矿用高水基轴向柱塞泵摩擦副陶瓷材料摩擦性能研究

作     者：李瑞清 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：寇保福

授予年度：2023年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：矿用高水基轴向柱塞泵 摩擦磨损特性 工程陶瓷 柱塞摩擦副 温度 有限元分析 

摘      要：矿用轴向柱塞泵是采区高水基液压系统的核心动力源,对于采区工作面的高效开采及安全支护至关重要。随着井下采区工作面液压支架对高强度、大工作阻力、大采高的额定工作特性的日益需求,对矿用高水基轴向柱塞泵耐磨性能提出更高的要求。泵内部关键摩擦副的润滑、耐磨性能的优劣直接影响着整个柱塞泵运行性能的好坏及其使用寿命。为此,本文从矿用高水基乳化液泵内关键摩擦副材料的选择入手,重新设计摩擦副配对材料,探索不同工程陶瓷材料以及其不同材料组合的摩擦磨损特性和磨损机理,据此筛选出最佳摩擦副材料以期能改善矿用轴向柱塞泵的润滑性能,从而为矿用高水基介质液压原件的设计提供指导。具体的研究工作如下:首先,以矿用高水基轴向柱塞泵柱塞副为研究对象,分析其运动、受力及应用工况,据此总结影响柱塞泵润滑性能的各种因素以及各因素之间的关联性。在此基础上,给出具体的改善柱塞副润滑性能的技术方案,进而提出通过改善柱塞泵柱塞摩擦副材料的方式作为本文的研究重心。其次,通过MFT-5000型摩擦磨损试验机研究在高水基乳化液中几种工程陶瓷材料的摩擦磨损性能,探究了在法向载荷和滑动速度影响下各材料组合摩擦系数、磨损率、磨损形貌和磨损机理之间的变化规律。研究的材料组合为氧化锆(Zr O)、氧化铝(AlO)、氮化硅(SiN)、碳化硅(Si C)分别与304钢配对。结果表明:相同工况条件下,Zr O/钢配对时摩擦副的摩擦系数和磨损率最低,其主要磨损机理在低速轻载条件下为微犁削,而随着载荷和速度的增大逐渐转为氧化磨损和塑性变形。随后在上述试验研究的基础上,进一步研究四种工程陶瓷与Zr O配对时的摩擦磨损特性。结果表明,AlO/Zr O配副时的摩擦系数和磨损率最低,其磨损机理以疲劳磨损和磨粒磨损为主。因此,若考虑在高水基液压元件摩擦副中引入单陶瓷材料,Zr O能表现出最佳的摩擦学性能;而若考虑全陶瓷摩擦副材料组合,Al2O/Zr O配副时能表现出最优异的摩擦学性能。再次,选取Zr O/钢、钢/钢作为摩擦副材料,通过实验探究了环境温度变化对高水基乳化液润滑下两摩擦副摩擦磨损特性的影响。结果表明,钢/钢的摩擦副摩擦系数和磨损率随着温度的递增而大幅度增长,主要磨损机理为三体磨粒磨损;Zr O/钢摩擦副的摩擦系数随着温度的递增而降低,而其磨损率增长缓慢,其磨损机理以磨粒磨损和塑性变形为主。因此,陶瓷材料能在一定程度上改善温升工况下高水基液压元件的润滑性能。最后,通过有限元分析四种工程陶瓷与304钢材料组合的柱塞副的应力、应变。研究结果表明,Zr O/钢的材料组合的摩擦副在等效接触应力和主应力方向上变形量均小于其他三种陶瓷材料组合;对比四种陶瓷与Zr O的材料组合摩擦副时,发现模型的等效接触应力值和主应力方向上变形量与陶瓷的弹性模量相关联;在摩擦副表面增设不同厚度陶瓷涂层时,涂层厚度的变化影响着摩擦副主应力方向上的变形量和应力大小,涂层厚度为0.5mm时接触应力和应变最小,故而存在涂层厚度的最优值。