水压柱塞摩擦副的润滑特性研究

    0　引言

    润滑是水压技术中的关键之一,直接影响元件和系统的工作性能和寿命。水和油的理化特性差异使得传动及控制原理都相同的液压装置在材料及摩擦副设计上有所区别,需要结合各自的特点进行专门设计及特殊处理[1O4]。柱塞副是水压元件中的主要摩擦副形式之一,泄漏及卡紧现象是该摩擦副的重点研究内容。由于水的粘度较小,润滑性较差,因此为了保证柱塞副在工作过程中具有较小的摩擦力,能够防止卡紧现象的发生,使柱塞副具有自动对中和平衡的能力,具有随间隙变化而进行压力自动调节的刚度,本文提出应用双阻尼效应让柱塞副具备抗卡紧的能力,通过局部紊流效应尽量减小泄漏流量的思想。

    1双阻尼效应柱塞副

    双阻尼效应柱塞副的思想是使柱塞副具有抵抗间隙变化的刚度,具备自动对中和平衡的能力,防止摩擦副两固体表面的直接接触。双阻尼效应柱塞副指除柱塞副的径向密封间隙阻尼外,在其前端另设几组(大于等于三组)静压支承(包括静压支承腔室和阻尼小孔)。当间隙发生变化时,通过阻尼小孔的压差流量特性改变间隙中的压力分布,抵抗间隙的变化,调节柱塞在柱塞孔中的位置,始终保持液体润滑,其结构如图1所示。

    从图1可知,由于阻尼小孔的设置,使得密封长度变小,直接导致泄漏流量增大,因此在设计实际结构时,可尽量使阻尼小孔靠近入口端或加大柱塞的整体长度(图1仅是一个原理结构示意图,旨在说明功能),保证必要的密封长度。

    2计算与分析

    2.1抗卡紧分析

    由液压流体力学知识知,柱塞副不产生液压卡紧的条件是[5]:①柱塞副无锥度;②柱塞副有锥度但两者无偏心;③柱塞副有锥度和偏心时,间隙沿流必须朝间隙减小的方向流动。显然,条件①、②在工艺上是几乎不可能实现的,条件③在工作中也不能时时得到保证(在某些柱塞副中或某些工况下液体流动是双向的)。因此,普通的柱塞副在工作中一般会存在一定的卡紧力,这对油压柱塞副来说是可以接受的,但对润滑性极差的水压摩擦副来说则应当尽量避免,否则不仅启动摩擦力较大,而且会大大加剧磨损。下面针对有锥度的偏心柱塞副进行抗卡紧分析,示意结构如图2所示。

    假定柱塞的半锥角为α。由图2可知,摩擦副中任意处的间隙值为

    h = h₀+xtanα=δ₁-ecosθ+xtanα          (1)

    式中,δ₁为无偏心时的最小间隙;h₀为入口端间隙;x为轴向流动距离;α为柱塞的半锥角;e为偏心距;θ为圆周方向角。