基于表面形貌优化的轴向柱塞泵缸体/配流盘界面性能仿真与实验验证

作     者：安迪（Larbi Andrews） 

作者单位：浙江师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王冬云

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：轴向柱塞泵 缸体-配流盘界面 动力学仿真模拟 弹性变形 耐磨性能 失效机理 

摘      要：斜盘式轴向柱塞泵在航空、航天,船舶及工程机械等领域具有广泛应用。因为它们能够在高压和高速下运行,同时保持高效率。缸体-配流盘摩擦副(配流副)是其最关键的摩擦副组件,而优异的承载能力、耐磨性能和密封性能是其在极端工况下长寿命工作的保障。在泵低速运行时,摩擦副界面润滑不良导致配流副磨损加剧,甚至降低泵体的寿命。可见,配流副界面油膜不仅需要承受外部载荷,而且在界面上起润滑作用,可以保持缸体-配流盘摩擦副的润滑特性,保证泵的高效运行。油膜无法在高压下维持外部负载,摩擦热耗散的表面处理不良,导致界面磨损。针对以上问题,前期研究者们采用表面耐磨涂层技术提高配流副表面的耐磨性能,但是耐磨涂层织构化引入表面起伏,这样会破坏摩擦副表面原有结构,增加其表面局部的变形,对配流副的耐磨性能极其不利。为了解决上述问题,本论文首先通过理论建模和数值仿真对配流副组件进行动态特性分析,揭示了表面粗糙度参数对其泄漏流量的影响,及容积效率损失的主要原因,从而为配流副表面结构优化提供理论指导;其次,设计制备了不同微观结构的铜基耐磨涂层,对上述仿真模拟理论进行验证。具体研究内容如下:(1)为了优化配流副界面设计提高其耐磨性能,建立数值模型来预测配流盘上的微凹坑半径,更好地了解其界面磨损和弹性变形机理。还研究了不同工况下温度对油液运动粘度和表面变形的影响。使用三种不同材料的配流盘,即38Cr Mo Al基底的青铜涂层(P1)、38Cr Mo Al基底的PVD青铜涂层(P2)、和氮化体球铁(P3)。结果表明,增加表面粗糙度值会影响泄漏流量和摩擦界面上的压力积聚。由于材料微观结构、所需韧性和硬度之间的最佳相关性,配流盘的铅青铜PVD涂层显示出更好的摩擦学性能,可能具有耐磨性。(2)为了验证仿真结果,本论文设计制备了三种不同的配流副表面涂层材料(经过不同表面处理的配流盘、相同材料的缸体对磨件),即青铜涂层-38Cr Mo Al基体(P1)、PVD涂层-38Cr Mo Al基体(P2)、氮化处理后的球墨铸铁-38Cr Mo Al基体(P3),采用油液环境摩擦磨损实验研究了不同载荷下上述涂层材料的耐磨性能。结果表明,界面的表面粗糙度影响配流盘材料的摩擦系数和磨损率。因此,当配流盘表面被纹理化时,需要一个合适的Ra值～0.4μm以获得最佳的摩擦界面性能。此外,阀板的铅青铜PVD涂层(P2)表现出优异的摩擦学性能,其适当的相组成和微观结构被认为是更好的摩擦学性能的原因,这与仿真结果一致。分析了不同涂层组成、微观结构对轴向柱塞泵缸体/配流盘涂层耐磨性能的影响。结合涂层硬度的表征,揭示了表面涂层磨损失效机理。本文可为斜盘轴向柱塞泵缸体/配流盘摩擦副的优化设计提供指导。