内曲线液压马达低应力三层复合轴瓦厚度分配

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.230413

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (11): 93-100.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.230413

所属专题： 2023年流体动力与机电控制工程

• 流体动力与机电控制工程 • 上一篇下一篇

内曲线液压马达低应力三层复合轴瓦厚度分配

李莹¹^,² 王博众¹ 何双¹ 刘彦东¹ 张晋¹^,²

^1.燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛 066004
^2.燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，河北秦皇岛 066004

收稿日期:2023-06-15 出版日期:2023-11-25 发布日期:2023-06-26
作者简介:李莹（1992-），女，博士，副教授，主要从事液压元件研究。E-mail:yingli@ysu. edu. cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2021YFB3400503);河北省高等学校科学技术研究项目(BJK2023043)

Thickness Distribution of Low Stress Three-Layer Bearing for Cam Lobe Hydraulic Motor

LI Ying¹^,² WANG Bozhong¹ HE Shuang¹ LIU Yandong¹ ZHANG Jin¹^,²

^1.School of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，Hebei，China
^2.Hebei Provincial Key Lab of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，Hebei，China

Received:2023-06-15 Online:2023-11-25 Published:2023-06-26
About author:李莹（1992-），女，博士，副教授，主要从事液压元件研究。E-mail:yingli@ysu. edu. cn
Supported by:
the National Key R&D Program of China(2021YFB3400503);the Science and Technology Project of Hebei Education Department(BJK2023043)

摘要/Abstract

摘要：

在低速大扭矩内曲线液压马达工作转速朝着极低转速（最低可达0.2 r/min）发展时，其核心摩擦副之一的滚柱-柱塞副由于低转速时难以建立润滑油膜而极易导致摩擦副磨损失效。因此，在滚柱-柱塞副之间通常设置钢背-铜粉-自润滑材料的三层轴瓦结构，以提高摩擦副的低速润滑能力。但内曲线液压马达通常需要承受较大负载，如何设计高承载能力的三层复合轴瓦成为内曲线液压马达设计的难点。三层复合轴瓦各层材料的厚度分配会直接影响轴瓦受载下的最大应力，进而影响内曲线液压马达的承载能力和使用寿命。为探究三层轴瓦各层厚度对复合轴瓦整体承载能力的影响规律，文中对三层复合轴瓦进行受力分析，得到了三层材料厚度与自润滑层最大等效应力的映射规律，提出了一种适用于内曲线液压马达滚柱-柱塞副的低应力三层复合自润滑轴瓦厚度分配方案，并针对一款最大工作压力为31.5 MPa的内曲线液压马达设计了三层轴瓦厚度分配方案（其自润滑层厚度为0.2 mm、铜粉层厚度为0.3 mm、钢背层厚度为1.0 mm），将采用该方案的三层复合轴瓦安装在液压马达上进行了马达性能测试。试验结果表明，该厚度分配下轴瓦承载能力满足内曲线液压马达最大工作压力的要求。

关键词: 三层复合轴瓦, 内曲线液压马达, 厚度分配, 承载能力

Abstract:

When the working speed of the low-speed high-torque cam lobe hydraulic motor is developing towards an extremely low speed (up to 0.2 r/min), one of its core friction pairs, the roller-piston pair, is difficult to establish a hydrodynamic lubricating oil film at low speeds, leading to wear fail of the friction pair. Therefore, a three-layer bearing bush structure of steel back-copper powder-self-lubricating material was usually arranged between the roller-piston pair to improve the lubrication ability of friction pair at low speed. However, the cam lobe motors usually need to withstand large loads, and how to design three-layer bearing with high bearing capacity has become a challenge in the design of cam lobe hydraulic motors. The thickness distribution of each layer of the three-layer bearing directly affects the maximum stress of the bearing under load, and then affects the bearing capacity and service life of the cam lobe hydraulic motor. In order to explore the effect of the thickness of each layer of the three-layer bearing bush on the overall bearing capacity of the bearing bush, this paper carried out the force analysis of the three-layer bearing bush, and obtained the mapping law between the thickness of the three-layer material and the maximum von Mises stress of the self-lubricating layer. And this paper also proposed a low-stress three-layer self-lubricating bearing bush thickness distribution scheme suitable for the roller-piston pair of cam lobe motors and designed a three-layer bearing thickness distribution scheme (the self-lubricating layer thickness was 0.2 mm, the copper powder layer thickness was 0.3 mm, and the steel back layer thickness was 1.0 mm) for an cam lobe hydraulic motor with a maximum working pressure of 31.5 MPa.The three-layer bearing using this scheme was installed on the hydraulic motor for motor performance testing. The test results show that the bearing capacity of the bearing under the thickness distribution can meet the requirements of the maximum working pressure of the cam lobe motor.

Key words: three-layer bearing, cam lobe hydraulic motor, thickness distribution, bearing capacity

中图分类号:

TH137

李莹, 王博众, 何双, 等. 内曲线液压马达低应力三层复合轴瓦厚度分配[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(11): 93-100.

LI Ying, WANG Bozhong, HE Shuang, et al.. Thickness Distribution of Low Stress Three-Layer Bearing for Cam Lobe Hydraulic Motor[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(11): 93-100.

图/表 13

图1

图2

表1

图3

图4

表2

表3

图5

图6

图7

图8

表4

图9

参考文献 17

1	李贝贝，魏令行，刘秀梅，等．基于虚拟双目视觉的锥阀振动测试［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2022，50（10）：106-113.
	LI Beibei， WEI Lingxing， LIU Xiumei，et al ．Vibration testing of poppet valve based on virtual binocular vision［J］．Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition），2022，50（10）：106-113.
2	张小龙，张军辉，方梓帆，等．内曲线径向柱塞马达滚柱-柱塞配合间隙优化［J］．华中科技大学学报（自然科学版），2021，49（8）：8-13.
	ZHANG Xiaolong， ZHANG Junhui， FANG Zifan，et al ．Optimization of roller-piston fitting clearance of cam lobe radial-piston motor［J］．Journal of Huazhong University of Science and Technology（Natural Science Edition），2021，49（8）： 8-13.
3	CHENG L， CHEN X， WEI G ．Cylinder fatigue design of low-speed，high-torque radial piston motor［J］．Coatings，2022，12（8）：1192/1-15.
4	王志强．内曲线式低速大扭矩水液压马达关键技术研究［D］．秦皇岛：燕山大学，2014.
5	马伟．多作用内曲线径向柱塞液压马达的动态特性与低速稳定性研究［D］．兰州：兰州理工大学，2022.
6	ISAKSSON P， NILSSON D， LARSSON R ．Elasto-hydrodynamic simulation of complex geometries in hydraulic motors［J］．Tribology International，2009，42（10）：1418-1423.
7	薛庆云．多种填料改性PTFE三层复合材料的性能研究［D］．杭州：浙江大学，2016.
8	LEWIS R ．Friction in a hydraulic motor piston/cam roller contact lined with PTFE impregnated cloth［J］．Wear，2009，266（7/8）：888-892.
9	ANDRADE T F， WIEBECK H， SINATORA A ．Effect of surface finishing on friction and wear of poly-ether-ether-ketone （PEEK） under oil lubrication［J］．Polímeros，2016，26：336-342.
10	LIN Zhibin， ZHANG Ke， YE Jiaxin，et al ．The effects of filler type on the friction and wear performance of PEEK and PTFE composites under hybrid wear conditions［J］．Wear，2022，490/491：204178/1-15.
11	HU K H， WANG J， SCHRAUBE S，et al ．Tribological properties of MoS₂ nano-balls as filler in polyoxymethylene-based composite layer of three-layer self-lubrication bearing materials［J］．Wear，2009，266（11/12）：1198-1207.
12	ZHANG X C， XU B S， WANG H D，et al ．An analytical model for predicting thermal residual stresses in multilayer coating systems［J］．Thin Solid Films，2005，488（1/2）：274-282.
13	丘佛球．机械压力机低速重载滑动轴瓦的受力分析［D］．广州：广东工业大学，2015.
14	陈凯航．钢板表面耐磨减磨铜/PTFE涂层的协调变形行为研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2021.
15	黄瑶．低速大扭矩水压马达受力分析与流场的数值模拟［D］．秦皇岛：燕山大学，2013.
16	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．塑料-青铜-钢背三层复合自润滑板材技术条件　第1部分：带改性聚四氟乙烯（PTFE）减摩层的板材［S］．北京：中国标准出版社，2012.
17	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．塑料-青铜-钢背三层复合自润滑板材技术条件　第2部分：带改性聚甲醛（POM）减摩层的板材［S］．北京：中国标准出版社，2012.

材料	密度/（kg·m^-3）	杨氏模量/GPa	泊松比
PEEK	1 300	3.64	0.4
CuSn8P	8 715	92.00	0.3
Q195	7 800	212.00	0.3
GCr15SiMn	7 900	214.00	0.3

网格尺寸/mm	最大等效应力/MPa	单元数
2.1	106.45	259 441
1.9	105.92	264 747
1.7	102.81	271 583
1.5	95.58	280 718
1.3	90.96	293 391
1.1	86.73	317 993
0.9	86.27	363 415

转速/（r·min^-1）	压力/MPa	流量/（L·min^-1）	容积效率/%
30.25	5.1	183.8	99.3
30.01	10.0	184.3	98.3
29.90	15.0	185.0	97.5
30.01	20.0	185.5	97.2
30.31	25.0	189.0	96.8
30.01	30.0	190.0	95.3
28.20	34.8	178.4	95.4

[1]	马煜东, 马恺泽, 魏慧, 等. 掺入不同尺寸钢纤维的高强混凝土深梁抗剪性能[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(4): 20-27,38.
[2]	李百建朱良生符锌砂李勇. 两种内衬加固混凝土管涵的力学性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2019, 47(6): 101-107.
[3]	马金奎田再浩路长厚陈淑江聂玉龙. 新型动静压转台性能分析及参数优化[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(12): 74-83.
[4]	游东东刘鹏. 基布横动式Z 字型织草装置的研制及摆幅分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2014, 42(1): 6-10.
[5]	林起崟魏正英王宁陈渭. 织构滑移表面对滑块轴承摩擦学性能的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2013, 41(3): 101-107.
[6]	林起崟魏正英王宁陈渭. 织构滑移表面对轴承承载能力和空穴的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2013, 41(11): 85-90.
[7]	余波杨显峰杨绿峰. 基于随机响应面法和弹性模量缩减法的结构可靠度分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(4): 125-130,168.
[8]	潘健胡巍巍. 地面水平位移对斜桩基础的负面效应[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2008, 36(6): 6-9.
[9]	季静吴爱明王燕珺韩小雷. 新型穿心暗牛腿钢管混凝土柱节点试验及分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2008, 36(3): 114-120.

内曲线液压马达低应力三层复合轴瓦厚度分配

Thickness Distribution of Low Stress Three-Layer Bearing for Cam Lobe Hydraulic Motor

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 17

相关文章 9

编辑推荐

Metrics

本文评价

序号	厚度/mm
序号	自润滑层	铜粉层	钢背层
1	0.1	0.1	1.3
2	0.1	0.2	1.2
3	0.1	0.3	1.1
4	0.1	0.4	1.0
5	0.1	0.5	0.9
6	0.2	0.1	1.2
7	0.2	0.2	1.1
8	0.2	0.3	1.0
9	0.2	0.4	0.9
10	0.2	0.5	0.8
11	0.3	0.1	1.1
12	0.3	0.2	1.0
13	0.3	0.3	0.9
14	0.3	0.4	0.8
15	0.3	0.5	0.7
16	0.4	0.1	1.0
17	0.4	0.2	0.9
18	0.4	0.3	0.8
19	0.4	0.4	0.7
20	0.4	0.5	0.6
21	0.5	0.1	0.9
22	0.5	0.2	0.8
23	0.5	0.3	0.7
24	0.5	0.4	0.6
25	0.5	0.5	0.5