单磨粒的转子配流盘摩擦磨损规律研究

袁梦霞

摘要：航空液压泵的故障问题中，柱塞泵中转子-配油盘摩擦副对于保持液压泵的容积效率非常重要，而磨粒磨损是造成其泄漏的主要原因。现根据磨粒磨损理论，结合转子与配流盘间的实际情况，建立了磨粒磨损理论模型，提出了配流盘上磨粒的磨损量期望的理论计算方法。由转子配流盘间的间距仿真结果，得出转子与配流盘间的间距呈周期性起伏。并为磨损量的实时曲线仿真提出了可行的流程方案。进行了数值计算，通过matlab仿真模拟了磨粒在磨损过程中的压入深度变化。

关键词：磨粒磨损;转子配流盘;摩擦学

引言

航空液压泵是飞机起飞、操纵、起落架收放和刹车的关键部件。飞机液压泵一旦发生故障，轻则引起飞机液压系统不正常工作，重则造成机毁人亡，带来巨大的经济损失和不良的国际影响。据统计，航空液压泵80%以上的故障是由于磨损污染造成的。尤其是飞机液压系统向高压化方向发展，油液污染导致的液压泵磨损愈加显著[1]。而在这磨损之中，柱塞泵中转子-配油盘摩擦副对于保持液压泵的容积效率非常重要，试验数据表明[2]，该摩擦副的泄漏量占液压泵全泵泄漏量的70%以上。国内外大量学者都针对该摩擦副的磨损进行了大量研究工作。

一直以来，磨损是国内外摩擦学研究的重要部分。人们对磨损机理的分析和理解也愈加成熟。Jacobson 等[3]建立了考虑多个磨粒同时作用的纯切削过程的统计学模型。利用该模型研究了磨粒尺寸、载荷及工件表面硬度对磨损率的影响。预测了发生接触的磨粒数量和磨损表面形貌。方亮等人[4]为探讨三体磨料磨损中磨料颗粒粒径的分布对材料磨损性能的影响，通过试验结合正态概率分布坐标分析的方法，比较准确地得到磨料粒径的分布情况。Arnold Ismailov等[5]人用硬度不同的两种磨粒粉进行了磨损实验，发现对于硬度低的磨粒，滑行速度越快，越不易磨损。对于硬度高的磨粒，速度越快，磨损越严重。

转子与配流盘间的磨粒磨损是一个非常复杂的过程，这是一个实时变化的随机过程，并且磨粒的分布也具有随机性。所以多年以来，对于转子与配流盘间的磨粒磨损研究主要集中在实验基础上。探索不同磨粒对应的磨损情况，泄漏量与磨损量的关系等，而少有人对转子与配流盘间的磨粒磨损有直接的计算及研究磨损规律。

本文参考了前人的研究方法和一些结论，针对转子配流盘间的具体情况，提出了自己的理论计算。研究了磨粒在转子配流盘摩擦磨损规律。

1.液压泵转子配流盘摩擦磨损机理分析

1.1 结构及工作原理

柱塞泵是液压系统的一个重要装置。它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。目前，大部分的民用飞机大部分依然使用的是轴向柱塞泵，来满足其高压、大流量和流量易调节的需求。如图2.1所示，轴向柱塞泵主要由传动轴、配流盘、缸体、斜盘等组成。轴向柱塞泵按结构分类，主要有斜盘式轴向柱塞泵和斜轴式轴向柱塞泵。

图 1 轴向柱塞泵结构图

2.转子配流盘磨粒磨损分析

为了方便计算，对磨粒磨损做如下假设：

（1）假设磨粒为刚性小球。

（2）磨粒位置随机。

（3）转子的硬度大于配流盘的硬度，因此磨损的状况主要发生在配流盘上，只考虑在配流盘上的磨损。

2.1不考虑材料的变化的摩擦磨损

（1）平均压强的计算

在接触力学中，如果发生磨损，可以分为弹性磨损和塑性磨损。假设产生磨损的临界进入深度为。根据接触力学理论[6]。当，材料屈服开始。当，开始发生塑性变形。

而对于压力P的求解，可根据压入深度求解。

图2磨粒压入示意图

由上图的几何关系，可以求解出， D为磨粒的直径，为压入深度。

，当，为完全弹性变形，由得。

，当，弹塑变形。

，当，完全塑性变形。由得。

然而，这样的载荷计算只限于光滑平面上的磨损，而实际中，磨损是在粗糙平面上进行的。需要加入一个修正系数

A为实际接触面积，为光滑平面接触面积。与表面形貌有关，是一个不确定量。

（2）弹性变形和塑性变形的判断

克拉盖尔斯基（Kragelskii）提出，假定用尖端半径为d的球形磨粒在金属表面压入深度并划动，根据的比值不同，即接触特性的不同，可以将磨粒和表面的相互作用划分为如下几类，对于铁基合金，当

弹性变形

塑性变形

切削

磨损量比例与有关。越大即压入越深，越大。可以假设成线性关系：

，

由牛顿第二定律知：。

3.结论

转子与配流盘间的间距存在周期性的正弦起伏变化。由于出油高压区的间距较小，高压区附近的磨损最为严重。通过理论推导与计算，得到了磨粒在转子配流盘间的磨损期望计算公式。另外，本文为磨损的实时曲线仿真提出了可行的流程方案。计算了粒径为的磨粒随转子转动，在配流盘配流盘上的压入深度曲线。在弹性变形区域，可见压入深度随着转子配流盘间的高度减小而快速增长。当进入塑性变形区域，压入深度减慢。

参考文献：

[1]葛薇，王少萍.航空液压泵磨损状况预测[N].   北京航空航天大学学报， 2011-11.

[2]张文超，王少萍，赵四军. 柱塞泵三对摩擦副对回油流量的影响分析[C]. 第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议论文集， 2008： 965-970

[3]Jacobson S，Wallen P，Hogmark S. Fundamental aspects of abrasive wear studied by a new numerical simulation model[J]. Wear，1998，123：207-223.

[4]杜道山，方 亮，李从心.三体磨料磨损中磨料粒径分布测定试验研究.润滑与密封，总第167期，2005年1月.