CN115263705B - 一种仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，其包括斜盘、滑靴、织构和凸脊，斜盘和滑靴构成滑靴摩擦副，斜盘表面设置有周向沟槽和径向凹槽，周向沟槽在斜盘表面呈圆周间隔分布，径向凹槽沿直径方向分布；多个周向沟槽之间借助于凸脊连接并呈波纹状微织构，多个径向凹槽呈矩形微织构，波纹形微织构与径向凹槽矩形微织构相互交错呈网状结构。本发明能够有效改善斜盘表面水膜的流动方向，实现水膜流向与斜盘旋转方向相一致，缓解水流对斜盘表面的冲击，起到保护斜盘表面的效果，降低了水等液体的粘附，弱化了气蚀现象的出现几率，并提高其承载能力和耐磨减阻效果。

Description

一种仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副

技术领域

本发明涉及液压元件技术领域，具体地涉及一种仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副。

背景技术

液压泵是液压系统的动力源，是液压系统的“心脏”。轴向柱塞泵具有体积小、传递功率大、控制变量方便、效率高、寿命长等优点。轴向柱塞泵不仅广泛应用在工程机械上，而且在机床、矿山冶金设备、塑料机械等领域都占有重要地位。滑靴副是轴向柱塞泵的主要传递动力部件之一，将直接影响轴向柱塞泵的工作性能。滑靴副的摩擦学性能也是轴向柱塞泵最为复杂的，极其容易出现间隙泄露增加，水膜承载能力降低，摩擦磨损加剧等关键技术问题，严重影响了轴向柱塞泵的质量效率、工作可靠性和服役寿命。因此，急需研究一种承载能力高、耐磨减阻效果好的滑靴副。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，能够有效改善斜盘表面水膜的流动方向，实现水膜流向与斜盘旋转方向相一致，缓解水流对斜盘表面的冲击，起到保护斜盘表面的效果，降低了水等液体的粘附，弱化了气蚀现象的出现几率，并提高其承载能力和耐磨减阻效果。

具体地，本发明提供一种仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，其包括斜盘、滑靴、织构和凸脊，所述斜盘和滑靴构成滑靴摩擦副，所述斜盘表面设置有周向沟槽和径向凹槽，所述周向沟槽在斜盘表面围绕圆心呈圆周状间隔分布，所述径向凹槽沿直径方向分布；多个所述周向沟槽之间借助于凸脊连接并形成波纹状微织构，多个所述径向凹槽形成矩形微织构，所述周向沟槽的波纹形微织构与所述径向凹槽的矩形微织构相互交错呈网状结构，所述凸脊为弧面；

所述斜盘表面分别设置有压水区域A和吸水区域B；所述周向沟槽所在的压水区域A和吸水区域B均存在楔形收敛结构和楔形发散结构，对周向沟槽和径向凹槽的参数进行优化，其包括以下步骤：

S1、优化楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角θ，其包括以下子步骤：

S11、基于多个楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角θ计算楔形收敛结构处的承载力F，

楔形收敛结构处的承载力F通过下式计算：

F＝ω²r₁ ²ρA₁tanθ                                             (1)

式中，V₁、V₂为切速度；ω为滑靴的转速；r₁为周向沟槽距斜盘中心的半径；ρ为海水的密度；A₁为流体流经周向沟槽的截面积；θ为楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角；

S12、根据步骤S11计算得到的多个确定承载力F确定最优承载力，并选取最优承载力相关的楔形收敛结构与平面的夹角θ作为最终的楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角θ；

S2、优化周向沟槽宽度V和周向沟槽深度U：周向沟槽宽度V和周向沟槽深度U随角度α不断变化，通过下式确定最优的周向沟槽宽度V和周向沟槽深度U：

V＝a·sinα+b                                                (2)

U＝ln(c·sinα+d)                                            (3)

其中，α为坐标系xoy的平面角度，a、b、c、d分别为结构参数；

S3、优化径向凹槽的深度：

以径向凹槽的深度大于周向沟槽深度U为优化条件对径向凹槽的深度进行优化，得到优化后径向凹槽的深度，同时，斜盘表面的径向凹槽沿斜盘的中心阵列分布，阵列角度为0.8°～1.5°。

优选地，所述压水区域内的周向沟槽的两凸脊峰顶之间的距离为500μm～850μm，斜盘表面设置有27～49个周向沟槽，周向沟槽的深度为200μm～400μm。

优选地，所述压水区域的径向凹槽沿直径方向径向排列，距周向沟槽弧面的深度为200～270μm，宽度为60μm～80μm，阵列个数为240～450个。

优选地，所述吸水区域内的周向沟槽的两凸脊峰顶的距离为500μm～850μm，斜盘表面分布有27～49个周向沟槽，周向沟槽的深度为200μm～400μm。

优选地，所述吸水区域内的径向凹槽沿直径方向排列，距周向沟槽弧面的深度为200～270μm，宽度为60μm～80μm，阵列个数为240～450个。

优选地，所述斜盘表面的凸脊与滑靴相接触。

优选地，所述周向沟槽同时作为引流槽，在高速高压的工况下实现对液体介质的引流；所述径向凹槽同时作为储水槽，所述储水槽与滑靴的水室共同作用产生动压效应并形成水膜。

与现有技术相比，本发明的效果如下：

(1)本发明中的周向沟槽可有效改善水在斜盘表面的流动方向，实现水流方向与滑靴旋转方向相一致，减少水流对斜盘表面的冲击，提高斜盘的整体使用寿命。

(2)本发明的流体流经斜盘表面压水区(高压区)时，周向沟槽的深度逐渐变浅，形成楔形收敛结构A，截面的凹凸变化产生流体动压效应，从而产生附加承载力；流体流经斜盘表面吸水区(低压区)时，周向沟槽的深度逐渐变深，形成楔形发散结构B，微织构的凹槽处由于气穴的存在导致压力不对称，从而产生了额外承载力。即本发明可提高润滑水膜的承载能力，防止滑靴与斜盘表面的直接接触，减小摩擦阻力，降低摩擦系数。

(3)本发明斜盘表面的凸脊、周向沟槽与径向凹槽，可以存储摩擦过程中产生的磨屑，减缓斜盘表面损伤，提高斜盘表面的摩擦磨损性能。

(4)本发明斜盘表面的鳞片微织构与缸体转动带来的滑靴与斜盘的相对运动共同作用，会使滑靴表面高分子复合材料产生弹性变形而形成高压区，减少泄漏量，提升泵的流量和容积效率。

(5)当水由斜盘表面进入径向凹槽区域时，在收敛间隙处会产生正的水膜压力，而在发散间隙处压力会有所降低，甚至出现负压，当负压达到某一极限值时就会产生空穴现象，从而在每个凹槽区域内产生不对称的压力分布，使水膜具有一定的承载力.斜盘表面织构上的每一个微织构相当于一个微小流体动压润滑轴承，可以产生附加动压润滑效应，促使滑靴副表面形成流体动压润滑，进而提高斜盘表面的整体润滑性能。

附图说明

图1为本发明的轴向柱塞泵滑靴副的三维示意图；

图2为本发明的斜盘的轴向剖面示意图；

图3为本发明的滑靴的轴向剖面图；

图4为本发明的斜盘表面微织构的简化图；

图5为本发明的斜盘表面的楔型结构示意图；

图6为本发明的斜盘表面微织构周向沟槽的剖面图；

图7为本发明的斜盘表面微织构径向凹槽的剖面图；

图中部分附图标记如下：1-斜盘，2-滑靴，3-织构，4-凸脊，5-周向沟槽，6-径向凹槽。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

具体地，本发明提供一种仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，如图1至图7所示，其包括斜盘1、滑靴2、织构3和凸脊4，斜盘1和滑靴2构成滑靴摩擦副，斜盘1表面设置有周向沟槽5和径向凹槽6，周向沟槽5在斜盘1表面围绕圆心呈圆周间隔分布，径向凹槽6沿直径方向分布；多个周向沟槽5之间借助于凸脊连接并形成波纹状微织构，多个径向凹槽6形成矩形微织构，波纹形微织构与径向凹槽6矩形微织构相互交错呈网状结构。

根据水压大小，斜盘1表面分别设置有压水区域A(高压区)和吸水区域B(低压区)。

周向沟槽5所在压水区域A和吸水区域B均设置有楔形收敛结构C和楔形发散结构D。楔形收敛结构C和楔形发散结构D的结构示意图请参见图5。

具体应用中，根据以下步骤对周向沟槽和径向凹槽的参数进行优化，其包括以下步骤：

S1、优化楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角θ，其包括以下子步骤：

S11、基于多个楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角θ计算楔形收敛结构处的承载力F，

楔形收敛结构处的承载力F通过下式计算：

F＝ω²r₁ ²ρA₁tanθ                                            (1)

式中，V₁、V₂为切速度；ω为滑靴的转速；r₁为周向沟槽距斜盘中心的半径；ρ为海水的密度；A₁为流体流经周向沟槽的截面积；θ为楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角；

S12、根据步骤S11计算得到的多个确定承载力F确定最优承载力，并选取最优承载力相关的楔形收敛结构与平面的夹角θ作为最终的楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角θ；

S2、优化周向沟槽宽度V和周向沟槽深度U：周向沟槽宽度V和周向沟槽深度U随角度α不断变化，通过下式确定最优的周向沟槽宽度V和周向沟槽深度U：

V＝a·sinα+b                                                (2)

U＝ln(c·sinα+d)                                             (3)

其中，α为坐标系xoy的平面角度，a、b、c、d分别为结构参数；

S3、优化径向凹槽的深度：

以径向凹槽的深度大于周向沟槽深度U为优化条件对径向凹槽的深度进行优化，得到优化后径向凹槽的深度。

压水区域内的周向沟槽5的两凸脊峰顶之间的距离为500μm～850μm，斜盘表面设置有27～49个周向沟槽5，周向沟槽5的深度为200μm～400μm。

压水区域的径向凹槽6沿直径方向径向排列，距周向沟槽5弧面的深度为200～270μm，宽度为60μm～80μm，斜盘表面的径向凹槽6沿斜盘的中心阵列分布，阵列角度为0.8°～1.5°，阵列个数为240～450个。

吸水区域内的周向沟槽5的两凸脊峰顶的距离为500μm～850μm，斜盘表面分布有27～49个周向沟槽5，周向沟槽5的深度为200μm～400μm。

吸水区域内的径向凹槽6沿直径方向排列，距周向沟槽5弧面的深度为200～270μm，宽度为60μm～80μm，斜盘表面的径向凹槽6沿斜盘的中心等角度分布，角度为0.8°～1.5°，个数为240～450个。

优选地，斜盘表面的凸脊与滑靴相接触。

优选地，周向沟槽5同时作为引流槽，在高速高压的工况下实现对液体介质的引流；径向凹槽6同时作为储水槽，储水槽与滑靴的水室共同作用产生动压效应并形成水膜。

具体实施例

如图1至图7所示，本实施例提供一种仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，包括斜盘1、滑靴2和织构3,斜盘1表面设置有周向沟槽5和径向凹槽6，周向沟槽5在斜盘表面由凸脊4连接，呈波纹形状，径向凹槽6沿斜盘径向方向分布，呈矩形形状，两者深度不一，径向凹槽6的深度要深于周向沟槽5，周向沟槽5波纹形微织构同时与径向凹槽6矩形状微织构相互交错，呈现出网状结构,并且压水区域和吸水区域存在两个楔形结构。图中，W为两凸脊间的距离；V为沟槽宽度；U为凸脊顶部到底部的距离；L为两径向凹槽间凸脊的弧长；H为径向凹槽的深度，D为径向凹槽的宽度，ω为滑靴的旋转方向。

斜盘1与滑靴2构成滑靴摩擦副，斜盘1的外径为90mm，内径为36mm，斜盘1分布有9个滑靴2，滑靴2在斜盘1表面上滑动，且滑靴2上设置有水室，滑靴的半径为10mm，设置水室的半径为6mm。

周向沟槽5与斜盘1的中心呈同心圆分布，在斜盘1表面分布有31个同心圆，同心圆的半径从内向外分别为19.8mm、20.6mm、21.4mm、22.2mm、23.0mm、23.8mm、24.6mm、25.4mm、26.2mm、27.0mm、27.8mm、28.6mm、29.4mm、30.2mm、31.0mm、31.8mm、32.6mm、33.4mm、34.2mm、35.0mm、35.8mm、36.6mm、37.4mm、38.2mm、39.0mm、39.8mm、40.6mm、41.4mm、42.2mm、43mm、43.8mm，这31个同心圆的凹槽由凸脊连接，其中凸脊设置为弧形状。

当α＝0°时，位于压水区域即高压区的两凸脊峰顶的距离W＝600μm，沟槽的宽度V＝400μm，凸脊峰顶距凹槽最深处的高度U＝200μm，由式(1)、(2)得，当α＝90°时沟槽的宽度V＝190μm，深度U＝120μm，其中，结构参数a＝0.82、b＝1.81、c＝-0.09、d＝1.22，以此确保高压区的楔形特征和缓冲特征。

径向凹槽6沿斜盘表面直径方向排列，径向凹槽6是以斜盘的圆心为中心的一条径向矩形凹槽，其中径向凹槽深度H＝270μm，宽度D＝60μm，径向凹槽的初始位置距斜盘中心19.1mm，最终位置距斜盘1中心为43.6mm，每相邻两个的径向凹槽6的角度设置为1.2°，径向凹槽6始终比周向凹槽5深70μm，以确保凸显径向凹槽6与周向沟槽5的结构特征。

两径向凹槽间凸脊的弧长L与凸脊同心圆的半径呈正比，由弧长公式

得知，角度n一定时，弧长L随半径R的增大而增大。其中，n为两径向凹槽的夹角，R为凸脊所距斜盘中心的半径。

由摩擦静力学和液体压强公式，在高转速、高压强和摩擦系数不变的情况下，两受力物体的接触面积与表面摩擦力呈正比，减小接触面积有利于降低表面摩擦力；借助流体动压的特点，由于斜盘表面的水液体通过周向沟槽引流，借助径向凹槽的阻力，使流体的动能转变为压力能，极容易产生动压效果。

流体流经压水区时，即高压区，在楔形微织构沟槽区域压力骤增，由于截面变化引起流体动压效应，从而产生附加承载力，动压效应也增强。而在吸水区即低压区，微织构的凹坑处由于气穴的存在导致压力不对称，从而产生了额外承载力；空化所带来的危害是巨大的，但是合理地使用空化发生的条件能使织构化的斜盘表面产生一种特殊的表面承载机制，其对织构附近区域的流体动压效应起到显著的增强效果。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，其特征在于：其包括斜盘、滑靴、织构和凸脊，所述斜盘和滑靴构成滑靴摩擦副，所述斜盘表面设置有周向沟槽和径向凹槽，所述周向沟槽在斜盘表面围绕圆心呈圆周状间隔分布，所述径向凹槽沿直径方向分布；多个所述周向沟槽之间借助于凸脊连接并形成波纹状微织构，多个所述径向凹槽形成矩形微织构，所述周向沟槽的波纹形微织构与所述径向凹槽的矩形微织构相互交错呈网状结构，所述凸脊为弧面；

所述斜盘表面分别设置有压水区域A和吸水区域B；所述周向沟槽所在的压水区域A和吸水区域B均存在楔形收敛结构和楔形发散结构，对周向沟槽和径向凹槽的参数进行优化，其包括以下步骤：

S1、优化楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角θ，其包括以下子步骤：

S11、基于多个楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角θ计算楔形收敛结构处的承载力F，

楔形收敛结构处的承载力F通过下式计算：

F＝ω²r₁ ²ρA₁tanθ    (1)

式中，V₁、V₂为切速度；ω为滑靴的转速；r₁为周向沟槽距斜盘中心的半径；ρ为海水的密度；A₁为流体流经周向沟槽的截面积；θ为楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角；

S12、根据步骤S11计算得到的多个确定承载力F确定最优承载力，并选取最优承载力相关的楔形收敛结构与平面的夹角θ作为最终的楔形收敛结构与周向沟槽底部平面的夹角θ；

S2、优化周向沟槽宽度V和周向沟槽深度U：周向沟槽宽度V和周向沟槽深度U随角度α不断变化，通过下式确定最优的周向沟槽宽度V和周向沟槽深度U：

V＝a·sinα+b    (2)

U＝ln(c·sinα+d)    (3)

其中，α为坐标系xoy的平面角度，a、b、c、d分别为结构参数；

S3、优化径向凹槽的深度：

以径向凹槽的深度大于周向沟槽深度U为优化条件对径向凹槽的深度进行优化，得到优化后径向凹槽的深度，同时，斜盘表面的径向凹槽沿斜盘的中心阵列分布，阵列角度为0.8°～1.5°。

2.根据权利要求1所述的仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，其特征在于：所述压水区域内的周向沟槽的两凸脊峰顶之间的距离为500μm～850μm，斜盘表面设置有27～49个周向沟槽，周向沟槽的深度为200μm～400μm。

3.根据权利要求1所述的仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，其特征在于：所述压水区域的径向凹槽沿直径方向径向排列，距周向沟槽弧面的深度为200～270μm，宽度为60μm～80μm，阵列个数为240～450个。

4.根据权利要求1所述的仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，其特征在于：所述吸水区域内的周向沟槽的两凸脊峰顶的距离为500μm～850μm，斜盘表面分布有27～49个周向沟槽，周向沟槽的深度为200μm～400μm。

5.根据权利要求1所述的仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，其特征在于：所述吸水区域内的径向凹槽沿直径方向排列，距周向沟槽弧面的深度为200～270μm，宽度为60μm～80μm，个数为240～450个。

6.根据权利要求1所述的仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，其特征在于：所述斜盘表面的凸脊与滑靴相接触。

7.根据权利要求1所述的仿穿山甲鳞片表面微织构的滑靴副，其特征在于：所述周向沟槽同时作为引流槽，在高速高压的工况下实现对液体介质的引流；所述径向凹槽同时作为储水槽，所述储水槽与滑靴的水室共同作用产生动压效应并形成水膜。

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