水液壓達(dá)拉帶仿生織構(gòu)表面的摩擦學(xué)特性研究

0水液壓馬達(dá)關(guān)鍵副的研究背景近年來，隨著石油資源的持續(xù)消耗，傳統(tǒng)的能源行業(yè)面臨著巨大的環(huán)境壓力。因此，國內(nèi)外相關(guān)研究人員在使用新動力介質(zhì)方面做出了大量研究。其中,最為看好的水液壓傳動,其優(yōu)勢十分明顯,但伴隨優(yōu)勢而來的還有摩擦磨損、腐蝕和沖蝕等一系列問題影響水液壓馬達(dá)發(fā)展的難點就在于其關(guān)鍵摩擦副的研制。相較于傳統(tǒng)的油壓傳動,水液壓馬達(dá)的關(guān)鍵摩擦副面臨著更為嚴(yán)格的要求。為了使水液壓馬達(dá)可以在水環(huán)境中正常運行,對高硬度、抗腐蝕和耐磨損等材料的研究已經(jīng)成為水液壓元件研究過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。隨著工程陶瓷、高分子材料等新型材料的出現(xiàn),水液壓傳動技術(shù)取得了長足的進(jìn)步由此可知,在此基礎(chǔ)上探索低速大扭矩水液壓馬達(dá)關(guān)鍵摩擦副新的摩擦磨損及潤滑機理,以提高其抗磨損性能、承載能力、潤滑特性及工作壽命等,具有重要的學(xué)術(shù)價值及工程意義。本文將基于有限元數(shù)值分析理論,利用ANSYSWorkbench工作平臺接觸摩擦分析方法,對比研究帶仿生織構(gòu)的水液壓馬達(dá)關(guān)鍵摩擦副/配流體摩擦學(xué)特性,為闡述表面仿生織構(gòu)提高其抗磨損性能、承載能力、潤滑特性及工作壽命等機理提供理論依據(jù);并由此獲得合理的微觀結(jié)構(gòu),從而達(dá)到減輕磨損的目的。1重要摩擦代理的三維數(shù)值分析1.1數(shù)值模擬材料和網(wǎng)格劃分ANSYSWorkbench的三維模型既可以通過自身建模模塊獲得,也可通過導(dǎo)入其他三維軟件生成的模型來獲得。在實際分析中,由于涉及較為復(fù)雜的仿生單元陣列,本文采用SolidWorks/UGNX三維軟件建立實體模型,然后導(dǎo)入ANSYSWorkbench中進(jìn)行模擬分析。在理想狀態(tài)下,水液壓馬達(dá)的工作模式為水潤滑,但實際一般為混合摩擦,而且有可能出現(xiàn)間歇的干摩擦;并且所有機構(gòu)之間的接觸和摩擦情況也非常復(fù)雜,仿真模擬時有些條件還無法準(zhǔn)確地模擬計算,因此,本次仿真研究中,僅針對配流體/轉(zhuǎn)子體摩擦副進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計算,以分析摩擦副上、下端面在干摩擦情況下所受接觸應(yīng)力的大小以及分布。同時,假設(shè)本文中的各部件使用材料是均勻連續(xù),并且各向同性的。在接下來的研究中,本文將通過聯(lián)合仿真,以研究其在水潤滑狀態(tài)下的運動狀態(tài)。模擬配流體/轉(zhuǎn)子體摩擦副的實際受力情況,以及等效應(yīng)力的分析,需要對各個部件相應(yīng)的材料屬性進(jìn)行定義。本次仿真實驗中,轉(zhuǎn)子體所使用的材料為316L不銹鋼,其具有較高的強度、良好的塑韌性和耐蝕性,其熱膨脹系數(shù)在20℃～300℃范圍內(nèi)約為17.5×1610K;具有較低的熱導(dǎo)率(400℃時,約為18W/(m·K))、較高的彈性模量(400℃時,約為160GPa)和較低的屈服強度(400℃時,約為200MPa)。配流體選擇CFRPEEK作為仿真模擬材料,其具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐高溫性能、耐溶性能和良好的耐磨損性能。其性能參數(shù)如表1所示。本次模擬中,選用ANSYSWorkbench靜力結(jié)構(gòu)分析模塊StaticStructural。由于ANSYSWorkbench中不含有這兩種材料,需要根據(jù)已知的材料特性進(jìn)行設(shè)定。在EngineeringDate中新建材料,在左邊工作區(qū)中,選擇PhysicalProperties分區(qū)下Density、IsotropicSecantCoefficientofThermal和LinearElastic分區(qū)下的IsotropicElasticity,對新建材料的密度、熱膨脹系數(shù)、彈性模量(泊松比)等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定,由此得到仿真實驗所需材料。在有限元模擬分析中,網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。因此,本次模擬中將裝配體文件轉(zhuǎn)存為.step格式后,導(dǎo)入ANSYSWorkbench,在ANSYSMultiphysics中對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。ANSYSWorkbench的網(wǎng)格劃分作為一個獨立的工具平臺,為ANSYS的不同求解器提供相應(yīng)的網(wǎng)格文件。將Mesh模塊設(shè)置后進(jìn)行Update操作后,形成網(wǎng)格有限元模型。1.2摩擦磨損實驗導(dǎo)入ANSYSMultiphysics后,系統(tǒng)會檢測出裝配體接觸的情況,對其接觸對進(jìn)行設(shè)置。其中,需要用到的摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù),通過摩擦磨損試驗機對摩擦副試樣進(jìn)行實驗測試所得到。利用實驗數(shù)據(jù),設(shè)置摩擦接觸對。配流體與轉(zhuǎn)子體的摩擦定義為摩擦接觸(Frictional),摩擦接觸算法采用增廣拉格朗日法(AugmentedLagrange);配流體與轉(zhuǎn)子體的接觸之間無間隙,同時又允許彼此間相互滑動,定義為不分離(NoSeparation)。分析過程中,對轉(zhuǎn)子體施加軸向旋轉(zhuǎn)速度,并添加無摩擦約束保證旋轉(zhuǎn)進(jìn)程;同時,在配流體上添加固定約束。2轉(zhuǎn)子體等效應(yīng)力分析利用ANSYSWorkbench后處理部分對配流體/轉(zhuǎn)子體摩擦副的摩擦接觸面的等效應(yīng)力進(jìn)行分析,得到摩擦副在干摩擦過程中的等效應(yīng)力云圖,如圖1所示。從圖1可以看出:仿生微織構(gòu)對于摩擦副接觸表面的等效應(yīng)力具有明顯的改善作用。2.1接觸條件分析對于配流副摩擦效應(yīng)分析,本文選取課題組實驗中所確定的減磨耐磨效果較好的雙織構(gòu)(上圓柱下錐)水液壓馬達(dá)配流副,建立簡易的分析模型。根據(jù)實驗中得到的摩擦系數(shù),與上文中設(shè)置的分析方法進(jìn)行分析,由此得到上端面凹坑的不同深徑比,對下端面錐形坑直徑1mm在干摩擦情況下等效應(yīng)力的分布云圖,不同深徑比下最大及最小摩擦應(yīng)力值,以及深徑比與摩擦副等效摩擦應(yīng)力間的關(guān)系圖。其中,考慮到圓孔在分析中的重要影響,采用高級尺寸功能中的On:Curvature對圓孔周圍進(jìn)行均勻的網(wǎng)格劃分。上端面凹坑的不同深徑比,對下端面錐形坑直徑1mm在干摩擦情況下等效應(yīng)力的分布云圖,如圖2所示。不同深徑比下最大及最小摩擦應(yīng)力值如表2所示。深徑比與摩擦副等效摩擦應(yīng)力間的關(guān)系圖如圖3所示。從圖(2,3)及表2中可以看出:兩者間為非線性關(guān)系,當(dāng)2.2凹坑密度與應(yīng)力筆者選用深徑比為上端面凹坑密度對最大接觸應(yīng)力的影響如圖4所示。不同凹坑密度下最大及最小摩擦應(yīng)力如表3所示。凹坑密度與摩擦副等效摩擦應(yīng)力間的關(guān)系圖如圖5所示。從圖(4,5)及表3中可以看出:兩者之間也為非線性關(guān)系;當(dāng)凹坑密度從小增大時,最大接觸應(yīng)力呈現(xiàn)出波動下降的趨勢;當(dāng)凹坑直徑回到原直徑,并且凹坑密度大約增加到9%時,接觸應(yīng)力達(dá)到最小。3帶仿生配流片的密度及深徑比對微織構(gòu)應(yīng)力的影響本研究介紹了帶仿生織構(gòu)的水液壓馬達(dá)配流副,并基于有限元數(shù)值分析理論,利用ANSYSWorkbench工作平臺接觸摩擦分析方法,分析了不同密度及不同深徑比凹坑對雙織構(gòu)(上圓柱下錐)低速大扭矩水液壓馬達(dá)配流副等效摩擦應(yīng)力的影響,對比研究了帶仿生織構(gòu)的水液壓馬達(dá)關(guān)鍵摩擦副