液压缸活塞表面织构化的设计分析.pdf

运行与维护 Running and Maintenance 130 今日制造与升级 2023.6液压缸活塞表面织构化是摩擦学领域的一个重要研究方向，旨在改善液压缸活塞与缸体之间的摩擦状态、润滑状态和磨损条件，从而减少摩擦损失并提高设备的效率和寿命。表面织构化是通过在液压缸活塞表面引入微观尺度的凹凸结构或纹理，改变摩擦副的接触形式和摩擦特性。这种织构可以实现多种功能，如提高润滑油的储油能力和输油能力，增加润滑膜的稳定性，减小接触区域的压力峰值，改善润滑剂在摩擦界面的分布等。液压缸活塞表面织构化的关联性在于它可以减少液压缸活塞与缸体之间的摩擦力和摩擦损失。通过引入织构，可以增加润滑剂在摩擦界面的存储和供应，形成更稳定的润滑膜，降低摩擦副的摩擦系数。此外，表面织构化还可以改善润滑剂在接触区域的分布均匀性，减小润滑剂的挤出和剪切损失，进一步降低摩擦损失。通过实现液压缸活塞表面的织构化，可以达到降低能源消耗和提高设备可靠性的目标。减少摩擦损失可以提高系统的效率，降低能源消耗，同时也可以减少机械设备故障的风险，延长设备的使用寿命。因此，在液压缸活塞表面织构化方面的研究和应用对于实现节能减排、提高设备性能具有重要的实践意义。1 液压缸活塞表面织构化的加工方式1.1 激光加工表面织构技术激光表面织构化技术采用高能量密度激光进行加工。在聚焦点高温区域，材料瞬间熔化并蒸发，喷嘴喷射熔化和蒸发的材料，最终制造出工作表面所需的形状和结构。利用高能量密度激光进行表面织构化不仅能够实现更高的制造精度，同时也更具有时间和空间效率。激光表面织构化技术能够在不同的材料之间进行切换，使得制造过程更加灵活、高效。液压缸等重要零部件的表面织构化，通常采用高能量密度激光进行处理，以确保表面的均匀性和表面的高质量。1.2 表面织构电解加工技术表面织构电解处理技术是利用电解阳极的电化学溶解原理来加工成型阳极的特殊工艺。在该技术下，阳极表面会逐渐溶解形成各种几何形状的细微孔隙和壮观的壁面，从而形成所需的表面织构。2 液压缸活塞表面织构化的技术分析2.1 表面处理方面在实际应用中，活塞表面通常要进行加工和处理，以使其满足各种要求。目前，常见的表面处理技术有机械加工、化学处理、电化学抛光、热处理、离子注入、激光加工等。通过表面处理和织构化，可以提高活塞表面的润滑性能，降低磨损和摩擦系数。2.2 润滑补偿方面目前，液压缸活塞表面织构化的润滑性能分析是基于一定的润滑油膜存在的情况下进行模拟，而实际工作中，液压缸活塞润滑情况复杂多样，其中润滑油膜的厚度、速度和压力等参数都可以影响到润滑性能。因此，如何通过润滑补偿技术来提高液压缸活塞的润滑性能是当前需重点研究的问题。2.3 织构参数优化方面表面织构参数的优化，即如何设计最佳表面织构参数，将影响到液压缸活塞表面织构化的润滑性能。在织构参数设计过程中，需要考虑实际工作环境和工件的特殊要求，摘要液压缸中活塞的摩擦系数会直接影响到液压系统的运转效率，因此提高液压缸活塞的润滑特性对于整个液压系统的正常运转非常重要。目前，表面织构化已经被广泛应用于提高表面的摩擦性能，这种方法已经在一定程度上证明其有效性。文章介绍了液压缸活塞表面织构化技术的应用，为实现高速液压缸的高效运作提供了新的理论和技术依据。通过表面织构化技术，润滑性能得到了提高，从而降低了活塞表面的摩擦系数。这可以进一步提高液压缸的运转效率，同时延长其使用寿命。关键词液压缸活塞；摩擦；润滑中图分类号TH137.51 文献标志码A液压缸活塞表面织构化的设计分析赵松军（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250011）运行与维护 Running and Maintenance 2023.6 今日制造与升级 131然后对多种织构参数进行系统优化，以最大化提高液压缸活塞的润滑性能。3 液压缸活塞表面织构的形貌设计3.1 表面织构的流场域模型3.1.1 几何模型的简化方法液压缸中，关键摩擦副缸之间的间隙流场呈现环形流场的形态。为了改善液压缸的摩擦性能，活塞表面通常会均匀地分布嵌有小凹坑的表面纹理，每个凹坑的深度大致等于间隙的厚度。这些表面结构的尺寸只有几微米到几百微米不等，而环形流场的直径则达到了数千倍之多。因此，有研究人员提出了将环形流场扩展到平面流场的研究方法，通过在计算过程中设置一定的周期性求解条件，将平面上的重复结构纹理嵌入到环形流场中，实现对液压缸摩擦性能的优化研究。这种方法不仅能够提高液压缸的使用寿命，同时还能够增强其摩擦性能，提高传动效率。3.1.2 不同形貌的流域模型在涉及到流体计算、固体计算等情况下，研究润滑剂对壁面压力和摩擦系数的影响，需要建立流体域模型。由于表面纹理结构通常只有几微米，而工件中存在大量这样的结构，因此选择对纹理单元的结构进行分析。选择了4种典型的纹理进行研究：正方形纹理、圆形纹理、十字形纹理和条形纹理。这些纹理均具有对称结构，其纹理深度设置相同，但纹理形状不同。通过比较这些不同形状和纹理的动态润滑性能，可以更好地理解表面织构对摩擦性能的影响。图1展示了所使用的简化模型的结构。通过这种方式，借助于简化建模和分析，可以更加准确地分析润滑剂对壁面压力和摩擦系数的影响，为改善液压缸及其他润滑应用设备的性能提供科学依据。（a）正方形 （b）圆形 （c）十字形 （d）条状图1 不同形貌的织构流域模型3.2 膜厚方程的建立文章旨在对单个纹理进行建模，并基于模型的形态学参数建立相应的膜厚度方程。图2所示为条形微坑结构的横截面示意图。其中，L 代表表面纹理微单元沿 x 方向的长度；h0表示流体入口在 y 方向上的长度尺寸，即摩擦副的间隙；h0+d 是纹理的最大深度；l 是纹理的宽度。下壁面周期边界周期边界上壁面h0dLl图2 微凹坑几何模型润滑膜在 x 方向上任何点的厚度都可以从纹理模型中获得：（1）式中，h0为流体入口在y方向上的长度尺寸；为织构区域。3.3 织构摩擦学特性计算3.3.1 润滑油膜承载力利用式（1）对液体单元进行求解，可以获得纹理表面的数值润滑性质。具体来说，首先必须获得压力分布p（x，y），然后对其进行积分，以得出表面纹理的承载能力。（2）式中，FN为润滑油膜承载力，p为油膜压力。3.3.2 织构摩擦力在润滑膜和固体表面之间形成剪切应力，从而产生摩擦。因此，可以对整个区域的剪切应力进行积分，从而获得纹理的摩擦力，公式如下：（3）式中，Ff为织构摩擦力，h为油膜厚度，U为沿x方向的特征速度，为润滑油黏度。3.3.3 织构摩擦系数通过将计算得到的表面纹理的摩擦力除以承载能力，可以得出摩擦对的摩擦系数值，即织构摩擦系数=Ff/FN。其中，为织构摩擦系数，Ff为摩擦力，FN为承载力。3.4 计算与结果分析通过对上述结构中表面纹理的摩擦力与承载力进行比值计算，可以得到摩擦副的摩擦系数值。在流体动态润滑状态下，纹理表面可在动压轴承中发挥作用，主要原因是纹理表面的运动可以驱动粘性油的流动。不同形态导致压力分布的差异，其中十字形纹理的最大油膜压力显著低于方形、圆形和条形纹理。此外，整个纹理的承载力也与承运行与维护 Running and Maintenance 132 今日制造与升级 2023.6载力产生的面积有关；与条形纹理相比，正方形产生的压力较高的区域明显小于条形纹理。对于4种不同的表面纹理，计算得到的摩擦力、油膜压力和摩擦系数均随着纹理的形状而变化。条状纹理具有最小的摩擦系数，而方形和圆形纹理具有较大的摩擦系数，十字形纹理具有最高的摩擦系数。因此，可以得出结论：在上述结构中，条状织构具有最佳的摩擦性能。4 总结从传统的摩擦理论角度来看，摩擦副表面越光滑，表面粗糙度越低，则其润滑性能越好。然而，在实践中，光滑表面却不一定具备最佳的摩擦性能。规则的粗糙纹理能更好地减少组件之间的摩擦。目前，表面织构减摩主要包括以下3种机制。（1）表面织构可以增加摩擦副之间的润滑剂蓄存能力。微小的凹凸结构可以容纳和储存润滑剂，形成类似微小油腔的结构。这些油腔可以在运动中储存和释放润滑剂，形成稳定的润滑膜，从而减小直接接触的表面面积，降低摩擦力和摩擦系数。（2）表面织构可以改善润滑剂在摩擦界面的供应。微小的纹理结构可以促进润滑剂在摩擦界面的输送和润滑剂在纹理间的润滑剂流动。这种供应机制可以保持润滑膜的连续性和稳定性，减小接触区域的压力峰值，并减少摩擦力和摩擦系数。（3）表面织构可以减小润滑剂的挤出和剪切损失。通过在摩擦表面引入适当的纹理结构，可以有效减少润滑剂在摩擦运动中的挤出和剪切。这有助于减小润滑剂的损耗和能量消耗，提高摩擦界面的稳定性和润滑性能。5 展望在液压缸活塞的外圆表面和液压缸的内圆表面加工微纹理图案，有利于减少摩擦，提高其相对位移速度，减小液压密封缸的间隙，提高液压缸的容积效率，表面粗糙度与液压润滑性能的耦合分析表明，粗糙峰可以产生动态液压升力，让粗糙面的摩擦系数大于光滑面。在不同的速度下，随着粗糙度的增加，摩擦表面的摩擦系数先缓慢增加，然后快速增加。随着表面积比的增加，圆柱形地形微结构的摩擦系数先减小，然后趋于平缓以实现稳定性，以降低活塞运动过程中的摩擦系数。参考文献1 余焕然，曾良才，周仁斌.不同织构参数对液流冲击力的影响规律J.机床与液压，2022，50（4）：110-114.2 刘洋，傅连东，卢艳，等.液压缸活塞表面菱形织构的动压润滑性能J.机械设计与制造，2017（4）：40-42.作者简介赵松军（1996），男，内蒙古呼伦贝尔人，本科，助理工程师，主要研究方向为液压传动。