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轴向柱塞泵柱塞副油膜特性数值分析

机械设计与制造 2024年

作者：底本辉赵书尚李阁强王俊杰河南科技大学机电工程学院

在轴向柱塞泵容积变量系统中，柱塞副油膜间隙始终是设计和优化的关键点。为改善柱塞副油膜的润滑机能，辅助柱塞副结构元件设计与参数优化，以便形成适当的润滑油膜，针对某定缸动盘形式柱塞泵的柱塞副进行研究，建立了可循环求解的数... 详细信息

在轴向柱塞泵容积变量系统中，柱塞副油膜间隙始终是设计和优化的关键点。为改善柱塞副油膜的润滑机能，辅助柱塞副结构元件设计与参数优化，以便形成适当的润滑油膜，针对某定缸动盘形式柱塞泵的柱塞副进行研究，建立了可循环求解的数学模型，完成了对油膜厚度场和压力场模型的编程仿真与计算求解，分析了在一个周期内压油区油膜随负载压力变化的规律。结果表明：增大负载压力，会减轻柱塞的偏心程度，最小油膜厚度将会增大，且负载压力对柱塞尾端偏心量有更明显的影响；油膜在柱塞尾端存在一个由挤压效应引起的压力波峰，压力波峰时刻大于负载压力，并且压力等级越高，压力波峰比越小，挤压效应带来的影响越弱。

关键词：柱塞副油膜特性仿真分析挤压效应压力波峰

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径向柱塞泵柱塞副润滑特性分析

现代机械 2024年第2期 60-64页

作者：李彩红李鑫张正王传玺长安大学工程机械学院陕西西安710064

柱塞副是径向柱塞泵的关键摩擦副之一,其润滑特性对泵的使用寿命产生很大影响,因此开展径向柱塞泵柱塞副的润滑特性研究。首先对柱塞副进行受力分析,分析动压支承下的柱塞副油膜受力,然后建立柱塞副油膜厚度方程以及柱塞副油膜雷诺方程... 详细信息

柱塞副是径向柱塞泵的关键摩擦副之一,其润滑特性对泵的使用寿命产生很大影响,因此开展径向柱塞泵柱塞副的润滑特性研究。首先对柱塞副进行受力分析,分析动压支承下的柱塞副油膜受力,然后建立柱塞副油膜厚度方程以及柱塞副油膜雷诺方程;其次建立柱塞副稳态油膜模型,借助流体仿真软件对柱塞副油膜压力进行分析,结果表明,柱塞腔压力对柱塞副油膜压力的影响很大,为超高压下径向柱塞泵的研究奠定基础。

关键词：柱塞副油膜润滑特性超高压

超高压斜盘式轴向柱塞泵柱塞副摩擦界面油膜固液耦合作用特性研究

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机械工程学报 2022年第20期58卷 438-452页

作者：胡敏高鹏闵思婕刘睿丘天祥曾亿山刘常海合肥工业大学机械工程学院合肥230009 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州310027 安徽博一流体传动股份有限公司合肥230009

作为液压传动系统核心动力元件的轴向柱塞泵,超高压化是其必然发展趋势与要求,然而超高压化会造成其中关键的柱塞副摩擦界面油膜形成显著的固液耦合作用,对柱塞副油膜的摩擦润滑与密封承载性能产生规律尚不明确的影响。为此,建立一种基... 详细信息

作为液压传动系统核心动力元件的轴向柱塞泵,超高压化是其必然发展趋势与要求,然而超高压化会造成其中关键的柱塞副摩擦界面油膜形成显著的固液耦合作用,对柱塞副油膜的摩擦润滑与密封承载性能产生规律尚不明确的影响。为此,建立一种基于变形矩阵法的固液耦合作用求解方法,该方法基于有限容积法解算油膜流体润滑方程,基于有限元法实现摩擦界面变形计算节点规则化设置及变形矩阵精准计算,在此基础上建立柱塞副油膜弹性流体动压润滑数值计算模型,针对采用软硬配对的柱塞副63 MPa超高压工况下的摩擦界面油膜固液耦合作用特性进行研究,结果表明:固液耦合作用有助于减小柱塞副处轴向黏性摩擦力和泄漏流量,一个周期内柱塞副总周向黏性摩擦力大小基本不变但分布更为集中,导致产生了更大峰值的瞬时摩擦力;显著的结构变形产生于柱塞副摩擦界面两端局部位置处,因而对泄漏流量不造成影响,在超高压工况下经过软硬配对跑合,固液耦合作用有助于原本标准柱形铜套孔形成类似“喇叭口”的一种微观形貌,增大了柱塞与铜套孔的接触面积,增强了密封超高压油的能力,降低了接触应力。建立的模型及研究结果可为轴向柱塞泵超高压化设计提供指导。

关键词：轴向柱塞泵柱塞副超高压固液耦合作用弹性流体动压润滑

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深水环境下压力补偿泵柱塞副的润滑特性分析

重庆大学学报 2022年第10期45卷 62-76页

作者：曹学鹏鞠健阳田富元卫昌辰丁凯王德硕贺占瑞长安大学工程机械学院机电液一体化研究所西安710064 先进节能驱动技术教育部工程研究中心成都610031

压力补偿式柱塞泵可较好地适应深水极端环境,但深水极端环境会使柱塞副的润滑特性发生改变,影响其水下工作性能和应用范围。以压力补偿泵柱塞副油膜的润滑特性为研究对象,考虑深水温度、压力等环境因素对黏度、密度等介质属性的影响,建... 详细信息

压力补偿式柱塞泵可较好地适应深水极端环境,但深水极端环境会使柱塞副的润滑特性发生改变,影响其水下工作性能和应用范围。以压力补偿泵柱塞副油膜的润滑特性为研究对象,考虑深水温度、压力等环境因素对黏度、密度等介质属性的影响,建立深水环境下柱塞副油膜的数值模型,提出在柱塞偏心方向采用坐标轮换寻优和有限差分离散有机结合的方法求解柱塞副膜厚等表征润滑特性的参数。结果表明,在水深1000 m,主轴转角约90°时,柱塞副油膜出现小于1μm的极薄区域,且压力极差达80 MPa。改变主轴转速和斜盘倾角时,泄漏量和轴向摩擦力的变化较大气工况下更显著。不同水深下,轴向摩擦力与水深间呈正相关变化,泄漏量的变化则相反。相关研究可为深水环境下泵柱塞副的设计和开发提供有益参考。

关键词：深水环境压力补偿泵柱塞泵柱塞副介质属性润滑油膜

轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性及其表面织构化研究进展

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太原理工大学学报 2023年第4期54卷 585-598页

作者：林乃明王杰王强王焕焕袁烁刘志奇曾群锋吴玉程太原理工大学材料科学与工程学院太原030024 太原科技大学机械工程学院太原030024 西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部实验室西安710049 合肥工业大学有色金属与加工国家地方联合工程研究中心合肥230009

【目的】为提升柱塞泵的性能、寿命与安全运行提供参考。【方法】从理论计算及仿真的角度综述了柱塞副的油膜特性,针对其厚度场、压力场和温度场进行了分析,概述了柱塞副的摩擦学特性、润滑介质和匹配材料对其摩擦学行为的影响,列举了... 详细信息

【目的】为提升柱塞泵的性能、寿命与安全运行提供参考。【方法】从理论计算及仿真的角度综述了柱塞副的油膜特性,针对其厚度场、压力场和温度场进行了分析,概述了柱塞副的摩擦学特性、润滑介质和匹配材料对其摩擦学行为的影响,列举了具有更低磨损率的柱塞副匹配材料,阐述了表面织构的润滑减摩机理及表面织构的形状、面积率和尺寸及分布方式等因素对柱塞副摩擦学性能的影响。【结论】轴向柱塞泵是液压装备的核心元件,被称作液压系统的“心脏”。柱塞泵关键摩擦副服役状态下的磨损严重威胁着装备的可靠运行和长寿命服役安全,更是制约柱塞泵发展和应用的技术瓶颈。柱塞副是轴向柱塞泵中数量最多、最为关键的摩擦副之一,其摩擦学性能直接决定了柱塞泵的服役寿命。当柱塞副油膜润滑不良时,轴向柱塞泵会严重损坏。

关键词：轴向柱塞泵柱塞副油膜摩擦学特性表面织构

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考虑柱塞两种姿态的柱塞副燃油泄漏研究

车用发动机 2022年第4期 49-56页

作者：张勇李攀高振波王丹丹华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510640

高压共轨喷油器运行时柱塞的姿态会有偏心和倾斜状态,为了更加全面地研究柱塞副的泄漏情况,建立了考虑柱塞姿态的柱塞副间隙流动数学模型,包括雷诺方程、油膜厚度方程、油膜截面速度方程、非等温流动方程、稳态导热方程和燃油物性参数方... 详细信息

高压共轨喷油器运行时柱塞的姿态会有偏心和倾斜状态,为了更加全面地研究柱塞副的泄漏情况,建立了考虑柱塞姿态的柱塞副间隙流动数学模型,包括雷诺方程、油膜厚度方程、油膜截面速度方程、非等温流动方程、稳态导热方程和燃油物性参数方程,并对这些方程进行了基于有限差分法的数值分析。利用该数学模型计算了燃油泄漏速率,并与经典公式计算的燃油泄漏速率以及试验值进行对比,验证了该研究模型的有效性。经分析得出了柱塞在柱塞套内倾斜状态下和偏心状态下,间隙燃油的泄漏速率、油膜厚度、温度、密度、黏度和比热容的变化趋势。

关键词：高压共轨柱塞副泄漏率数值分析偏心状态倾斜状态

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考虑磨损进程的轴向柱塞马达柱塞副泄漏研究

液压与气动 2023年第2期47卷 11-17页

作者：李昆吕飞刘辞英罗永涛王文山王洪波张军辉庆安集团有限公司陕西西安710077 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室浙江杭州310027

轴向柱塞马达广泛应用于航空航天、工程机械液压作动系统,容积效率是其重要指标。然而其柱塞副承载润滑状态恶劣,发生的磨损会导致泄漏损失增大,进而使马达的容积效率低于理想设计值。建立了轴向柱塞马达柱塞副磨损退化进程模拟模型,获... 详细信息

轴向柱塞马达广泛应用于航空航天、工程机械液压作动系统,容积效率是其重要指标。然而其柱塞副承载润滑状态恶劣,发生的磨损会导致泄漏损失增大,进而使马达的容积效率低于理想设计值。建立了轴向柱塞马达柱塞副磨损退化进程模拟模型,获得了其从跑合磨损到稳态磨损过程中承载界面轮廓的变化,基于此,对自然磨损状态下柱塞副泄漏行为进行分析。结果表明,随着缸孔的磨损,柱塞副泄漏量呈先增大后减小的趋势,柱塞副运行400 min时达到稳态磨损阶段,此时泄漏量相比初始泄漏量增加了2.3%。指出了柱塞副磨损状态和泄漏损失变化的映射关系,对提高轴向柱塞马达的容积效率和实现轴向柱塞马达磨损预测性维护具有一定指导意义。

关键词：轴向柱塞马达柱塞副磨损泄漏损失

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轴向柱塞泵微织构柱塞副的油膜特性研究

轴向柱塞泵微织构柱塞副的油膜特性研究

作者：陈开窍兰州理工大学

学位级别：硕士

斜盘式轴向柱塞泵作为液压系统的关键动力源,在工程机械中有着广泛的应用。随着高压高转速化,市场针对日愈复杂的工作环境下的柱塞泵性能要求更为严苛。本文以柱塞副作为研究对象,由于其在缸体孔的运动中受力较为复杂,油膜在柱塞与缸体... 详细信息

斜盘式轴向柱塞泵作为液压系统的关键动力源,在工程机械中有着广泛的应用。随着高压高转速化,市场针对日愈复杂的工作环境下的柱塞泵性能要求更为严苛。本文以柱塞副作为研究对象,由于其在缸体孔的运动中受力较为复杂,油膜在柱塞与缸体接触的两端面极易破损,从而出现磨损、咬缸等现象,直接影响了泵的工作效率与及使用寿命。本文针对上述问题,结合柱塞泵的工作特点,提出一种“高承载力,低泄漏,低风险,低摩擦”的表面微织构柱塞结构。采用数值模拟方法,针对微织构柱塞在运动过程中油膜流场出现的漩涡现象以及柱塞副的承载能力、泄漏特性与摩擦特性等问题展开相关研究,确定了最优的表面微织构参数,为表面微织构柱塞的设计制造奠定了基础。主要内容如下:(1)基于Pump Linx得到柱塞腔压力变化规律,建立了微织构柱塞副的流场仿真模型,采用Fluent动网格与滑移网格技术,主要分析了光滑和微织构柱塞副流场的油膜承载力特性、泄漏特性,结果表明:微织构的置入改变了流场内部油液原有的运动状态,速度减小,缝隙流场中的动压力增加,从而增大油膜承载能力。而相对其他微织构柱塞副流场,梯形结构承载力变化稳定,且油液经过微织构间隙区域时贴近上壁面形成更大的漩涡核心区,减弱了油液的直通效应,从而相对其他结构微织构具有更小泄漏率。确定了梯形上下比0.667微织构柱塞兼顾大油膜承载力和小泄漏率的综合性能。(2)基于Workbench平台,对柱塞副进行单向流固耦合仿真研究。结果表明:相比光滑柱塞,表面微织构柱塞在微织构区域结构相对薄弱,极易发生局部应力集中的现象,但最大等效应力远小于屈服极限,其最大形变量只在1μm左右影响不大;从柱塞安全余量角度出发,半椭圆宽长比1.214优于梯形上下比0.667;从缸体安全余量角度出发,梯形上下比0.667优于半椭圆宽长比1.214。(3)基于Archard模型,建立微织构柱塞和缸体干摩擦仿真。结果表明:位于柱塞与缸体两者相互摩擦的端面均发生了圈状划痕的磨损形貌,相比光滑柱塞副的柱塞与缸体表面磨损极值呈现圈状分布的情况,微织构柱塞表面磨损极值较为集中,且织构区域相较光滑柱塞由于微织构的置入减少了柱塞与缸体的接触面积,改善了缸体内表面的磨损形貌。因此确定了增大油膜承载力、具有更小泄漏率、低风险和高耐磨性能的最佳微织构方案为梯形上下比值为0.667的微织构柱塞。

关键词：轴向柱塞泵表面微织构柱塞副油膜承载力摩擦磨损

基于动力学模型的液压泵柱塞副界面油膜特性研究

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基于动力学模型的液压泵柱塞副界面油膜特性研究

作者：李飞越浙江师范大学

学位级别：硕士

我国大型重载工程机械产销量全球第一,但其关键部件-液压泵主要依赖欧美日韩进口。当前,国家之间出现的贸易摩擦,已严重影响到我国的工程机械产业链安全,液压泵已成为制约我国工程机械自主可控发展的核心部件。作为液压泵的关键摩擦副,... 详细信息

我国大型重载工程机械产销量全球第一,但其关键部件-液压泵主要依赖欧美日韩进口。当前,国家之间出现的贸易摩擦,已严重影响到我国的工程机械产业链安全,液压泵已成为制约我国工程机械自主可控发展的核心部件。作为液压泵的关键摩擦副,柱塞副是一类处于混合润滑状态的摩擦副,受界面油膜形态影响,会出现干摩擦、流体润滑、边界润滑多种润滑状态交替并存的现象,故其在高速重载工况下较易出现摩擦磨损进而影响液压泵的效率和寿命。为了改善柱塞副微观接触情况,保证恶劣工况下润滑油膜的有效形成,以减少粘连磨损和磨粒磨损,本文从理论建模、仿真分析和软件开发三个层面开展了以下研究工作:（1）柱塞动力学模型及求解方法研究。考虑柱塞副组件的受力及运动情况,构建了柱塞副界面油膜厚度场模型、压力场模型、柱塞腔压力脉动模型,针对柱塞副油膜实时变化且难以准确预测这一问题,提出了以有限体积法、超松弛迭代法、牛顿迭代法等为核心的联合求解算法,精确求解了柱塞动力学模型,实现了柱塞副界面全域全周期油膜特性的动态表征。（2）基于动力学模型的柱塞副界面油膜特性仿真及分析。首先基于通用软件CFD内流道仿真和柱塞泵/马达专用油膜仿真软件caspar,联合对比验证并优化了柱塞动力学模型及求解算法,然后综合考虑出口压力、主轴转速、三角槽参数,分析柱塞腔压力瞬态积聚成因,之后进一步研究柱塞副界面油膜的形貌特征及变化规律,指导柱塞副工况和结构参数的优化选择。（3）柱塞副油膜特性仿真软件开发。以柱塞动力学模型及求解算法为核心,开发出一套柱塞副油膜特性仿真软件,该软件基于参数可视化界面,可呈现柱塞泵全周期运行工况下柱塞腔压力脉动、柱塞副油膜厚度场、柱塞副油膜压力场、柱塞副泄漏流量等关键指标,以支撑润滑油膜稳定、摩擦磨损性能优良、复杂工况适应性强、运行稳定且寿命高的新型柱塞副研发工作。

关键词：液压泵动力学模型柱塞副油膜特性软件开发