CN116836511A - 用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其包括：通过配置不同参量的自润滑层对三层复合自润滑轴瓦的自润滑层进行改性，得到多组具有增强的自润滑层，并加工自润滑层样件，通过摩擦磨损试验，筛选出试验中摩擦系数小且磨损量少的增强组；通过材料性能测试，得到三层复合自润滑轴瓦仿真参数；建立三层复合自润滑轴瓦仿真参数模型，并对三层复合自润滑轴瓦进行应力分布校核与厚度设计；加工真实轴瓦样件，进行拟实工况测试，验证仿真结果并进行进一步的筛选。本发明通过试验与仿真相结合的方式对轴瓦进行性能分析，得到增强的自润滑层和每层的不同厚度，较大地提升轴瓦的载荷，得到润滑性能优异且耐磨损的轴瓦。
Description
技术领域
本发明涉及液压元件技术领域，特别涉及一种用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法。
背景技术
三层复合自润滑轴瓦位于内曲线马达柱塞组件中，主要用于润滑条件差时，在滚柱与柱塞之间起润滑作用。内曲线马达工作时，液压力将柱塞组件沿径向推动，内曲线对柱塞组件的反作用力的切向分量为马达主轴提供扭矩输出。其中，内曲线的反作用力作用在滚柱上，滚柱将力通过轴瓦传递到柱塞内表面，因此轴瓦的力学性能必须满足内曲线马达重载工况下的极大载荷，对轴瓦进行力学分析，并优化其力学性能，提升轴瓦载荷十分必要。
对于内曲线液压马达，在工作过程中，滚柱-柱塞副低速工况下润滑性能差；马达低速运转时，滚柱与之间的润滑状态介于固体摩擦和边界润滑，此外，轴瓦受交变载荷的作用，导致滚柱-柱塞副受力情况复杂，所以滚柱-柱塞副减摩抗磨性能的研究是一个技术难点。
对于内曲线轴瓦的设计，现有技术中通常采用单层或者双层复合结构，很少有三层复合结构的轴瓦。此外，对于轴瓦的结构设计和轴瓦自润滑层参量的设计，目前也没有清晰的设计方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，利用结构设计与参量改性相结合的方式得到系统化的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，先通过配置不同参量的自润滑层对三层复合自润滑轴瓦的自润滑层进行改性得到多组具有增强的自润滑层材料，并通过摩擦磨损试验和材料性能测试，得到仿真参数；并对三层复合自润滑轴瓦进行应力分布校核与厚度设计，通过拟实工况测试，得到优化的三层复合自润滑轴瓦，进而提升内曲线马达的寿命指标，从而根据不同内曲线液压马达滚柱-柱塞结构参数，制作出适合且耐磨的三层复合自润滑轴瓦。
本发明提供了一种用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，具体实施步骤如下：
S1、根据内曲线液压马达所处的低速重载工况，通过配置不同参量的自润滑层材料对三层复合自润滑轴瓦的自润滑层进行改性，得到多组增强的自润滑层，包括以下子步骤：
S11、在聚醚醚酮中依次添加固体润滑剂聚四氟乙烯和钛酸钾晶须，并通过机械搅拌，得到混合中间产物；
S12、在步骤S11得到的混合中间产物中添加硅烷偶联剂，来减少混合中间产物的团聚体，得到改性的自润滑层材料；
S13、在步骤S12得到的改性的自润滑层材料上依次添加不同比例的纤维、无机材料和金属氧化物，得到增强的自润滑层；
S2、根据步骤S1得到的多组增强的自润滑层，加工对应的自润滑层，并进行摩擦磨损试验，通过对试验后的多组自润滑层进行分析，筛选出摩擦系数小且磨损量少的自润滑层；
S3、对装有步骤S2得到的摩擦系数小且磨损量少的自润滑层的三层复合自润滑轴瓦进行材料性能测试，得到三层复合自润滑轴瓦仿真参数；
S4、通过仿真软件建立基于步骤S3得到的三层复合自润滑轴瓦仿真参数的滚柱-轴瓦-柱塞结构模型；
S5、根据步骤S3得到的三层复合自润滑轴瓦仿真参数，在步骤S4的基础上，对三层复合自润滑轴瓦进行应力分布校核与厚度设计：包括以下子步骤：
S51、在考虑动载荷的工况下，通过仿真分析得到三层复合自润滑轴瓦中自润滑层在最大工作压力下的载荷；
S52、确定三层复合自润滑轴瓦中每层的厚度区间：根据步骤S4得到的滚柱-轴瓦-柱塞结构模型，得到三层复合自润滑轴瓦的总厚度为1~2 mm；依据三层复合自润滑轴瓦的总厚度对三层复合自润滑轴瓦中钢背层、自润滑层和铜粉层的厚度进行分组，利用仿真优化得到三层复合自润滑轴瓦中每层厚度的预设分配比范围；
S6、根据步骤S5得到的三层复合自润滑轴瓦中每层厚度的预设分配比范围，并结合步骤S1得到增强的自润滑层材料，加工得到三层复合自润滑轴瓦样件，并通过对三层复合自润滑轴瓦样件进行拟实工况测试，得到优化的三层复合自润滑轴瓦。
可优选的是，在步骤S1中，所述增强的自润滑层材料，其包括质量百分数为75%的聚醚醚酮、质量百分数为10%的聚四氟乙烯和质量百分数为15%的钛酸钾晶须。
可优选的是，在步骤S13中，所述纤维包括短碳纤维和玻璃纤维，所述无机材料包括二氧化硅和二氧化钛，所述金属氧化物包括碳酸钙晶须和三氧化二铝。
可优选的是，步骤S2中的摩擦磨损试验所需设备为环盘式摩擦磨损试验机，利用滚动轴承钢选择滚动轴承钢GCr15SiMn来模拟马达的滚柱，利用增强的自润滑层材料模拟三层复合自润滑轴瓦的自润滑层。
可优选的是，步骤S2中的摩擦磨损试验的分析包括摩擦系数、磨损率和表面形貌分析。
可优选的是，步骤S3中的材料性能测试包括测试屈服强度、密度、杨氏模量和泊松比。
可优选的是，在步骤S5中，所述钢背层的厚度分别设置为0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm和1.3mm，所述自润滑层的厚度小于所述铜粉层的厚度，所述自润滑层的厚度和所述铜粉层的厚度差为0.1 mm~0.15 mm。
可优选的是，所述三层复合自润滑轴瓦中铜粉层采用铜基合金粉末CuSn8Zn3，钢背层采用冷轧碳钢薄板及钢带。
可优选的是，步骤S6得到的优化的三层复合自润滑轴瓦中自润滑层厚度为0.1-0.2 mm，铜粉层厚度为0.15-0.25 mm，钢背层厚度为1.05-1.25 mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1. 本发明通过选用具有增强的自润滑层材料的三层复合自润滑轴瓦结构，对三层复合自润滑轴瓦进行力学分析，并优化其力学性能，有效提升三层复合自润滑轴瓦载荷，满足了内曲线马达在重载工况下的极大载荷。
2. 本发明在具有增强的自润滑层材料中添加固体润滑剂和偶联剂，同时从诸多改性方案组有一个较为系统的筛选方式，利用摩擦磨损试验与拟实试验相结合，结果更为精确，将具有增强的自润滑层材料应用于三层复合自润滑轴瓦的仿真校核，提高润滑性能。
3. 本发明在摩擦磨损试验中提供的油泵，实现在摩擦磨损试验过程中油液的循环，达到降温的目的。
附图说明
图1为本发明用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法的流程图；
图2为本发明用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法中滚柱-轴瓦-柱塞的结构图；
图3为本发明用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法中三层复合自润滑轴瓦的结构图；
图4为本发明用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法中摩擦磨损试验台及油泵图；
图5为本发明用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法中三层复合自润滑轴瓦的仿真应力变化云图；
图6为本发明用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法中三层复合自润滑轴瓦的主视图；
图7为本发明用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法中三层复合自润滑轴瓦的放大图。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦，如图3、图6和图7所示，包括自润滑层21、铜粉层22和钢背层23，铜粉层22采用铜基合金粉末（CuSn8Zn3），钢背层23采用冷轧碳钢薄板及钢带（sppc），自润滑层21为增强的自润滑层材料，包括质量百分数为75%的PEEK、质量百分数为10%的PTFE和质量百分数为15%的PTW。如图1所示，用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，包括不同参量的自润滑层和三层结构的轴瓦的两大方面的设计，具体的制作过程是这样实现的：
S1、根据内曲线液压马达所处的低速重载工况，通过配置不同参量的自润滑层材料对三层复合自润滑轴瓦的自润滑层进行改性，得到多组具有增强的自润滑层。
S2、根据步骤S1得到的多组具有增强的自润滑层，加工对应的自润滑层，并进行摩擦磨损试验，通过对试验后的多组自润滑层进行分析，筛选出本次试验中摩擦系数小且磨损量少的自润滑层；具体而言，摩擦磨损试验所需设备为环盘式摩擦磨损试验机，利用滚动轴承钢（GCr15SiMn）模拟马达的滚柱1，利用增强的自润滑层材料模拟三层复合自润滑轴瓦的自润滑层，摩擦磨损试验的分析，包括摩擦系数、磨损率和表面形貌，通过共聚焦显微镜、SEM扫描电镜和能谱仪等设备得到；进一步的，摩擦磨损试验包括摩擦磨损试验台4和油泵5，油泵5实现在摩擦磨损试验过程中油液的循环，达到降温的目的，如图4所示。
S3、对装有初步满足要求的自润滑层的三层复合自润滑轴瓦进行材料性能测试，得到三层复合自润滑轴瓦仿真参数。具体而言，材料性能测试，其包括屈服强度、密度、杨氏模量和泊松比。
S4、如图2所示，通过仿真软件建立基于步骤S3得到的三层复合自润滑轴瓦仿真参数的滚柱1-轴瓦2-柱塞3的结构模型，并确定三层复合自润滑轴瓦的结构和各层的材料。
S5、根据步骤S3得到的三层复合自润滑轴瓦仿真参数，在步骤S4的基础上，对三层复合自润滑轴瓦进行应力分布校核与厚度设计。
S6、根据步骤S5得到的三层复合自润滑轴瓦中每层厚度的预设分配比范围，并结合步骤S1得到增强的自润滑层材料，加工得到三层复合自润滑轴瓦样件，并通过对三层复合自润滑轴瓦样件进行拟实工况测试，得到优化的三层复合自润滑轴瓦。在本发明的一个优选实施例中，拟实工况试验测试，所用设备为滚柱-轴瓦式摩擦磨损试验测试台；优化的三层复合自润滑轴瓦中自润滑层的厚度为0.1-0.2 mm，铜粉层的厚度为0.15-0.25 mm，钢背层的厚度为1.05-1.25 mm。
进一步的，步骤S1中对配置不同参量的自润滑层材料对三层复合自润滑轴瓦的自润滑层进行改性的具体实施步骤为：
S11、在聚醚醚酮PEEK中依次添加固体润滑剂聚四氟乙烯PTFE和钛酸钾晶须PTW，并通过机械搅拌，得到混合中间产物。
S12、由于混合中间产物会发生严重的聚合现象，因此在步骤S11得到的混合中间产物中添加硅烷偶联剂KH550，减少混合中间产物的团聚体，并通过显微镜，从团聚体的大小和多少的角度观察混合中间产物无明显的团聚体，得到具有改性的自润滑层材料。
S13、在步骤S12得到的具有改性的自润滑层材料上依次添加不同比例的纤维、无机材料和金属氧化物，得到增强的自润滑层；具体而言，纤维，包括短碳纤维和玻璃纤维，短碳纤维按质量百分数分别为5%、10%、15%和20%不同的比例配置，玻璃纤维按质量百分数分别为15%、20%、25%、30%和35%不同的比例配置；无机材料，包括二氧化硅和二氧化钛，二氧化硅按质量百分数分别为1%、2%、3%、4%和5%不同的比例配置，二氧化钛按质量百分数分别为5%、10%、15%和20%不同的比例配置；金属氧化物，包括碳酸钙晶须和三氧化二铝，碳酸钙晶须按质量百分数分别为5%、10%、15%、20%、25%和30%不同的比例配置，三氧化二铝按质量百分数分别为1%、2%、3%、4%和5%不同的比例配置。
进一步的，步骤S5中对三层复合自润滑轴瓦进行应力分布校核与厚度设计的具体过程包括：
S51、在考虑动载荷的工况下，通过仿真分析得到三层复合自润滑轴瓦中自润滑层在最大工作压力下的载荷。
S52、确定三层复合自润滑轴瓦中每层的厚度区间：根据步骤S4得到的滚柱1-轴瓦2-柱塞3的结构模型，得到三层复合自润滑轴瓦的总厚度为1.5 mm；依据三层复合自润滑轴瓦的总厚度对三层复合自润滑轴瓦中每层的厚度进行分组，将钢背层23的厚度分别设置为0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm和1.3mm，将自润滑层21的厚度设置为小于铜粉层22的厚度，自润滑层21的厚度和铜粉层22的厚度差为0.1 mm~0.15 mm。通过设置不同厚度的钢背层23、自润滑层21和铜粉层22，利用仿真优化得到三层复合自润滑轴瓦中每层厚度的预设分配比范围。
以下结合实施例对本发明一种用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法做进一步描述：
S1、根据内曲线液压马达所处的低速重载工况，通过配置不同参量的自润滑层对三层复合自润滑轴瓦的自润滑层进行改性，得到多组具有增强的自润滑层，具体操作过程为：
S11、在聚醚醚酮PEEK中依次添加固体润滑剂聚四氟乙烯PTFE和钛酸钾晶须PTW，进行共混改性，并通过机械搅拌，得到混合中间产物。
S12、由于混合中间产物会发生严重的聚合现象，因此在步骤S11得到的混合中间产物中添加硅烷偶联剂KH550，减少混合中间产物的团聚体，并通过显微镜，从团聚体的大小和多少的角度观察混合中间产物无明显的团聚体，得到具有改性的自润滑层材料，具体成分组成分别为75%聚醚醚酮PEEK、10%聚四氟乙烯PTFE和15%钛酸钾晶须PTW。
S13、在步骤S12得到的具有改性的自润滑层上依次添加15%的短碳纤维、3%的二氧化硅和15%的玻璃纤维，得到增强的自润滑层材料。
S2、根据步骤S1得到的多组具有增强的自润滑层材料，加工对应的自润滑层21，并进行摩擦磨损试验，通过对试验后的多组自润滑层进行分析，首先采用共聚焦显微镜拍摄表面形貌图及磨痕图，计算平均磨痕；然后采用精度更高的SEM扫描电镜及能谱仪进行表面形貌拍摄及表面成分能谱扫描，筛选出本次试验中摩擦系数小且磨损量少的自润滑层。
S3、对装有初步满足要求的自润滑层的三层复合自润滑轴瓦进行材料性能测试，得到三层复合自润滑轴瓦仿真参数。
S4、如图2所示，通过仿真软件建立基于步骤S3得到的三层复合自润滑轴瓦仿真参数的滚柱1-轴瓦2-柱塞3的结构模型。
具体而言，由于单层轴瓦的强度差，无法在内曲线液压马达实际工作过程中为滚柱1提供足够的强度，因此采用三层复合自润滑轴瓦，初定三层复合自润滑轴瓦各层材料分别为：自润滑层21采用聚醚醚酮PEEK，铜粉层22采用铜基合金粉末CuSn8Zn3、钢背层23采用冷轧碳钢薄板及钢带sppc。
S5、根据步骤S3得到的三层复合自润滑轴瓦仿真参数，在步骤S4的基础上，对三层复合自润滑轴瓦进行应力分布校核与厚度设计。
S51、在考虑动载荷的工况下，通过仿真分析得到三层复合自润滑轴瓦中自润滑层在最大工作压力下的载荷，如图5所示，应力呈现从小到大在变小的分布规律，且最大应力值点出现在轴瓦内圆柱面轴向端面处。
S52、确定三层复合自润滑轴瓦中每层的厚度区间：根据步骤S4得到的滚柱1-轴瓦2-柱塞3的结构模型，三层复合自润滑轴瓦的总厚度为1~2 mm，而且在一个优选的实施例中三层复合自润滑轴瓦的总厚度为1.5 mm；依据三层复合自润滑轴瓦的总厚度对三层复合自润滑轴瓦中每层的厚度进行分组，通过设置不同厚度的钢背层23、自润滑层21和铜粉层22，利用仿真优化得到三层复合自润滑轴瓦中每层厚度的预设分配比范围。
S6、根据步骤S5得到的三层复合自润滑轴瓦中每层厚度的预设分配比范围，并结合步骤S1得到增强的自润滑层材料，加工得到三层复合自润滑轴瓦样件如图6和图7所示，并通过对三层复合自润滑轴瓦样件进行拟实工况测试，得到优化的三层复合自润滑轴瓦。
根据上述的制造方法，具体的验证结果如下：
实际三层复合自润滑轴瓦失效位置与等效应力云图中最大应力分布位置符合，步骤S51中的应力分布合理；三层复合自润滑轴瓦厚度预设分配比下的三层复合自润滑轴瓦耐磨损性能最好，进而验证步骤S6中仿真得到的三层复合自润滑轴瓦厚度预设分配比范围合理。添加15%短碳纤维改性增强相的三层复合自润滑轴瓦在拟实试验中表现效果最好。
因此，自润滑层21的厚度为0.1-0.2 mm，铜粉层22的厚度为0.15-0.25 mm，钢背层23的厚度为1.05-1.25 mm，自润滑层21所需要的材料为85%PEEK/PTFE/PTW和15%短碳纤维，铜粉层22所需要的材料为铜基合金粉末CuSn8Zn3，钢背层23采用冷轧碳钢薄板及钢带sppc的三层自润滑复合轴瓦性能最好。最终，设计筛选出自润滑性能最好且耐磨损的三层复合自润滑轴瓦。
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 (9)
1.一种用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其特征在于，具体实施步骤如下：
S1、根据内曲线液压马达所处的低速重载工况，通过配置不同参量的自润滑层材料对三层复合自润滑轴瓦的自润滑层进行改性，得到多组增强的自润滑层，包括以下子步骤：
S11、在聚醚醚酮中依次添加固体润滑剂聚四氟乙烯和钛酸钾晶须，并通过机械搅拌，得到混合中间产物；
S12、在步骤S11得到的混合中间产物中添加硅烷偶联剂，来减少混合中间产物的团聚体，得到改性的自润滑层材料；
S13、在步骤S12得到的改性的自润滑层材料上依次添加不同比例的纤维、无机材料和金属氧化物，得到增强的自润滑层；
S2、根据步骤S1得到的多组增强的自润滑层，加工对应的自润滑层，并进行摩擦磨损试验，通过对试验后的多组自润滑层进行分析，筛选出摩擦系数小且磨损量少的自润滑层；
S3、对装有步骤S2得到的摩擦系数小且磨损量少的自润滑层的三层复合自润滑轴瓦进行材料性能测试，得到三层复合自润滑轴瓦仿真参数；
S4、通过仿真软件建立基于步骤S3得到的三层复合自润滑轴瓦仿真参数的滚柱-轴瓦-柱塞结构模型；
S5、根据步骤S3得到的三层复合自润滑轴瓦仿真参数，在步骤S4的基础上，对三层复合自润滑轴瓦进行应力分布校核与厚度设计：包括以下子步骤：
S51、在考虑动载荷的工况下，通过仿真分析得到三层复合自润滑轴瓦中自润滑层在最大工作压力下的载荷；
S52、确定三层复合自润滑轴瓦中每层的厚度区间：根据步骤S4得到的滚柱-轴瓦-柱塞结构模型，得到三层复合自润滑轴瓦的总厚度为1~2 mm；依据三层复合自润滑轴瓦的总厚度对三层复合自润滑轴瓦中钢背层、自润滑层和铜粉层的厚度进行分组，利用仿真优化得到三层复合自润滑轴瓦中每层厚度的预设分配比范围；
S6、根据步骤S5得到的三层复合自润滑轴瓦中每层厚度的预设分配比范围，并结合步骤S1得到增强的自润滑层材料，加工得到三层复合自润滑轴瓦样件，并通过对三层复合自润滑轴瓦样件进行拟实工况测试，得到优化的三层复合自润滑轴瓦。
2.根据权利要求1所述的用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其特征在于，在步骤S1中，所述增强的自润滑层材料，其包括质量百分数为75%的聚醚醚酮、质量百分数为10%的聚四氟乙烯和质量百分数为15%的钛酸钾晶须。
3.根据权利要求1或者2所述的用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其特征在于，在步骤S13中，所述纤维包括短碳纤维和玻璃纤维，所述无机材料包括二氧化硅和二氧化钛，所述金属氧化物包括碳酸钙晶须和三氧化二铝。
4.根据权利要求1所述的用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其特征在于，步骤S2中的摩擦磨损试验所需设备为环盘式摩擦磨损试验机，利用滚动轴承钢选择滚动轴承钢GCr15SiMn来模拟马达的滚柱，利用增强的自润滑层材料模拟三层复合自润滑轴瓦的自润滑层。
5.根据权利要求1或者4所述的用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其特征在于，步骤S2中的摩擦磨损试验的分析包括摩擦系数、磨损率和表面形貌分析。
6.根据权利要求1所述的用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其特征在于，步骤S3中的材料性能测试包括测试屈服强度、密度、杨氏模量和泊松比。
7.根据权利要求1所述的用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其特征在于，在步骤S5中，钢背层的厚度分别设置为0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm和1.3mm，自润滑层的厚度小于铜粉层的厚度，自润滑层的厚度和铜粉层的厚度差为0.1 mm~0.15 mm。
8.根据权利要求1所述的用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其特征在于，所述三层复合自润滑轴瓦中铜粉层采用铜基合金粉末CuSn8Zn3，钢背层采用冷轧碳钢薄板及钢带。
9.根据权利要求1所述的用于内曲线液压马达的三层复合自润滑轴瓦的制造方法，其特征在于，步骤S6得到的优化的三层复合自润滑轴瓦中自润滑层的厚度为0.1-0.2 mm，铜粉层的厚度为0.15-0.25 mm，钢背层的厚度为1.05-1.25 mm。
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