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液压元件摩擦学的知识

阅读：1814发布时间：2018-7-26

摩擦学在液压元件中的重要性

哈工大的许耀明教授、亚琛工业大学的穆任霍夫教授、还有普渡大学的莫妮卡教授，他们都认为摩擦学设计是液压泵/马达设计的核心，我赞同他们的观点。为什么呢？原因有四点，双重功能、双重目标、缺乏理论、不易反求。

我们来看齿轮泵，齿轮泵里的齿轮不但像一般的机械传动那样要起到传力的作用，他还要起到密封的作用，这就是所谓的双重功能：传力和密封。

双重目标：节能减排和延长寿命，节能减排是时代的要求，寿命是国产件与*水平重要的差别。摩擦引起了能耗，摩擦也引起了磨损，磨损就导致失效。

摩擦学缺乏统一的理论。国外有学者在1995～1996年间做过统计，在1965到1995这三十年间，摩擦学建立的公式有325条，变量超过了625个，这些公式的适用范围都非常窄。那么有人可能要问：这是九十年代统计的数据，现在过去二十年了，理论是否统一了呢？那我可以回答大家，理论不但没有统一，反而更加百家争鸣、公式更多。

不易反求。我们讲的形似神不似，神主要就是摩擦学这尊大神。既然是核心那么重要，那我们重视了吗？我觉得是没有，至少是重视得不够。

摩擦学的知识

◆液压元件摩擦副的润滑状态是什么样？对这个问题的认识是非常关键的，它决定了你解决问题的方法。前面讲到液压元件摩擦副要起到密封的作用，这就决定了在大多数情况下，摩擦副是不可能形成流体润滑的，原因也有四点：①流体润滑泄漏量（Q∝∆Ph³）过大；②如果是流体润滑，密封面有可能会分离，存在密封失效的风险，特别是配流盘；③这不是一个稳健的设计，有人推荐理想的油膜厚度是10～20μ，那么从10～20μ，由于三次方的关系，泄漏量差了8倍；④我们从另外的角度考虑，如果真的形成了流体润滑，那么除了启动、停车这短暂的时间之外，这些耐磨的高强度材料有什么意义呢？所以液压元件摩擦副在多数情况下，只能是混合润滑，或者是边界润滑，甚至是干摩擦。

在边界润滑条件下，Q∝∆Ph²，泄漏量与间隙h的平方成正比，这个公式据我了解是比较可靠的。在这种边界润滑条件下，流体的运动不是连续的，油膜在摩擦副的表面上分布类似在高空往下观看群湖。流体的运动也类似于人通过酒店的旋转门，从这个湖旋转到那个湖，在这种润滑状态下，材料的抗磨损性能、材料的热力学性能、润滑油的吸附能力，降低和均化应力这些方面，才是解决问题的出路。

◆关于磨损的假说。所谓假说是指对问题作出试探性的、可检验的解答。这个概念在科学研究中是非常重要的。那么，摩擦副为什么会磨损呢？人们提出了很多假说，比较有代表性的有这么四条：临界温度假说、颗粒承载假说、绝热剪切不稳定假说、临界PV值假说，临界PV值假说是大家都熟悉的。简单的介绍下前面的三种。

临界温度假说。它认为油膜破裂是磨损的必要条件，临界温度是磨损的充分条件。意思是说，发生了磨损，油膜必然是破裂了的；但是油膜破裂不一定会发生磨损，只要温度超过临界值就会发生磨损。

颗粒承载假说。它认为当载荷主要由颗粒承担的时候，就发生磨损。虽然这个时候有油膜，但是油膜不起作用，它没有压力。颗粒从哪里来的？一个是环境的污染，第二个是材料的剥落。

绝热剪切不稳定假说。这个是美国阿贡（Argonne）实验室2005年提出的，他持续研究到近这两年，这种假说认为摩擦会发生塑性变形，塑性变形又导致两种对立的现象：一种是位错增多，强度增大；它的对立面呢，是温度升高，材料软化。这两种现象打架，当“热软”超过“功硬”的话，摩擦副就会发生磨损。

◆设计变量。见图1，从大的方面讲，设计变量有这几个方面：材料、工况、几何参数和环境。

图1 设计变量

材料包括晶体结构，面式立方、体式立方，还是密排六方。还有一个很重要的是硬度，硬度这个我要多说一下，硬度有一个很关键的指标就是热硬性，摩擦副工作过程中的硬度跟常温下测的硬度可能有很大的不同。

几年前我公司里有个客户，因为他改变了工况，也存在这种批量的磨损问题，我就是通过改变了摩擦副的热硬性解决了他的问题。这几年来，这个客户经常要用这种工艺，这就为客户解决了问题。工况包括载荷、速度等。无论是理论研究，还是我自己的实验都表明速度比载荷更加容易引起温升。

几何方面，面积、形状、尺寸等等。这些几何方面的变量，不但要从一般的强度、刚度、应力大小的角度去考虑，我们还应该从热力学、传热学的角度去考虑问题。图2是我做的一个设计。这两个零件组成一对摩擦副，左边是改进之前的，右边是改进之后的。我在这里通过铸造的办法掏去了一块，这样就缩短了热流通道，扩大了散热的面积。环境，包括温度、污染等，这些变量，它有很强的时间依赖性、系统依赖性和强的耦合性。

图2 改变几何形状、提高摩擦性能

◆磨损图是指将影响因素与磨损率集合在一起的图表，这是摩擦学领域新出来的概念。图3是一张二维磨损图，在由载荷和速度组成的二维平面里划分三个区，轻微磨损区、轻度磨损区、严重磨损区。轻微磨损属于正常的磨损，轻度磨损是可逆的磨损，意思是进入了这个区域，只要你把载荷或者是速度降下来，它就可以回到正常的磨损区。严重磨损区是不可逆转的，这里有个临界点s，当速度比较高的时候，它可以不经过这个可逆转区，直接由正常区过渡到严重磨损区。图4是三维磨损图，除了载荷和速度之外，还加上了温度。磨损面之下，属于安全区，磨损面之上属于不安全区。磨损图对于工程师来说，它的意义在于可以作为设计的判据，判断设计的变量是不是安全的，同时技术人员、科学家应该设法去扩大这个安全区。