CN104236877A - 一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法，其确定方法步骤如下：1.磨损机理分析；2.微凸体载荷计算；3.磨损系数计算；4.磨损寿命计算。本发明可以直接应用于产品，通过理论计算获得航空液压滑阀阀芯-阀套磨损寿命，工程适用性强，同时本发明在计算航空液压滑阀阀芯与阀套接触法向载荷时分弹性微凸体承载与塑性微凸体承载计算微凸体载荷，可以为相似接触类型摩擦副法向接触载荷的计算提供参考。

Description

一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法

技术领域

本发明提供一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法，特别是涉及一种间隙配合下滑阀阀芯阀套微凸体载荷与磨损量计算方法，属于磨损寿命分析技术领域。

背景技术

滑阀利用阀芯相对阀套的滑动，实现油路的通、断或改变液流的方向，从而实现液压执行器的启动、停止或运动方向的变换，在液压系统中应用非常广泛。阀芯和阀套为滑阀的结构主体，圆柱形阀芯可在阀套内轴向滑动。

滑阀阀芯与阀套配合间隙直接影响滑阀的性能，配合间隙过大会引起阀芯在阀套内歪斜进而导致阀芯卡滞，同时内漏量增加；配合间隙过小则会导致阀芯与阀套间摩擦阻力增大而加剧磨损。对滑阀而言，当阀芯直径小于20mm时，正常配合间隙为0.008～0.015mm；当阀芯直径大于20mm时，正常配合间隙为0.015～0.025mm。

发明内容

1、发明目的

本发明的目的在于针对现有技术所存在的问题，提供一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法。它是通过推导航空液压滑阀阀芯与阀套法向接触微凸体载荷计算方法，同时结合磨损系数计算公式，运用Archard(阿恰德)粘着磨损模型计算滑阀阀芯-阀套磨损体积并通过给定阀套最大允许磨损深度计算航空液压滑阀磨损寿命，为进一步分析航空液压滑阀泄漏问题奠定基础。

2、技术方案

本发明一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：磨损机理分析。粘着磨损通常发生在接触物体有相同或相近的硬度时，由于航空液压滑阀阀芯与阀套材料相同，故确定其磨损机理为粘着磨损。

步骤二：微凸体载荷计算。由于航空液压滑阀阀芯和阀套为间隙配合方式，故其法向接触载荷为微凸体载荷W_a。而微凸体载荷为处于弹性变形状态的微凸体所承受的载荷W_e和处于塑性变形的微凸体所承受的载荷W_p之和，即W_a＝W_e+W_p。主要包括：

a.轮廓高度分布与塑性条件选择。航空液压滑阀阀芯和阀套的摩擦表面是随机粗糙的，用概率密度函数来表示轮廓上各点高度的变化。切削加工表面曲线上的轮廓高度Z的变化规律接近于Gauss分布规律，其概率密度函数为：

其中：Z表示表面轮廓高度的随机变量，z阀芯(或阀套)表面轮廓高度，σ为高度分布的均方根值，即表面粗糙度。

根据Greenwood和Williamson提出的粗糙表面接触模型，假设所有的粗糙峰具有相同的曲率半径R，且微凸体的变形可以看做是相互独立的。而接触的微凸体中由于承受压力的不同可能发生弹性变形，也可能发生塑性变形。考虑到从弹性变形到塑性变形是渐变过程，取塑性条件为：

${\mathrm{\δ}}_p={\left(\frac{H}{E^{\′}}\right)}^{2}R---\left(2\right)$

即当h<z<h+δ_p时，微凸体发生弹性变形；当z≥h+δ_p时，微凸体发生塑性变形。其中H为阀芯(或阀套)的材料硬度，R为粗糙峰的曲率半径，δp为微凸体发生塑性变形的轮廓高度临界值，E’为阀芯与阀套等效弹性粗糙表面的当量弹性模量，其计算公式如式(3)所示：

$\frac{1}{E^{\&prime;}}=\frac{1-{\mathrm{\&mu;}}^2}{E}---\left(3\right)$

其中E为阀芯(或阀套)的弹性模量，μ为阀芯(或阀套)的泊松比。

b.弹性接触微凸体承载。处于弹性变形的单个微凸体的法向承载W_ei如式(4)所示：

$W_{\mathrm{ei}}=\frac{4}{3}{E}^{\&prime;}{R}^{1/2}{(z-h)}^{3/2}---\left(4\right)$

其中h为阀芯与阀套配合间隙，z阀芯(或阀套)表面轮廓高度，R为粗糙峰的曲率半径，W_ei为处于弹性变形的单个微凸体的法向承载。单位面积上发生弹性变形的微凸体数量m₁为：

其中n为阀芯与阀套接触单位面积上粗糙表面的微凸体数量，故在阀芯与阀套的整个接触面积上，处于弹性变形的微凸体所承受的总载荷W_e为：

其中A为阀芯与阀套名义接触面积。

c.塑性接触微凸体承载。处于塑性变形的单个微凸体的法向载荷W_pi如式(7)所示：

$W_{\mathrm{pi}}=\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;HR}(z-h)---\left(7\right)$

单位面积上发生塑性变形的微凸体数量m₂为：

故在整个接触面积上，处于塑性变形的微凸体所承受的载荷W_p为：

式中：W_pi处于塑性变形的单个微凸体的法向载荷，h为阀芯与阀套配合间隙，z阀芯(或阀套)表面轮廓高度，R为粗糙峰的曲率半径，δ_p为微凸体发生塑性变形的轮廓高度临界值，n为阀芯与阀套接触单位面积上粗糙表面的微凸体数量。

d.微凸体载荷计算。在阀芯阀套的整个接触面积上，微凸体载荷W_a为处于弹性状态的微凸体所承受的载荷W_e与处于塑性状态的微凸体所承受的载荷W_p之和：

在Gauss(高斯)分布中，靠近z值较大的部分近似于指数型分布，此处取带入近似计算微凸体载荷W_a，有：

取nσR＝0.05，则式(11)可化为：

其中

$\sqrt{\frac{\mathrm{\&sigma;}}{{\mathrm{\&delta;}}_p}}=\frac{E^{\&prime;}}{H}\sqrt{\frac{\mathrm{\&sigma;}}{R}=\mathrm{\&psi;}}---\left(13\right)$

被定义为塑性指数。

$\frac{h}{\mathrm{\&sigma;}}=\mathrm{\&lambda;}---\left(14\right)$

被定义为膜厚比。则式(12)可进一步化简为：

式中：W_a为微凸体载荷，h为阀芯与阀套配合间隙，z阀芯(或阀套)表面轮廓高度，R为粗糙峰的曲率半径，δ_p为微凸体发生塑性变形的轮廓高度临界值，n为阀芯与阀套接触单位面积上粗糙表面的微凸体数量，σ为高度分布的均方根值，即表面粗糙度。

步骤三：磨损系数计算。对于粘着磨损，磨损系数K与摩擦系数μ之间有如下关系：

logK＝5logμ-2.27    (16)

步骤四：磨损寿命计算。运用Archard(阿恰德)粘着磨损模型计算磨损体积V并结合滑阀尺寸参数建立磨损深度h_s与磨损体积V间的联系，最后通过给定最大允许磨损深度h_s0计算滑阀磨损寿命。主要包括：

a.磨损体积计算。运用Archard(阿恰德)粘着磨损模型计算滑阀磨损体积V公式如式(17)：

$V=K\frac{W_a}{H}{l}_m=2K\frac{W_a}{H}{\mathrm{NL}}_m---\left(17\right)$

其中V磨损体积，W_a为微凸体载荷，l_m为滑阀寿命周期内阀芯与阀套磨损总行程，N为滑阀磨损寿命(循环次数)，L_m为滑阀单次转换阀芯与阀套磨损行程。

b.磨损深度计算。磨损深度计算将阀芯与阀套两个粗糙表面的接触等效转化为一个刚性光滑表面与一个弹性粗糙表面的接触。此处将阀芯视为等效光滑刚体，阀套视为等效粗糙弹性体，则阀套磨损体积V与磨损深度h_s间关系如式(18)：

$h_s=\frac{V}{2\mathrm{\&pi;r}(L_j+{3L}_m)}---\left(18\right)$

其中r为阀套内径，L_j为阀芯与阀套接触部分长度，h_s磨损深度。

c.磨损寿命计算。当阀套等效磨损深度h_s等于阀套最大允许磨损深度h_s0时，滑阀对应的循环次数N即为滑阀的寿命。

其中，步骤一种所述“粘着磨损”又称咬合磨损，它是指滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。

其中，步骤二中所述的“微凸体载荷”是指在非刚性接触表面的微观接触方式中，两个接触表面上存在的微小凸体之间的作用力。

3、优点及功效

本发明具有以下优点：

1)本发明一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法，可以通过理论计算获得航空液压滑阀阀芯-阀套磨损寿命，工程适用性强。

2)本发明一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法，在计算航空液压滑阀阀芯与阀套接触法向载荷时分弹性微凸体承载与塑性微凸体承载计算微凸体载荷，可以为相似接触类型摩擦副法向接触载荷的计算提供参考。

附图说明

图1是本发明确定方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法，见图1所示，该方法具体步骤如下：

步骤一：磨损机理分析。粘着磨损通常发生在接触物体有相同或相近的硬度时，由于航空液压滑阀阀芯与阀套材料相同，故确定其磨损机理为粘着磨损。

步骤二：微凸体载荷计算。由于航空液压滑阀阀芯和阀套为间隙配合方式，故其法向接触载荷为微凸体载荷W_a。而微凸体载荷为处于弹性变形状态的微凸体所承受的载荷W_e和处于塑性变形的微凸体所承受的载荷W_p之和。主要包括：

a.轮廓高度分布与塑性条件选择。航空液压滑阀阀芯和阀套的摩擦表面是随机粗糙的，用概率密度函数来表示轮廓上各点高度的变化。切削加工表面曲线上的轮廓高度Z的变化规律接近于Gauss分布规律，其概率密度函数为：

其中σ为高度分布的均方根值，即表面粗糙度。根据Greenwood和Williamson提出的粗糙表面接触模型，假设所有的粗糙峰具有相同的曲率半径R，且微凸体的变形可以看做是相互独立的。而接触的微凸体中由于承受压力的不同可能发生弹性变形，也可能发生塑性变形。考虑到从弹性变形到塑性变形是渐变过程，取塑性条件为：

${\mathrm{\&delta;}}_p={\left(\frac{H}{E^{\&prime;}}\right)}^{2}R---\left(2\right)$

即当h<z<h+δ_p时，微凸体发生弹性变形；当z≥h+δ_p时，微凸体发生塑性变形。其中H为阀芯(或阀套)的材料硬度，E’为阀芯与阀套等效弹性粗糙表面的当量弹性模量，其计算公式如式(3)所示：

$\frac{1}{E^{\&prime;}}=\frac{1-{\mathrm{\&mu;}}^2}{E}---\left(3\right)$

其中E为阀芯(或阀套)的弹性模量，μ为阀芯(或阀套)的泊松比。

b.弹性接触微凸体承载。处于弹性变形的单个微凸体的法向承载W_ei如式(4)所示：

$W_{\mathrm{ei}}=\frac{4}{3}{E}^{\&prime;}{R}^{1/2}{(z-h)}^{3/2}---\left(4\right)$

其中h为阀芯与阀套配合间隙。单位面积上发生弹性变形的微凸体数量m₁为：

其中n为阀芯与阀套接触单位面积上粗糙表面的微凸体数量。故在阀芯与阀套的整个接触面积上，处于弹性变形的微凸体所承受的总载荷为：

其中A为阀芯与阀套名义接触面积。

c.塑性接触微凸体承载。处于塑性变形的单个微凸体的法向载荷W_pi如式(7)所示：

$W_{\mathrm{pi}}=\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;HR}(z-h)---\left(7\right)$

单位面积上发生塑性变形的微凸体数量m₂为：

故在整个接触面积上，处于塑性变形的微凸体所承受的载荷为：

d.微凸体载荷计算。在阀芯阀套的整个接触面积上，微凸体载荷W_a为处于弹性状态的微凸体所承受的载荷W_e与处于塑性状态的微凸体所承受的载荷W_p之和：

在Gauss分布中，靠近z值较大的部分近似于指数型分布^[4]，此处取带入近似计算微凸体载荷W_a，有：

取nσR＝0.05，则式(11)可化为：

其中

$\sqrt{\frac{\mathrm{\&sigma;}}{{\mathrm{\&delta;}}_p}}=\frac{E^{\&prime;}}{H}\sqrt{\frac{\mathrm{\&sigma;}}{R}=\mathrm{\&psi;}}---\left(13\right)$

被定义为塑性指数。

$\frac{h}{\mathrm{\&sigma;}}=\mathrm{\&lambda;}---\left(14\right)$

被定义为膜厚比。则式(12)可进一步化简为：

某航空液压滑阀阀芯与阀套法向接触微凸体载荷计算结果为W_a＝0.185N。

步骤三：磨损系数计算。对于粘着磨损，磨损系数K与摩擦系数μ之间有如下关系：

logK＝5logμ-2.27    (16)

某航空液压滑阀阀芯与阀套磨损系数计算结果为K＝1.68×10^-4。

步骤四：磨损寿命计算。运用Archard(阿恰德)粘着磨损模型计算磨损体积V并结合滑阀尺寸参数建立磨损深度h_s与磨损体积V间的联系，最后通过给定最大允许磨损深度h_s0计算滑阀磨损寿命。主要包括：

a.磨损体积计算。运用Archard(阿恰德)粘着磨损模型计算滑阀磨损体积V公式如式(17)：

$V=K\frac{W_a}{H}{l}_m=2K\frac{W_a}{H}{\mathrm{NL}}_m---\left(17\right)$

其中l_m为滑阀寿命周期内阀芯与阀套磨损总行程，N为滑阀磨损寿命(循环次数)，L_m为滑阀单次转换阀芯与阀套磨损行程。

b.磨损深度计算。磨损深度计算将阀芯与阀套两个粗糙表面的接触等效转化为一个刚性光滑表面与一个弹性粗糙表面的接触。此处将阀芯视为等效光滑刚体，阀套视为等效粗糙弹性体，则阀套磨损体积V与磨损深度h_s间关系如式(18)：

$h_s=\frac{V}{2\mathrm{\&pi;r}(L_j+{3L}_m)}---\left(18\right)$

其中r为阀套内径，L_j为阀芯与阀套接触部分长度。

c.磨损寿命计算。当阀套等效磨损深度h_s等于阀套最大允许磨损深度h_s0时，滑阀对应的循环次数N即为滑阀的寿命。某航空液压滑阀阀套最大允许磨损深度h_s0＝0.003mm，其磨损寿命计算结果为N＝6340000。

Claims (3)

1.一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：磨损机理分析；粘着磨损通常发生在接触物体有相同或相近的硬度时，由于航空液压滑阀阀芯与阀套材料相同，故确定其磨损机理为粘着磨损；

步骤二：微凸体载荷计算；由于航空液压滑阀阀芯和阀套为间隙配合方式，故其法向接触载荷为微凸体载荷W_a；而微凸体载荷为处于弹性变形状态的微凸体所承受的载荷W_e和处于塑性变形的微凸体所承受的载荷W_p之和，即W_a＝W_e+W_p；主要包括：

a.轮廓高度分布与塑性条件选择；航空液压滑阀阀芯和阀套的摩擦表面是随机粗糙的，用概率密度函数来表示轮廓上各点高度的变化，切削加工表面曲线上的轮廓高度Z的变化规律接近于Gauss分布规律，其概率密度函数为：

其中：Z表示表面轮廓高度的随机变量，z阀芯或阀套表面轮廓高度，σ为高度分布的均方根值，即表面粗糙度；

根据Greenwood和Williamson提出的粗糙表面接触模型，假设所有的粗糙峰具有相同的曲率半径R，且微凸体的变形看做是相互独立的，而接触的微凸体中由于承受压力的不同可能发生弹性变形，也可能发生塑性变形；考虑到从弹性变形到塑性变形是渐变过程，取塑性条件为：

${\mathrm{\&delta;}}_p={\left(\frac{H}{E^{\&prime;}}\right)}^{2}R---\left(2\right)$

即当h<z<h+δ_p时，微凸体发生弹性变形；当z≥h+δ_p时，微凸体发生塑性变形；其中H为阀芯或阀套的材料硬度，R为粗糙峰的曲率半径，δp为微凸体发生塑性变形的轮廓高度临界值，E’为阀芯与阀套等效弹性粗糙表面的当量弹性模量，其计算公式如式(3)所示：

$\frac{1}{E^{\&prime;}}=\frac{1-{\mathrm{\&mu;}}^2}{E}---\left(3\right)$

其中，E为阀芯或阀套的弹性模量，μ为阀芯或阀套的泊松比；

b.弹性接触微凸体承载；处于弹性变形的单个微凸体的法向承载W_ei如式(4)所示：

$W_{\mathrm{ei}}=\frac{4}{3}{E}^{\&prime;}{R}^{1/2}{(z-h)}^{3/2}---\left(4\right)$

其中，h为阀芯与阀套配合间隙，z阀芯或阀套表面轮廓高度，R为粗糙峰的曲率半径，W_ei为处于弹性变形的单个微凸体的法向承载；单位面积上发生弹性变形的微凸体数量m₁为：

其中，n为阀芯与阀套接触单位面积上粗糙表面的微凸体数量，故在阀芯与阀套的整个接触面积上，处于弹性变形的微凸体所承受的总载荷W_e为：

其中，A为阀芯与阀套名义接触面积；

c.塑性接触微凸体承载；处于塑性变形的单个微凸体的法向载荷W_pi如式(7)所示：

$W_{\mathrm{pi}}=\frac{2}{3}\mathrm{\&pi;HR}(z-h)---\left(7\right)$

单位面积上发生塑性变形的微凸体数量m₂为：

故在整个接触面积上，处于塑性变形的微凸体所承受的载荷W_p为：

式中：W_pi处于塑性变形的单个微凸体的法向载荷，h为阀芯与阀套配合间隙，z阀芯或阀套表面轮廓高度，R为粗糙峰的曲率半径，δ_p为微凸体发生塑性变形的轮廓高度临界值，n为阀芯与阀套接触单位面积上粗糙表面的微凸体数量；

d.微凸体载荷计算；在阀芯阀套的整个接触面积上，微凸体载荷W_a为处于弹性状态的微凸体所承受的载荷W_e与处于塑性状态的微凸体所承受的载荷W_p之和：

在Gauss即高斯分布中，靠近z值较大的部分近似于指数型分布，此处取带入近似计算微凸体载荷W_a，有：

取nσR＝0.05，则式(11)可化为：

其中

$\sqrt{\frac{\mathrm{\&sigma;}}{{\mathrm{\&delta;}}_p}}=\frac{E^{\&prime;}}{H}\sqrt{\frac{\mathrm{\&sigma;}}{R}=\mathrm{\&psi;}}---\left(13\right)$

被定义为塑性指数；

$\frac{h}{\mathrm{\&sigma;}}=\mathrm{\&lambda;}---\left(14\right)$

被定义为膜厚比；则式(12)进一步化简为：

式中：W_a为微凸体载荷，h为阀芯与阀套配合间隙，z阀芯或阀套表面轮廓高度，R为粗糙峰的曲率半径，δ_p为微凸体发生塑性变形的轮廓高度临界值，n为阀芯与阀套接触单位面积上粗糙表面的微凸体数量，σ为高度分布的均方根值，即表面粗糙度；

步骤三：磨损系数计算；对于粘着磨损，磨损系数K与摩擦系数μ之间有如下关系：

logK＝5logμ-2.27    (16)

步骤四：磨损寿命计算；运用Archard即阿恰德粘着磨损模型计算磨损体积V并结合滑阀尺寸参数建立磨损深度h_s与磨损体积V间的联系，最后通过给定最大允许磨损深度h_s0计算滑阀磨损寿命；主要包括：

a.磨损体积计算；运用Archard即阿恰德粘着磨损模型计算滑阀磨损体积V公式如式(17)：

$V=K\frac{W_a}{H}{l}_m=2K\frac{W_a}{H}{\mathrm{NL}}_m---\left(17\right)$

其中，V磨损体积，W_a为微凸体载荷，l_m为滑阀寿命周期内阀芯与阀套磨损总行程，N为滑阀磨损寿命即循环次数，L_m为滑阀单次转换阀芯与阀套磨损行程；

b.磨损深度计算；磨损深度计算将阀芯与阀套两个粗糙表面的接触等效转化为一个刚性光滑表面与一个弹性粗糙表面的接触；此处将阀芯视为等效光滑刚体，阀套视为等效粗糙弹性体，则阀套磨损体积V与磨损深度h_s间关系如式(18)：

$h_s=\frac{V}{2\mathrm{\&pi;r}(L_j+{3L}_m)}---\left(18\right)$

其中，r为阀套内径，L_j为阀芯与阀套接触部分长度，h_s磨损深度；

c.磨损寿命计算；当阀套等效磨损深度h_s等于阀套最大允许磨损深度h_s0时，滑阀对应的循环次数N即为滑阀的寿命。

2.根据权利要求1所述的一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法，其特征在于：步骤一种所述“粘着磨损”又称咬合磨损，它是指滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。

3.根据权利要求1所述的一种航空液压滑阀磨损寿命计算方法，其特征在于：步骤二中所述的“微凸体载荷”是指在非刚性接触表面的微观接触方式中，两个接触表面上存在的微小凸体之间的作用力。