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De c．2 01 2 机床与液压 Hy d r o me c ha t r o n i c s Eng i n e e rin g Vo 1 ． 4 0 No ． 2 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 4 ． 0 1 8 The The r mo d y na mi c s S i mu l a t i o n An a l y s i s f o r t h e Lub r i c a n t Ch a m b e r o f a n Ax i a l Pi s t o n W a t e r Hy d r a u l i c Pu mp TANG Hu i ，W U De f a，TANG Z h e n y u，L I Do n g l i n，L I U Yi n s h u i Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g． H u a z h o n g U n w e n i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，W u h a n 4 3 o o 7 4， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， a t h e r mo d y n a mi c e q u a t i o n o f t h e ma j o r mo v i n g p a rt s i n lu b r ic a n t c h a m b e r o f o i l ． wa t er s e p a r a t i o n a x ia l p is t o n wa t e r h y d r a u li c p u mp is e s t a b l is h e d， a n d a h e a t b a l a n c e e q u a - t i o n o f t h e lu b r i c a n t c h a mb e r s y s t e m is o b t a i n e d．Th r o u g h n u me r i c a l s i mu l a t i o n b y u s i n g Ma t l a b， t h e e q u i li b r i u m t e mp er a t u r e o f o i I j fl t h e I u b r ic a n t c h a mb e r is o b t a i n e d．a n d t h e c h a n g e o f v i s c o s i t 、 ， f O r t h e o i l a n d t h e wo r k i n g c o n d it i o n s o f t h e f r i c t ion p a i r i n t h e I u b r i c a n t c h a mb e r i s a n a l y z e d ． Th e r e s e a r c h o f t h is a r t i c le h a s a g u id i n g s i g n if i c a n c e a n d r e f e r en c e v a l u e t o d e s ig n t h e o i l 。 wa t e r s e p ar a t io n wa t e r h y d r a u l ic p u mp a n d t h e c h o o s e l u b r ic a t i n g o i I o f t h e I u b r ic a n t c h a mb e r ． K e y wo r d s wa t e r h y d r a u l ic s，o i l - wa t e r s e p a r a t i o n，p i s t o n p u mp，t h e r mo d y n a mic s T he wa t e r h y d r a u l i c t e c h no l o g y i s o ne o f t he mo s t s o p h i s t i c a t e d t e c h n o l o g i e s i n mo d e m h y d r a u l i c fi e l d ．I t c a n b e u s e d w i d e l y i n t h e fi e l d o f i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n a n d o t h e r fi e l d s s i n c e w a t e r me d i u m h a s t h e a d v a n t a g e s o f e x t e n s i v e s o u r c e s ， g o o d fl a me r e t a r d a n c e ，l o w c o s t a n d n o n p o l l u t i o n[ 1 ] ．T h e c o r e c o mpo n e n t s o f wa t e r h y d r a u l i c s y s t e m a r e wa t e r h y - d r a u l i c p u mp a n d mo t o r， t h e i r pe rfo r ma n c e a f f e c t s t h e r e l i a bi l i t y o f t h e wh o l e wa t e r h y d r a u l i c s y s t e m． Th e o i l wa t e r s e p a r a t i o n a x i a l pi s t o n wa t e r h y ． d r a u l i c p u mp s e p a r a t e s t h e l u b ric a n t c h a mb e r a n d wa t e r c h a mb e r b y u s i ng s p e c i a l s e a l s t r uc t u r e t o p r e v e n t t he l e a k a g e o f o i l a n d wa t e r ． Co mp a r e d wi t h t he p i s t o n f ric t i o n p a i r s l u b ri c a t e d b y mi x e d o i l - wa t e r ， t h e o t he r f r i c t i o n p a i m o f t he p ump，s uc h a s t h e b e a r - i n g f ric t i o n p a i r ，s wa s h p l a t e ／s l i p p e r ma t c h i n g pa i r s a n d s l i p p e r s o c k e t ， a r e i mme r s e d i n t h e l u b r i e a n t c h a mb e r a n d l u b r i c a t e d b y o i l ．T h e s t ruc t u r e o f o i l wa t e r s e p a r a t i o n e f f e c t i v e l y s o l v e s t h e p r o b l e m o f s e ． 1 e c t i n g ma t c h e d ma t e ria l s o f t h e k e y f ri c t i o n p a i r s a n d t h e i r s e ri o u s we a r o u t u n d e r w a t e r l u b ri c a t i o n ． T h e w o r k i n g c o n d i t i o n o f t h e f r i c t i o n p a i r s i n t h e Re c e i v e d2 0 1 20 81 2 N a t i o n a l Hi g h t e c h R D 8 6 3 P r o g r a m， N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n s o f C h i n a 5 0 9 7 5 1 0 1 T ANG Hu i ． E ma i l i u h g n a t 1 2 6 ． c o m l u b ri c a n t c h a mb e r a r e a f f e c t e d b y l u b ri c a n t c h a r a c t e r ． i s t i c s ，e s p e c i a l l y，t h e v i s c o s i t y o f t h e o i l ，wh i c h i s r e l a t e d wi t h p r e s s u r e a n d t e mp e r a t u r e ．T h e l u b r i c a n t c h a mb e r o f o i 1 - wa t e r s e p a r a t i o n a x i a l p i s t o n wa t e r h y d r a u l i c p u mp i s a c l o s e d c o n s t a n t v o l u me c h a mb e r a n d t h e p r e s s u r e o f t h e c h a mb e r i s a s s a me a s a t mo s - p h e r i c pr e s s u r e ． Th e r e f o r e， t h e t e mp e r a t u r e i s t h e ma i n f a c t o r t h a t a f f e c t s o i l v i s e o s i t y i n t h e l u b ric a n t c h a mb e r ． Th e f r i c t i o n pa i r s， v i s c o s i t y r e s i s t a n c e o f t h e c o mp o ne n t s a nd l u b ric a t i n g me d i u m wi l l p r o d u c e l o t s o f h e a t ，w h i c h c a n n o t b e c a r r i e d a w a y i mme d i a t e l y b e c a u s e o f t h e s ma l l h e a t r a d i a t i o n a r e a o f t h e c l o s e d l u b r i c a n t c h a mb e r ．I n t h i s c a s e．t h e o i l t e rn p e r a t u r e wi l l be i n c r e a s e d a n d t h e l u b ric a t i o n p r o p e r t y wi l l b e i n fl u e n c e d ．T h e r e f o r e ，t h e t h e rm o d y n a mi c s t u d y o f t h e l u b ri c a n t c h a mb e r i s i mp o r t a n t a n d n e e e s s a r y Th i s p a p e r a n a l y z e s t he o i l t e mp e r a t u r e v a r i a t i o n i n t h e l u b ric a n t c h a mb e r o f the o i l wa t e r s e p a r a t i o n a x i a l p i s t o n wa t e r h y d r a u l i c p u mp t h r o u g h t h e r mo d y - n a mi c s s i mu l a t i o n，wh i c h p r o v i d e s t h e b a s i s t o a n a l y z e t he c h a n g e o f v i s c o s i t y a n d t h e wo r k i n g c o n d i t i o n o f f r i c t i o n pa i r s c o n t a i n e d i n t he l u br i c a n t c h a mbe r ． Th e r e s e a r e h o f t h i s a r t i c l e h a s a g u i d i n g s i g n i fic a n c e a n d r e f e r e n c e v a l u e t o d e s i g n t h e o i l - wa t e r s e p a r a t i o n w a t e r h y d r a u l i c p u mp a n d t h e c h o o s e o f l u b ri c a t i o n 0 i 1 f o r t h e l u b r i e a n t c h a mb e r ． Hy d r o me c ha t r o n i c s En g i ne e r i n g T h e wa t e r h y d r a u l i c p u mp i n t h i s a r t i c l e i s a n o i l ． w a t e r s e p a r a t i o n o n e a n d u s e s fl a t v a l v e ．w h i c h i s d e v e l o p e d b y Hua z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ．T h e r a t e d p r e s s u r e o f t h e p u mp i s 3 ． 2 MP a ．t h e r a t e d f l o w r a t e i s 2 5 L ／ mi n a n d t h e r a t e d s p e e d i s 1 5 0 0 r ／ mi n ．T he be a r i n g f r i c t i o n p a i r ．s wa s h p l a t e ／ s l i p p e r ma t c h i n g p a i r s a n d s l i p p e r s o c k e t a r e s e t u p i n t h e l u b r i c a n t c h a mb e r a n d l u b ri c a t e d b y o i l ． Th e l u b r i c a n t c h a mb e r a n d wa t e r c h a mb e r a r e s e p a r a ． t e d b y t h e pi s t o n f r i c t i o n p a i r s ． T h e h e a t g e n e r a t e d b y t he t h r e e f r i c t i o n pa i r s i n t h e l u b r i c a nt c ha mb e r i s a b s o r b e d a n d r e l e a s e d b y t h e o i l ．t he s h e 1 l ，t h e ma i n s h a f t a n d t he c y l i n d e r bo d y ． Me a n whi l e．t he he a t o f t he p i s t o n f r i c t i o n p a i r s i s p a r t i a l l y a b s o r b e d a n d r e ． 1 e a s e d b y t h e flo wi ng wa t e r ． 1 ． 1 ． The r mo dy n ami c mod e l o f r o l l i n g b e a r i n g The h e a t o f r o l l i n g b e a r i n g s c o n i e s fro m t h e f r i c t i o n l o s s p o we r ． Th e r e a r e t wo me t h o d s t o c a l c u l a t e t h e h e a t o f r o l l i n g be a rin g s， i ．e ．，i n t e g r a l me t ho d a n d l o c a l me t h o d ．T h e i n t e g r a l me t h o d g e t s t h e w h o l e f r i c t i o n t o r q ue o f t h e r o l l i n g be a r i n g t h r o u g h v a r i o u s e mp i ric a l f o r mu l a o r t e s t r e s u l t s，a n d t h e n mu l t i p l i e s t h e s pe e d o f t he r o l l i n g r i ng t o g e t t h e h e a t o f t h e r o l l i n g b e a r i n g ．Th e l o c a l me t h o d c a l c u l a t e s l o c a l h e a t o f e a c h c o n t a c t e l e me n t o i l t h e ba s i s o f k i n e ma t i c r e l a t i o ns hi p o f e a c h r o l l i n g b e a r i n g e l e me n t s，a n d t h e n a d d s t h e l o c a l h e a t t o g e t t h e h e a t o f t h e r o l l i n g b e a r ． in g [ 2 ] ． T h i s p a p e r c h o o s e s t h e i n t e g r a l m e t h o d t o g e t t h e t h e r mo d y n a mi c mo d e l o f t h e r o l l i n g b e a r i n g s ． Th e r e i s t h e f o r mu l a f o r f r i c t i o n t o r q ue o f t h e r o l l i n g b e a r i n g 0 ． Ve d 1 W h e r e，Mf i s t h e fri c t i o n t o r q u e o f t he r o l l i n g b e a r i n g ， 厂i s t h e fr i c t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e b e a r i n g s s e e T a b ． 1 ， P i s t h e e q u i v a l e n t d y n a m i c l o a d ， d i s t h e i n n e r d i a me t e r o f b e a rin g s ． Th e n t he f o r mu l a o f t h e t h e r ma l p o we r f o r t h e b e a r i n g s y s t e ms c o u l d b e e s t a b l i s h e d k k 1 uV 1 2 Wh e r e，P f i s t h e t h e r ma l p o w e r o f t h e b e a r i n g s y s t e rns ， i s t h e t h e r ma l p o we r o f e a c h r o l l i n g b e a r i n g， i s t h e f r i c t i o n t o r q ue o f e a c h r o l l i n g be a r i n g， n i s t he s p e e d o f t he b e a rin g rin g s ． T a b ． 1 F r ic t i o n c o e ff ic ie n t f o f b e a r i n g w i t h o u t s e a l [ 3] B e a r i n g t y p e F r i c t i o n c o e ff i c i e n t f De e p g r o o v e b a l l b e a r i n g An g u l a r c o n t a c t b a l l b e a r i n g S e l f - a l i g n i n g b a l l b e a r i n g C y l i n d ri c a l r o l l e r b e ari n g T a p e r e d r o l l e r b e a r i n g S p h e r i c a l r o l l e r b e a r i n g C ARB b e ari n g T h r u s t b a l l b e a ri n g Cy l i n d r i c a l r o l l e r t hrus t b e ari n g S p he r i c al r o l l e r t h ru s t b e a r i n g 0 ． o 0 1 5 0 ． 0 0 2 s i n g l e r o w 0 ． 0 0 2 4 d o u b l e r o w 0 ． 0 4 f o ar p o i n g c o n t a c t 0． 0 01 0 ． 0 0 1 1 b r i n g c a g e 0 ． 0 0 2 f u l l r o l l e r 0． 0 01 8 0． 0 ol 8 O． o0l 6 0． o o1 3 0． 【 x 】 5 O． o o1 8 1 ．2 ．Th e r m o d y na mi c mod e l o f s wa s h p l a t e ／s l i p- pe r m a t c h i ng p a i r s Th e r e e x i s t l e a k a g e p o we r l o s s a n d f r i c t i o n p o we r l o s s b e t we e n s l i di n g s urfa c e s o f t h e s wa s h pl a t e ／s l i p pe r ma t c hi n g pa i r s，t h e f o r me r i s c a u s e d b y o i l l e a k a g e a n d t h e l a t t e r i s c a u s e d b y f ric t i o n o f 0 i l v i s c o s i t y [ 4 ] ．A c c o r d i n g t o t h e s t r u c t u r e o f t h e p u m p s t u d i e d i n t h i s pa p e r ，t h e l e a ka g e p o we r l o s s c a n be ne g l e c t e d，s o t h e t h e r ma l p o we r o f t h e s wa s h p l a t e ／s l i p p e r ma t c h i n g p a i r s i s t h e f r i c t i o n p o w e r l o s s ，w h i c h c o u l d b e e v a l ua t e d b y t he f o l l o wi ng e q u a t i o n． P N 1 T 尺 一 u 3 W he r e，Pi s t h e t h e rm a l p o we r o f t h e s wa s h p l a t e ／ s l i p p e r ma t c h i n g p a i r s，Ni s t h e f r i c t i o n p o we r l o s s o f t h e s wa s h pl a t e ／s l i p p e r ma t c h i n g p a i r s ，R1 i s t h e i n n e r r a d i u s o f t h e s l i p p i n g s h o e b e a r i n g s u rfa c e ， R 2 i s t h e o u t e r r a d i u s o f t h e s l i p p i n g s h o e b e a r i n g s u rfa c e， i s d y n a mi c v i s c o s i t y o f t h e l u b r i c a n t o i l ，h i s t h e o i l fi l m t h i c k n e s s b e t we e n s l i p p i n g s h o e a n d s wa s h p l a t e， u i s t h e r e l a t i v e s l i d i n g v e l o c i t y o f t h e s l i p p i n g s h o e s u rfa c e c e n t e r ． 1 ． 3 ． T h e r mo d y n a mi c mo d e l o f s l i p p e r s o c k e t T h e mo t i o n s t a t e o f s l i p p e r s o c k e t i s t h e s l i p p i n g s h o e r o t a t i n g a r o u n d t h e c e n t r a l a x i s o f t h e p i s t o n b a l l e n d，l i k e a t a p e r e d r o t a r y mo t i o n，i t s b e a r i n g s u rf a c e i s a s e mi ． s p h e ri c a l s u rf a c e ．S o t h e s l i p p e r s o c k e t c a n b e s i mp l i f i e d a s a s e mi - s p h e ric a l s l i d i n g t h r us t s u p - p o r t s t r u c t u r e，i t s t h e r ma l p o we r i s a l s o f r i c t i o n p o we r l o s s i n l a r g e me a s u r e，n e g l e c t i n g t he l e a ka g e p o we r T ANG Hu i ， e t a l T h e T h e r mo d y n a mi c s S i mu l a t i o n An a l y s i s f o r t h e L u b ri c a n t C h a mb e r o f a n Ax i a l P i s t o n Wa t e r Hy d r a u l i c P u mp 9 7 l o s s ．F o r mu l a i s s h o w n Pg Nq a s f o l l o ws 2 r ； 一 r ／x u ； h 口 4 Wh e r e ， P 口i s t h e t h e r ma l p o w e r o f t h e s l i p p e r s o c k e t ， Nq i s t h e f ri c t i o n p o w e r l o s s o f t h e s l i p p e r s o c k e t ， 1 i s t h e r a d i u s o f t h e b all s o c k e t ， 2 i s t h e r a d i u s o f t h e b a l l e n d， i s d y n a mi c v i s c o s i t y o f t h e 1 u b r i c a n t o i l ， h i s t h e o i l fi l m t h i c k n e s s o f t h e s l i p p e r s o c k e t ， q i s t h e r e l a t i v e s l i d i n g v e l o c i t y o f t h e s l i p p e r s o c k e t ． 1 ． 4 ． Th e r mo d r n a mi c mo d e l o f p i s t o n f r i c t i o n p a i r Th e p i s t o n f ric t i o n p a i r t h e rm a l p o w e r i n c l u d e s t h e 1 i s a n a n n ul a r g a p，i t s e a ka g e po we r l o s s a n d t h e f ric t i o n p o we r l o s s ．T he l e a k a g e p o we r l o s s o f t h e p i s t o n p a i r i s r e l a t e d t o l e a k a g e f l o w a n d p r e s s u r e d r o p，t h e f o l l o wi n g i s t h e f o rm u l a for l e a k a g e p o we r l o s s a s t h e p i s t o n i n o n e p o s i t i o n [ 5 ] N f ,n dh 1 1 P ， 一P 0 5 W h e r e， d i s t h e l e a k a g e p o we r l o s s o f t h e pi s t o n f ri c t i o n p a i r ，d i s d i a me t e r o f t h e p i s t o n，h i s c l e a r a n c e o f t h e p i s t o n p a i r ， i s d y n a mi c v i s c o s i t y o f t h e l u b ri c a n t o i l ，l i s fi t l e n g t h o f t h e p i s t o n p a i r ，P ， i s t h e p r e s s u r e a t h i g h p r e s s u r e s i d e o f t h e p i s t o n pa i r ， Po i s t h e p r e s s ur e a t l o w pr e s s u r e s i d e o f t h e pi s t o n p a i r ． Th e l e a k a g e p o we r l o s s me n t i o n e d a b o v e i s a s s u me d t h a t t h e p i s t o n p a i r i s c o n c e n t ri c a n n u l a r g a p， i n f a c t ，t h e p i s t o n p a i r i s u s u a l l y e c c e n t r i c d u e t o e c c e n t r i c f o r c e a n d ma c h i n i n g d e v i a t i o n ． T h e o r e t i c a l c alc u l a t i o n s s h o w t h a t t h e l
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