Distribution Performance Analysis and Experimental Research on the Port Plate Pairs of Low Speed High Torque Seawater Hydraulic Motor

The current research of seawater hydraulic motor mainly focused on piston motor and vane motor, but seldom regarded low speed high torque seawater hydraulic motor. Low speed high torque seawater hydraulic motor as a kind of energy conversion device and actuator plays an important role in seawater hydraulic transmission system. However, the physical and chemical properties of seawater, such as low viscosity, high causticity and poor lubrication, result in numerous problems. In this paper, the flow distribution characteristics of port plate pairs for the seawater hydraulic motor are investigated, and the leakage flow and power loss models of port plate pairs are established. Numerical simulations are carried out to examine the effects of water film, inlet pressure and rotating speed on the pressure distribution and leakage flow. And the friction and wear tests of port plate pairs are also carried out. Moreover, the test system of the seawater hydraulic motor is constructed and the performance of prototype with no-load or loading is conducted. The results indicate that the clearance of port plate pairs and inlet pressure have a significant effect on distribution characteristics, but the effect of rotating speed is not very obvious. The experimental results show that the minimum error rate can be maintained within 0.3% by the proposed flow model and the counter materials of 316 L against carbon-fiber-reinforced polyetheretherketone(CFRPEEK) are suitable for the port plate pairs of seawater hydraulic motor. Finally, based on the seawater hydraulic experiment platform, the volumetric efficiency of no-load and loading are obtained that the maximum can achieve 94.71% and 90.14%, respectively. This research work may improve the flow distribution performance, lubrication and the friction and wear properties, enhance energy converting efficiency of port plate pair and provide theoretical and technical support for the design of highperformance water hydraulic components.

轴向柱塞泵配流副椭圆开口偏置类抛物线微织构多目标优化

为了提高轴向柱塞泵配流副承载性能、抗摩擦磨性能及容积效率,以某型斜盘式轴向柱塞泵配流盘为原型开展研究。首先,依据正交实验理论采用CFD方法研究椭圆开口偏置抛物线微织构(Elliptic opening offset parabola micro texture, EOOPT)形状参数对轴向柱塞泵配流副承载压强、摩擦因数的影响规律,并联合运用神经网络和遗传算法对EOOPT的形状参数进行优化设计。其次,运用响应面分析方法研究EOOPT分布参数对配流副承载压强、摩擦因数和泄漏量的影响规律,并对形状参数进行优化设计。最后对最优特征参数EOOPT织构化的柱塞泵配流副和未织构的相关性能进行对比分析,结果表明,前者的承载压强较后者提高11.23%,摩擦因数和泄漏量分别减低16.67%和2.96%。

轴向柱塞泵配流副油膜温度特性

柱塞泵配流副油膜温度分布影响配流副油膜润滑、泄漏与摩擦。为了探究轴向柱塞泵配流副油膜的温度分布,搭建了配流副三点油膜厚度与多点温度测试平台。根据采集的配流副油膜三点膜厚试验数据,建立了配流副楔形油膜模型;考虑了柱塞腔、配流副油膜对缸体的静压力、配流副表面微凸体间作用力,建立了缸体轴向力平衡方程;考虑了配流副油膜的能量损失、热传导以及油液黏温特性,建立了配流副油膜热平衡模型。结果表明,配流副油膜最高温度值随着压力和斜盘倾角的增大而增大,最高温度点位置保持在高压腰型槽对称线两侧-20°~20°的区域内;最高温度理论与试验结果的相对误差小于8%。

轴向柱塞泵配流副楔形角和方位角求解算法研究

针对配流副油膜形状理论建模难且与试验数据偏差大的问题,基于配流副油膜周向三点试验法,考虑力与力矩因素、偏磨因素和主轴与柱塞缸同轴度误差因素对配流副油膜形状的影响,建立柱塞缸轴向力平衡模型和配流副油膜厚度模型及配流副油膜形状的拟合算法。结果表明:3种试验工况下的三点膜厚拟合曲线与试验曲线吻合良好,进一步求解出配流副楔形角和方位角的时变曲线,为后续研究配流副润滑、摩擦和磨损特性奠定基础。

轴向柱塞泵配流副楔形油膜温度建模研究

以斜盘式轴向柱塞泵为研究对象,建立了配流副楔形油膜稳定工作时的温度模型。考虑了配流副表面形貌对油膜黏性摩擦损失以及热传导的影响,结合配流副楔形油膜的泄漏量,分析了转速和负载压力对楔形油膜泄漏、能量损失以及温度的影响。结果表明,负载压力对泄漏以及泄漏能量损失的影响较大,负载压力越大,泄漏流量和泄漏能量损失越大;转速主要影响配流副黏性摩擦能量损失,黏性摩擦能量损失随转速的增大而增大。两者都对配流副油膜温度产生影响,油膜温度随着负载压力的升高而升高;随着转速的升高,油膜温度升高的速率由大逐渐变小。

基于圆柱型表面织构的配流盘摩擦特性研究

建立了带有圆柱型微观织构配流盘的油膜弹流润滑模型,采用有限差分法求解雷诺方程,迭代之后求得符合误差允许的离散近似解。将得到的数值解导入MATLAB中绘制出微观织构配流副油膜特性云图。通过对比不同工况下带有微观织构与不带微观织构的配流盘之间的油膜摩擦特性差异,发现织构表面的配流盘能有效提高油膜的承载力,减少配流盘与缸体之间的接触,减小摩擦系数,改善润滑条件。

表面润湿性与粗糙度对配流副摩擦特性的影响

为改善高压海水轴向柱塞泵配流副摩擦磨损性能,以SAF2507为缸体衬托板上试件,以CFR/PEEK为配流盘下试件,采用Taylor Hobson粗糙度轮廓仪测量表面粗糙度,采用HARKE-SPCAX1接触角测量仪测量表面接触角,采用OLYMPUS OLS-3100激光共聚焦显微镜观察试件在磨损前后的表面形貌,采用MMD-5A标准摩擦磨损试验机在海水润滑条件下进行摩擦磨损试验,探究配流副表面润湿性与粗糙度对摩擦特性的影响。试验结果表明:光滑表面试件下,粗糙度为0.12μm的上试件与粗糙度为1.2μm的下试件配对摩擦时,摩擦因数最小,进入稳定摩擦的时间最短,磨损量最小;在下试件表面为带有半球凹坑的仿生非光滑表面下,粗糙度为0.02μm的上试件与粗糙度为0.7μm的下试件配对摩擦时,摩擦因数最小,进入稳定摩擦的时间最短,磨损量最小;粗糙度小的试件表面损伤主要为黏着磨损,粗糙度大的试件表面损伤主要为磨粒磨损。

球面配流副油膜动态耦合建模及求解方法

柱塞泵摩擦副多场耦合建模及求解是柱塞泵失效机理研究及可靠性提升的基础,针对双斜式柱塞泵球面配流副多场耦合模型求解难的问题,提出油膜厚度场-压力场-温度场动态耦合模型及求解方法。在球面配流副受力分析的基础上结合雷诺方程和能量方程建立球面配流副油膜厚度场-压力场-温度场耦合模型;基于有限差分法和牛顿迭代法求解动态耦合模型,温度场、压力场、厚度场间相互耦合变化;通过仿真求解,与现有模型进行对比,结果相近且更符合实际,验证了所提模型及求解方法的有效性。

基于分形理论的柱塞泵/马达配流副润滑特性研究

为研究配流盘表面形貌对配流副润滑特性的影响,采用分形理论模拟配流盘表面形貌,建立轴向柱塞泵配流副润滑模型,使用有限差分法对模型进行求解,探讨分形参数对表面轮廓的影响,并进一步分析分形参数和配流副工况参数对油膜承载力、摩擦力、摩擦转矩和摩擦因数的影响。结果表明:分形维数越大,表面轮廓形貌复杂度越高,且粗糙表面高度随尺度系数减小而降低;随着缸体倾角和转速的增大,油膜承载力提升,但摩擦力、摩擦转矩和摩擦因数也随之升高;配流副润滑性能与分形维数呈现正相关的关系,选取较大的分形维数有利于提升配流副的润滑性能;尺度系数越小其摩擦力越小,但承载力也减小,因此需选择适中的尺度系数。

阶梯状配流副轴向柱塞马达缸体力矩特性分析

建立了阶梯状轴向柱塞马达的数学模型,探讨了柱塞数、交错角、进油压力和阶梯距离对缸体力矩的影响。结果表明:柱塞泵内、外排柱塞产生的输出扭矩可以叠加增大,塞马达内外排柱塞数相同时,二者可以相互抵消以获得更好的稳定性;缸体力矩随着交错角的增大先增大后减小;缸体力矩随着阶梯距离的增大先减小后增大,合理地设计柱塞数、交错角、进油压力配比和阶梯距离可使柱塞泵平衡性得到优化。

旋转式能量回收装置仿生配流副润滑特性研究

作为反渗透海水淡化系统中的关键元件,能量回收装置能够将高压浓盐水的压力能进行回收再利用,有效降低了反渗透海水淡化系统的能耗水平。在旋转式能量回收装置中,两对关键配流副摩擦间隙的润滑性能对旋转能量回收装置的工作效率有直接影响。使用仿生织构将生物的非光滑形态应用于相对运动的配流副表面,可以改善润滑特性及耐磨性能。本文从旋转式能量回收装置的两对配流副出发,探究了不同形式的仿生织构对配流副水膜压力、泄漏量、剪切力与支撑力的影响,以期为配流副仿生织构的设计提供参考。

轴向柱塞泵平面配流副润滑特征参数实时测量

为研究轴向柱塞泵配流副的摩擦学特性,建立了模拟配流机构的润滑特性试验系统,以实测润滑特征参数,对工况进行实时调节与控制,寻求良好的润滑状态。论述了配流副润滑特性试验研究的优点,根据润滑理论模型分析了供油压力和油膜厚度等主要特征参数,提出了膜厚反馈的电液控制配流副油膜动态试验装置的结构及关键技术。通过平面配流密封带多点实测膜厚、泄漏流量、摩擦转矩的试验数据表明,供油压力对密封带润滑油膜厚度、形态等的影响较大。局部油膜破坏是导致缸体面磨损的主因,试验测得的膜厚分布与其磨损分布有直接关系。

弹性变形对轴向柱塞泵配流副润滑特性的影响

考虑到配流副在高压条件下的弹性变形量已与油膜厚度同一量级,该文应用弹性流体动力润滑理论,建立了弹性变形条件下配流副的润滑数学模型,采用有限差分法求解了模型的控制方程,进行了弹性变形对配流副润滑特性的影响分析。结果表明,在油膜厚度较小时,配流副的弹性变形使平均油膜厚度相比增大了14.48%,但最大油膜压力却减小了18.60%,且配流副的油膜承载力和泄漏量明显增大,而摩擦转矩明显减小;但油膜厚度大于15?m时,可以忽略弹性变形对配流副润滑特性的影响。研究为高压化轴向柱塞泵配流副的设计与研究打下了基础。

航空柱塞泵配流副磨损模型与寿命预测

针对航空柱塞泵配流副磨损失效问题,基于Archard方程和流-热-固耦合方法,建立一种适用于高速高压条件下的航空柱塞泵配流副摩擦磨损预测模型。考虑配流副流体压力、温度和固体之间耦合效应对磨损的影响,首先建立配流副流-热-固耦合模型,通过有限元法求解得到配流副油膜压力和温度场,将其作为磨损预测模型的边界条件;然后通过配流副泄漏流量与油膜厚度之间的关系,对配流副磨损失效寿命进行预测分析。预测结果表明:航空柱塞泵在转速10000 r/min、出口压力28 MPa条件下,配流副的磨损失效寿命在2000 h以上;但随着转速和压力的升高,配流副磨损失效寿命明显缩短,在转速15000 r/min、出口压力35 MPa条件下,配流副磨损寿命仅为450 h。由此提出一些提高配流副磨损寿命方法,该预测模型对高速高压航空柱塞泵配流副的设计具有一定的指导意义。

轴向柱塞泵配流副低压区织构化数值分析

针对轴向柱塞泵配流副受力不均匀、配流盘承受偏载力矩、低压区摩擦润滑效果差等问题,提出对配流副低压区进行织构化。建立了配流副低压区织构化的分析模型。研究了微凹坑直径、深度、面积率对低压区的油膜承载力、补偿力矩的影响。结果表明:较大直径的微凹坑提供较大的承载力和补偿力矩;面积率的合适范围为12%～18%,微凹坑的深度对承载力和补偿力矩影响较大。

轴向柱塞泵配流副润滑特性的研究进展

介绍了国内外有关轴向柱塞泵配流副润滑特性方面的研究成果 ,并进行了综合分析和比较。指出需借鉴国外现有的关于轴向柱塞泵配流副压力分布规律的理论 ,确定最佳剩余压紧系数 ,现有的配流副结构设计方法和理论依据需进一步完善。建立了轴向柱塞泵配流副润滑特性试验平台 ,可在不同压力、温度、转速、结构下测试配流副间隙并得出配流副润滑膜的形成及变化规律。通过润滑特性测试平台还可以确定最佳水液压柱塞泵配流副润滑结构和材料配对 。

轴向柱塞泵摩擦副润滑膜性能动态试验系统分析

为了进行供油压力高、输出流量大的轴向柱塞泵配流副、滑靴副等关键摩擦副润滑膜性能试验,基于试验供油油路与加载油路分离原则,研制了轴向柱塞泵摩擦副润滑性能试验系统。论述了轴向柱塞泵摩擦副润滑特性研究的必要性及目前试验研究存在的主要问题,根据润滑理论模型分析了试验研究的主要内容,针对其难点提出了基于精密位置反馈的新型电液控制润滑膜动态试验系统组成、特点及关键技术等。通过在研制的试验系统上进行实际的油膜平衡、密封带多点膜厚实测及泄漏流量与膜厚等试验的数据分析表明,该试验系统稳定、可靠,能够完成预期设计的试验对系统的要求,亦可开展相关摩擦副润滑特性试验研究。

轴向柱塞泵配流副油膜成型及其预测方法研究

一定厚度与形状的油膜是轴向柱塞泵配流副保持良好工作状态的首要前提,也是衡量其润滑特性的主要指标之一。为了弄清配流副的成膜特性及形态,基于普适的油膜理论,推导了密封场内的油膜分布解析式,并用实验数据代替差分网格点值进行逐点运算,获得了密封带的油膜分布图。在自制的模拟装置上开展了实验研究,主要包括不同供油压力下的成膜时间、稳定性及不同油膜平衡厚度、不同测点的油膜分布规律。对比分析表明,20 MPa供油压力内密封带上几个测厚点的实测值可以预测整个油膜的总体分布形状,符合理论分析的结果,一定范围内可以作为近似预测方法来估计油膜的瞬态流型。

轴向柱塞泵配流副润滑特性的数值分析

设计了轴向柱塞泵配流副的润滑特性试验系统 ,描述了润滑结构与特性试验系统的组成和功能。建立了配流副润滑膜形成的数学模型 ,该数学模型用于描述配流副间润滑膜的运动变化规律和工作介质在阻尼槽、压力平衡油槽中的压力、流量特性及分布规律。对不同工况下的配流副润滑膜的形成进行仿真分析 ,结果表明在其他工况不变时 ,润滑膜厚度随压力和温度的增加而减小。当转速达到 30 0 0 r/m in,盲孔个数为 6时 ,盲孔包角应选为 12°,或者盲孔个数为 12 ,盲孔包角选为

规则分布微凹坑对配流副泄漏量的影响

提出了一种织构化配流副泄漏量的新计算方法,研究了圆柱形微凹坑直径、深度和面积率对配流副泄漏量的影响,并进行了初步的机理分析.结果表明:随着微凹坑深度的增加,泄漏量随之减小;在相同的面积率下,较小直径的微凹坑具有较小的泄漏量;轴向柱塞泵配流副缸体的转动速度对泄漏量几乎没有影响;配流副工作压力与泄漏量成正比.计算结果可为选择符合配流副工况的圆柱形微凹坑几何参数提供指导.