固体颗粒对滑阀运动副表面的作用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.03.002 第18卷第3期 北京科技大学学报 Vol.18 No.3 1996年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1996 固体颗粒对滑阀运动副表面的作用 李方俊)高澜庆)周士瑜) )北京科技大学资源工程学院，北京1000832)中国矿业大学北京研究生部.北京 摘要建立了固体颗粒与滑阀运动副的简化模型；讨论了固体颗粒对运动副表面的作用形式，指 出：颗粒强度、颗粒与运动副间隙的相对大小及运动副的表面硬度是影响颗粒对运动副表面作用 形式的主要因素， 关键词磨损颗粒，滑阀、卡紧 中图分类号TΠH117.1,TH137.5 固体污染颗粒对液压元件关键运动副的危害主要表现在污染磨损和污染卡紧两方面·对于 驱动力较大的运动副（如轴向柱塞泵的缸体一配流盘，液动阀的阀芯一阀孔等），污染磨损 是颗粒的主要危害形式，对于驱动力较小的运动副（如电磁阀的阀芯一阀孔），污染卡紧是 颗粒的主要危害形式，无论是污染磨损，还是污染卡紧，颗粒与液压元件运动副表面的相互 作用都是其理论研究的基础，本文将讨论固体颗粒对滑阀运动副表面的作用， 1颗粒与运动副表面的简化模型 油液中的固体颗粒，只有其某一方向的尺寸小于运动副间隙时，才有可能进入运动副间 隙.最大尺寸也小于运动副间隙的颗粒，其表面不能同时与运动副两表面相接触，对运动副 表面的影响很小，一般不子考虑·只有最小尺寸小于运动副间隙，而最大尺寸大于运动副间 隙的颗粒，才能对运动副表面产生真正的作用，这种颗粒称之为敏感尺寸颗粒，敏感尺寸颗 粒是滑阀运动副表面污染磨损与污染卡紧的主要原因，本文将重点考虑它们的影响， 颗粒与运动副表面相互作用的真实情况如图1 所示·在通常情况下，运动副表面的粗糙度比运 阀体 动副间隙小得多，因此，可以将运动副两凸凹不 平的配合面简化为两平行的表面，液压系统中颗 粒的形状是千差万别的，这给颗粒尺寸的定义和 颗粒 颗粒形状的描述带来了极大的不便·但是，深入 研究发现、液压系统中常见污染颗粒的形状多为 长方形多面体、椭球体及三角体等，为了进行定 阀芯 量的理论分析，本文将污染颗粒简化为以短轴为 旋转轴的旋转椭球体.这样，就得到了颗粒与运 图1颗粒在间隙中的实际状况 动副表面的简化模型，如图2所示· 1995-10-21收稿第一作者男30岁博士后 ·国家教委博士点基金资助项月

第 18 卷 第 3 期 1 9 96 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 oJ u m a l o f U n iev sr ity o f S d e n ce a n d T ce h n o l o g y eB ij i n g V o l . 18 N o . 3 J曰飞 1 99 6 固体颗粒 对滑 阀运 动副表 面 的作用 ’ 李方 俊 ’ ) 高澜 庆 ’ ) 周 士 瑜 2, l )北 京科技大学 资源 工 程 学院 , 北京 l (X 幻8 3 2) 中 国 矿 业大 学北 京研 究生 部 , 北京 摘要 建立 了 固体颗粒 与滑 阀运 动副的简化模型 ; 讨论了 固 体颗 粒对运动 副表 面的 作用形式 , 指 出: 颗粒强 度 、 颗粒 与运 动副间隙的相 对大小及 运 动副的表面硬 度是影响颗粒对运 动副表 面作用 形 式 的 主要 因 素 . 关键词 磨损 / 颗粒 , 滑阀 , 卡 紧 中图分类号 n l l l 7 . l , T H 137 . 5 固体 污 染颗粒 对 液压元 件关 键运动 副的危 害主要表现在污染磨损 和污染卡紧两方 面 . 对于 驱 动力较 大 的运 动副 ( 如 轴 向柱 塞泵 的缸体 一 配流 盘 , 液 动阀 的阀芯 一 阀孔 等 ) , 污染磨 损 是 颗粒 的主要 危 害形式 , 对于 驱 动力较 小的运 动副 ( 如 电磁 阀 的阀 芯 一 阀孔 ) , 污染 卡紧 是 颗粒 的 主要危 害形 式 . 无论 是污染 磨损 , 还是 污染 卡紧 , 颗 粒 与液压 元件运 动副表 面的相互 作 用 都是 其理 论研 究 的基础 . 本 文将讨论 固体颗 粒 对滑阀运 动 副表 面 的作用 . 1 颗粒与运 动副 表面 的简化模型 油液 中 的固体颗 粒 , 只 有 其某 一方 向的尺 寸小于 运动 副间 隙时 , 才有 可能 进人 运动 副 间 隙 . 最大 尺 寸 也小 于 运 动副 间隙 的颗 粒 , 其 表 面不能 同时 与运动 副两表 面 相接 触 , 对运 动副 表 面的影 响很小 , 一 般不 予考 虑 . 只 有最小 尺 寸 小于 运动副 间 隙 , 而最大 尺寸 大于运 动副 间 隙 的颗粒 , 才 能对运 动副 表 面 产生真 正 的作 用 , 这种 颗粒称 之 为敏 感尺寸 颗粒 . 敏感 尺寸颗 粒是 滑阀运 动 副表 面污染 磨损 与污染 卡 紧的主要 原 因 , 本文 将重点 考虑 它们 的影响 . 颗粒 与运 动副表 面相 互作 用的真实情况 如 图 1 所 示 . 在 通 常 情 况 下 , 运 动 副 表 面 的 粗糙 度 比 运 阀体 动 副 间 隙小 得 多 . 因 此 , 可 以 将 运 动 副 两 凸 凹 不 平 的配 合 面 简 化 为 两 平行 的表 面 . 液 压 系 统 中颗 粒的 形 状 是 千 差 万 别 的 , 这 给 颗 粒 尺 寸 的 定 义 和 颗 粒 形 状 的描 述 带 来 了 极 大 的 不便 . 但 是 , 深 人 研 究 发 现 , 液 压 系 统 中常 见 污 染 颗粒 的形 状 多 为 长 方 形 多面 体 、 椭球 体 及三 角 体 等 . 为 了 进 行 定 量 的理 论 分 析 , 本 文 将 污 染 颗粒 简化 为 以 短 轴 为 旋 转 轴 的 旋 转 椭 球 体 . 这 样 , 就 得 到 了 颗 粒 与 运 动 副表面 的 简化模 型 , 如 图 2 所 示 . 1卯 5 一 10 一 2 1 收 稿 第一 作 者 男 30 岁 博士 后 * 国 家教 委 博 士点基 金 资 助 项 目 阀芯 图 l 颗粒在 间隙 中的实 际 状况 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 03. 002

Vol.18 No.3 李方俊等：固体颗粒对滑阀运动副表面的作用 ,207. 2“等效圆球”的概念 阀体 设某尺寸为d的颗粒截留在滑阀运动副间隙中 (图3a》.滑阀换向时，由于阀芯的移动，使得该 颗粒 颗粒嵌人阀芯与阀体的表层内、从而产生阻碍阀 芯运动的阻力，即污染卡紧力；同时，颗粒对阀 芯、阀体表面产生磨损（图3b》.为了便于计 算，这里引入了“等效圆球”的概念·等效圆球 阀芯 颗粒的直径与椭球体颗粒在间隙中的垂直距离相 图2颗粒在间隙中的简化模型 等，且等效圆球颗粒嵌人阀芯、阀体表面的深度与椭球体颗粒嵌人阀芯、阀体表面的深度相 等，图3a,b)所示颗粒的等效圆球颗粒如图3c,d)所示.这样就可以通过等效圆球颗粒来研 究实际颗粒在滑阀间隙中的污染卡紧与磨损问题. 阀体 阀体 (a) (b) . 阀芯 阀芯 阀体 阀体 阀芯 阀芯 图3“等效圆球”颗粒的概念 3颗粒对运动副表面的作用形式 颗粒对运动副表面的作用形式主要取决于颗粒与间隙尺寸的相对大小及颗粒与运动副表 面的机械性能（如硬度、破坏应力等）， 研究资料表明川，典型液压系统中污染颗粒的成分是大同小异的，主要由金属磨屑及其 氧化物、SO,和含碳挥发物等组成.除了含碳挥发物外，固体颗粒的硬度都比较大·因此， 在研究污染颗粒对运动副表面的作用形式时，假设污染颗粒的变形可以忽略不计，但当其应

Vo l . 1 8 N o . 3 李方 俊等 : 固体颗粒对滑 阀运 动副表面 的作用 2 “ 等效 圆球 ” 的概念 阀体 设某 尺 寸 为 d 的颗粒截 留在 滑阀运 动副 间隙中 (图 3a( 》 . 滑 阀换 向时 , 由于 阀芯 的 移 动 , 使 得 该 颗粒 嵌 人 阀芯 与阀 体 的表 层 内 , 从 而 产 生 阻 碍 阀 芯 运 动 的 阻 力 , 即 污 染 卡 紧力 ; 同时 , 颗粒 对 阀 芯 、 阀体 表 面 产 生 磨 损 ( 图 3 山》 . 为 了 便 于 计 算 , 这 里 引人 了 “ 等 效 圆球 ” 的 概 念 . 等 效 圆球 颗 粒 的直 径 与椭 球 体 颗 粒 在 间 隙 中 的垂 直 距 离相 阀芯 图 2 颗粒在间隙中的简化模型 等 , 且 等效 圆球颗粒嵌 入 阀芯 、 阀体表 面的深度 与椭 球体 颗粒嵌 人 阀芯 、 阀体 表面 的深度相 等 . 图 3(a , b) 所示颗 粒的等 效 圆球 颗粒 如图 3 c( , d) 所 示 . 这样 就可 以 通过等 效 圆球颗粒 来研 究实 际颗粒在 滑 阀间隙 中的污染卡 紧 与磨 损 问题 . 阀 体 阀 体 环夕衫夕珍乡%次沁环 ( b ) 二业三七七圣二乡汤“ 向 阀 芯 阀 体 (c) 排羚撰挑燕燕拼 娇璐续券蒸 阀 芯 阀 芯 阀 体 阀 芯 图 3 “ 等效圆球 ” 颗粒的概念 3 颗粒对运 动副表面 的作 用 形式 颗粒对运 动副表 面 的作 用 形 式主要取 决于 颗粒 与间 隙尺 寸 的相 对大小及 颗粒 与 运动 副 表 面 的机 械性能 ( 如硬度 、 破 坏应力 等 ) . 研究 资料表 明 l] , 典型 液压 系统 中污染颗 粒的 成分是 大 同小异 的 . 主要 由金 属 磨 屑 及 其 氧化物 、 5 10 。 和 含碳 挥发 物等组 成 . 除 了 含碳挥 发物外 , 固体颗 粒 的 硬 度 都 比较 大 . 因 此 , 在研 究污 染颗粒 对运动 副表 面 的作 用形式 时 , 假 设 污染颗 粒 的变形 可以 忽 略不计 , 但 当其应

·208· 北京科技大学学报 1996年No.3 力大于一定值时可以破碎， 当颗粒的等效圆球直径d。比运动副间隙h。略大时，颗粒使运动副表面产生弹性变形； 随着等效圆球直径d。的增大，颗粒使运动副表面产生的变形由弹性变为塑性，此时，如果 阀芯换向，则颗粒对运动副表面产生犁皱作用；当颗粒等效圆球直径。大到一定程度后， 颗粒对运动副表面产生显微切削作用· 前人研究成果表明以颗粒压入运动副表面的深度h,(=1,2)与颗粒直径d之比(h,/d:) 可作为判别运动副表面发生弹性变形、塑性变形及显微切削的判据·对于黑色金属来说，运 动副表面由弹性变形转变为塑性变形的条件为： (h,/d.)>0.005(i=1,2) (1) 当运动副间隙有油膜存在时，塑性变形转变为显微切削的条件为： (h/d)>0.15(i=1,2) (2) 为了判别颗粒对运动副表面的作用形式，必须知道颗粒压人运动副表面的深度，如图4 所示，设阀体、阀芯的硬度分别为HB,和HB,颗粒的破坏应力为o,滑阀运动副间隙为h, 现求颗粒达到强度极限前能够压入阀体，阀芯的最大深度hoho: 颗粒压入运动副表面越深，则颗粒承受的应力越大·因此，颗粒压人运动副表面的深度 以颗粒达到强度极限时的压人深度为极限·此时，有载荷平衡方程： HB,·πa=HB2·πG=o·(π/4)d (3) 式中a、a为颗粒压人阀体、阀芯表面所形成的球冠的底圆半径，参见图4. 由图4的几何关系可得： hio+h2o+ho=de 阀体 a+(d/2-h1o)'=(d/2) (4) a+(d./2-ho)=(d./2)3 将式(3)代人式(4)中，并考虑ho,h0<d。 可解得： d.=h/I1-(a/4)(HB+HB,)/HB,·HB】(5) ho=(d./4)(o/HB) (6 ho=(d./4)(o/HB,) (7) 阀芯 式(6)、(7)就是颗粒压人运动副表面的最 大深度计算公式，由此可见，颗粒压人运动副表 图4颗粒压入运动副表面的最大深度 面的最大深度与颗粒的破碎应力σ、运动副表面硬度HB1、HB2及运动副间隙h有关· 式(6)、(7)经变换可得： (h1o/d:)=(1/4)(o/HB) (8) (h/de)=(1/4)(a/HB) (9) 下面以常见滑阀及标准试验粉末ACFTD(空气滤清器细试验粉末)为例，分析颗粒嵌人 运动副表面的深度及颗粒与运动副表面间的作用形式·实验条件为：试验粉末：ACFTD, o=300MPa;阀体材料：HT300,HB.=700MPa;阀芯材料：40Cr,HB,=1400MPa. 将上述数据代入式(5)、(8)、(9)可得：

· 20 8 , 北 京 科 技 大 学 学 报 19 % 年 N o . 3 力大 于 一定 值 时可 以破 碎 . 当颗粒 的等效 圆球直 径 d 。 比运动 副 间隙 h 。 略 大 时 , 颗 粒 使 运 动 副表 面产 生 弹性 变 形 ; 随着等效 圆球直 径 d 。 的增大 , 颗 粒使运动副表 面 产 生 的 变形 由弹 性 变 为 塑性 , 此 时 , 如 果 阀芯换 向 , 则颗粒 对运 动 副 表 面 产 生犁 皱 作 用 ; 当颗 粒 等 效 圆 球 直 径 d 。 大 到 一定 程 度 后 , 颗粒对运 动 副表 面产生 显微 切 削作用 . 前人 研究 成果 表 明 1 2 } , 颗粒 压入运 动副表 面 的深度 h , i( = 1 , 2) 与颗 粒 直径 d 。 之 比 h( , / de ) 可 作为判 别运 动 副表 面发 生弹性 变形 、 塑性变 形及显 微切 削 的判 据 . 对于 黑色金 属来说 , 运 动副表 面 由弹性变 形转 变 为塑性 变形 的条件 为: ( h , d/ e ) > 0 . 0() 5 ( i = l , 2 ) ( l ) 当运 动 副间 隙有油 膜存 在时 , 塑性 变形转 变为显微 切 削的条 件为 : ( h ; / d 。 ) > 0 . 15 ( i = l , 2 ) ( 2 ) 为 了 判别 颗粒 对运 动副 表面 的作用形 式 , 必 须知道 颗粒 压人 运动副 表 面 的 深度 . 如 图 4 所示 , 设 阀体 、 阀芯 的硬度分 别 为 H B , 和 H B Z , 颗粒 的破坏 应力 为 a , 滑 阀运动 副 间隙为 h 。 , 现求 颗粒 达到 强度极 限 前能够 压人 阀体 、 阀芯 的最大深 度 h l。 、 h 二 颗粒 压入 运动 副表 面越深 , 则 颗粒承 受 的应 力越大 . 因此 , 颗 粒压入 运动 副表 面的深 度 以颗 粒达 到强 度极 限时 的压人 深度 为极 限 . 此 时 , 有载 荷平衡 方程 : H B , · 二 a { = 邢 2 · 二 a ; = a · ( 兀 4/ ) d : ( 3 ) 式 中 a l 、 a Z 为颗粒压 入 阀体 、 阀芯 表面所形 成 的球冠 的底 圆半 径 , 参见 图 .4 由图 4 的几何 关 系可 得 : h . 0 + h Z o + h o = d e a } + (d 。 / 2 一 h , 。 ) , 一 ( d 。 / 2 ) a ; + ( d e / 2 一 h Z。 ) , = ( d e / 2 ) 阀体 (4 ) |/ | 廿 l 将 式 ( 3) 代 人式 (4 ) 中 , 并考 虑 h l。 , h , 《 de, 可 解得 : ,, ``U1J 2 `、了r 了. d 。 = h 。 /【l 一 ( 。 / 4 ) ( H B I + H B Z ) /( H B , · H B Z )」 h l。 = ( d 。 / 4 ) ( a / H B I ) h 20 = ( d 。 / 4 ) ( a / H B Z ) 、 代“ 子拜子二丁 劝… 一分另穷了子丁怀长 } 式 ( 6) 、 ( 7) 就是 颗粒 压人运 动副 表面 的最 大 深度计 算 公式 . 由此 可见 , 颗粒 压人运 动副 表 阀 芯 图 4 颗粒压入运动副表面的最 大深 度 面 的最 大 深 度 与颗 粒 的破 碎 应 力 6 、 运 动 副表 面 硬 度 H B , 、 H B : 及 运 动 副 间 隙 h 。 有 关 . 式 ( 6) 、 ( 7) 经 变换可 得 : ( h l。 / d e ) = ( l /4 ) ( a / H B I ) (8 ) ( h Z。 /d e ) = ( l / 4 ) ( a / H B Z ) (9 ) 下 面 以 常见滑 阀及 标准 试验 粉末 A C F T D (空 气滤 清器 细试验粉 末 ) 为例 , 分析颗 粒 嵌 人 运 动 副 表 面 的 深 度 及 颗 粒 与 运 动 副表 面 间的 作 用形 式 . 实验条件 为 : 试 验 粉末 : A C F T D , a = 3 0 M p a ; 阀体材 料 : H T 30 , H B , = 70 M p a ; 阀芯 材料 : 4 c0 r , H B Z = 1 4 0 M P a . 将上 述数据代 人式 ( 5 ) 、 ( 8 ) 、 ( 9 ) 可 得 :

Vol.18 No.3 李方俊等：固体颗粒对滑阀运动副表面的作用 ,209. d.=1.20ha,(hod)=0.107,(h/d)=0.054 由上述计算结果可以看出，AC℉TD对常见滑阀运动副表面是不会产生显微切削作用 的，它只会对运动副表面产生弹性变形和塑性变形. 事实上，滑阀的阀体多为灰口铸铁，其表面硬度HB在175~255之间（大约700MPay2,到. 阀芯材料一般为合金钢（如40C)或易切钢（如Y12),经过表面淬火或渗碳处理后，它们 的表面硬度可达HVS00以上1，相当于HB480(大约1400MP)以上2.液压系统中颗粒的 破碎应力均较小，例如石英微粒的破碎应力为100~400MPa.所以，可以认为，滑阀换 向时，固体颗粒只会对滑阀运动副表面产生弹性变形和塑性变形，对运动副表面产生显微切 削作用的可能性极小。 4结论 (1)颗粒的强度、颗粒与运动副间隙的相对大小及运动副表面的硬度是影响颗粒对滑阀 运动副表面作用形式的主要因素， (2)油液中的固体颗粒对滑阀运动副表面的有害作用主要有塑性变形与弹性变形两种， 显微切削作用发生的可能性极小· 参考文献 1周士瑜，任桂兰，采煤机液压系统油液污染状况的测定分析.煤炭科学技术，1986(10)：15~17 2克拉盖尔斯基1B等，摩擦磨损计算原理，北京：机械工业出版社，982 3东北工学院《机械零件设计手册》编写组，机械零件设计手册（上册），北京：治金工业出版社，1980 4倪振尧，李植.金属材料及热处理，徐州：中国矿业大学出版杜，1991.178 Effect of Solid Particle on Spool Valves Surfaces Li Fangjun”Gao Lanqing'》Zhou Shiyu 1)College of Resources Engineering.USTB.Beijing 100083.PRC 2)Beijing Graduate School,CUMT,Beijing ABSTRACT The simple mould of solid particle and spool valve is established.The effect patterns of particle on spool valve surfaces is discussed.It is pointed out that the particle's strength,the relative size of particle and clearance of valve,the hardness of valve surfaces are the important factors which affect the effect patterns. KEY WORDS wear/particles,spool valve,lock

Vo l . 81 N O . 3 李方俊等 : 固体颗粒对滑 阀运动副表面 的作 用 · 2朋 · d 。 = 1 . 2 0 h 。 , ( h ,创d J = 0 . 10 7 : ( h声J = 0 . 0 54 由上 述计算 结 果可 以 看 出 , A C f 丁 D 对 常 见 滑 阀运 动 副 表 面 是 不 会 产 生 显 微 切 削 作 用 的 , 它只 会对 运动 副表 面产生弹性 变形和 塑性 变形 . 事实 上 , 滑阀 的阀 体多为灰 口 铸铁 , 其表 面硬度 H B 在 175 一 2 5 之间 ( 大约 7 0 M P a y 邓.] 阀芯 材料 一般 为合金 钢 ( 如 4 0C )r 或易切 钢 ( 如 Y 12) , 经 过表 面 淬 火 或 渗碳 处 理 后 , 它 们 的表 面 硬 度可 达 H v 50 O 以上 ! ’ } , 相 当于 H B 4 8 0( 大 约 1 4 0 M P a) 以 上 咚 4 } . 液 压 系 统 中颗 粒 的 破碎 应力 均较 小 , 例 如石 英微 粒 的破 碎应力 为 10 一 40() M P扩! . 所 以 , 可 以 认 为 , 滑 阀换 向时 , 固体颗 粒只 会对滑 阀运 动副表 面产生弹性 变形 和塑性 变形 , 对运 动副表 面 产生显微 切 削作用 的可 能性 极小 . 4 结论 ( l) 颗粒 的强度 、 颗粒 与运动 副间隙 的相对 大小及 运动 副表 面 的硬度 是影 响颗粒 对滑 阀 运动 副表 面作 用形式 的 主要 因素 . ( 2) 油 液 中的 固体颗粒对 滑阀运 动副表 面 的有害作 用 主要 有 塑 性 变形 与弹 性 变 形两 种 , 显 微切 削作 用 发生 的可能 性极小 . 参 考 文 献 周士瑜 , 任桂兰 . 采煤机液压 系统油 液污染状况 的测 定分析 . 煤炭科学技术 , 198 《 10) : 巧 一 17 克拉盖尔斯基 H B 等 . 摩擦磨损计算原理 . 北京: 机械工 业 出版社 , 1982 东北工学院 《 机械零件设计手册》 编写 组 . 机械零件设计 手册 (上 册 ) . 北京 : 冶金工业出版社 , 1980 倪振尧 , 李 植 . 金属 材料及 热处理 . 徐州 : 中国 矿业 大学出版社 , 1卯1 . 1 78 E fe ct o f S o lid P a rt i c l e o n S P o o l V a l ves S ur af ces L 1 F a n 劣u n ’ ) G a o L a n 叮i n g ’ ) Z h o u S h i夕“ l ) C o ]l e g e o f R e s o u r c e s E n g l n e e r l n g , U S T B , B e l j i n g 10 0 0 8 3 , P R C 2 ) B e ij z n g G r a d u a t e S c h o o l , C U M T A BS T R A C T 们l e P a t t e rn S o f P a rt i d e s im P l e mo ul d o f s o lid P a rt id e a n d s P o o l v a lve 15 es ta b lis h ed . hT e o n s P o o l va lve s u 币z璐 15 d is c 侧骆 ed . It 15 P o i n ted o u t t h a t t h e P a rt i d e ’ s st ren g t h , ht e elr a t ive 5 1及 o f Pa rt id e a n d d份 ar n 优 o f v a lve , t h e h a dr n es o f v a lve s u far 璐 a er t h e i娜 o art n t fa cot sr hw ihc a 伟工 t t h e e 1(T芜 t P a t t e nsr . K E Y W O R I 巧 w 已王r / Pa rt id es , s P o o l v a l v e , l o ck