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重慶潤翔機械設備制造有限公司
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閱讀：1813發(fā)布時間：2018-7-26
摩擦學在液壓元件中的重要性
哈工大的許耀明教授、亞琛工業(yè)大學的穆任霍夫教授、還有普渡大學的莫妮卡教授，他們都認為摩擦學設計是液壓泵/馬達設計的核心，我贊同他們的觀點。為什么呢？原因有四點，雙重功能、雙重目標、缺乏理論、不易反求。
我們來看齒輪泵，齒輪泵里的齒輪不但像一般的機械傳動那樣要起到傳力的作用，他還要起到密封的作用，這就是所謂的雙重功能：傳力和密封。
雙重目標：節(jié)能減排和延長壽命，節(jié)能減排是時代的要求，壽命是國產(chǎn)件與*水平重要的差別。摩擦引起了能耗，摩擦也引起了磨損，磨損就導致失效。
摩擦學缺乏統(tǒng)一的理論。國外有學者在1995～1996年間做過統(tǒng)計，在1965到1995這三十年間，摩擦學建立的公式有325條，變量超過了625個，這些公式的適用范圍都非常窄。那么有人可能要問：這是九十年代統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在過去二十年了，理論是否統(tǒng)一了呢？那我可以回答大家，理論不但沒有統(tǒng)一，反而更加百家爭鳴、公式更多。
不易反求。我們講的形似神不似，神主要就是摩擦學這尊大神。既然是核心那么重要，那我們重視了嗎？我覺得是沒有，至少是重視得不夠。
摩擦學的知識
◆液壓元件摩擦副的潤滑狀態(tài)是什么樣？對這個問題的認識是非常關鍵的，它決定了你解決問題的方法。前面講到液壓元件摩擦副要起到密封的作用，這就決定了在大多數(shù)情況下，摩擦副是不可能形成流體潤滑的，原因也有四點：①流體潤滑泄漏量（Q∝?Ph3）過大；②如果是流體潤滑，密封面有可能會分離，存在密封失效的風險，特別是配流盤；③這不是一個穩(wěn)健的設計，有人推薦理想的油膜厚度是10～20μ，那么從10～20μ，由于三次方的關系，泄漏量差了8倍；④我們從另外的角度考慮，如果真的形成了流體潤滑，那么除了啟動、停車這短暫的時間之外，這些耐磨的高強度材料有什么意義呢？所以液壓元件摩擦副在多數(shù)情況下，只能是混合潤滑，或者是邊界潤滑，甚至是干摩擦。
在邊界潤滑條件下，Q∝?Ph2，泄漏量與間隙h的平方成正比，這個公式據(jù)我了解是比較可靠的。在這種邊界潤滑條件下，流體的運動不是連續(xù)的，油膜在摩擦副的表面上分布類似在高空往下觀看群湖。流體的運動也類似于人通過酒店的旋轉門，從這個湖旋轉到那個湖，在這種潤滑狀態(tài)下，材料的抗磨損性能、材料的熱力學性能、潤滑油的吸附能力，降低和均化應力這些方面，才是解決問題的出路。
◆關于磨損的假說。所謂假說是指對問題作出試探性的、可檢驗的解答。這個概念在科學研究中是非常重要的。那么，摩擦副為什么會磨損呢？人們提出了很多假說，比較有代表性的有這么四條：臨界溫度假說、顆粒承載假說、絕熱剪切不穩(wěn)定假說、臨界PV值假說，臨界PV值假說是大家都熟悉的。簡單的介紹下前面的三種。
臨界溫度假說。它認為油膜破裂是磨損的必要條件，臨界溫度是磨損的充分條件。意思是說，發(fā)生了磨損，油膜必然是破裂了的；但是油膜破裂不一定會發(fā)生磨損，只要溫度超過臨界值就會發(fā)生磨損。
顆粒承載假說。它認為當載荷主要由顆粒承擔的時候，就發(fā)生磨損。雖然這個時候有油膜，但是油膜不起作用，它沒有壓力。顆粒從哪里來的？一個是環(huán)境的污染，第二個是材料的剝落。
絕熱剪切不穩(wěn)定假說。這個是美國阿貢（Argonne）實驗室2005年提出的，他持續(xù)研究到近這兩年，這種假說認為摩擦會發(fā)生塑性變形，塑性變形又導致兩種對立的現(xiàn)象：一種是位錯增多，強度增大；它的對立面呢，是溫度升高，材料軟化。這兩種現(xiàn)象打架，當“熱軟”超過“功硬”的話，摩擦副就會發(fā)生磨損。
◆設計變量。見圖1，從大的方面講，設計變量有這幾個方面：材料、工況、幾何參數(shù)和環(huán)境。
圖1 設計變量
材料包括晶體結構，面式立方、體式立方，還是密排六方。還有一個很重要的是硬度，硬度這個我要多說一下，硬度有一個很關鍵的指標就是熱硬性，摩擦副工作過程中的硬度跟常溫下測的硬度可能有很大的不同。
幾年前我公司里有個客戶，因為他改變了工況，也存在這種批量的磨損問題，我就是通過改變了摩擦副的熱硬性解決了他的問題。這幾年來，這個客戶經(jīng)常要用這種工藝，這就為客戶解決了問題。工況包括載荷、速度等。無論是理論研究，還是我自己的實驗都表明速度比載荷更加容易引起溫升。
幾何方面，面積、形狀、尺寸等等。這些幾何方面的變量，不但要從一般的強度、剛度、應力大小的角度去考慮，我們還應該從熱力學、傳熱學的角度去考慮問題。圖2是我做的一個設計。這兩個零件組成一對摩擦副，左邊是改進之前的，右邊是改進之后的。我在這里通過鑄造的辦法掏去了一塊，這樣就縮短了熱流通道，擴大了散熱的面積。環(huán)境，包括溫度、污染等，這些變量，它有很強的時間依賴性、系統(tǒng)依賴性和強的耦合性。
圖2 改變幾何形狀、提高摩擦性能
◆磨損圖是指將影響因素與磨損率集合在一起的圖表，這是摩擦學領域新出來的概念。圖3是一張二維磨損圖，在由載荷和速度組成的二維平面里劃分三個區(qū)，輕微磨損區(qū)、輕度磨損區(qū)、嚴重磨損區(qū)。輕微磨損屬于正常的磨損，輕度磨損是可逆的磨損，意思是進入了這個區(qū)域，只要你把載荷或者是速度降下來，它就可以回到正常的磨損區(qū)。嚴重磨損區(qū)是不可逆轉的，這里有個臨界點s，當速度比較高的時候，它可以不經(jīng)過這個可逆轉區(qū)，直接由正常區(qū)過渡到嚴重磨損區(qū)。圖4是三維磨損圖，除了載荷和速度之外，還加上了溫度。磨損面之下，屬于安全區(qū)，磨損面之上屬于不安全區(qū)。磨損圖對于工程師來說，它的意義在于可以作為設計的判據(jù)，判斷設計的變量是不是安全的，同時技術人員、科學家應該設法去擴大這個安全區(qū)。
圖3 二維磨損圖
圖4 三維磨損圖
◆知識的獲取途徑。英國拜倫說過：要有獨到的見解，必須多思少讀，這是不可能的，學會思考之前，勢必已經(jīng)閱讀。所以知識的獲取途徑主要是兩點，一個科技人員應該要廣泛的閱讀世界科技文獻，第二個要自己做科學實驗?？茖W實驗不等于生產(chǎn)勞動，雖然他們可以籠統(tǒng)地稱為實踐，只有科學實驗，才是出真知的實踐。
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