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织构化液压缸摩擦副特性建模与实验研究

毛阳  
【摘要】:液压缸的高频响主要受制于液压密封件摩擦特性的影响,密封界面摩擦力与界面间距成反比,使得界面的摩擦力与泄漏量之间形成一对矛盾,而这个矛盾,是制约液压缸频响性能提升的难题。伺服液压缸作为液压伺服系统中高精度自动化装备的关键元件,是未来制造业赖以生存的基础和可持续发展的关键,这就对伺服液压缸的工作性能和使用寿命提出了更高的要求。本文从提高液压缸摩擦性能出发,耦合润滑表面气液两相的作用,建立基于气态耦合液膜的动压润滑支撑模型,计算存在气体的空化模型润滑特性,并扩展到建模求解空化耦合楔形效应的可压缩模型LCP(Linear Complementarity Problem)方程,应用神经网络以及算法预测,设计最优织构参数。将织构应用于液压缸内壁面,研究织构对液压缸泄漏量的影响,使润滑减阻与泄漏量之间能优化匹配,为实现织构化高频响伺服液压缸提供新的理论与技术基础。1动压润滑表面织构形貌设计与数值求解。为了研究不同形貌的表面织构在流体动压润滑条件下的摩擦特性,本文基于传统雷诺方程对不同形貌的表面织构进行数值求解。在比较分析了Sommerfeld边界条件,半Sommerfeld边界条件后应用雷诺边界条件,采用五点差分法对其进行数值求解,复合梯形公式对压力进行积分求解,得到所需的摩擦学性能指标。用此数学模型研究了不同的表面织构微凹坑形状以及微凹坑排布形式对润滑膜承载力、摩擦力、摩擦系数的影响。2表面织构空化效应的数值补偿LCP模型研究。传统雷诺方程没有考虑润滑表面空化的形成,不能准确地解释油膜演变现象。本文通过利用质量流量守恒法则,推导出在整个流域内,考虑基于压力与变密度改进后的线性补偿LCP模型,结合气液两相流的CFD模拟,可以准确预测摩擦性能和蒸汽体积。合理的空化效应有利于促进形成良好的润滑表面,并减少摩擦副之间的摩擦,同时也改善油膜支撑性能。3空化耦合楔形效应的可压缩二维LCP模型研究。上述空化模型的考虑对象为不可压缩流体,在实际工况中,液压缸的摩擦副中存在一定的倾斜角度,所以摩擦副油膜模拟时还需要考虑挤压效应,将一维空化效应的LCP方程,扩展到了二维空化耦合楔形的可压缩LCP方程,分析了活塞摩擦副不平行的工况,研究了楔形油膜的微观特性以及其摩擦学特性。4对不同的织构表面形貌参数进行摩擦特性实验。经对比分析,织构形貌参数对织构表面润滑特性有重要的影响,通过设计合理织构尺寸,可以降低摩擦系数。为了得到理想的织构参数,本文采用了曲面响应分析和混合BP-GA神经网络方法,对织构表面空化条件下的摩擦特性进行筛选和优化以及建立织构参数与润滑指标之间的预测模型。最后通过实验数据对两种方法的预测和优化结果进行比较,混合BP-GA神经网络方法优于曲面响应分析方法,并且能够准确预测不同织构参数的摩擦性能。5织构化液压缸内泄漏以及摩擦实验研究。将织构加工在液压缸筒内壁进行实验,分别与传统的密封圈活塞和新型的变间隙密封型活塞配合的液压缸进行测试。通过对两种活塞与有无织构缸的交叉实验,得到结论:织构化的缸筒不论采用何种活塞,都能有效减小活塞运行的摩擦系数;变间隙密封活塞的摩擦系数小于传统的密封圈密封活塞,并具有更好的润滑特性,而泄漏量稳定;无论采用密封圈密封活塞或变间隙密封活塞,织构化液压缸对泄漏量的影响较小,摩擦系数的减幅超过50%。


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