中,柱塞副材料的选取情况汇总见表1。由表1可知,在现有的研究结果中以碳化硅陶瓷作为柱塞的设计材料时,柱塞副具有更好的摩擦磨损性能。
表1 柱塞副材料选择情况汇总表
Table 1 Summary of material selection for plunger pairs
材料方法结论参考文献30Cr2MoVA/陶瓷70 MPa超高压陶瓷磨损较弱[36]940不锈钢/氧化铝负荷196 N,速度0.84 m/s,持续时间1 h940不锈钢表面磨损严重[37]7对不同材料加载压力从2 MPa到12 MPa,调整转速从100 r/min到1 200 r/min1Cr18Ni9Ti/Tor-lon 4301磨损最弱[38]1Cr17Ni2/CFR-PEEK和17-4PH/CFRPEEK/1Cr17Ni2/CFR-PEEK比17-4PH/CFRPEEK的耐磨性好[39]不同材料与CFR-PEEK配对/碳化硅和氮化硅与CFRPEEK配对时,摩擦系数最低,在0.1左右[40]陶瓷SiC/PEEK450-FC30/摩擦学性能较好[41]氮化硅陶瓷/TOR-LON 4301 PAI/摩擦系数小,耐磨性好,尺寸稳定[42]
3 表面织构对摩擦学特性的影响
由于轴向柱塞泵的使用环境十分复杂,易造成其关键摩擦副磨损损伤,进而严重影响了柱塞泵的服役性能,为此,在选择好合适的柱塞副材料后需要寻求一种表面处理方法来进一步减小泵的损伤、提高其寿命。前文所述研究尚未达到解决轴向柱塞泵减阻耐磨问题的理想效果,而表面织构化技术为其研究提供了崭新的设计思路。近几年来,离子氮化、碳氮共渗、离子注入、PVD硬质涂层已被广泛运用于表面强化[45]。而表面织构化(如图8)技术作为一种改善材料表面摩擦性能的方法被世界各地的研究小组所熟知,因其成本低、效率高、精度高、热影响区小而被广泛应用。RAO et al[46]研究了4个织构宽度(包括1 mm、2 mm、3 mm、4 mm)对耐磨硼铸铁/球墨铸铁摩擦副磨损性能的影响,研究发现,2 mm宽度更有利于提高球墨铸铁的低速磨损性能,3 mm宽度更有利于提高高速磨损性能,应根据液压泵实际工作环境来设计凹槽的尺寸。
图8 典型表面织构特征图
Fig.8 Typical surface texture characteristics
VIGNESH et al[47]研究了单排凹窝、单排凹槽、双排凹窝、双排凹槽等椭圆织构的几何分布对黄铜摩擦学性能的影响,结果表明,具有双排凹槽椭圆织构试样的摩擦系数较单排凹槽椭圆织构试样的摩擦系数降低了59%,较大的凹窝直径和细长比进一步提高了具有双排凹窝椭圆织构的摩擦学性能。
3.1 表面织构的润滑减摩机理
郑龙[49]发现,自然界中,毛蛤、龙虾、鲨鱼等生物体表呈现出非光滑表面形态,如图9所示,其中毛蛤与龙虾类似,呈现放射状棱纹凸起,这可以增强其体表抵抗水中沙砾和急流磨损的能力;同样,微观下能观察到鲨鱼体表交错分布着许多微小盾磷,每片盾磷表面有V型凹槽,该结构可实现湍流减阻目的。受自然界生物的启发而新兴的表面织构化技术对提高轴向柱塞泵减摩性能方面提供了新思路。
图9 典型水生动物及其微观表面形貌[49-50]
Fig.9 Typical aquatic animals and their microscopic surface morphology[49-50]
两个物体表面之间的纳米级接触会有很高的吸附力,从而产生很大的摩擦,极大的缩短机器的寿命。表面织构化技术可以实现增大表面粗糙度的效果,起到减摩的作用,由此来提高其耐磨性,其作用示意图如图10所示,润滑条件下表面织构可以储存润滑介质,使润滑连续进行;流体润滑状态下起到增强动压效应的作用;边界润滑条件下可以充当润滑剂,降低摩擦系数。干摩擦条件下,表面织构可以捕获磨屑,降低磨粒磨损,减小摩擦接触面积、抑制黏着磨损[50-52]。
图10 表面织构作用示意图
Fig.10 Schematic diagram of active roles of surface texture
3.2 表面织构几何参数的影响
3.2.1织构形状的影响
表面织构的类型较多,主要包括凹坑、凸起、凹槽以及各类混合形貌。目前对表面织构的润滑减摩的研究多集中在凹坑型和凹槽型两种类型[53]。麻凯等[54]在不同载荷情况下研究了表面织构形貌对柱塞摩擦性能的影响,实验结果表明,在400 N载荷情况下,椭圆、圆形、方形表面织构的摩擦系数相对于未进行表面织构化的基体的摩擦系数分别减少了1.1%、18.3%、14.1%;在高载荷600 N工况下,分别减少了35.3%、35.3%、19.1%.
于海武等[55]采用数值方法分析了织构形状对工件表面摩擦性能的影响。研究表明,椭圆形表面织构在众多织构形貌中减摩效果最优,正方形表面织构次之,圆形表面织构减摩效果最差。
SEGU et al[56]比较了多形状复合织构(圆和椭圆、圆和三角形、圆和方形)和单形状织构接触面的摩擦学性能,分别在干燥和润滑,23～25 ℃的室温和相对湿度为46%～50%的条件下,进行了滑动摩擦试验。实验结果表明,在干燥和润滑条件下,多形状纹理表面的摩擦系数波动较低、相对稳定,摩擦系数波动较小。
邵若男[57]将紧密排列的网格状表面织构和蜂窝状表面织构与耐磨性能较好的圆形表面织构比较,分析了三者的表面形貌及表面润湿角,研究表明,网格状表面织构和蜂窝状表面织构的润湿角比圆形表面织构更大,因此,其疏水性能更好,工件与水的接触角更小,表面自由能更大,而表面自由能越大也意味着固体表面组织越不稳定,摩擦过程中磨粒越容易从基体表面剥离,进而减小磨粒磨损,提高耐磨性。
陈帅[58]对比了连续型表面织构与离散型表面织构的摩擦性能,从摩擦系数曲线可以发现,连续型表面织构能使摩擦过程更快地进入稳定状态,并能明显地降低稳定状态的摩擦系数。
3.2.2织构面积率的影响
ZHANG et al[59]研究了在3 N的负载和0.69 m/s的滑动速度下,面积率对柱塞摩擦性能的影响。结果表明,当其他参数固定不变时,表面摩擦系数与面积率之间的关系如图11所示,平均摩擦系数首先下降,然后随着面积率的增加而增加, 在面积率为15%时平均摩擦系数最低,摩擦性能最好。
图11 面积率对摩擦系数的影响[59]
Fig.11 Influence of area ratio on friction coefficient[59]
MEZGHANI et al[60]研究了织构的面积率为20～40个沟槽/mm2时对柱塞摩擦性能的影响,其中沟槽宽度为32 μm.数值模拟分析结果表明,在20～30个沟槽/mm2范围内摩擦性能最好,特别是在油膜厚度较小时,降低槽的密度可有效地阻塞压力驱动流并减少柱塞环所携带的剪切驱动流。
WU et al[61]研究了缺油状态下柱塞的摩擦学性能随织构参数的变化。采用摩擦磨损试验机模拟了缸体和柱塞的往复运动,往复行程距离设置为16 mm,施加载荷30 N.试验结果表明,表面织构的面积参数对摩擦系数的影响相对较大,相比无织构试件的表面摩擦系数降低了24%左右;其次是深度参数,降低了17%;影响最小的为面积率,降低了11%.
LI et al[62]在表面凹坑内填入了二硫化钼并研究了不同表面织构面积率(1.8%,7.1%,11.2%)对镍基复合材料摩擦性能的影响。试验结果表明,将二硫化钼作为固体润滑剂且织构密度为7.1%的镍基复合材料具有最高的磨损寿命、最低的摩擦系数和磨损率。
SYED et al[63]使用化学蚀刻法(蚀刻液重量配比为:m(氯化钠)∶m(粉状硫酸铜)∶m(热水)=1∶1∶5)在柱塞表面制备了方形织构,研究了面积率对磨损率的影响。结果表明,在面积率为0.1、正常载荷为5 N、滑动速度为1.67 m/s下,与未进行表面织构化处理的柱塞相比,已表面织构化处理的柱塞磨损率更低,耐磨性能更好。
3.2.3织构尺寸及分布方式的影响
当前对织构尺寸及分布方式的研究,主要是将多种织构排布进行对比分析,从而得到最优织构分布形式[53]。SHARMA et al[64]研究了凸起织构和凹坑织构的高度/深度、偏心比对摩擦系数的影响,通过有限元分析,得到以下最优解:凸起织构高度为0.4,偏心比为0.8或者凹坑深度为0.4,偏心比为0.6时,织构的摩擦性能最好。
王国荣等[65]研究了6种矩形沟槽的分布角度(15°、30°、45°、60°、75°、90°)及织构深度对柱塞摩擦性能的影响,模拟结果表明,当织构深度在2 μm到40 μm之间变化时,摩擦系数先减小后增加。织构深度与分布角度存在交互作用,当织构深度低于5 μm时,75°和90°的沟槽具有更低的摩擦系数;当织构深度大于5 μm时,60°的沟槽具有更低的摩擦系数。
3.2.4其他因素的影响
影响因素不仅限于织构形貌、面积率及尺寸,在实验过程中,一些前期处理过程也会影响最终的测试结果。ZHU et al[66]研究了粗磨、精磨、抛光、表面织构化处理对38CrMoAl-H68黄铜和42CrMo-H68黄铜两种柱塞副摩擦系数的影响,利用圆盘环形摩擦计进行摩擦磨损测量,结果显示,抛光表面损伤程度最低,磨损机制为磨粒磨损;精磨表面有很多小颗粒,摩擦系数较高,磨损率也较大。粗磨表面颗粒较大,摩擦系数较低,但磨损较严重;表面织构化获得的凹坑可以捕捉磨屑,但表现出最高的摩擦摩擦系数和最高的磨损率。
SHI et al[67]研究了激光表面织构技术(LST)和钻孔表面织构技术(DST)对摩擦性能的影响及LST凹坑的硬化边缘对摩擦学性质的影响,研究表明,LST、DST的平均摩擦系数分别为0.485、0.468,无明显差异,LST凹坑的边缘硬化分为重铸区和热影响区,边缘硬化会导致工件表面磨损程度的不均匀。
表面织构的减摩机理及其几何参数(织构形貌、面积率、织构尺寸及其分布方式等)对摩擦学性能的影响主要体现在:在润滑条件下,表面织构可以充当润滑剂的作用使柱塞副连续润滑,而在干摩擦条件下,表面织构能够捕获磨屑,降低磨粒磨损。
4 结束语及展望
综述了轴向柱塞泵缸体/柱塞界面的油膜特性、柱塞副的摩擦学特性及表面织构化技术在提高其耐磨性方面的应用。油膜特性能够影响柱塞副的润滑状态同时也决定着泵是否能正常运转。当轴向柱塞泵处于海水中时,由于海水颗粒物较多且容易气化等特点,导致柱塞泵的磨损形式主要以腐蚀磨损、气蚀磨损和冲蚀磨损为主,针对柱塞泵柱塞副的减摩方式研究表明,其摩擦性能受材料、介质、表面处理等因素影响,选择陶瓷作为柱塞材料时能满足高压工况下的磨损要求,而表面织构可以储存润滑介质,干摩擦条件下,表面织构可以捕获磨屑,抑制黏着磨损,从而增大柱塞表面粗糙度起到减摩作用;润滑条件下表面织构可以储存润滑介质,使润滑连续进行。就目前研究现状而言,以下方面还值得深入探索:
1) 对柱塞副表面改性的研究,国内外多关注表面织构技术对其摩擦学性能的调控,改性技术较为单一,可以与离子注入、涂层制备等改性方法相复合。
2) 针对油膜特性的仿真研究,由于实际工况下,油膜的状态时刻在发生变化,除了温度、压力及厚度对其性能有影响,空气湿度、气压等其他因素也不可不考虑,导致其模型建立存在一定的误差,今后应注重对模型的优化。
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