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高性能液压泵阀中的微纳米技术 ——据兰州理工大学教授冀宏报告整理

2018/3/28 9:50:12点击:

液压泵阀是高负荷的精密机械,其水平可代表一个国家的机械制造业整体水平。高性能液压泵阀,如,大型工程机械用高压泵阀、航空用液压泵阀等领域,我们与国外先进产品还存在较大差距。为实现我国高性能液压泵阀的自主设计制造,并早日进入世界先进行列,业界同仁正在从各个方面探索、实践和努力奋斗着。

 

我现在主要谈的是:深入微观,突破全局!主要从四个方面进行介绍。

 

从微观层面深入液压泵阀的研究


液压泵阀在工作过程中,主要存在摩擦磨损、内外泄漏、气穴气蚀、热变形、颗粒物污染、冲蚀等问题,高端液压泵阀的问题更为突出。那么导致这些问题的根源究竟是什么?实际上还不是特别清楚,有的人认为是材料问题,有的人认为是工艺问题,还有人认为是质量控制和管理问题。

 

根据我们课题组的研究,我们认为应该更加注重从微观层面来观察,要从微纳米的角度来进行研究和创新。曾经在实验室里面发现这样的现象:在给液压泵加压的时候,压力上不去。本来应该平稳地上升到22兆帕、25兆帕,但到18兆帕以后就上不去了,并且剧烈抖动,这种现象就迫使我们去思考、研究。可能大家也能想到是因为油液污染的问题,实际情况确实也是这样,清洗溢流阀以后就可以上下平稳地调节,用比例阀调节都没问题。经过分析,我们认识到,液压可靠性,很大程度上,就是滑阀卡滞问题。

 

粒物在液压油中是客观存在的一个事实,敏感颗粒的尺寸是和配合间隙大小相当的,大的进不去,小的颗粒物进去以后影响不大,就是这种和配合间隙相当尺寸的敏感颗粒物会引起卡滞问题。这个问题不是偶然的,有一定规律性。于是我们提出一个简单的模型,就是假设这个颗粒物是球形的,由于滑阀配合间隙存在非理想形貌,自由颗粒可变为嵌入颗粒,和两个表面同时接触了。然后我们经过仿真分析发现,在阀芯的均压槽中有颗粒物的聚集现象。我们看那个很高的尖峰,颗粒物的浓度非常大,颗粒物在均压槽里有聚集现象,在其他地方浓度比较低。针对2微米、4微米、6微米、8微米的不同尺寸颗粒,这个浓度分布是不一样的。



接下来我们对单个颗粒物的模型化做了进一步深入的研究。不再把颗粒物假设为球形,而是模型化为正方形和矩形,因为实际中颗粒物是微米级,它的外形尺寸更加接近方形。我们发现在滑阀间隙中,比方说3微米、5微米、10微米、20微米的滑阀间隙中,颗粒物都有一种旋转运动现象,这是我们通过流固耦合计算发现的一个现象。这个现象有普遍性,比如说一个方形颗粒物进入到间隙里面,窄的这边可能正好进去,然后它在里面一旋转,再加上间隙的实际表面形貌以及公差,就会诱发滑阀卡滞。这种卡滞现象是普遍存在的,只是有时候表现不出来,有时候表现很微弱。再比如说两个颗粒物在不同位置汇聚到一起,然后碰撞,再进入到配合间隙里面,这都增加了卡滞的可能性。

另外一个因素是阀的节流与变形问题,在液压阀中局部高温区是普遍存在的。通过仿真计算,这个高温区相对于其他部位温度可以高出一倍以上,比如油液温度是30℃,那么在节流边局部位置上,温度可能有80℃,甚至90℃。在这样一个局部高温情况下,局部变形量也是非常显著的,它会达到微米级,并伴有弯曲变形现象。颗粒物和微米级的变形如果联合作用的话,液压元件出现卡滞的可能性就大大增加。我们做了一个联合计算,将颗粒物和热形变联合起来仿真,可以看到它的配合间隙减小,孔缩小,轴变大,这个间隙甚至会变得很小。如果是敏感颗粒物的话,会很容易成为嵌入颗粒。

 

此外,我们对阀芯的实际形貌也进行了观察,阀芯的形貌在理想情况下是锐边、是直角边,而阀芯在工作一定时间后成了圆角,而且不规则,在整个圆周方向上都不规则。那么实际在使用过程中也是一样的,这种冲蚀的现象也是从微观上逐渐发展出来的。所以,我们认为应该从微纳米结构上去进行设计。哈尔滨工业大学的研究,由此可知,棱边圆角、共面度、径向间隙对滑阀性能影响最大,其中棱边圆角直接影响滑阀在零位附近的微控性能,而微米级的径向间隙与颗粒物、阀口热变形共同作用,可能导致滑阀卡滞。这样对工作在零位附近的伺服阀来说,阀口局部的冲刷作用造成的误差是很显著的,因为伺服阀主要工作在零开口(微米级开口)下。



除了油液污染度控制技术外,能否发展出耐污染的“无卡液压阀”,使得液压系统可靠性不再是一个值得担心的问题,这是未来液压技术发展的一个重要基础性课题。我们提出了一种新的设计,可避免敏感颗粒物进入到配合间隙。滑阀阀体或阀芯上开设高压引油通道,经过滤器引至挡污环形槽形成“液体密封圈”(专利号:CN201210477909.7),通过这种纯净液体的“密封圈”,阻止颗粒侵入间隙。通过仿真表明,在进口这个地方是没有物理污染物的,因此这个阀的可靠性非常高。

 

微纳检测及成像技术


微纳米成像技术,我觉得液压也要把它引入进来,对1~10微米的颗粒物进行检测,甚至对阀泵里面的微结构进行检测。我们有一台仪器,检测精度可以达到20纳米。实际上微纳米成像技术在摩擦领域里面已经研究得比较多了,这几年我们液压逐渐在引入。


微纳米加工技术


未来微纳米加工技术在液压元件方面可能应用越来越多,因为高性能液压元件说到底就是微纳米技术,就是在微观上设计。目前在摩擦副上有很多热喷涂的方法,通过喷涂在零件表面形成纳米结构,增强耐磨损性能。我们学校有一种爆炸喷涂技术,这次PTC带过来了,设备是从俄罗斯引进的,我们已将爆炸喷涂应用于往复泵柱塞、液压缸活塞的摩擦副中。此外,一些企业也将爆炸喷涂应用在了液压元件中。爆炸喷涂技术的好处是什么?就是基体不用加热,可以在常温下直接喷涂到工件表面,这样工件不容易变形。我想今后爆炸喷涂可以更加广泛地应用于液压泵阀关键摩擦副的表面处理工艺中。

 

表面微结构的研究。人们从自然界中一些持殊的非光滑表面的减磨特性得到启示,发现并非光滑的表面才具有减磨特性,合适的表面微结构也能起到很好的减磨效果,从而衍生微造型织构技术,开辟了摩擦学的新方向。在其他领域,表面微结构也有很多的应用,我们液压也在做研究,我觉得将来在液压元件中可能会比较多的使用表面微结构。

 

激光表面微刻技术,就是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行精确细致的表面处理技术。其优点在于:①光点小,能量集中,热影响区小;②激光束易于聚焦、导向,便于自动化控制;③精确细致:激光蚀刻技术可加工0.125~1μm的线;④安全可靠:采用非接触式加工,不会对材料造成机械挤压或机械应力,保证了微形貌的精度。对阀芯或者泵的摩擦副进行一些精细、精准的表面处理,利用它的能量集中、热影响区小的特点,进行一些精密的微雕刻,可以起到减磨的作用,也可以起到聚集颗粒物的作用。比如说安徽理工大学在阀芯上做了一些表面的织构,目的是能够存储润滑介质,减小磨粒磨损,减小它的摩擦力。2010~2014年左右,我们在国外的会议上看到德国、美国的一些教授也在做类似的研究,我想液压元件的一些创新可能要在微纳米技术上去考虑。激光微刻这种热处理技术,可以对摩擦副表面进行一个几乎没有变形的硬化强化作用,这对它的抗磨性、抗疲劳、耐腐蚀、延长使用寿命都是很有意义的。因此液压元件今后的发展可能在微纳米层次上的工作会越来越多,包括制造、检测、设计。


总结


1.影响液压泵阀工作性能的因素多源于微观现象,继而通过积累、生发、放大,逐渐发展成为宏观失效现象。高性能液压泵阀的设计与制造必须深入到微纳米尺度进行研究与创新。


2.微米级的径向配合间隙与颗粒物、阀口热变形共同作用,可能导致滑阀卡滞。液压可靠性很大程度上就是滑阀卡滞问题。


3.爆炸喷涂具有基材表面温度低、涂层硬度高等优点,使这项技术在液压泵阀上的应用可行性较高。目前,兰州理工大学已将爆炸喷涂应用于往复柱塞泵柱塞、液压缸活塞的摩擦副中。未来,爆炸喷涂将可能广泛地应用于液压泵阀关键摩擦副的表面处理工艺中。


4.激光微刻技术日趋成熟,尤其在机械部件中的关键摩擦副领域研究成果丰富。激光微刻技术在高性能液压泵阀的制造中应用前景广泛。


深入微观、突破全局。我想未来液压元件的进一步发展,应该着重在微纳米尺度上,进行研究、设计、制造、检测。


该文刊登于液压气动与密封2018年第3期

液压气动与密封编辑  张婷婷整理