高性能液壓泵閥中的微納米技術
編者按：2017年10月31日～11月2日，「PTC ASIA 2017 高新技術展區國際技術交流報告會」成功在上海新國際展覽中心舉辦。此次報告得到國際同業組織VDMA、國內外知名企業、業內專家和世界同仁的大力支持，我們深表榮幸並衷心感謝。
報告會現場觀眾踴躍參加、積極互動，讓我們倍感欣慰，這一切都激勵著我們繼續努力，為流體傳動與控制技術進步添磚加瓦，為世界流體動力產業發展貢獻新的力量！
為了讓更多的同仁了解本屆技術報告會實況，我們應大家訴求對專家的精彩報告進行編輯整理，陸續發表在2018年《液壓氣動與密封》雜誌和微信平台上，供學習分享。 敬請關注！
PTC ASIA 2017高新技術展區現場技術報告 之七
高性能液壓泵閥中的微納米技術
——據蘭州理工大學教授冀宏報告整理
液壓泵閥是高負荷的精密機械，其水平可代表一個國家的機械製造業整體水平。高性能液壓泵閥，如，大型工程機械用高壓泵閥、航空用液壓泵閥等領域，我們與國外先進產品還存在較大差距。為實現我國高性能液壓泵閥的自主設計製造，並早日進入世界先進行列，業界同仁正在從各個方面探索、實踐和努力奮鬥著。
我現在主要談的是：深入微觀，突破全局！主要從四個方面進行介紹。
從微觀層面深入液壓泵閥的研究
液壓泵閥在工作過程中，主要存在摩擦磨損、內外泄漏、氣穴氣蝕、熱變形、顆粒物污染、沖蝕等問題，高端液壓泵閥的問題更為突出。那麼導致這些問題的根源究竟是什麼？實際上還不是特別清楚，有的人認為是材料問題，有的人認為是工藝問題，還有人認為是質量控制和管理問題。
根據我們課題組的研究，我們認為應該更加註重從微觀層面來觀察，要從微納米的角度來進行研究和創新。曾經在實驗室裡面發現這樣的現象：在給液壓泵加壓的時候，壓力上不去。本來應該平穩地上升到22兆帕、25兆帕，但到18兆帕以後就上不去了，並且劇烈抖動，這種現象就迫使我們去思考、研究。可能大家也能想到是因為油液污染的問題，實際情況確實也是這樣，清洗溢流閥以後就可以上下平穩地調節，用比例閥調節都沒問題。經過分析，我們認識到，液壓可靠性，很大程度上，就是滑閥卡滯問題。
顆粒物在液壓油中是客觀存在的一個事實，敏感顆粒的尺寸是和配合間隙大小相當的，大的進不去，小的顆粒物進去以後影響不大，就是這種和配合間隙相當尺寸的敏感顆粒物會引起卡滯問題（見圖1）。這個問題不是偶然的，有一定規律性。於是我們提出一個簡單的模型，就是假設這個顆粒物是球形的，由於滑閥配合間隙存在非理想形貌，自由顆粒可變為嵌入顆粒，和兩個表面同時接觸了。然後我們經過模擬分析發現，在閥芯的均壓槽中有顆粒物的聚集現象。我們看圖2那個很高的尖峰，顆粒物的濃度非常大，顆粒物在均壓槽里有聚集現象，在其他地方濃度比較低。針對2微米、4微米、6微米、8微米的不同尺寸顆粒，這個濃度分布是不一樣的。
圖1 微米敏感顆粒物侵入滑閥圖
圖2 不同直徑的顆粒在間隙內的分布
接下來我們對單個顆粒物的模型化做了進一步深入的研究。不再把顆粒物假設為球形，而是模型化為正方形和矩形，因為實際中顆粒物是微米級，它的外形尺寸更加接近方形。我們發現在滑閥間隙中，比方說3微米、5微米、10微米、20微米的滑閥間隙中，顆粒物都有一種旋轉運動現象，這是我們通過流固耦合計算髮現的一個現象（見圖3）。這個現象有普遍性，比如說一個方形顆粒物進入到間隙裡面，窄的這邊可能正好進去，然後它在裡面一旋轉，再加上間隙的實際表面形貌以及公差，就會誘發滑閥卡滯。這種卡滯現象是普遍存在的，只是有時候表現不出來，有時候表現很微弱。再比如說兩個顆粒物在不同位置匯聚到一起，然後碰撞，再進入到配合間隙裡面，這都增加了卡滯的可能性（見圖4）。
圖3 方形顆粒物在滑閥間隙內的旋轉現象
圖4 兩個顆粒物在滑閥間隙入口處的相遇現象
另外一個因素是閥的節流與變形問題，在液壓閥中局部高溫區是普遍存在的。通過模擬計算，這個高溫區相對於其他部位溫度可以高出一倍以上，比如油液溫度是30℃，那麼在節流邊局部位置上，溫度可能有80℃，甚至90℃。在這樣一個局部高溫情況下，局部變形量也是非常顯著的，它會達到微米級，並伴有彎曲變形現象。顆粒物和微米級的變形如果聯合作用的話，液壓元件出現卡滯的可能性就大大增加。我們做了一個聯合計算，將顆粒物和熱形變聯合起來模擬，可以看到它的配合間隙減小，孔縮小，軸變大，這個間隙甚至會變得很小。如果是敏感顆粒物的話，會很容易成為嵌入顆粒。
此外，我們對閥芯的實際形貌也進行了觀察，閥芯的形貌在理想情況下是銳邊、是直角邊，而閥芯在工作一定時間後成了圓角，而且不規則，在整個圓周方向上都不規則。那麼實際在使用過程中也是一樣的，這種沖蝕的現象也是從微觀上逐漸發展出來的。所以，我們認為應該從微納米結構上去進行設計。圖5是哈爾濱工業大學的研究，由此可知，棱邊圓角、共面度、徑向間隙對滑閥性能影響最大，其中棱邊圓角直接影響滑閥在零位附近的微控性能，而微米級的徑向間隙與顆粒物、閥口熱變形共同作用，可能導致滑閥卡滯。這樣對工作在零位附近的伺服閥來說，閥口局部的沖刷作用造成的誤差是很顯著的，因為伺服閥主要工作在零開口（微米級開口）下。
圖5 幾何誤差對滑閥性能影響程度表面形貌儀（哈爾濱工業大學）
除了油液污染度控制技術外，能否發展出耐污染的「無卡液壓閥」，使得液壓系統可靠性不再是一個值得擔心的問題，這是未來液壓技術發展的一個重要基礎性課題。我們提出了一種新的設計，可避免敏感顆粒物進入到配合間隙。滑閥閥體或閥芯上開設高壓引油通道，經過濾器引至擋污環形槽形成「液體密封圈」（專利號：CN201210477909.7），通過這種純凈液體的「密封圈」，阻止顆粒侵入間隙。通過模擬表明，在進口這個地方是沒有物理污染物的，因此這個閥的可靠性非常高。
微納檢測及成像技術
微納米成像技術，我覺得液壓也要把它引入進來，對1～10微米的顆粒物進行檢測，甚至對閥泵裡面的微結構進行檢測。我們有一台儀器，檢測精度可以達到20納米（見圖6）。實際上微納米成像技術在摩擦領域裡面已經研究得比較多了，這幾年我們液壓逐漸在引入。
圖6 微納米成像技術——三維（蘭州理工大學）
微納米加工技術
未來微納米加工技術在液壓元件方面可能應用越來越多，因為高性能液壓元件說到底就是微納米技術，就是在微觀上設計。目前在摩擦副上有很多熱噴塗的方法，通過噴塗在零件表面形成納米結構，增強耐磨損性能。我們學校有一種爆炸噴塗技術，這次PTC帶過來了，設備是從俄羅斯引進的，我們已將爆炸噴塗應用於往複泵柱塞、液壓缸活塞的摩擦副中（如圖7、圖8）。此外，一些企業也將爆炸噴塗應用在了液壓元件中（圖9）。爆炸噴塗技術的好處是什麼？就是基體不用加熱，可以在常溫下直接噴塗到工件表面，這樣工件不容易變形。我想今後爆炸噴塗可以更加廣泛地應用於液壓泵閥關鍵摩擦副的表面處理工藝中。
圖7 爆炸噴塗用於柱塞泵柱塞（蘭州理工大學）
圖8 爆炸噴塗用於液壓缸活塞桿
（蘭州理工大學）
圖9 爆炸噴塗用於球閥
（武漢優科表面工程有限公司）
表面微結構的研究。人們從自然界中一些持殊的非光滑表面的減磨特性得到啟示，發現並非光滑的表面才具有減磨特性，合適的表面微結構也能起到很好的減磨效果，從而衍生微造型織構技術，開闢了摩擦學的新方向。在其他領域，表面微結構也有很多的應用，我們液壓也在做研究，我覺得將來在液壓元件中可能會比較多的使用表面微結構。
激光表面微刻技術，就是利用激光束與物質相互作用的特性對材料進行精確細緻的表面處理技術。其優點在於：①光點小，能量集中，熱影響區小；②激光束易於聚焦、導向，便於自動化控制；③精確細緻：激光蝕刻技術可加工0.125～1μm的線；④安全可靠：採用非接觸式加工，不會對材料造成機械擠壓或機械應力，保證了微形貌的精度。對閥芯或者泵的摩擦副進行一些精細、精準的表面處理，利用它的能量集中、熱影響區小的特點，進行一些精密的微雕刻，可以起到減磨的作用，也可以起到聚集顆粒物的作用。比如說安徽理工大學在閥芯上做了一些表面的織構（見圖10），目的是能夠存儲潤滑介質，減小磨粒磨損，減小它的摩擦力。2010～2014年左右，我們在國外的會議上看到德國、美國的一些教授也在做類似的研究，我想液壓元件的一些創新可能要在微納米技術上去考慮。激光微刻這種熱處理技術，可以對摩擦副表面進行一個幾乎沒有變形的硬化強化作用，這對它的抗磨性、抗疲勞、耐腐蝕、延長使用壽命都是很有意義的。因此液壓元件今後的發展可能在微納米層次上的工作會越來越多，包括製造、檢測、設計。
圖10 微造型閥芯（安徽理工大學）
總結
1.影響液壓泵閥工作性能的因素多源於微觀現象，繼而通過積累、生髮、放大，逐漸發展成為宏觀失效現象。高性能液壓泵閥的設計與製造必須深入到微納米尺度進行研究與創新。
2.微米級的徑向配合間隙與顆粒物、閥口熱變形共同作用，可能導致滑閥卡滯。液壓可靠性很大程度上就是滑閥卡滯問題。
3.爆炸噴塗具有基材表面溫度低、塗層硬度高等優點，使這項技術在液壓泵閥上的應用可行性較高。目前，蘭州理工大學已將爆炸噴塗應用於往複柱塞泵柱塞、液壓缸活塞的摩擦副中。未來，爆炸噴塗將可能廣泛地應用於液壓泵閥關鍵摩擦副的表面處理工藝中。
4.激光微刻技術日趨成熟，尤其在機械部件中的關鍵摩擦副領域研究成果豐富。激光微刻技術在高性能液壓泵閥的製造中應用前景廣泛。
深入微觀、突破全局。我想未來液壓元件的進一步發展，應該著重在微納米尺度上，進行研究、設計、製造、檢測。
該文刊登於我刊2018年第3期
本刊編輯 張婷婷整理
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