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.pdf

第5 4卷 第4期2 0 2 3年7月 太原理工大学学报J OUR NA L O F TA I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.4 J u l.2 0 2 3 引文格式:林乃明,王杰,王强,等.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J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(4):5 8 5-5 9 8.L I N N a i m i n g,WANG J i e,WAN G Q i a n g,e t a l.P r o g r e s s o n t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d s u r f a c e t e x t u r i n g o f p l u n g e r p a i r s i n a x i a l p i s t o n p u m pJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(4):5 8 5-5 9 8.收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 9;修回日期:2 0 2 3-0 4-1 8 基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 5 0 1 1 2 5);山西省应用基础研究计划项目(2 0 1 9 0 1 D 1 1 1 0 6 3);山西省回国留学人员科研资助项目(2 0 2 0-0 3 5)第一作者:林乃明(1 9 8 1-),博士,副教授,主要从事金属材料表面改性的研究,(E-m a i l)l n m l z 3 31 2 6.c o m 通信作者:吴玉程(1 9 6 2-),博士,教授,主要从事能源材料、表面工程等的研究,(E-m a i l)w y c t y u t.e d u.c n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林乃明1,王 杰1,王 强1,王焕焕1,袁 烁1,刘志奇2,曾群锋3,吴玉程4(1.太原理工大学 材料科学与工程学院,太原 0 3 0 0 2 4;2.太原科技大学 机械工程学院,太原 0 3 0 0 2 4;3.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 7 1 0 0 4 9;4.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 2 3 0 0 0 9)摘 要:【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;表面织构中图分类号:T G 1 4 1 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.c n k i.i s s n 1 0 0 7-9 4 3 2 t y u t.2 0 2 3.0 4.0 0 2 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 4-0 5 8 5-1 4P r o g r e s s o n T r i b o l o g i c a l C h a r a c t e r i s t i c s a n d S u r f a c e T e x t u r i n g o f P l u n g e r P a i r s i n A x i a l P i s t o n P u m pL I N N a i m i n g1,WA N G J i e1,WA N G Q i a n g1,WA N G H u a n h u a n1,Y U A N S h u o1,L I U Z h i q i2,Z E N G Q u n f e n g3,WU Y u c h e n g4(1.C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a;2.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a;3.L a b o r a t o r y o f M o d e r n D e s i g n a n d R o t o r B e a r i n g S y s t e m,M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,X ia n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,X ia n 7 1 0 0 4 9,C h i n a;4.N a t i o n a l a n d L o c a l J o i n t E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r f o r N o n f e r r o u s M e t a l s a n d P r o c e s s i n g,H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,H e f e i 2 3 0 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】I t w a s e x p e c t e d t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r i m p r o v i n g t h e p e r f o r m a n c e,l i f e t i m e a n d s e r v i c e s a f e t y o f p i s t o n p u m p.【M e t h o d s】T h i s w o r k r e v i e w e d t h e o i l f i l m c h a r a t e r i s-t i c s o f p l u n g e r p a i r s f r o m t h e v i e w o f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n a n d s i m u l a t i o n.T h e t h i c k n e s s f i e l d,p r e s s u r e f i e l d,a n d t e m p e r a t u r e f i e l d o f o i l f i l m w e r e a n a l y z e d t o e l u c i d a t e t h e l u b r i c a t i o n p e r-f o r m a n c e.T h e t r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f p l u n g e r p a i r s,a n d t h e e f f e c t o f l u b r i c a t i o n m e d i u m a n d m a t c h i n g m a t e r i a l s o n t h e i r t r i b o l o g i c a l b e h a v i o r w e r e s u mm a r i z e d.T h e p l u n g e r p a i r s m a t c-h i n g m a t e r i a l s w i t h l o w w e a r r a t e a t p r e s e n t w e r e e n l i s t e d.T h e l u b r i c a t i o n a n d f r i c t i o n r e d u c t i o n m e c h a n i s m o f s u r f a c e t e x t u r e,a n d t h e e f f e c t o f t e x t u r e s h a p e,a r e a r a t i o,s i z e,a n d d i s t r i b u t i o n o n t r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f p l u n g e r p a i r s w e r e e l u c i d a t e d.【C o n c l u s i o n s】A x i a l p i s t o n p u m p i s t h e c o r e c o m p o n e n t o f h y d r a u l i c e q u i p m e n t,k n o w n a s t h e h e a r t o f h y d r a u l i c s y s t e m.T h e w e a r o f k e y f r i c t i o n p a i r s o f p i s t o n p u m p i n s e r v i c e c o n d i t i o n s e r i o u s l y t h r e a t e n s t h e r e l i a b l e o p e r a t i o n a n d l o n g l i f e s e r v i c e s a f e t y o f e q u i p m e n t,a n d i s a l s o a t e c h n i c a l b o t t l e n e c k r e s t r i c t i n g t h e d e v e l-o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f p i s t o n p u m p.P l u n g e r p a i r s a r e o n e o f t h e m o s t n u m e r o u s a n d k e y f r i c-t i o n p a i r s i n a x i a l p i s t o n p u m p,a n d t h e i r t r i b o l o g i c a l p e r f o r m a n c e d i r e c t l y d e t e r m i n e s t h e s e r v i c e l i f e o f p i s t o n p u m p.T h e a x i a l p i s t o n p u m p w i l l b e s e r i o u s l y d a m a g e d i f t h e p l u n g e r p a i r s a r e w i t h p o o r l u b r i c a t i o n.K e y w o r d s:A x i a l p i s t o n p u m p;P i s t o n p a i r;O i l f i l m p r o p e r t i e s;T r i b o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s;S u r f a c e t e x t u r e 液压传动是液体介质进行能量与信号传递、转化、分配和控制的一种传动方式,是现代机械传动与控制的关键技术之一1。液压泵是液压传动系统的核心及动力源,其效率的高低决定着液压系统的服役性能与使用寿命2。轴向柱塞泵(图1(a)因其容积效率高、运转平稳、噪声低、工作压力高等优势而广泛应用于液压传动系统3-4。轴向柱塞泵主要有两种类型,分别为斜盘式和斜轴式,而本文主要针对的是斜盘式轴向柱塞泵,其中共存在三组关键摩擦副如图1(b)所示:1)由滑靴与斜盘形成的滑靴缸膛柱塞缸体轴斜盘阀（a）轴向柱塞泵滑靴副配流副柱塞副（b）斜盘式轴向柱塞泵的摩擦副图1 轴向柱塞泵及斜盘式轴向柱塞泵摩擦副示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f a n a x i a l p i s t o n p u m p a n d f r i c t i o n p a i r s o f a s w a s h p l a t e a x i a l p i s t o n p u m p副;2)由柱塞与缸体形成的柱塞副;3)由缸体与配流盘形成的配流副5。与斜盘式轴向柱塞泵不同的是,斜轴式不存在滑靴副。轴向柱塞泵在高速、高压以及交变应力等复杂、苛刻工况下服役5。柱塞副对柱塞泵的作用主要有三方面:首先是密封作用,合理的摩擦副间隙可以形成密封面,防止液压油泄露;其次是润滑作用,由于柱塞副间存在润滑油膜,使得配副间由原来的干摩擦变为润滑膜分子间的摩擦,极大避免了磨损,提高了泵的使用寿命;最后是传递动力的作用,其运动示意图如图2所示,在高速旋转过程中,柱塞副将传递和承受较大的力或力矩作用7-8。综上,柱塞副的性能对其服役可靠性和使用寿命有极大影响9-1 1。图2 柱塞副的运动示意图F i g.2 M o t i o n d i a g r a m o f p l u n g e r p a i r s若柱塞副之间的间隙过大,将导致液压油从中泄漏,挤压作用难以形成;若柱塞副之间的间隙过小,则不能形成润滑油膜,这会导致两者直接接触从而造成柱塞副间的干摩擦磨损现象1 2,1 3。具体地,685太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 当液压油中存在固体颗粒及一定量的腐蚀介质时,柱塞副会受到磨粒磨损和腐蚀磨损作用,而液压泵内若存在残留气泡,在局部高压区发生溃灭时则会造成柱塞副的气蚀损伤,严重影响了柱塞副的服役行为(表现为振动、噪声、效率降低)。因此,降低泵的磨损,提高其寿命是当前需要解决的关键问题1 4-1 6。本文从轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性和摩擦学特性出发,综述了的润滑减摩机理及表面织构化对柱塞副摩擦学性能的影响,旨在为促进轴向柱塞泵的研发和应用提供参考。1 油润滑轴向柱塞泵柱塞副油膜特性柱塞副的主要作用是通过柱塞在缸体中的往复运动,使容腔容积发生变化,进行吸油和排油,进而实现机械能向液压能的转化。在运行过程中,柱塞与缸体之间会形成一层间隙油膜,其性能直接影响着泵的寿命,柱塞副的润滑性能主要由油膜的厚度决定,油膜厚度主要受油膜压力和温度分布的影响,为了保证泵的正常运行,需要保证活塞-缸体内随时存在 压 力 油 膜,使 摩 擦 副 处 于 完 全 液 体 润 滑 状态1 7。轴向柱塞泵柱塞副的油膜特性,是影响磨损的主要参数。柱塞受到的径向力会使油膜厚度减小,导致其磨损更加严重1 8。研究柱塞副润滑性能的三大重要因素包括油膜的压力场、厚度场及温度场。目前,国内外研究者对柱塞副油膜特性开展了广泛的研究,而研究方法主要有理论计算和仿真分析。1.1 理论计算目前,国内研究者对柱塞副油膜特性的研究大多基于仿真软件建立虚拟样机进行模拟1 8-1 9,在建立模型求解过程中,以恒温为前提,忽略了实际工况的需要,对实际应用意义不大。马俊等1 9针对柱塞副中的实际温度进行了理论分析和数值求解,基于柱塞副能量方程,cpv=()+D.(1)假设流体热传导系数为常数,温度在相邻网格间线性变化,能量方程可简化为,app=aEE+aWW+aNN+aSS+b.(2)其中,aP=aE+aW+aN+aS.(3)对方程(2)采用超松迭代法进行求解,并结合边界条件,分别沿长度方向和圆周方向得到油膜的温度场。柱塞泵在运行过程中,柱塞会受到复杂多变的力,使得柱塞与缸体的中心无法重合,进而产生一定的偏心,导致油膜形成不规则的形状。宋旸2 0基于对柱塞偏心的数学描述,建立了油膜的厚度场模型,通过数值求解,得到油膜的厚度方程,h=(Rbc o sk-xp)2+(Rbs i nk-yp)2-Rk.(4)若考虑柱塞副弹性变形的影响,油膜的厚度方程可表示为,hp=h+p.(5)式中:(xp,yp)表示任意截面的偏心坐标,Rk表示柱塞的半径,k表示偏心角,p表示柱塞副表面的弹性变形。此厚度方程为后续油膜压力分布的研究奠定了基础。为研究柱塞副的油膜压力分布,王克龙等2 1提出了轴向柱塞泵柱塞副油膜流固热耦合模型的算法,先基于N a v i e r-S t o k e s方程p=(v)(6)将公式(6)在各方 向进行分解,并根据边界条件,uz=zc=uc,vz=zc=vc,uz=zp=up,vz=zp=vp.(7)得到柱塞副油膜特性方程,即雷诺方程,-(h31 2p)+vp2h+vpzp+h t=0.(8)结合得到油膜的厚度分布情况h,柱塞表面的运动速度vp,柱塞表面的挤压速度 h t,柱塞副油膜的压力边界条件,求解雷诺方程,从而获得柱塞副油膜上的压力分布p.1.2 仿真分析为了更加形象地表示油膜特性,提高结果的准确度和可靠性,并对理论计算结果进行验证,在建立了油膜的温度场、厚度场及压力场数学模型的基础上,还有不少学者利用各种仿真软件将其描绘出来,为之后的实验研究提供理论基础。以下归纳了部分研究者对油膜特性的仿真分析。油膜的厚度可以直观地反映轴向柱塞泵中柱塞和缸体之间的接触情况,当柱塞副油膜厚度过低时,会导致过大的摩擦和磨损,为减低磨损损伤,提高轴向柱塞泵的使用寿命,张梦俭等2 2通过MAT L A B软件分析得到了柱塞副油膜厚度的分布情况如图3所示,主轴转速 分 别 设 置6 0 0 r/m i n、9 0 0 r/m i n、785 第4期 林乃明,等: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1 2 0 0 r/m i n、1 5 0 0 r/m i n.仿真结果表明,主轴转速越快,油膜厚度变化越小,越趋于稳定。4035302520油膜厚度/?m10.5000.51xy（a）600?r/min2624222018161412油膜厚度/?m10.5000.51xy（b）900?r/min4035302520油膜厚度/?m10.5000.51xy（c）1?200?r/min3025201510油膜厚度/?m10.5000.51xy（d）1?500?r/min图3 不同主轴转速下柱塞副油膜的厚度F i g.3 O i l f i l m t h i c k n e s s o f p l u n g e r p a i r s a t d i f f e r e n t s p i n d l e s p e e d s 国内研究机构针对油膜温度特性的研究,较多关注在设计合理的结构,减少泵中能量的散发。俞奇宽等2 3利用仿真手段研究了柱塞副油膜的温度场分布,并使用MAT L A B建立了温度场的仿真程序,输入 主要的仿真 物理参数,得 到入口油温 为4 0 下油膜的温度场如图4所示。此模拟误差控制在0.7,研究表明,油膜温度沿着轴向逐渐上升,且在油膜中段,温升最高可达1 0,而油膜两侧温升较为缓慢,最根本的原因是油膜两端柱塞的偏心量较大,黏性耗散较高。适当的温度可以使油膜黏性较好,润滑更充分,有利于降低泵的磨损,提高寿命。605550454035温度/?40200100200300周向/?（）轴向/?mm353025201510503503002502001501005052504846444240温度/?周向/?（）轴向/?mm图4 油膜温度仿真结果(入口温度4 0)2 3F i g.4 S i m u l a t i o n r e s u l t s o f o i l f i l m t e m p e r a t u r e(i n l e t t e m p e r a t u r e 4 0)2 3 柱塞和缸体的弹性变形会对油膜的厚度产生影响,进而间接影响柱塞副的磨损率。卫昌辰2 4通过观察动态润滑膜的流动状态,对柱塞副进行了受力分析,在此基础上,建立了油膜压力模型,并通过调节单一工况参数(负载压力、主轴转速、斜盘倾角),利用MAT L A B软件研究了实际深海环境中油膜的润滑特性如图5所示。结果表明,柱塞在不同倾角下所受到的力不相同,这会导致油膜的形貌时刻发生变化。当柱塞施加给油膜的作用力与外力达到平衡时,油膜便可保持动态稳定,进入稳定磨损阶段。除此之外,还有部分学者同时对两种油膜特性模型进行了仿真分析。张雪超2 5根据柱塞副所处位置的不同,分别构建了关于柱塞副油膜的厚度场与压力场的模型,继而使用MAT L A B软件进行885太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 6420压力/?MPa10.500100200300400X 圆周位置/?（）Y 轴向位置（a）250403020100压力/?MPa10.500100200300400X 圆周位置/?（）Y 轴向位置（b）306420压力/?MPa10.500100200300400X 圆周位置/?（）Y 轴向位置（c）90151050压力/?MPa10.500100200300400X 圆周位置/?（）Y 轴向位置（d）182图5 不同转角下柱塞副油膜的分布F i g.5 D i s t r i b u t i o n o f o i l f i l m o f p l u n g e r p a i r s a t d i f f e r e n t r o t a t i o n a n g l e s了多种参数(包括转速与压力)下柱塞副油膜的仿真分析。同时,作者还采用有限体积法进行网格划分并将油膜压力场控制方程进行了离散化求解。研究表明,当柱塞副受到外界压力作用时会在缸体中转变为倾斜的状态,并且当其受到的压力不断增大时,倾斜程度增大,而油膜的厚度在减小,处于此种状态时能从压力分布图中看到明显的压力尖峰。但是该结果未能与实验结果吻合,实验压力曲线呈三角形,而仿真曲线呈矩形波形,主要原因在于配流机构,当压力增大 后,配流机 构泄漏增大,不能持续保 持高压。2 轴向柱塞泵柱塞副的摩擦学特性2.1 基础理论轴向柱塞泵虽应用广泛,但随着更高性能液压系统的需求,解决轴向柱塞泵的磨损问题迫在眉睫。柱塞副作为轴向柱塞泵的关键摩擦副之一2 6,其长期面临着高压高速带来的磨损损伤和失效问题。轴向柱塞泵运行过程复杂,柱塞的受力情况复杂多变,因此可以通过力学分析描述柱塞的磨损行为2 7-2 8。卢义敏等2 7使用MAT L A B软件对柱塞的受力情况进行了数值模拟,通过旋转缸体使其处于不同转角时对柱塞受力进行求解,并选取了柱塞与缸体间的合适间隙来平衡泄露和磨损,研究表明柱塞前端比后端受力更大,磨损更多,当柱塞和缸体间隙为61 0 m时,液压泵整体工况较好。实际上,柱塞与缸体之间存在套筒,大多数研究者在受力分析时未能充分考虑其影响,导致结果与实际产生偏差。申儒林等2 8分析了柱塞在缸体内往复运动时柱塞所受到的力,结果表明,由于柱塞副的间隙远大于柱塞与套筒的间隙,会使保持运动状态中的柱塞在发生偏心时,其末端与缸孔之间的缝隙变大,造成的挤压就会变小,因此,为了反映真实情况就需要对柱塞中段部分进行详细受力分析。除了运行过程中发生必要的磨损之外,轴向柱塞泵所处环境及柱塞副的材料也影响其磨损性能。在2.2中将具体阐述国内外学者针对环境及材料对柱塞副磨损特性影响的研究。2.2 介质对柱塞副摩擦学特性的影响柱塞副的液压介质可分为油介质和水介质。随着更多高难度大型项目在极寒环境中的开发,液压油的低温性能较差而导致大多数的普通液压泵无法进行正常工作,因此,提高液压油的低温性能,使其具有良好的流动性、合适的黏度成为迫切需要解决的问题。马海军2 9从黏度、比热容、热膨胀性、倾点、凝点、闪点等角度对矿物油系液压油和难燃型液压油进行了对比,结果表明,在-4 0 的低温环境中,L-H S 3 2液压油更好的满足了低倾点及高粘度的要求。在航天液压系统中,随着越来越轻量化要求的提出,以煤油作为液压介质成为了一个新的趋势。姜继海等3 2分析了以煤油为介质的轴向柱塞泵摩985 第4期 林乃明,等: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擦副寿命较传统轴向柱塞泵的优劣势,煤油可直接从发动机传导,不需要额外携带油箱,还可作为燃料为其他系统提供动力,但是由于其黏度较低,容易导致柱塞与 缸体直接接 触,从而造 成干摩擦,寿 命降低。为应对更大的需求,轴向柱塞泵的使用环境已扩展到海水中,但由于海水介质黏度较低,润滑性相对较差,导致柱塞副容易发生润滑失效现象2 4,因此,对海水中柱塞副磨损特性的研究成为重中之重。由于海水几乎没有边界润滑的能力,再加上海水中存在固体杂质,使得柱塞副发生严重的黏着磨损,所以必须进行技术探究,寻求合理的解决方案。杨曙东3 1在进行理论计算的基础上,配合计算机仿真分析与实验研究相结合的方法,研制出了国内第一台中高压海水泵,该泵使用高分子复合材料作缸套,并设计了配合长度为定值的缸孔柱塞副结构和配合间隙,突破性地解决了柱塞和缸孔在干摩擦环境下的互相刮削及泄漏问题。张涛华3 2主要研究的对象是轴向柱塞泵柱塞副在海水中的磨损形式,结果表明,最主要的磨损形式包括腐蚀磨损、气蚀磨损及冲蚀磨损。腐蚀磨损主要是由于海水中的大量粒子构成了电化学腐蚀,形成了对柱塞副的极大破坏,其影响因素具体如图6所示3 2;而柱塞副在海水中发生气蚀磨损,是由于大量气泡破裂产生局部冲击高压,对柱塞造成破坏;冲蚀磨损则是海水中的颗粒物垂直冲击柱塞副表面,释放出比表面结合力更大的能量造成的结果。微观组织表面粗糙度塑性硬度电位极化阻抗腐蚀性溶液黏度电导率温度运动类型接触面性质速度载荷纯化膜的生成电化学材料腐蚀介质零部件/工况图6 腐蚀磨损的主要影响因素3 2F i g.6 M a i n i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f c o r r o s i v e w e a r3 2腐蚀磨损是摩擦副在相互摩擦和腐蚀介质共同作用下发生的磨损现象,在摩擦副的相互接触过程中,不仅破坏了材料表面的保护膜,使其丧失保护效应,而且直接磨耗了材料,因此,腐蚀磨损后果更加严重3 3。综上所述,柱塞泵的磨损形式为腐蚀磨损、气蚀磨损和冲蚀磨损,海水中颗粒物较多、介质黏度低且容易气化等则是造成磨损行为的主要原因。要想从根本上解决柱塞副摩擦磨损的难题,还需要从材料选取上着手,2.3将具体阐述柱塞副材料匹配的选取,并对其性能优劣进行了测试。2.3 材料对柱塞副摩擦学特性的影响除介质外,材料对柱塞副摩擦特性也值得被深入研究。现如今,轴向柱塞泵摩擦副材料的匹配形式主要包含3种类型:硬基材与硬基材配对、硬基材与软基材配对、(硬+软)基材与硬基材配对3 4。其中,柱塞副主要采用软/硬材料的匹配形式,该形式的优点是导热好及抗黏着磨损能力强,但仍存在缺陷,如耐磨粒磨损能力差3 4。在日常的工作环境中,有不少学者就对材料影响进行了实验分析,L I U e t a l3 5选择了7对材料进行实验,调整转速从1 0 0 r/m i n到1 2 0 0 r/m i n,在确认系统运行 正常后加载,压力 从2 MP a到1 2 MP a,最终,选择速度和压力分别为1 2 0 0 r/m i n和1 2 MP a,每2 h记录一次,观察测量腐蚀磨损,试验结果表 明,柱 塞 材 料 为1 C r 1 8 N i 9 T i,缸 体 材 料 为T o r l o n 4 3 0 1时,磨损性能最好,这是由于与司太立合金、M o n e l k 5 0 0合金、T C 4合金和1 C r 1 8 N i 9 T i相比,T o r l o n 4 3 0 1柱塞表面熔质合金的硬度较高,耐磨能力较高。此外,导热系数也是柱塞副材料选择中必须考虑的一个因素。同年Z HANG e t a l3 6研究了在7 0 MP a超高压情况下摩擦副材料的选择,研究表明,3 0 C r 2 M o VA材料的硬度较低,陶瓷材料的硬度较高,而硬度越高,摩擦系数相对越低,因此3 0 C r 2 M o VA材料的摩擦系数较高,磨损率相对较高;陶瓷材料摩擦系数较低,磨损率相对较小。海水泵已被广泛用于发电厂、炼铁厂、化工厂等行业,海水被用作海水淡化和制盐设备的原料与冷却水3 7,在海水环境中柱塞副材料的选择是当前面临的比较大的问题。焦素娟等3 8分析了水润滑条件下柱塞副材料为改性聚醚醚酮与不锈钢时的摩擦磨损特性。研究发现,柱塞副在高载荷下发生严重的塑性变形,磨损机理主要为疲劳磨损,该配副仅适用于小载荷工况,该研究为后续高聚物材料在摩擦副中的应用提供了依据。在软/硬材料的匹配形式中,陶瓷作为一种硬度较高的材料,常常被用在柱塞副的缸体中。YANG e t a l3 9使用MM-2 0 0磨损测量仪研究了9 4 0不锈095太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 钢与氧化铝陶瓷配对的柱塞副的摩擦磨损性能,在水润滑条件下调节负荷为1 9 6 N,速度为0.8 4 m/s,持续时间1 h,通过磨损测量仪记录摩擦力矩和滑动距离之间的关系如图7所示。结果表明,9 4 0不锈钢表面磨损严重,表面细条纹较多,氧化铝陶瓷表面有黑色金属颗粒,磨痕平均宽度为1 4.6 mm,二者接触边缘有过热的黄色斑点。将不锈钢与工程塑料匹配进行同样条件下的摩擦磨损测试,结果表明,实验后不锈钢表面无磨损现象,这是因为工程塑料块在不锈钢表面产生了一层塑料转移膜,降低了二者间的摩擦阻力。0.80.70.60.50.40.30.20.10T/?（N m-1）10234567S/?103?m图7 水润滑条件下摩擦力矩与滑动距离的关系3 7F i g.7 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n f r i c t i o n t o r q u e a n d s l i d i n g d i s t a n c e u n d e r w a t e r l u b r i c a t i o n c o n d i t i o n3 7晏小伟4 0在前人的基础上综合分析了金属材料、工程塑料、工程陶瓷在海水中的摩擦磨损性能,结合海水泵摩擦副的选材原则,对柱塞副进行了材料设计,研究表明,T C 4/TO R L ON 4 3 0 1柱塞副效果最好,转速为1 5 0 0 r/m i n、压力为1 4 MP a时,其磨损性能依然很好。杨金祥4 1对柱塞和缸体的尺寸以及柱塞所能承受的最大P V值进行了设计计算,最终发现氮化硅陶瓷作为柱塞材料,TO R L ON 4 3 0 1 P A I作为缸体的材料,可以很好地满足P V值要求,并 且 该 柱 塞 副 耐 磨 性 好,尺 寸 稳 定。申 凤梅4 2研究了海水环境下多种材料与C F R P E E K配对的柱塞副的耐磨性能,发现碳化硅陶瓷和氮化硅陶瓷与C F R P E E K配对时,摩擦系数最小,大致为0.1.廖武举等4 3在MC F-1 0摩擦磨损试验机上模拟了 海 水 情 况 下 无 烧 结 陶 瓷S i C与 工 程 塑 料P E E K 4 5 0-F C 3 0的磨损性能,实验结束后用电子显微镜观察其表面形貌并对其磨损机理作出了分析。结果表明,该摩擦副磨损率相对较低,耐磨性能相对较好。就摩擦磨损机理而言,工程塑料的磨损大致分为两个阶段,第一阶段为刚开始时的黏着磨损,第二阶段为摩擦过程中工程塑料向陶瓷表面的转移。李东 林 等4 4研 究 了1 C r 1 7 N i 2/C F R P E E K和1 7-4 P H/C F R P E E K两种配对的柱塞副摩擦特性实验,研 究 表 明,柱 塞 副 配 对 材 料1 C r 1 7 N i 2/C F R-P E E K比1 7-4 P H/C F R P E E K的耐磨性能好。从以上研究可以看出在柱塞副匹配形式中不仅陶瓷材料发挥重要作用,高聚物材料也得到了高度认可。本节从柱塞副的磨损特性基础理论研究出发,分别综述了介质和材料对柱塞副磨损特性的影响。其中,柱塞副材料的选取情况汇总见表1。由表1可知,在现有的研究结果中以碳化硅陶瓷作为柱塞的设计材料时,柱塞副具有更好的摩擦磨损性能。表1 柱塞副材料选择情况汇总表T a b l e 1 S u mm a r y o f m a t e r i a l s e l e c t i o n f o r p l u n g e r p a i r s材料方法结论参考文献3 0 C r 2M o VA/陶瓷7 0 MP a超高压陶瓷磨损较弱3 69 4 0不锈钢/氧化铝负荷1 9 6 N,速度0.8 4 m/s,持续时间1 h9 4 0不锈钢表面磨损严重3 77对不同材料加 载 压 力 从2 M P a到1 2 M P a,调整转速从1 0 0 r/m i n到1 2 0 0 r/m i n1 C r 1 8 N i 9 T i/T o r-l o n 4 3 0 1磨损最弱3 81 C r 1 7 N i 2/C F R-P E E K和1 7-4 P H/C F R P E E K/1 C r 1 7 N i 2/C F R-P E E K比1 7-4 P H/C F R P E E K的耐磨性好3 9不 同 材 料 与C F R-P E E K配对/碳化硅和氮化硅与C F R P E E K配 对时,摩擦系数最低,在0.1左右4 0陶瓷S i C/P E E K4 5 0-F C 3 0/摩擦学性能较好4 1氮化 硅 陶 瓷/T O R-L ON 4 3 0 1 P A I/摩擦 系数小,耐磨性好,尺寸稳定4 23 表面织构对摩擦学特性的影响由于轴向柱塞泵的使用环境十分复杂,易造成其关键摩擦副磨损损伤,进而严重影响了柱塞泵的服役性能,为此,在选择好合适的柱塞副材料后需要寻求一种表面处理方法来进一步减小泵的损伤、提高其寿命。前文所述研究尚未达到解决轴向柱塞泵减阻耐磨问题的理想效果,而表面织构化技术为其研究提供了崭新的设计思路。近几年来,离子氮化、碳氮共渗、离子注入、P V D硬质涂层已被广泛运用于表面强化4 5。而表面织构化(如图8)技术作为一种改善材料表面摩擦性能的方法被世界各地的研究小组所熟知,因其成本低、效率高、精度高、热影响区小而被广泛应用。R AO e t a l4 6研究了4个织构宽度(包括1 mm、2 mm、3 mm、4 mm)对耐磨硼铸铁/195 第4期 林乃明,等: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球墨铸铁摩擦副磨损性能的影响,研究发现,2 mm宽度更有利于提高球墨铸铁的低速磨损性能,3 mm宽度更有利于提高高速磨损性能,应根据液