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閱讀：1808發(fā)布時(shí)間：2018-7-26
摩擦學(xué)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(xué)的穆任霍夫教授、還有普渡大學(xué)的莫妮卡教授，他們都認(rèn)為摩擦學(xué)設(shè)計(jì)是液壓泵/馬達(dá)設(shè)計(jì)的核心，我贊同他們的觀點(diǎn)。為什么呢？原因有四點(diǎn)，雙重功能、雙重目標(biāo)、缺乏理論、不易反求。
我們來(lái)看齒輪泵，齒輪泵里的齒輪不但像一般的機(jī)械傳動(dòng)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(biāo)：節(jié)能減排和延長(zhǎng)壽命，節(jié)能減排是時(shí)代的要求，壽命是國(guó)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(dǎo)致失效。
摩擦學(xué)缺乏統(tǒng)一的理論。國(guó)外有學(xué)者在1995～1996年間做過(guò)統(tǒng)計(jì)，在1965到1995這三十年間，摩擦學(xué)建立的公式有325條，變量超過(guò)了625個(gè)，這些公式的適用范圍都非常窄。那么有人可能要問(wèn)：這是九十年代統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在過(guò)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(méi)有統(tǒng)一，反而更加百家爭(zhēng)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(xué)這尊大神。既然是核心那么重要，那我們重視了嗎？我覺(jué)得是沒(méi)有，至少是重視得不夠。
摩擦學(xué)的知識(shí)
◆液壓元件摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)是什么樣？對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)是非常關(guān)鍵的，它決定了你解決問(wèn)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(rùn)滑的，原因也有四點(diǎn)：①流體潤(rùn)滑泄漏量（Q∝?Ph3）過(guò)大；②如果是流體潤(rùn)滑，密封面有可能會(huì)分離，存在密封失效的風(fēng)險(xiǎn)，特別是配流盤(pán)；③這不是一個(gè)穩(wěn)健的設(shè)計(jì)，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(guān)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(rùn)滑，那么除了啟動(dòng)、停車這短暫的時(shí)間之外，這些耐磨的高強(qiáng)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(rùn)滑，或者是邊界潤(rùn)滑，甚至是干摩擦。
在邊界潤(rùn)滑條件下，Q∝?Ph2，泄漏量與間隙h的平方成正比，這個(gè)公式據(jù)我了解是比較可靠的。在這種邊界潤(rùn)滑條件下，流體的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)也類似于人通過(guò)酒店的旋轉(zhuǎn)門(mén)，從這個(gè)湖旋轉(zhuǎn)到那個(gè)湖，在這種潤(rùn)滑狀態(tài)下，材料的抗磨損性能、材料的熱力學(xué)性能、潤(rùn)滑油的吸附能力，降低和均化應(yīng)力這些方面，才是解決問(wèn)題的出路。
◆關(guān)于磨損的假說(shuō)。所謂假說(shuō)是指對(duì)問(wèn)題作出試探性的、可檢驗(yàn)的解答。這個(gè)概念在科學(xué)研究中是非常重要的。那么，摩擦副為什么會(huì)磨損呢？人們提出了很多假說(shuō)，比較有代表性的有這么四條：臨界溫度假說(shuō)、顆粒承載假說(shuō)、絕熱剪切不穩(wěn)定假說(shuō)、臨界PV值假說(shuō)，臨界PV值假說(shuō)是大家都熟悉的。簡(jiǎn)單的介紹下前面的三種。
臨界溫度假說(shuō)。它認(rèn)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(shuō)，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(huì)發(fā)生磨損，只要溫度超過(guò)臨界值就會(huì)發(fā)生磨損。
顆粒承載假說(shuō)。它認(rèn)為當(dāng)載荷主要由顆粒承擔(dān)的時(shí)候，就發(fā)生磨損。雖然這個(gè)時(shí)候有油膜，但是油膜不起作用，它沒(méi)有壓力。顆粒從哪里來(lái)的？一個(gè)是環(huán)境的污染，第二個(gè)是材料的剝落。
絕熱剪切不穩(wěn)定假說(shuō)。這個(gè)是美國(guó)阿貢（Argonne）實(shí)驗(yàn)室2005年提出的，他持續(xù)研究到近這兩年，這種假說(shuō)認(rèn)為摩擦?xí)l(fā)生塑性變形，塑性變形又導(dǎo)致兩種對(duì)立的現(xiàn)象：一種是位錯(cuò)增多，強(qiáng)度增大；它的對(duì)立面呢，是溫度升高，材料軟化。這兩種現(xiàn)象打架，當(dāng)“熱軟”超過(guò)“功硬”的話，摩擦副就會(huì)發(fā)生磨損。
◆設(shè)計(jì)變量。見(jiàn)圖1，從大的方面講，設(shè)計(jì)變量有這幾個(gè)方面：材料、工況、幾何參數(shù)和環(huán)境。
圖1 設(shè)計(jì)變量
材料包括晶體結(jié)構(gòu)，面式立方、體式立方，還是密排六方。還有一個(gè)很重要的是硬度，硬度這個(gè)我要多說(shuō)一下，硬度有一個(gè)很關(guān)鍵的指標(biāo)就是熱硬性，摩擦副工作過(guò)程中的硬度跟常溫下測(cè)的硬度可能有很大的不同。
幾年前我公司里有個(gè)客戶，因?yàn)樗淖兞斯r，也存在這種批量的磨損問(wèn)題，我就是通過(guò)改變了摩擦副的熱硬性解決了他的問(wèn)題。這幾年來(lái)，這個(gè)客戶經(jīng)常要用這種工藝，這就為客戶解決了問(wèn)題。工況包括載荷、速度等。無(wú)論是理論研究，還是我自己的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度、剛度、應(yīng)力大小的角度去考慮，我們還應(yīng)該從熱力學(xué)、傳熱學(xué)的角度去考慮問(wèn)題。圖2是我做的一個(gè)設(shè)計(jì)。這兩個(gè)零件組成一對(duì)摩擦副，左邊是改進(jìn)之前的，右邊是改進(jìn)之后的。我在這里通過(guò)鑄造的辦法掏去了一塊，這樣就縮短了熱流通道，擴(kuò)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(qiáng)的時(shí)間依賴性、系統(tǒng)依賴性和強(qiáng)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(xué)領(lǐng)域新出來(lái)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(gè)區(qū)，輕微磨損區(qū)、輕度磨損區(qū)、嚴(yán)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(jìn)入了這個(gè)區(qū)域，只要你把載荷或者是速度降下來(lái)，它就可以回到正常的磨損區(qū)。嚴(yán)重磨損區(qū)是不可逆轉(zhuǎn)的，這里有個(gè)臨界點(diǎn)s，當(dāng)速度比較高的時(shí)候，它可以不經(jīng)過(guò)這個(gè)可逆轉(zhuǎn)區(qū)，直接由正常區(qū)過(guò)渡到嚴(yán)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(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，它的意義在于可以作為設(shè)計(jì)的判據(jù)，判斷設(shè)計(jì)的變量是不是安全的，同時(shí)技術(shù)人員、科學(xué)家應(yīng)該設(shè)法去擴(kuò)大這個(gè)安全區(qū)。
圖3 二維磨損圖
圖4 三維磨損圖
◆知識(shí)的獲取途徑。英國(guó)拜倫說(shuō)過(guò)：要有獨(dú)到的見(jiàn)解，必須多思少讀，這是不可能的，學(xué)會(huì)思考之前，勢(shì)必已經(jīng)閱讀。所以知識(shí)的獲取途徑主要是兩點(diǎn)，一個(gè)科技人員應(yīng)該要廣泛的閱讀世界科技文獻(xiàn)，第二個(gè)要自己做科學(xué)實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)不等于生產(chǎn)勞動(dòng)，雖然他們可以籠統(tǒng)地稱為實(shí)踐，只有科學(xué)實(shí)驗(yàn)，才是出真知的實(shí)踐。
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