改进径向液压马达滚柱表面/高压和低压滑动状态下改善润滑效果

改进径向液压马达滚柱表面/高压和低压滑动状态下改善润滑效果

作者：尤里卡·佩特松，斯塔凡雅各布森* 瑞典乌普萨拉大学工程科学系，纳米实验室

翻译：马明东

摘要：

本文探讨研究了滚柱表面制备纹理对改善径向液压马达在低速、高压状态下滚柱与活塞间往复滑动运动时的接触摩擦状况的潜力。测试的滚柱样品由相同的材料制成，活塞表面纹理使用最新开发的“压花工具”，包括微观机械形成的钻石层表面。纹理表面包括平行凹槽和交叉凹槽，每一个凹槽具有四个不同的间距。还对抛光表面无纹理的滚柱与柱塞高压下滚动测试用作参考，对表面制备纹理的柱塞进行的测试，二者测试结果对比，摩擦系数仅受到纹理的轻微影响。然而，摩擦波动是减少了。电镜扫描研究揭示了在使用过程中表面的相当严重的变化，主要是由于起动瞬间塑性变形引起的。文中讨论了这些测试结果及其实际影响进行了讨论。

介绍

液压马达通常能够提供极高的扭矩，同时工作效率很高。然而，在许多使用中，在极低的转速和启动时刻，效率都会大大降低。对于大多数使用者来说，这不是一个问题，而对于经常以非常低的速度工作或频繁启动和停止的使用用户来说，这可能是一个严重问题。因此，高摩擦损失是与马达中通常在完全极薄油膜润滑下工作的临界滑动接触部件有关，但在低速阶段则经历了束缚润滑。其中一个例子是径向活塞式马达中的滚柱与活塞之间的滑动摩擦关系，频繁启动摩擦的原因通常是，几乎所有的润滑油都在马达停止期间挤出接触区域。当运动开始时，润滑油太少，无法提供足够的边界油膜。类似地，我们认为在极低的速度下，接触表面无法将足够厚度的润滑油注进非常高负荷的接触区域。基于这些设想，滚柱表面制备纹理被认为是一种有效的手段。

滚柱纹理化适用于在马达在静止时间内保持接触区域内的油液进入表面的凹陷充当润滑剂的储油层，以及在极低的滑动速度下作为进入接触的低压通道[1-5]。本研究旨在探讨表面织构对改善液压马达中典型的活塞/滚柱接触的低速摩擦状况的潜在作用。活塞/滚柱是一个非常高负荷的保角形接触。在马达在静止状态到始动阶段，压力通常在100 MPa水平。滚柱通常由硬化钢制成，活塞由灰铸铁制成。这两种零件都有翻滚滑动过程中所产生的表面光洁度。高压、粗糙的表面光洁度和相对柔软的灰铸铁相结合，会导致活塞表层发生相当严重的塑性变形。

由于在实际液压马达中测量局部摩擦系数和精确控制局部接触压力是一种复杂而昂贵的方法，因此设计了一种对感兴趣部件进行建模的室内试验方法。平钻机上的自动调节平台，具有与马达相同的压力和速度，适用于往复滑动运动测试。样品由相同的材料制成，表面滑动工况与马达相同。滚柱表面是制备纹理，使用一种新发展的浮雕技术[6]。压花工具包括微机械形成的全金刚石表面.纹理表面包括平行的沟槽和交叉的沟槽，每一个是四种不同的间距。横向沟槽在早期的研究[4，5]中显示出了很好的前景。并对抛光表面、非纹理的滚柱进行了测试作为参考。

实验细节

2.1 采用压花工艺在滚柱表面制备纹理的，新开发的微机械加工钢表面-卡利生产的金刚石工具[7]。工具的一些例子表面如图1所示。工具的制造和浮雕技术在参考文献[6]总结如下。硅片先用平版印刷，然后是各向异性的在KOH蚀刻。随后形成图案的硅金刚石涂层，然后用镍电镀，最后滚柱表面，制备有许多平行的-修整和精确形状如钻石脊，暴露在外通过牺牲硅的蚀刻。工具表面是最后压入样品表面。后压花，表面稍加抛光以去除沿着凹痕的任何突出的脊。在本研究中，只有较软的活塞样品纹理，而较硬的滚柱样品在其原始翻滚表面光洁度。两种纹理设计测试时，槽的方向垂直于滑动方向，交叉模式槽，旋转45°滑动方向。压花工具用成形油膜润滑(Castrol Iloform TDN 81)。液压机使用控制压力并施加负载15秒，以确保有足够的时间进行塑性变形。使用了四种不同的工具，分别为30、60、90和120µm。脊线之间的间距。因此每个工具在凹槽之间产生特定的距离。这个交叉图案表面是通过执行第二个翻转样品90°后进行压花操作。样品浮雕有一个平均表面。压力280Mpa。对于平行凹槽图案，导致约20%的凹陷区域样品总面积，槽宽从5到20µm，取决于图案和间距。十字架图案具有相同的凹槽宽度，但是凹陷区域，因为它们被压花了两次。这个压花工艺使表面纹理清晰。-如图2所示。将八种不同的表面纹理滚柱与无纹理的滚柱参考表面以及两个表面抛光良好（Ra¼0.02mm）。注意在最后一种情况下，滚柱样品也被抛光，而在所有其他情况下，都是在原来的翻滚表面上测试完成的。

图1 两个例子的所有钻石压花工具表面。突出的尖脊高度相同，但间距不同：（a）脊顶部间距30µm；（b）屋脊顶部间距60µm

2.2 摩擦试验

摩擦实验是在平板装置上往复进行的，如图3所示。较小的上试件是来自活塞的灰铸铁，硬度为205 HV，而较小的下试件是来自轧辊的淬火钢，硬度为730 HV。从真实的液压马达部件中取出样品，以保证接近真实情况的接触情况。表面粗糙度、表面光洁度与实际应用相同，活塞表面粗糙度为0.3µm，滚筒粗糙度为0.1µm。为了确保平行接触，样品夹持器设计用于滑动过程中的自动调整[8]。

图2 测试前变形活塞样品表面示例：（a）平行凹槽，垂直于滑动方向，此处为60µm间距（由图1（b）中的工具产生）；（b）距滑动方向45°（由工具产生）30µm的网格型槽图1（a）

图3 上小活塞部分在下往复滑动滚子样品。为了确保平面平行接触，样品架设计为在滑动过程中连续自我调节

采用常规矿物油(壳牌Tellus 22)，粘度为22 mm2/s，温度为401℃，在油浴中进行了试验。每次检测前，样品在丙酮和乙醇浴中进行超声清洗。选择平均接触压力为100 MPa，对应于实际电动机的计算压力。压力是通过向上4*6mm试样加载2400 N来实现的。试验在室温下进行。行程长度为20 mm，滑动速度为6mm s¯1。对1000次冲程进行了测试，并连续测量了摩擦系数。此外，在扫描电镜中研究了5、100和1000次冲程后的磨损轨迹，包括对磨损和变形的发展进行了较短的5次或100次冲程测试。

三结果和讨论

参考最初测试发现了无纹理表面的滚柱表现出最高的摩擦系数，见图4。参考文献也摩擦分散度最高。在几个首字母之后冲程摩擦水平稳步下降。组合-两个抛光良好的表面导致摩擦系数，最初约为0.13，但缓慢减少。所有的纹理表面都很相似摩擦发展，低于无纹理，但最初略高于抛光组合。1000次循环后，纹理表面达到摩擦水平非常接近抛光组合。不明显的差异或趋势可以在不同间隔的平行凹槽纹理或不同间隔的网格纹理。因此，平行凹槽图案和网槽图案被视为两组。

不规则散射和波动的数量摩擦曲线在不同的表面，见图5。摩擦标准差单次冲程时的曲线被用作波动。两种纹理类型的表现都要少得多。起伏比无纹理的表面，也比抛光的网格图案显示出最好结果。

标准表面的明显摩擦波动表明接触可能包括严重的斑点变形，可能是由于松散磨损颗粒和翻滚操作产生的碎片-挤压在表面之间。更严重的是变形也可能迫使油从界面流出，使接触的实质部分靠近临界-润滑。第一个问题应该通过大量使用来减少更光滑的表面，如抛光样品的性能。但是，纹理可能减少这两个问题。颗粒可能被困在凹陷和油可以在接触区。这也有助于限制接触面积增长。

图4 摩擦系数是循环次数的函数（注意对数刻度）：（a）未变形的滚轧表面显示出更高的摩擦系数。摩擦比抛光良好的参考表面；（b）平行凹槽纹理组和网格纹理组均显示摩擦系数，最初在基准面和抛光面之间的水平面，然后接近抛光面。

图5 摩擦波动是冲程数的函数。根据摩擦的标准偏差计算的波动在选定的单循环中的系数，包括前五个循环，第100次和第1000次循环。还显示了线性曲线拟合。注意X轴的对数刻度。

扫描电镜研究表明，该材料的改性相当严重。使用过程中的表面，主要由塑性变形引起-表面层，见图6。注意，马达测试通常以高于实际工况，提供全膜润滑的研究接触和更温和的情况因此，它会也有兴趣研究表面的影响从边界到全滑动面过渡的纹理润滑，并确保纹理接触内油液不会流失。

4。结论

对纹理样本的实验室测试执行，模拟启动和停止的情况径向活塞液压马达。最初是无纹理的参考样品的摩擦比所有纹理都高。以及抛光表面。1000次循环后摩擦水平的差别很小。注意1000与启动次数和在真实组件的滑动中停止。发现摩擦水平的差别很小。在不同的纹理之间。但是，它被发现了摩擦变化显著减小通过纹理，尤其是网格图案纹理。显微镜研究显示在使用过程中对表面进行了严重的改变，主要由表面的塑性变形引起层。对摩擦波动较小的一种解释可能是减少增长接触面积，较小的接触点剪切导致更频繁的断裂和与较大接触点相比的改造。

可能的机制：与标准表面相比：

（a）通道可以消除接口的松散磨损。颗粒，从而减少塑料的数量变形）下m。与标准和抛光相比：（b）纹理可在接触面区域内提供机油供应，可能会限制局部接触区域的增长；