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      液壓元件摩擦學的知識
      點擊次數:1090 發布時間:2018-07-26

      摩擦學在液壓元件中的重要性

      哈工大的許耀明教授、亞琛工業大學的穆任霍夫教授、還有普渡大學的莫妮卡教授,他們都認為摩擦學設計是液壓泵/馬達設計的核心,我贊同他們的觀點。為什么呢?原因有四點,雙重功能、雙重目標、缺乏理論、不易反求。

      我們來看齒輪泵,齒輪泵里的齒輪不但像一般的機械傳動那樣要起到傳力的作用,他還要起到密封的作用,這就是所謂的雙重功能:傳力和密封。

      雙重目標:節能減排和延長壽命,節能減排是時代的要求,壽命是國產件與*水平重要的差別。摩擦引起了能耗,摩擦也引起了磨損,磨損就導致失效。

      摩擦學缺乏統一的理論。國外有學者在1995~1996年間做過統計,在1965到1995這三十年間,摩擦學建立的公式有325條,變量超過了625個,這些公式的適用范圍都非常窄。那么有人可能要問:這是九十年代統計的數據,現在過去二十年了,理論是否統一了呢?那我可以回答大家,理論不但沒有統一,反而更加百家爭鳴、公式更多。

      不易反求。我們講的形似神不似,神主要就是摩擦學這尊大神。既然是核心那么重要,那我們重視了嗎?我覺得是沒有,至少是重視得不夠。

      摩擦學的知識

      液壓元件摩擦副的潤滑狀態是什么樣?對這個問題的認識是非常關鍵的,它決定了你解決問題的方法。前面講到液壓元件摩擦副要起到密封的作用,這就決定了在大多數情況下,摩擦副是不可能形成流體潤滑的,原因也有四點:①流體潤滑泄漏量(Q∝?Ph3)過大;②如果是流體潤滑,密封面有可能會分離,存在密封失效的風險,特別是配流盤;③這不是一個穩健的設計,有人推薦理想的油膜厚度是10~20μ,那么從10~20μ,由于三次方的關系,泄漏量差了8倍;④我們從另外的角度考慮,如果真的形成了流體潤滑,那么除了啟動、停車這短暫的時間之外,這些耐磨的高強度材料有什么意義呢?所以液壓元件摩擦副在多數情況下,只能是混合潤滑,或者是邊界潤滑,甚至是干摩擦。

      在邊界潤滑條件下,Q∝?Ph2,泄漏量與間隙h的平方成正比,這個公式據我了解是比較可靠的。在這種邊界潤滑條件下,流體的運動不是連續的,油膜在摩擦副的表面上分布類似在高空往下觀看群湖。流體的運動也類似于人通過酒店的旋轉門,從這個湖旋轉到那個湖,在這種潤滑狀態下,材料的抗磨損性能、材料的熱力學性能、潤滑油的吸附能力,降低和均化應力這些方面,才是解決問題的出路。

      關于磨損的假說。所謂假說是指對問題作出試探性的、可檢驗的解答。這個概念在科學研究中是非常重要的。那么,摩擦副為什么會磨損呢?人們提出了很多假說,比較有代表性的有這么四條:臨界溫度假說、顆粒承載假說、絕熱剪切不穩定假說、臨界PV值假說,臨界PV值假說是大家都熟悉的。簡單的介紹下前面的三種。

      臨界溫度假說。它認為油膜破裂是磨損的必要條件,臨界溫度是磨損的充分條件。意思是說,發生了磨損,油膜必然是破裂了的;但是油膜破裂不一定會發生磨損,只要溫度超過臨界值就會發生磨損。

      顆粒承載假說。它認為當載荷主要由顆粒承擔的時候,就發生磨損。雖然這個時候有油膜,但是油膜不起作用,它沒有壓力。顆粒從哪里來的?一個是環境的污染,第二個是材料的剝落。

      絕熱剪切不穩定假說。這個是美國阿貢(Argonne)實驗室2005年提出的,他持續研究到近這兩年,這種假說認為摩擦會發生塑性變形,塑性變形又導致兩種對立的現象:一種是位錯增多,強度增大;它的對立面呢,是溫度升高,材料軟化。這兩種現象打架,當“熱軟”超過“功硬”的話,摩擦副就會發生磨損。

      設計變量。見圖1,從大的方面講,設計變量有這幾個方面:材料、工況、幾何參數和環境。

       

       

      圖1  設計變量

       

      材料包括晶體結構,面式立方、體式立方,還是密排六方。還有一個很重要的是硬度,硬度這個我要多說一下,硬度有一個很關鍵的指標就是熱硬性,摩擦副工作過程中的硬度跟常溫下測的硬度可能有很大的不同。

      幾年前我公司里有個客戶,因為他改變了工況,也存在這種批量的磨損問題,我就是通過改變了摩擦副的熱硬性解決了他的問題。這幾年來,這個客戶經常要用這種工藝,這就為客戶解決了問題。工況包括載荷、速度等。無論是理論研究,還是我自己的實驗都表明速度比載荷更加容易引起溫升。

      幾何方面,面積、形狀、尺寸等等。這些幾何方面的變量,不但要從一般的強度、剛度、應力大小的角度去考慮,我們還應該從熱力學、傳熱學的角度去考慮問題。圖2是我做的一個設計。這兩個零件組成一對摩擦副,左邊是改進之前的,右邊是改進之后的。我在這里通過鑄造的辦法掏去了一塊,這樣就縮短了熱流通道,擴大了散熱的面積。環境,包括溫度、污染等,這些變量,它有很強的時間依賴性、系統依賴性和強的耦合性。

       

       

      圖2 改變幾何形狀、提高摩擦性能

      磨損圖是指將影響因素與磨損率集合在一起的圖表,這是摩擦學領域新出來的概念。圖3是一張二維磨損圖,在由載荷和速度組成的二維平面里劃分三個區,輕微磨損區、輕度磨損區、嚴重磨損區。輕微磨損屬于正常的磨損,輕度磨損是可逆的磨損,意思是進入了這個區域,只要你把載荷或者是速度降下來,它就可以回到正常的磨損區。嚴重磨損區是不可逆轉的,這里有個臨界點s,當速度比較高的時候,它可以不經過這個可逆轉區,直接由正常區過渡到嚴重磨損區。圖4是三維磨損圖,除了載荷和速度之外,還加上了溫度。磨損面之下,屬于安全區,磨損面之上屬于不安全區。磨損圖對于工程師來說,它的意義在于可以作為設計的判據,判斷設計的變量是不是安全的,同時技術人員、科學家應該設法去擴大這個安全區。

       

       

      圖3 二維磨損圖

       

      圖4  三維磨損圖

       

      知識的獲取途徑。英國拜倫說過:要有獨到的見解,必須多思少讀,這是不可能的,學會思考之前,勢必已經閱讀。所以知識的獲取途徑主要是兩點,一個科技人員應該要廣泛的閱讀世界科技文獻,第二個要自己做科學實驗??茖W實驗不等于生產勞動,雖然他們可以籠統地稱為實踐,只有科學實驗,才是出真知的實踐。

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