简析液压缸摩擦力的特性及其改善措施.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 1 2期 简析液压缸摩擦力的特性及其改善措施 刘帮才， 范华志， 尹立松 ， 李 楠 ， 曹 颖 徐州徐工液压件有限公司 ， 江苏 徐州2 2 1 0 0 4 摘 要 液压缸作为液压 系统将液 压能转化为机械能 的主要执行元件 之一 ， 其工作效率将 不仅影响整机 的使用 ， 而且关系 到能源能否 得到有效利用 ．因而受到整个行业越来越多的关注。而液压缸摩擦力 的存在又是影 响液压缸工作效率 以及 工作 寿命 的最重要 因素之 一 。因此． 该文将结合摩擦学及液压密封理论对液压缸摩擦力从其影响、 特性以及理论计算等方面进行一定的研究分析， 并提出相应的 改善措施 。可为液压缸密封 的设计选择及 润滑提供 一定 的依 据。 关键词 液压缸 ； 摩擦力 ； 特性 ； 改善措施 中图分 类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 3 1 2 - 0 0 7 4 0 4 Ch a r a c t e ris t i c s An a l y s i s a n d I mp r o ve me nt M e a s ur e s o f t he Hyd r a u l i c Cy l i nd e r F ric t i o n L I U B a n g - c a i ， F AN Hu a - z h i ， Y I N L i - s o n g， L I Na n， C A0 Yi n g X u z h o u XC MG H y d r a u l i c s C o ． ，L t d ． ，X u z h o u 2 2 1 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c c y l i n d e r i s o n e o f t h e ma i n a c t u a t o r s f o r t r a n s l a t e h y d r a u l i c e n e r g y c x i n t o me c h a n i c a l e n e r g y ， i t s e ffic i e n c y w i l l n o t o n l y a ffe c t t h e u s e o f t h e ma c h i n e ， b u t a l s o r e l a t e d t o t h e e n e r gy c a n b e e ff e c t i v e l y u t i l i z e d ， a n d a t t r a c t s mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n o f the w h o l e i n d u s t r y ．Th e p r e s e n c e o f t h e f ri c t i o n o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r i s o n e o f t h e mo s t i mp o r t a n t f a c t o r s affe c t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r wo r k i n g e ffi c i e n c y a n d wo r k i n g l i f e ． Th e r e f o r e ， thi s p a p e r c o mb i n e s the t h e o r y o f t r i b o l o gy a n d h y d r a u l i c s e a l i n g f r o m e ff e c t s ， c h a r a c t e ris t i c s a n d t h e o r e t i c a l a s p e c t s o f c e r t a i n a mo u n t o f r e s e a r c h a n d a n a l y s i s ， a n d p u t for w a r d th e i mp r o v e me n t me a s u r e s ． T o p r o v i d e a b a s i s for d e s i g n a n d l u b ric a t e i n t h e s e a l o f h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ； f ri c t i o n； c h a r a c t e ris t i c s ； i mp r o v e me n t me a s u r e s 0 引言 近年来 ． 随着 国内大型工程的不断上马． 有力地推 动了起重机、 挖掘机 、 装载机等行业的快速发展 。而液 压缸作为它们 主要的执行元件 ．无疑也获得了最为迫 切的需求。相继 ， 液压缸的相关问题也逐一 突显出来 ， 如其工作效率及能量的转化能力 即是受到业界广泛关 注 的课题 在液压缸将液压能转化为机械能的工作过程 中 ． 摩擦力扮演了极为重要 的角色。它是影 响液压缸工作 效率及能量转化 的关键 因素 ．又是影响密封件寿命及 液压缸工作可靠性的决定 因素之一 。比如复杂的摩擦 特性甚至会造成液压缸的爬行、抖动甚至振荡冲击现 象 。因此 。 对其影响、 特性及改善措施的研究 ， 就变得更 为迫切而重要 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 3 作者简介 刘帮才 1 9 7 1 一 ， 男 ， 江苏永丰人， 高级工程师 ， 硕士 ， 主要从事液 压方面的技术研究工作 。 74 1 摩擦力对液压缸的影响 液压缸使用过程中 ．摩擦力 的来源主要是密封件 与配合面之间的摩擦 。因为密封面之间必然存在相对 运动 ． 有相对运动 ， 就会产 生摩擦。尤其是对于动密封 来说更是无法避免。而这种摩擦力的存在 ， 对液压缸来 讲 ． 是一把双刃剑 ， 既有其益处 ， 又有其危害。 一 方面 ．正由于摩擦 的存在才保证了润滑油膜 的 形成 ， 产生了有利于活塞杆运动的流体润滑 ； 同时在液 压缸有负负载 如配重液压缸 的情况下 ， 摩擦力 的存 在也有利于防止活塞杆随重物 的拉动 而快速 下滑 ． 而 且在液压缸启动和停止时也保证了启动速度 的平稳变 化 ， 表现 出了一定 的缓 冲能力 ； 而另一方 面 ， 摩擦会 给 密封件带来磨损 ． 破坏密封件 ． 降低密封件的有效密封 性 ． 实际就缩短 了密封件使用寿命 ． 同时摩擦热又会导 致橡胶材料等密封件加速老化 ， 会导致它提前失效 ． 同 样缩短密封件的使用期限 ．而且摩擦热又会 明显降低 摩擦部位液压油的粘度 ．粘度降低直接导致液压缸泄 漏量增加 。 其大小的不当 ， 甚至破坏润滑油膜 ， 反 之又 加剧密封件 的磨损 ． 对液压缸输 出来说 ． 就降低 了它的 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e Ms ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 3 输 出力 。 增加液压缸最低启动压力 。液压缸在低速运行 时 。 往往因为摩擦力的存在 。 而产生爬行现象。 由此来看 ．液压缸摩擦力 的存在是弊处 大于利 处 ， 因 此 ． 有必要着力改善这种摩擦的状况 ， 在保证流体润滑 的情况下 ． 适当降低摩擦力 的大小。 2 液压缸摩擦力的特性分析 2 ． 1 液压缸的摩擦机理 摩擦是密封面之 间在外部切 向力的作用下 ．发生 相对运动或者具有相对运动趋势 时．接触表 面所受 到 的阻碍作用 。按照密封摩擦面间的润滑状态 ．可以分 为 干摩擦 、 边界摩擦、 混合摩擦和流体摩擦 四种状态。 在液压缸工作过程 中．干摩擦一般是发生在运动 停 留时 间较长 ， 而重新启 动时 ， 此 时的磨损最 为严重 ； 随着速度增大 ． 但速度仍较低时 ． 润滑油膜在接触压力 的作用下 ． 被挤成厚度很小的薄膜 ． 其厚度如果与密封 表面凹凸不平 的粗糙度相当 ．那么此时间隙之间的油 膜不完整 。 密封面之间有直接的接触 。 而造成较大的磨 损 ， 此时即处于边界摩擦状态 ； 随着相对运动速度 的提 高 。 油液运动产生的动力使油膜厚度增加 ， 从而形成流 体摩擦 即油膜润滑 ， 这种状态 ． 摩擦最小 ， 是最理想 的 状态 但 由于实 际密封运动表面相对速度和密封压力 变化范 围很广 ．因此单独的某种摩擦状态是很少存在 的． 即混合摩擦才是液压缸最为常见的摩擦状态 。 运动速度与摩擦状态、 磨损 的关系 ， 如图 1所示 王 i I 鋈 -- I - 壁 堡 垂 摩擦速厦 图 1 运动速度与摩擦状态 、 磨损的关系 2 ． 2 液压缸摩擦的影响因素 通过试验发现 ．对液压缸摩擦 系数有影响因素的 主要包括法向裁荷、 滑动速度 、 温度 、 表面粗糙度 、 材质 等方面 ； 而对摩擦力来讲 ， 还与润滑液的性质 、 油液介 质的压力 、 密封 的类型等等有关 此方面介 绍较多 ， 在 此省略 。 针对影响液压缸摩擦系数的因素， 展开叙述如下 1 法向载荷 在弹性接触情况下 ．由于液压缸配合面之间真实 接触 面积与载荷有关 ．摩擦系数将 随载荷的增加而越 过一极大值 。参见式 1 s 1 式中A 液压缸摩擦部位实际接触面积 S 一摩擦处单位摩擦阻力 当载荷足够大时 ．配合面之 间真实接触面积变化 减缓 ， 因而摩擦 系数趋于稳定 ； 在 弹塑性接触情况下 ， 材料 的摩擦系数 随载荷的增大而越过一极大值 ．然后 随载荷 的增加塑性变形增大 ． 弹性效果变弱 ． 因而摩擦 系数逐渐减小 摩擦系数与法向载荷的关系变化曲线如图 2 籁 1 l { ； 蓉 法 向载荷 图 2 法 向载荷与摩擦系数的关系 2 滑动速度 图 3所示 为液压缸 摩擦 系数 随滑 动速度 的增加 会 出现一最大值 。在各种不 同载荷作用下均存在这种 关 系。载荷越 大 。 摩擦系数的最大值越往纵坐标方 向 移 动。 籁 缝 静 1 一 重 载2 一 中载3 一 轻 载 图 3 滑动速度与摩 擦系数的关系 3 温度 液压缸工作时 ．摩擦在摩擦副相互滑动过程 中会 引起温度变化 ．温度变化使表面材料性质改变从而又 使摩擦系数变化。此外 ． 温度变化又会随着摩擦副工作 条件的改变而发生不同的变化。 4 表面粗糙度 目前 的试验研究表明 。 在塑性接触情况下 ． 由于表 面粗糙度对实际接触 面积的影响不大 ．故对摩擦系数 影响不大。但是对于弹性或弹塑性型接触的干摩擦情 况 ， 表面越光滑 。 实 际面积也就越大 ， 以及 由于表面分 子吸引力有效地发生作用 ， 使摩擦系数增大。 而对于混合摩擦 ． 表面越光滑 ， 润滑剂所覆盖面积 就越大， 摩接系数也就相应地变小。 同时 ． 动摩擦系数和静摩擦系数随表面粗糙度 的变 化是不一样 的静摩擦系数 随表面粗糙度的增大而减 小 ； 动摩擦系数 随表面粗糙度减小通过一最小值 。 如图 4所示 ．并且滑动速度越大最小值越接近纵坐标 的起 75 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 1 2期 点。 可以认为表面粗糙 ， 对机械变形起作用 ， 使得摩擦系 数增大； 反之表面光滑 ， 对分-T - I 力起作用 ， 也使摩擦 系数变大 ， 所 以有一个摩擦系数最小的表面粗糙度 。 籁 璐 表 面粗糙度 图 4表面粗糙度 与摩擦 系数的关 系 5 材 质 液压缸摩擦副之间的摩擦系数随配对材料性质 的 不 同而有所不 同。一般说来 ， 互镕性较大的摩擦副 ． 比 较容易发生粘着现象 ． 其摩擦系数较大。如常用的工程 塑料 。 其摩擦系数约在 O ． 2 ～ 0 ． 4 4之 间． 但聚 四氟乙烯却 是例外 ， 因为这种材料有长 的刚性分子链 ． 氟原子有效 地遮蔽 了碳原子 ， 使分子间的内聚力降低 ， 从 而使表面 分子彼此易于滚动或滑动 所 以聚四氟 乙烯 的摩擦系 数很低 ， 大约在 O ． 0 5左右 。 所以选择合适 的配合材料也 很重 要 。 6 表面膜的影响 液压缸多采用金属材料 ．而金属材料表面上总是 易覆 盖着一层氧化膜和其他污染 物质 ． 表 面上 的这类 薄膜具有一定 的强度 。如果外 载没有超过一定 限度 。 而表面的摩擦实际上是表 面薄膜间的摩擦 当表面外 载过大或者 由于温度等其它因素使表面膜破裂时才会 发生接触面之间的直接接触形成表面粘着 尽管表面 膜 的厚度很薄 只有 n m数量级 ， 但 它对摩 擦有重要 的影响 。薄膜的强度 比金属材料低 ． 它是易于剪切的。 过厚 的表面膜将使摩擦增大 ． 因为此时 的摩擦过程发 生在 表面膜 内 而温度会影 响表面膜在 表 面上 的吸 附 ， 还会影响它的厚度 。 从 而改 变了表面膜 的作用 ． 影 响摩擦的大小。因此 ， 需有效利用温度 ， 优化表面膜 的 影响 。 2 ． 3 液压缸摩擦力的计算 以液压缸活塞密封 见图 5 为研究对象 ， 依托流体 动力密封理论 ， 从雷诺方程中可推 出油膜高度 h 。 7 6 一 图 5 液压缸活塞密封简图 2 2 由上式可知 ，密封面运动过程 中形成的油膜高度 主要取决于压力梯度的分布以及相对运动速度 设作用在滑动密封面上的剪切应力为 ， r ． 于是摩擦 力 F为 F “tr D J 。 r d x 3 式中 密封面接触宽度 D 缸体的内径 剪切应力 T 由下式得 出 下 4 将式 3 和 4 ， 整合变换后 ， 得摩擦力 ㈣ 引入无量纲坐标 x ／ B和变量 R． 于是 』 【4 一 3 J c6 在将式 2 的 代人 ， 得出活塞处摩擦力 p 3 ／ 2 、 ／ 2 “ t r D B lZ W A R 7 即活塞处 摩擦力 的大 小与缸 体 内径 配合 面直 径 、 密封接触宽度 、 相对运动速度 以及压力分布梯度 等有关 3 改善措施 通过以上对液压缸摩擦力 的深入剖析 ．可以得知 影响液压缸摩擦的主要 因素 ． 针对各主要因素 ． 提出如 下改善措施 1 密封径 向载荷 由油压及密封型式决定 的设 计选择时 ． 在满足密封效果 的前提下 ． 尽量降低载荷的 大小 ， 可通过改进密封型式实现 2 在滑动速度的设计中 。 速度值 的选择要远离摩 擦力最大的那一点 ， 同时尽量使其处于流体润滑状态 3 在系统设计 中， 注重液压缸 工作温度的控制 ． 确保温度变化不至于过快 、 过大 ， 也可 以通过在介质中 添加改进剂 ， 控制油液的温度 ， 保证润滑效果 ； 4 高压工作时 ， 可在介质 中添加硫、 氯 、 磷 的化合 物 ， 有助于形成高压下的润滑膜 5 密封面的粗糙度设计 中， 尽可能去接近摩擦 系 数与粗糙度关系曲线 中最低的那一点 另外 ， 粗糙度 过低 ， 不易形 成油膜 过 高 。 加 快磨 损 。建议 选为 R a 0 ． 1 6 ～ 0 ． 4 0 1a , m，亦 可提高到 R a 0 ． 2 5 ～ 0 ． 6 3 1a , m。 6 润滑部位添加 固体润滑剂 ， 一方 面高温下不会 发挥 ， 油液 消失 的地方仍可产生润 滑膜 ； 另一方面 ， 在 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 3 上接第 7 3页 时 。 平衡 阀才开启 ， 进人工作状态。当控制压力不断增 大时． 随着 阀口开度 的增加 ． 通流面积也 随之增加 。当 控制压力达到 0 ． 4 6 MP a 时 ． 阀 口达到最 大开度 ． 通流面 积达到最大 为研究平衡 阀的动态特性对 系统稳定性 的影 响 ． 在负载下落工况对系统的压力进行仿真分析 ．如图 6 所 示 2 8 2 4 2 O 1 2 8 4 控制压力／ ] ／I P a 图 5平衡 阀动态特性 曲线 0 2 4 6 8 1 O 1 2 l 4 1 6 时间／ s 图 6 负载下落时 系统压力 从 图中可以看 出． 在负载下落工况 ， 系统压力有很 大波动 ， 最大波动幅度可达到 4 MP a ， 对起重机稳定性 影响很大 3 优化措施 为了解决平衡 阀对系统稳定性的影 响，对平衡 阀 结构进行优化 ， 减小平衡阀控制 口阻尼孔 直径圈， 然后 再进行仿真分析 。 得到优化后 的系统压力曲线 ， 如图 7 所 示 图 7优 化 后 系 统 压 力 曲线 优化后 ． 系统压力波动明显减弱 ． 说明平衡 阀控制 口阻尼孔直径对系统稳定性有很大影响 ．即减小阻尼 孔直径 ， 可以提高系统稳定性。但是 ， 阻尼孔直径也不 能随意减小 ． 直径过小会增加压力损失 ． 并使起升效率 降低 。因此应该在保证系统工作正常的情况下 。 采用最 佳孔径 ． 提高系统稳定性 。 4结 论 本文通过对平衡阀动态特性的分析 ． 找出其结构中 对系统稳定性产生影响的因素 ． 在不改变系统工作安全 的情况下 ， 通过仿真的方法对控制 口阻尼孔直径进行优 化改进 ． 仿 真结果表明。 平衡 阀控制 E l 阻尼孔直径大小 对系统稳定性会产生直接影响 。 减小直径大小 ． 可以提 高系统稳定性 ， 优化方法可行 。 有一定实用意义 。 参考 文 献 [ 1 ] 潘权， 颜 荣庆， 李 自光． 新 型液压平衡 阀动态特性研究 [ J ] ． 长沙 交通学院学报，2 0 0 3 ， 1 9 3 1 9 ～ 2 3 ． 『 2 ] 姚平 喜， 张恒 ， 等． 负载敏感平衡 阀动态特 性仿真及 参数优化 研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 4 2 9 3 3 ． 『 3 ] 李坤 ， 贾跃虎 ， 刘天勋 ． 基 于 A ME S i m 的螺 纹插装式 平衡 阀动 态特性仿真研究[ J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 2 ， 3 4 1 - 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