计入柱塞套弹性变形的柱塞副摩擦与密封特性分析

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.01.003

摘要/Abstract

摘要： 综合考虑径向柱塞泵柱塞副粗糙表面接触和弹性变形，建立混合润滑状态下柱塞副弹流润滑理论分析模型，并结合有限差分法与有限单元法，基于MATLAB和ANSYS开展联合仿真，分析不同入口压力及凸轮转速下柱塞副弹性变形及表面形貌对摩擦与密封特性的影响。结果表明：柱塞套弹性变形对柱塞副微凸体接触影响显著，且影响程度与入口压力及凸轮转速有直接关系；弹性变形及表面形貌均在一定程度上影响摩擦功耗及泄漏量且弹性变形的影响更大；柱塞副摩擦与密封特性对工作条件较为敏感，随着入口压力或凸轮转速的增大，摩擦功耗、压差流量与剪切流量均有不同程度的增加。

关键词: 径向柱塞泵, 表面形貌, 弹性变形, 联合仿真, 参数分析

Abstract: Considering the rough surface contacts and elastic deformations of the piston bushing in the radial piston pumps， the theoretical model was established for the piston/bushing interfaces under the mixed-elastohydrodynamic lubrication conditions. The effects of elastic deformations and surface morphology caused by different inlet pressures and cam speeds on the friction and sealing characteristics were analyzed， through the co-simulation of MATLAB and ANSYS， and the combination between the finite-differential method and finite-element method. The results show that the elastic deformations of piston bushing have significant influences on the contacts of micro-convex bodies in the piston/bushing interfaces， which is related to the inlet pressures and cam speeds. The elastic deformations and surface morphology may affect the friction power losses and leakage as well， and the former is the greater one. Besides， the friction and sealing characteristics of the piston/bushing interfaces are sensitive to the working conditions， and the friction power losses， the couette flows and the poiseuille flows raise in varying degrees with the increases of inlet pressures or cam speeds.

Key words: , radial piston pump, surface morphology, elastic deformation, co-simulation, parameter analysis

中图分类号:

TH137.51

杭旸, 闫康昊, 黄丹. 计入柱塞套弹性变形的柱塞副摩擦与密封特性分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(01): 17-26.

HANG Yang, YAN Kanghao, HUANG Dan. Analyses of Friction and Sealing Characteristics of Piston/Bushing Interfaces Considering Elastic Deformations#br#[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(01): 17-26.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.01.003

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2023/V34/I01/17

参考文献

［1］王慧敏，向建华，汪川. 共轨高压油泵柱塞微运动特性仿真分析研究［J］. 内燃机工程， 2019， 40（3）：65-71.
WANG Huimin， XIANG Jianhua， WANG Chuan. Simulation of Micro Motion of Common Rail High-pressure Fuel Pump Plunger［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2019， 40（3）：65-71.
［2］王慧敏，向建华，汪川. 微运动下高压油泵柱塞副瞬态泄漏研究［J］. 润滑与密封， 2018， 43（10）：33-37.
WANG Huimin， XIANG Jianhua， WANG Chuan. Study on Transient Leakage Characteristics of Piston Pairs in High-pressure Pump under Micro Motion［J］. Lubrication Engineering， 2018， 43（10）：33-37.
［3］QI Bo， ZHANG Yong， MENG Guoyou， et al. Study on Film Characteristics of Piston-cylinder Interface of High-pressure Common Rail Radial Piston Pump with Micro Motion［J］. IOP Conference Series：Materials Science and Engineering， 2019， 542（1）：1-6.
［4］QI Bo， ZHANG Yong. Tribological Study of Piston-cylinder Interface of Radial Piston Pump in High-pressure Common Rail System Considering Surface Topography Effect［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part J：Journal of Engineering Tribology， 2020， 234（9）：1-15.
［5］李玉龙，何永勇，雒建斌. 航空柱塞泵关键摩擦副表面改性与性能增强［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2021， 61（12）：1405-1422.
LI Yulong， HE Yongyong， LUO Jianbin. Surface Modifications and Performance Enhancements of Key Friction Pairs in Aviation Hydraulic Piston Pumps［J］. Journal of Tsinghua University（Science and Technology）， 2021， 61（12）：1405-1422.
［6］高彦军，谷立臣，焦龙飞. 油液特性对柱塞泵流量脉动影响的仿真分析［J］. 中国机械工程， 2017， 28（11）：1333-1338.
GAO Yanjun， GU Lichen， JIAO Longfei. Effects of Oil Properties on Flow Pulsation of Axial Piston Pumps by Simulation Analysis［J］. China Mechanical Engineering， 2017， 28（11）：1333-1338.
［7］NIE Songlin， GUO Ming， YIN Fanglong， et al. Research on Fluid-structure Interaction for Piston/Cylinder Tribopair of Seawater Hydraulic Axial Piston Pump in Deep-sea Environment［J］. Ocean Engineering， 2020， 219：1-19.
［8］王克龙，姜继海，汪泽波，等. 柱塞副微运动轨迹及微倒角对其影响分析［J］. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2019， 47（6）：46-51.
WANG Kelong， JIANG Jihai， WANG Zebo， et al. Micro-motion of Piston/Cylinder Interface and the Influence of Micro Chamfering on It［J］. Journal of Huazhong University of Science and Technology（Natural Science Edition）， 2019， 47（6）：46-51.
［9］王悦昶，刘莹，黄伟峰，等. 混合润滑理论模型进化与工程应用［J］. 摩擦学学报， 2016， 3（4）：520-530.
WANG Yuechang， LIU Ying， HUANG Weifeng， et al. The Progress and Engineering Application of Theoretical Model for Mixed Lubrication［J］. Tribology， 2016， 3（4）：520-530.
［10］ZHAO Bo， HU Xinqing， LI Haifeng， et al. A New Approach for Modeling Mixed Lubricated Piston-cylinder Pairs of Variable Lengths in Swash-plate Axial Piston Pumps［J］. Materials， 2021， 14（19）：1-25.
［11］SUN Shiqing， SUN Na， WANG Xiaoli. Study on Mixed Lubrication Characteristics of Piston/Cylinder Interface of Variable Length［J］. AIP Advances， 2019， 9（7）：1-13.
［12］PATIR N， CHENG H S. An Average Flow Model for Determining Effects of Three-dimensional Roughness on Partial Hydrodynamic Lubrication［J］. Journal of Lubrication Technology， 1978， 100（1）：12-17.
［13］PATIR N， CHENG H S. Application of Average Flow Model to Lubrication between Rough Sliding Surfaces［J］. Journal of Lubrication Technology， 1979， 101（2）：220-229.
［14］WU Chengwei， ZHENG Linqing. An Average Reynolds Equation for Partial Film Lubrication with a Contact Factor［J］. Journal of Tribology， 1989， 111（1）：188-191.
［15］崔金磊，杨萍，刘晓玲，等. 由润滑油密度求黏度的新黏压关系式探讨［J］. 摩擦学学报， 2016， 36（1）：13-19.
CUI Jinlei， YANG Ping， LIU Xiaoling， et al. A New Viscosity-pressure Formula for Calculating Viscosity from Density of Lubricating Oils［J］. Tribology， 2016， 36（1）：13-19.
［16］陈辉，陈海波，胡元中，等. 三维粗糙表面的计算机生成及其纹理控制［J］. 润滑与密封， 2007， 32（8）：42-45．
CHEN Hui， CHEN Haibo， HU Yuanzhong， et al. The Generation of Three Dimensional Rough Surface and the Control of Texture Feature［J］. Lubrication Engineering， 2007， 32（8）：42-45.
［17］GREENWOOD J A， TRIPP J H. The Contact of Two Nominally Flat Rough Surfaces［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， 1970， 185（1）：625-633.
［18］张振山. 计入非牛顿、变形及表面形貌效应的动载轴承热流体动力润滑分析［D］. 上海：上海交通大学， 2014.
ZHANG Zhenshan. Analysis of Thermohydrodynamic Performance of Dynamically Loaded Bearings in Consideration of Non-Newtonian， Deformation and Surface Topography［D］. Shanghai：Shanghai Jiao Tong University， 2014.
［19］王军，李永康，廖瑶瑶，等. 基于流动因子的高压柱塞副往复密封性能研究［J］. 液压与气动， 2020（1）：42-47.
WANG Jun， LI Yongkang， LIAO Yaoyao， et al. Investigations on the Reciprocating Sealing Performance of High-pressure Plunger Pairs Based on Flow Factors［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2020（1）：42-47.
［20］YI Fang， MASATAKA S. Mixed Lubrication Characteristics between the Pistonand Cylinder in Hydraulic Piston Pump-motor［J］. Journal of Tribology， 1995， 117（1）：80-85.

[1]	闫祖龙, 庞启龙, 熊建龙. 基于深度学习的KDP晶体三维已加工表面形貌预测[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2329-2334.
[2]	吴石, 高增阔, 王明珠, 赵成睿. 斜齿轮表面形貌分形特征对时变接触刚度的影响[J]. 中国机械工程, 2025, 36(01): 59-68,77.
[3]	成艾国1, 王超1, 陆日进2, 何智成1, 于万元3. 复合材料尾门结构的拓扑参数一体化轻量化设计[J]. 中国机械工程, 2024, 35(10): 1824-1833.
[4]	包锐, 刘阔, 张杰, 韩灵生, 李建明, 左月帅, 刘海波, 王永青. 聚碳酸酯超低温冷却车削表面形貌试验研究[J]. 中国机械工程, 2024, 35(02): 201-207.
[5]	易军, 易涛, 陈冰, 邓辉, 周炜, . 结构化砂轮磨削加工工件表面形貌建模与实验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(22): 2711-2720.
[6]	王明, 董海, 王柏何, 王峥, 王加威. 2.5D Cf/SiC刹车材料浮动磨削工艺试验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(20): 2434-2441.
[7]	周国强, 王慧, 宋宇宁, 赵国超, . 液压支架双级安全阀设计及其快速动载冲击试验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(18): 2194-2203.
[8]	朱思佩, 付国强, 郑悦, 李正堂, 杨吉祥. 五轴曲面铣削的通用表面纹理形貌建模方法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(16): 1946-1957.
[9]	傅远韬, 文东辉, 孔凡志, 淦作昆, 成志超, . 线性液动压抛光加工的流场特性研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(11): 1306-1314.
[10]	李凤琴, 赵波, 郝旺身, 王晓博. 超声纵扭铣削钛合金表面形貌特性及有效性分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(06): 677-684，693.
[11]	方学伟, 蒋笑, 王喆, 武晓康, 黄科. ER120S-G高强钢电弧增材制造的工艺优化[J]. 中国机械工程, 2023, 34(02): 218-225.
[12]	吴石, 赵洪伟, 李鑫. 覆盖件模具拼接区表面微观几何形貌的反演分析[J]. 中国机械工程, 2021, 32(07): 806-804.
[13]	范思敏;肖继明;董永亨;洪贤涛;赵亭. 球头铣刀铣削球面的表面形貌建模与仿真研究[J]. 中国机械工程, 2020, 31(24): 2924-2930，2936.
[14]	张勇斌, 严广和, 李建原, 姜晨. 金刚石涂层微铣刀的铣削加工试验[J]. 中国机械工程, 2020, 31(15): 1772-1777.
[15]	聂松林1;李硕1;尹方龙1;周鑫1;胡臻2. 水液压泵柱塞套变形特性的流固耦合研究[J]. 中国机械工程, 2020, 31(10): 1135-1141.