PDF《第 9卷 第 3期》

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李壮云(

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3 5 一),男,湖南 湘 潭人 , 教授 , 从事水液 压传 动与 控制、气压 传 动与 控制 等研 究.维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 余祖耀,等:水 液压柱塞泵滑靴球铰副存在的问题和改进设计通过几个摩擦副的比较 可 以看 出,滑靴球铰摩擦副的比功 虽然不是最大,但它的接 触 比压 值很高,因此 滑靴球铰副的设计是一个不容忽视的问题 .

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1 球铰摩擦副的材 料选择由于水 的润 滑性 很差,因此在低速度、高比压 的球铰摩擦副中如果采用传统的金属对金属方案,将很容易导致材料的粘着、转移和磨损.B. B h u s h a n 曾进行大量的水 润滑材料摩擦磨损试验一,对此有所论述.从抗粘着的目的 出发,球铰摩擦副的材 料配对方案可以如 表 2所 示.表2球铰摩 擦副的材 料 配对方 案Ta bl e

2 M at e r i a l mat c hi ng s c he mes f o r s l i pper s o c ket 注:包括整体陶瓷和表面陶瓷涂层;

②包括镶嵌塑料和表面塑料涂层;

⑨包括不锈钢、铜合金、钛合金等.1.2球铰摩擦副的结 构设计由于球 铰摩擦副的材料配对方案与常规材料不同,因此 球铰摩擦副的结 构也必须加以改造 . 比如 当球窝采用镶嵌塑料方案的时候,通常滑靴的结 构会变化成如图1(a)所示.为了降 低滑靴的加工难度,这种滑靴结构又可转变成图1(b)所示的结 构(a)(b)图1镶嵌 塑料 的 球铰 摩擦 副 结构 Fi g.1 St r uc t ur e s o f s l i ppe r s oc ke t wi t h pl a st i c s em bed de d 本文中,球铰摩擦副实际采用的材 料配对方案为硬化不锈钢对碳纤维增强工程塑料T, 摩擦副的结构就采用图1(b)的结 构.2滑靴球铰摩擦副在试验中存 在的问题"柱塞与滑靴"组件加工完成后.测量得到球铰副的间隙约为0.1mm , 且球铰运动灵活.但 是在室温条件下浸泡于水 中72h以 后,发现球铰副变得非常紧涩,后证实是塑料T吸水膨胀以后 导致球铰副卡紧.为使 试验正常进行,在塑料 浸胀的情 况下,对球铰副进行摇松处理,使球铰运 动灵活,然后装入泵中进行试验.水液压柱塞泵经过约100h的 试验,拆机发现球铰摩擦副的间隙已经 由原来的约0.1mm 扩张到平均0.7mm( 最大0.9mm ) , 说明球铰副中的塑料材料受到了严重磨损.通过分析发现,该塑料材料 在吸水膨胀的过程中,材料本身也发生了软 化现象.由于球铰副的接触比压 很高,材料受压会发生蠕变,再加上高频 率的摩擦运动,严重磨损就产生了.

3 滑靴球铰摩擦副的改进设计球铰的严 重磨损虽然与塑料的吸水 软化有直接关系,但由于 塑料材料总会有一定的吸水性,因此降低球铰摩擦副的接触比压 才是改进的根 本之道.球铰摩擦副的受力状况如图2所 示,主要分为液压流场力和机械接触力,两者之和是一定的. 如果能增加液压力分担的部 分,就能减少机械接触应力.从而达到减轻磨损的目的 . 但是仅仅增大压力腔D的面积,并不一定能达到目的 , 因为 同时 减小了机 械接触的面积,结果还有可能使机械接触比压不降反升.图2滑靴 球 铰摩 擦 副的 受 力分 布Fi g.2 St r e s s di s t r i but i on i n sl i ppe r s o cke t 有一种改进的球铰结构可以克服这种矛盾,参见图3.其主要变化是在球铰表面(球窝或者球头)加工一道环槽,并把高压水引入环槽中,从而扩大液压力场的作用面积,同时又使机械接触面积变化很小,以此 达到增加液压力、减轻机械接触比压的目的.图3有 两种方案,其中图3(a)的结构更加合理维普资讯 http://www.cqvip.com 工程设计学报第9卷 一些,因为它的液压合力作用方向与 负载方向一致,减负更加有效.液压 力的分布机械接触力的分 布图3改进后的滑靴球铰结构Fi g.3 Re des i gne d s t r uc t ur es of s l i p pe r s oc ke t 经验 算,新型球 铰摩擦副 的接触应 力降 为11.8MP a , 比原 来结构的应力值降低了32%,效果显著.当然 这种结构可能会增加球铰摩擦副的泄漏流量,带来 一些容积效率损失,但总的来 说还 是可行的.4结语塑料用作水液压元件摩擦副的材料能够发挥抗粘着、耐磨损、自润 滑的优点,但是塑料也存在易吸水膨胀、变形、软化等缺点,因此只有从选材和结构设计两方面着手,才能设 计 出合 理的摩擦副.球铰摩擦副的接触比压 在柱塞泵中处于较 高水平,采用新型滑靴球铰结构,能够增 加球铰的液压 支承,有效降低球铰副的接触比压 , 延长摩擦副的寿命.参考文献:[1]B h u s h a n B,Gr a y S . I n v e s t i g a t i o n o f ma t e r i a l c o mb i n a ― t i ons unde r hi gh l oa d a nd s pe ed i n sy nt he t i c s e awa t e r [ J ] . L u b r i c a t i o n En g i n e e r i n g.1