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轉速對葉片泵配流盤摩擦副摩擦特性的影響（技術）
1作者簡介：李少年（1977-），男，安徽泗縣人，副教授，碩士，主要從事流體傳動與控制方面的科研與教學工作，工作于蘭州理工大學能源與動力工程學院。
基金項目：國家自然科學基金項目（51565026）；甘肅省高等學校科研項目(2015A-044）
摘要：該文通過實驗的方法研究了轉速對國產某型葉片泵配流盤摩擦副摩擦特性的影響。使用與泵的轉子和配流盤相同的材料與工藝制作實驗裝置來模擬摩擦副的摩擦，利用摩擦試驗機來采集摩擦系數，使用電子測微天平對摩擦前后試樣的質量進行稱重，對比數據并進行摩擦磨損分析，得到配流盤的摩擦系數和磨損率隨著轉速的增大而增大的結論。
關鍵詞：葉片泵；配流盤；摩擦系數；磨損率
0 引言
在液壓傳動與控制中使用多的液壓泵主要有齒輪式、葉片式和柱塞式三大類型。其中葉片泵是在近代液壓技術發展1早使用的一種液壓泵[1-2]。葉片泵具有尺寸小、重量輕、流量均勻、噪聲低的突出優點[3]。但是葉片泵結構復雜，泵在工作過程中有多對摩擦副共同工作。葉片泵轉子、葉片和配流盤之間會形成一層油膜，而磨損會導致配流盤表面形貌發生變化，這又會導致油膜厚度發生變化[4]。在高轉速下，葉片泵的壽命會急劇縮短，配流盤的磨損是葉片泵失效的一個重要原因[5-6]。以某型國產葉片泵的轉子葉片和配流盤的材料工藝為研究對象，研究轉速對配流盤摩擦副摩擦特性的影響，這對提高國產葉片泵的使用壽命有著重要的意義。
1 實驗準備
首先使用乙醇對上下摩擦試樣進行清洗，隨后用棉紗將試樣擦拭干凈，并使用電子測微天平稱重摩擦前的試樣質量（圖1，圖2）。上試樣材料采用20CrMnMo，熱處理使表面硬度達到60HRC，精加工使摩擦面表面粗糙度達到Ra0.8，與葉片泵轉子和葉片的材料工藝相同；下式樣材料采用錫青銅，精加工使摩擦面表面粗糙度達到Ra0.8，與葉片泵配流盤的材料相同。通過罩杯，在摩擦實驗時加入46號抗磨液壓油，以此來模擬泵的工況。同時使用乙醇清洗摩擦試驗機的工作臺面，完畢后用棉紗擦拭干凈。在實驗開始前，打開摩擦試驗機使其處于待機狀態，使試驗機預熱20分鐘。
圖1 摩擦試驗設備
圖2 電子測微天平
在實驗時，摩擦副施加的載荷為200N，試驗時間為1h,實驗完成后取出下摩擦試樣用乙醇洗去油污與摩擦后的污染物，完畢后用棉紗擦拭干凈并在晾干后稱重。在開始下一組實驗前，需重新清洗摩擦試驗機的工作臺，若由于摩擦實驗造成工作臺發熱，需等工作臺*冷卻后再進行下一組實驗。
2 轉速對摩擦副摩擦系數的影響
該型葉片泵的實際大工作轉速為1500r/min，結合泵實際啟動到正常工作下的情況，分別選取實驗轉速為900r/min，1200r/min，1500r/min進行實驗，實驗結果如下：
2.1 實驗轉速900r/min
實驗得到的摩擦曲線如圖3所示。
圖3 實驗轉速900r/min時的摩擦系數曲線
從圖3可知，配流盤的摩擦系數從0.1下降到0.05。實際零件的表面是凹凸不平的，由于摩擦載荷的作用，摩擦試樣上下表面的波峰相接觸，在實驗開始的一瞬間，由于波峰之間無油液，此時其處于干摩擦狀態，這時摩擦系數大。實際表面輪廓如圖4所示，隨著波峰的擠壓變形、磨損，儲存在波谷的油液在表面自由能的作用下進入波峰之間，形成油膜，摩擦系數趨于減小[7]。在900r/min的工況下，實驗結束時摩擦副的摩擦系數達到了0.05左右。
2.2 實驗轉速1200r/min
實驗得到的摩擦曲線如圖5所示。
圖5 實驗轉速1200r/min時的摩擦系數曲線
從圖5可知，在轉速提高300r/min后，試樣的磨損速度更快。在1200r/min的工況下，實驗結束時摩擦副的摩擦系數達到了0.042左右。
2.3 實驗轉速1500r/min
實驗得到的摩擦曲線如圖6所示。
圖6 實驗轉速1500r/min的摩擦系數曲線
從圖6可知，轉速的提高進一步加速了試樣的磨損，但是高轉速下摩擦系數的減小速度比低轉速的慢。在相同的實驗時間內，摩擦系數減小的越快，說明試樣進入磨合階段和劇烈磨損階段的時間越快。在1500r/min的工況下，實驗結束時摩擦副的摩擦系數達到了0.04左右。
綜上可見，轉速越高，葉片泵配流副的摩擦系數越低；隨著轉速的增加，配流盤摩擦系數的減小速度變慢。
3 轉速對摩擦副磨損率的影響
按上面的實驗分別取900r/min，1200r/min,1500r/min實驗前后的試樣，通過電子測微天平可以得到試樣質量的變化，則磨損率可按下式計算：
ws=Δm/ρFnl(cm3/Nm)
式中Δm—— 磨損量(g)；
ρ —— 材料密度(g/cm3)；
Fn—— 接觸的法向載荷(N)；
l —— 滑動距離(m)；
經過計算得到的實驗磨損率如圖7所示。
圖7 實驗磨損率
從實驗中可以得出，該摩擦副的磨損率隨著轉速的增加而增加，在相同的摩擦載荷下，對偶面對于錫青銅的磨損率具有相同的變化趨勢。這是由于隨著轉速的提高，上下試樣在相同的時間內接觸次數更多，磨損加劇；同時劇烈的磨損產生更多的熱量，使液壓油的黏度降低，對偶面間的承載能力也同時降低。
4 結論
通過上述實驗，可得到如下結論：葉片泵配流副材料的摩擦系數隨著轉速的提高而降低，但是高轉速下摩擦系數的減小速度比低轉速的慢。摩擦副的磨損率隨著轉速的增加而增加，在相同的摩擦載荷下，對偶面對于錫青銅的磨損率具有相同的變化趨勢。在高轉速下，錫青銅磨損加劇，材料往往是限制國產液壓元件壽命的一個重要因素。相較于*的液壓元件來說，我們的產品不應光僅僅著重于尺寸的仿制，更多的應看到在材料與工藝上的不足。
參考文獻
[1] 黎克英,陸祥生.葉片式液壓泵和馬達[M].北京：機械工業出版社,1993.
[2]林建亞，何存興.液壓元件[M].北京：機械工業出版社,1981.
[3]冀宏，楊華勇.液壓氣壓傳動與控制[M].武漢：華中科技大學出版社,2014.
[4]許耀明.油膜理論與液壓泵和馬達的摩擦副設計[M].北京：機械工業出版社,1987.
[5]黎克英,陸祥生.葉片式液壓泵和馬達[M].北京：機械工業出版社,1993.
[6]陳琍,樓白楊,鄭曉華.葉片泵材料磨損失效分析[J].煤礦機械,2004，(9):40-41.
[7]秦西順,吳煊鵬.葉片泵失效成因與預防[J].工程機械與維修,1999，(2):74-75.
[8]溫詩鑄,黃平.摩擦學原理[M].北京：清華大學出版社,2012.