高速恒壓變量泵失效行為建模及壽命預(yù)示方法

1高速恒壓變量泵失效行為建模及壽命預(yù)示方法分析復(fù)雜等問題。首先，總結(jié)了柱塞副、配流副、滑靴副核心部件的失效模式，及考了疲勞、磨損、腐蝕耦合累積損對上述理論和方法進(jìn)行了仿真分析，并將仿真結(jié)果與實際試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗證了本文方法的有效性。本文給出了考慮多機理耦合作用及失效機理動態(tài)演化規(guī)律的高速恒壓變示方法，完善了高速恒壓變量可靠性和壽命分析理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：高速恒壓變量泵失效行為模型壽命預(yù)示方法高速恒壓變量泵是一種依靠密封容積的變化，將低壓油轉(zhuǎn)換為高壓油，從而為執(zhí)行負(fù)載在航空、航天、船舶、汽車等不同行業(yè)的運動機構(gòu)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1,2]。隨著液壓泵國產(chǎn)化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，其可靠性和壽命問題成為了液壓泵研制過程的瓶頸。rd副磨損壽命預(yù)示方法；袁夢霞[4]研究了轉(zhuǎn)子-配流盤摩擦副的磨粒磨損模型，并據(jù)此對轉(zhuǎn)子與何從振動、壓力、流量、溫度等信息中提取壽命特征因子的方法，為液壓泵壽命分析提供了進(jìn)行統(tǒng)計分析，評估了相關(guān)可靠性指標(biāo)；XueJing等[7]分析了油膜厚度、總效率、泄漏、冷卻容積等參數(shù)約束下的液壓泵溫度分布特征，為優(yōu)化液壓泵設(shè)計提供了指導(dǎo)；等等。國內(nèi)外學(xué)者均從不同方面對液壓泵的可靠性和壽命進(jìn)行了探索性研究，但尚少有資料從多機理耦合作用下的動態(tài)失效行為等角度來開展高度恒壓變量泵可靠性和壽命分析。本文深入分析了高速恒壓變量泵運動特性和失效機理耦合作用下的失效行為及壽命預(yù)示方法。首先，從高速恒壓變量泵功能原理和結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，詳細(xì)推導(dǎo)了柱塞運動方程及其受力公式；然后，開展了高速恒壓變量泵FMEA分析，總結(jié)和分析了柱塞副、配流副、滑靴副的失效模式，深入推導(dǎo)了疲勞、磨損、腐蝕耦合作用下的高速恒壓變量泵失效行為模式，結(jié)合壽命特征參數(shù)失效閾值給出了壽命預(yù)示公式；最后應(yīng)用MATLAB對上述理論和方法進(jìn)行了仿真分析，并將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析。本文給出了考慮多機理耦合作用及失效機理動態(tài)演化規(guī)律的高速恒壓變量泵失效行為建模及壽命預(yù)示方法，完善了高速恒壓變量可靠性和壽命分析理論基礎(chǔ)。1.流固耦合運動方程及受力分析1.1結(jié)構(gòu)組成及功能原理MPa后，經(jīng)過缸體與配流盤、柱塞、滑靴的配合運動，實現(xiàn)缸體順時針180°~360°時吸油，0°~180°時排油，盤傾角與調(diào)壓彈簧預(yù)緊力平衡設(shè)計，確保最終形成恒定高壓油(16~32MPa)輸出泵體，為外部執(zhí)行機構(gòu)提供持續(xù)驅(qū)動動力。高速驅(qū)動電機(含動密封)缸體柱塞滑靴調(diào)整機構(gòu)斜盤由圖1可知，柱塞副、配流副、滑靴副是高速恒壓變量泵的核心部件，分別實現(xiàn)吸油、2配流、壓油功能，是發(fā)生能量耗散、流量泄漏及失效的薄弱環(huán)節(jié)。進(jìn)一步分析可知，柱塞是銜接上述三個摩擦副的關(guān)鍵部件，即柱塞中部為柱塞副受力、柱塞底部為配流副施力、柱塞頂端為滑靴副受力。因此，下面以柱塞為核心，開展高速恒壓變量泵運動方程及受力特性分1.2柱塞運動方程假設(shè)在外負(fù)載不變的情況下，柱塞相對于缸體作兩種運動的復(fù)合運動：柱塞的絕對運動是上述兩種運動的合成，下面給出基于坐標(biāo)矢量法的柱塞運動方程推到建立圖2中所示的坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點取在斜盤平面中心與液壓泵主軸軸線的交點上，柱塞用右手定則確定x軸。盤傾角為γ)后的方向余弦為：以柱塞處于上止點(即柱塞腔容積最大時刻的位置)時作為柱塞運動的起點，以柱塞軸ff式中α為從上止點開始柱塞隨缸體轉(zhuǎn)過的角度。(2)根據(jù)平面點法式理論，可得斜盤平面的方程：1fffff通過對s求一次導(dǎo)和二次導(dǎo)可得柱塞相對缸體的軸向運動速度vr和加速度ar為：(6)(6)rfrf式中，ω為缸體旋轉(zhuǎn)角速度；t為柱塞開始運動的時間。綜上，柱塞端面在三維空間上的運動方程為：從運動方程中也可以看到，柱塞在xy平面內(nèi)作簡單的圓周運動，在z軸方向上作周期性下面推導(dǎo)考慮流固耦合效應(yīng)的柱塞受力計算公式，即考慮柱塞受力對流體運動特性的影響及流體運動參數(shù)對柱塞受力的反作用。3②滑靴副法向接觸力N，該力通過柱塞與滑靴內(nèi)腔接觸點和滑靴上球形腔的球心連線hF②滑靴副法向接觸力N，該力通過柱塞與滑靴內(nèi)腔接觸點和滑靴上球形腔的球心連線hF產(chǎn)生；phh①滑靴副摩擦力F，流-固耦合作用下摩擦力hh③柱塞高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力(軸向慣性力Pg和徑向慣性力PL)；④缸體對柱塞的正壓力R1和R2，由柱塞副接觸彈性變形產(chǎn)生；zzp⑥柱塞底部的油液壓力N，根據(jù)低壓和高壓的運動狀態(tài)而不同；p由于柱塞是在半徑為Rf的圓柱面上作角速度為ω的運動，且相對于缸體軸線作變加速運動，因此不同時刻的整體受力情況也不同。為了易于理解，以柱塞在角位移α=0時受力情況LlLLR11F1pFhPFNFhPFNLhphhNhPgFzR2圖3滑靴柱塞受力分析圖?滑靴副摩擦力Fh根據(jù)靜壓支撐理論及壓差原理，可得由滑靴副流-固耦合作用形成的摩擦力計算公式為[8]：lVV21V?柱塞副摩擦力Fz柱塞副油膜在軸向方向的摩擦力與柱塞的運動速度方向相反，假設(shè)流固耦合作用下柱塞VV2hz2?配流副摩擦力Fp根據(jù)擠壓油膜理論，可得圖4中所示的壓差流量和擠壓流量計算公式為：(10)qb為擠壓流量，p為圓盤壓力分布。根據(jù)配流副密封容器中壓差流量和擠壓流量相等原則，及對整個圓盤進(jìn)行面積積分，可4「(2N「(2N)(2N)]「(2N)(2N)]p根據(jù)液壓油在柱塞孔與配流盤接觸處速度連續(xù)原則可得F=_fpp2h3dtpdhp/dt=vr，從而配流副摩擦力計pF=_f(12)p2h3?柱塞軸向慣性力P和徑向慣性力PgLg柱塞軸向慣性力P的大小為：ggprpfar的相對加速度。柱塞在徑向隨缸體勻速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，徑向慣性力PL的大小為：oL2pepf?柱塞底部的油液壓力Npp在吸油和壓油條件下，柱塞底部均受到油液對柱塞的作用力N，其大小為：p?柱塞與柱塞孔間的正壓力R1、R2及滑靴副法向接觸力Nh由于存在豎直分力Nhsinγ，F(xiàn)hcosγ，缸體的柱塞孔將對柱塞產(chǎn)生作用力，柱塞因動彈性變f/R=L2/L2(Ll+/)=R(L_L/3)22(16)(17)(18)根據(jù)式(8)~(18)中所述受力分析，在柱塞的軸向、徑向分別列平衡方程可得到如下Nh=_(_Np__sinY)(22)(|NcosY_F_N_P_FsinY=0h11Lpgh「(2N)(2N)]「(2N)(2N)]22hLpg(19)(20)(21)5V=KNxV=KNx2.1失效模式分析缸體、柱塞、滑靴、配流盤、斜盤是高速恒壓變量泵柱塞副、滑靴副、配流副的核心部件。經(jīng)過大量故障統(tǒng)計及微觀摩擦學(xué)理論分析[9,10]，并結(jié)合高速恒壓變量泵工作原理及常用工作環(huán)境條件，得到核心部件的主要失效模式及其機理如見表1所示：高速恒壓變量泵關(guān)鍵失效模式失失效模式1.柱塞孔與柱塞之間磨損;2.缸體端面與配流缸體盤之間磨損;3.柱塞與缸體之間接觸疲勞;4.柱塞副、配流副之間的腐蝕磨損;1.柱塞與缸體之間磨損;2.柱塞頭部因交變載柱塞荷產(chǎn)生疲勞斷裂;3.柱塞副之間的腐蝕磨損;1.與缸體端面的磨損和接觸疲勞,且與配流副的潤滑特性直接相關(guān);2.配流副之間的腐蝕磨盤損：1.與斜盤的磨損、腐蝕;2.與柱塞之間的沖擊?；?.受吸排油壓力引起的交變疲勞;2.與滑靴的斜盤磨損機理疲勞磨損腐蝕疲勞磨損腐蝕疲勞磨損腐蝕疲勞磨損疲勞磨損配流部件從表1中可知，柱塞副、滑靴副、配流副在使用條件下的主要失效模式為磨損、疲勞和腐蝕，且這些機理之間相互耦合影響。下面建立磨損、疲勞和腐蝕耦合作用下的高速恒壓變量泵失效行為模型。2.2高速恒壓變量泵失效行為模型高速恒壓變量泵的失效行為是磨損、疲勞、腐蝕機理相互耦合作用的結(jié)果，可采用累積損傷理論來度量其耦合失效行為度量模型：123?磨損失效度量模型Archard上述磨損機理行為[11]，如下：FaHF(24)結(jié)合高速恒壓變量泵工作原理，在磨損失效行為中，有：因此，可得到配流副磨損失效機理模型為：1aA×Hh=Khz1aA×H(26)?疲勞失效度量在柱塞副、配流副、滑靴副接觸應(yīng)力反復(fù)作用下，引起疲勞磨損失效，因此可用式(24)來度量疲勞磨損失效方程，其中：NgLp12hF=P+P+NgLp12haA×Hh=KvtaA×H?腐蝕失效度量在與液壓油的長期接觸過程中，柱塞副、配流副、滑靴副接觸表面將發(fā)生金屬電化學(xué)腐蝕，根據(jù)法拉第定律將其換算成腐蝕速度或以深度表示腐蝕失效公式為[12]：h=Mit3NFp(29)6mμmμ?壽命預(yù)示方程在式(23)、(26)、(28)、(29)的基礎(chǔ)上，假設(shè)磨損深度是表征高度恒壓變量泵失效的(30)1hAHhAHhNFpththth式中，T即為高速恒壓變量泵壽命預(yù)示值。MATLAB仿真分析恒壓變量泵相關(guān)失效參數(shù)如表