單磨粒的轉子配流盤摩擦磨損規律研究

袁夢霞

摘要：航空液壓泵的故障問題中，柱塞泵中轉子-配油盤摩擦副對于保持液壓泵的容積效率非常重要，而磨粒磨損是造成其泄漏的主要原因。現根據磨粒磨損理論，結合轉子與配流盤間的實際情況，建立了磨粒磨損理論模型，提出了配流盤上磨粒的磨損量期望的理論計算方法。由轉子配流盤間的間距仿真結果，得出轉子與配流盤間的間距呈周期性起伏。并為磨損量的實時曲線仿真提出了可行的流程方案。進行了數值計算，通過matlab仿真模擬了磨粒在磨損過程中的壓入深度變化。

關鍵詞：磨粒磨損;轉子配流盤;摩擦學

引言

航空液壓泵是飛機起飛、操縱、起落架收放和剎車的關鍵部件。飛機液壓泵一旦發生故障，輕則引起飛機液壓系統不正常工作，重則造成機毀人亡，帶來巨大的經濟損失和不良的國際影響。據統計，航空液壓泵80%以上的故障是由于磨損污染造成的。尤其是飛機液壓系統向高壓化方向發展，油液污染導致的液壓泵磨損愈加顯著[1]。而在這磨損之中，柱塞泵中轉子-配油盤摩擦副對于保持液壓泵的容積效率非常重要，試驗數據表明[2]，該摩擦副的泄漏量占液壓泵全泵泄漏量的70%以上。國內外大量學者都針對該摩擦副的磨損進行了大量研究工作。

一直以來，磨損是國內外摩擦學研究的重要部分。人們對磨損機理的分析和理解也愈加成熟。Jacobson?等[3]建立了考慮多個磨粒同時作用的純切削過程的統計學模型。利用該模型研究了磨粒尺寸、載荷及工件表面硬度對磨損率的影響。預測了發生接觸的磨粒數量和磨損表面形貌。方亮等人[4]為探討三體磨料磨損中磨料顆粒粒徑的分布對材料磨損性能的影響，通過試驗結合正態概率分布坐標分析的方法，比較準確地得到磨料粒徑的分布情況。Arnold?Ismailov等[5]人用硬度不同的兩種磨粒粉進行了磨損實驗，發現對于硬度低的磨粒，滑行速度越快，越不易磨損。對于硬度高的磨粒，速度越快，磨損越嚴重。

轉子與配流盤間的磨粒磨損是一個非常復雜的過程，這是一個實時變化的隨機過程，并且磨粒的分布也具有隨機性。所以多年以來，對于轉子與配流盤間的磨粒磨損研究主要集中在實驗基礎上。探索不同磨粒對應的磨損情況，泄漏量與磨損量的關系等，而少有人對轉子與配流盤間的磨粒磨損有直接的計算及研究磨損規律。

本文參考了前人的研究方法和一些結論，針對轉子配流盤間的具體情況，提出了自己的理論計算。研究了磨粒在轉子配流盤摩擦磨損規律。

1.液壓泵轉子配流盤摩擦磨損機理分析

1.1?結構及工作原理

柱塞泵是液壓系統的一個重要裝置。它依靠柱塞在缸體中往復運動，使密封工作容腔的容積發生變化來實現吸油、壓油。目前，大部分的民用飛機大部分依然使用的是軸向柱塞泵，來滿足其高壓、大流量和流量易調節的需求。如圖2.1所示，軸向柱塞泵主要由傳動軸、配流盤、缸體、斜盤等組成。軸向柱塞泵按結構分類，主要有斜盤式軸向柱塞泵和斜軸式軸向柱塞泵。

圖?1?軸向柱塞泵結構圖

2.轉子配流盤磨粒磨損分析

為了方便計算，對磨粒磨損做如下假設：

（1）假設磨粒為剛性小球。

（2）磨粒位置隨機。

（3）轉子的硬度大于配流盤的硬度，因此磨損的狀況主要發生在配流盤上，只考慮在配流盤上的磨損。

2.1不考慮材料的變化的摩擦磨損

（1）平均壓強的計算

在接觸力學中，如果發生磨損，可以分為彈性磨損和塑性磨損。假設產生磨損的臨界進入深度為。根據接觸力學理論[6]。當，材料屈服開始。當，開始發生塑性變形。

而對于壓力P的求解，可根據壓入深度求解。

圖2磨粒壓入示意圖

由上圖的幾何關系，可以求解出，?D為磨粒的直徑，為壓入深度。

，當，為完全彈性變形，由得。

，當，彈塑變形。

，當，完全塑性變形。由得。

然而，這樣的載荷計算只限于光滑平面上的磨損，而實際中，磨損是在粗糙平面上進行的。需要加入一個修正系數

A為實際接觸面積，為光滑平面接觸面積。與表面形貌有關，是一個不確定量。

（2）彈性變形和塑性變形的判斷

克拉蓋爾斯基（Kragelskii）提出，假定用尖端半徑為d的球形磨粒在金屬表面壓入深度并劃動，根據的比值不同，即接觸特性的不同，可以將磨粒和表面的相互作用劃分為如下幾類，對于鐵基合金，當

彈性變形

塑性變形

切削

磨損量比例與有關。越大即壓入越深，越大。可以假設成線性關系：

，

由牛頓第二定律知：。

3.結論

轉子與配流盤間的間距存在周期性的正弦起伏變化。由于出油高壓區的間距較小，高壓區附近的磨損最為嚴重。通過理論推導與計算，得到了磨粒在轉子配流盤間的磨損期望計算公式。另外，本文為磨損的實時曲線仿真提出了可行的流程方案。計算了粒徑為的磨粒隨轉子轉動，在配流盤配流盤上的壓入深度曲線。在彈性變形區域，可見壓入深度隨著轉子配流盤間的高度減小而快速增長。當進入塑性變形區域，壓入深度減慢。

參考文獻：

[1]葛薇，王少萍.航空液壓泵磨損狀況預測[N].???北京航空航天大學學報，?2011-11.

[2]張文超，王少萍，趙四軍.?柱塞泵三對摩擦副對回油流量的影響分析[C].?第五屆全國流體傳動與控制學術會議暨2008年中國航空學會液壓與氣動學術會議論文集，?2008：?965-970

[3]Jacobson?S，Wallen?P，Hogmark?S.?Fundamental?aspects?of?abrasive?wear?studied?by?a?new?numerical?simulation?model[J].?Wear，1998，123：207-223.

[4]杜道山，方?亮，李從心.三體磨料磨損中磨料粒徑分布測定試驗研究.潤滑與密封，總第167期，2005年1月.