水压柱塞泵的润滑基础研究

论文摘要

勘探和开发海洋资源需要先进的作业装备,不仅需要适应高压、低温、无光、缺氧等恶劣的环境条件,而且更要遭受海水介质的腐蚀和剥蚀。水压驱动技术以自来水或海水作为工作介质,具有环保、安全和介质获取方便等优点。海水液压技术直接利用海水作为工作介质进行动力驱动,不仅环保,而且维护方便,是海洋作业装备的理想驱动系统。由于（海）水的强腐蚀性、低粘度和较差的润滑特性,使得（海）水液压技术面临许多技术难题,比如元件的腐蚀、泄漏和磨损等。通过文献检索和检索结果的对比分析发现,目前对水压泵关键摩擦副流体润滑特性的基础研究几乎没有,但该部分内容对水压泵的设计却具有十分重要的意义和作用。因此,论文对（海）水压柱塞泵的关键摩擦副——滑靴副和柱塞副的润滑特性进行了深入的基础理论和试验研究,提出了具有较好润滑特性的新型滑靴副和柱塞副结构。（海）水的粘度很小,使得摩擦副的泄漏流量较大。为了使水压滑靴副具有较好的综合特性,利用滑靴中的短阻尼孔效应调节水膜厚度与细长阻尼孔长度间的矛盾。同时,利用流体的动静压混合支承原理提出了一种新型的滑靴结构,具有更好的支承润滑特性。在（海）水液压元件的摩擦副间隙流场中,惯性力具有和粘性力几乎相同大小的数量级,不能忽略,因此不能直接利用经典雷诺方程进行摩擦副润滑特性的设计与计算。论文以N-S方程为数学模型,利用解析法和CFD方法研究了水压滑靴副和柱塞副中的惯性效应,分析了惯性对两种摩擦副流量特性和压力分布特性的影响。同时,研究了摩擦副表面粗糙度对间隙润滑流场流态的影响以及对摩擦副泄漏流量的影响,有利于更加准确地认识水压摩擦副的流体润滑机理。对于普通的水压滑靴副,抗倾覆能力较差,对材料和表面处理提出了较高的要求。利用多腔独立静压支承的原理,提出一种新型的滑靴副结构,在滑靴上设置多组彼此独立的静压支承结构。当滑靴倾斜时,小间隙中的支承压力局部增加,大间隙中的支承压力局部减小,从而产生一个抵抗滑靴倾斜的力矩。基于抗倾覆机理,设计了三腔独立支承的水压滑靴结构。利用CFD方法对普通滑靴、三腔独立支承滑靴及其它几种水压滑靴进行了抗倾覆研究,同时分析了其流量特性和压力特性,结果表明三腔独立支承滑靴具有更好的抗倾覆性能。柱塞副是水压泵和水压阀等水压元件中的重要摩擦副之一。在水压轴向柱塞泵中,由于滑靴受到水膜的支承力作用,使得柱塞总是在柱塞孔中处于倾斜状态,造成柱塞和缸体柱塞孔间存在一定程度的磨损,严重时会出现卡紧现象。同时,由于制造误差的原因,柱塞和柱塞孔具有一定的椭圆度,即柱塞副的径向间隙不等,因此流场中可能存在渐扩流动形状,使得柱塞朝某一方向偏移,同样也会造成卡紧现象。为了提高柱塞的抗卡紧能力,提出了利用静压支承原理工作的双阻尼效应柱塞副,使水流经阻尼小孔和支承腔室后,再通过径向间隙流出,从而形成静压支承结构,使水膜具备一定的抗负载变化能力。论文应用解析法近似推导了柱塞副的抗卡紧机理。基于抗卡紧机理,设计出了具有抗卡紧能力的双阻尼效应柱塞副结构。利用CFD方法对柱塞副的流场压力分布进行了仿真计算和分析,结果表明新型柱塞结构具有较好的抗卡紧能力。为了验证理论研究的正确性,把三腔独立支承滑靴副和双阻尼效应柱塞副均制成了样品进行试验。试验分为试验台试验和深海模拟舱试验。在试验台上,主要完成间隙润滑摩擦副的惯性影响试验、表面粗糙度影响试验、滑靴抗倾覆效果的对比试验和柱塞副的抗卡试验;在深海模拟舱中主要完成滑靴副和柱塞副的磨损状况对比试验。最后,论文对水压轴向柱塞泵关键摩擦副润滑特性的基础研究成果进行了总结,主要包括惯性和表面粗糙度对摩擦副润滑特性的影响等机理研究、滑靴副和柱塞副的性能改善机理及其新型结构研究等成果。研究成果有助于更加准确地认识和分析水压元件间隙润滑摩擦副的润滑机理,同时提出了更实用的水压滑靴副和水压柱塞副结构,试验证明其具有较好的润滑特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究背景及意义
• 1.2 论文研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 论文研究内容及目标
• 1.4 本章小结
• 第2章 研究方案
• 2.1 总体研究方案
• 2.2 理论研究方案
• 2.3 试验研究方案
• 2.4 深海工作环境影响分析
• 2.4.1 海深影响
• 2.4.2 温度影响
• 2.4.3 材料的适应性分析
• 2.5 CFD概述
• 2.6 本章小结
• 第3章 水压摩擦副的润滑基础
• 3.1 润滑概述
• 3.2 水静压支承
• 3.2.1 支承腔室的设置
• 3.2.2 节流孔的设置
• 3.3 水静压支承的特点
• 3.4 圆盘间隙流动
• 3.5 水压滑靴副的动静压混合润滑研究
• 3.5.1 压力分布和阻尼特性分析
• 3.5.2 阶梯浅腔滑靴设计计算
• 3.6 径向间隙流动
• 3.7 本章小结
• 第4章 水压摩擦副的惯性及表面粗糙度影响研究
• 4.1 惯性影响研究
• 4.1.1 解析计算
• 4.1.2 CFD计算
• 4.2 表面粗糙度的影响研究
• 4.3 试验研究
• 4.4 微流动流态研究
• 4.4.1 建模与说明
• 4.4.2 结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 水压滑靴副的抗倾覆研究
• 5.1 滑靴的抗倾覆能力
• 5.2 多腔滑靴抗倾覆机理
• 5.3 多腔滑靴抗倾覆结构
• 5.4 多腔滑靴抗倾覆计算
• 5.4.1 建模与说明
• 5.4.2 结果与分析
• 5.5 试验研究
• 5.6 其它滑靴的抗倾覆特性研究
• 5.6.1 阶梯浅腔滑靴
• 5.6.2 三腔独立阶梯浅腔滑靴
• 5.6.3 有径向泄流的三腔支承滑靴
• 5.7 抗倾覆刚度
• 5.8 本章小结
• 第6章 水压柱塞副的抗卡紧研究
• 6.1 抗卡紧机理与结构
• 6.2 抗卡紧分析
• 6.3 抗偏心计算
• 6.4 抗倾斜计算
• 6.5 抗卡紧刚度
• 6.6 试验研究
• 6.7 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果