
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (S1): 250334-.doi: 10.12382/bgxb.2025.0334
廖文博1, 周俊杰1,2,*(
), 武艺1, 陈泽1, 郑志豪1
收稿日期:2025-04-30
上线日期:2025-11-06
通讯作者:
LIAO Wenbo1, ZHOU Junjie1,2,*(
), WU Yi1, CHEN Ze1, ZHENG Zhihao1
Received:2025-04-30
Online:2025-11-06
摘要: 针对高速旋转摩擦焊接工艺制备的重载流体传动机械零部件,介绍了重载泵新型柱塞的高速旋转摩擦焊流程及控制参数。以该工艺生产的空心封闭柱塞为对象,建立融合计算流体力学与刚柔耦合多体动力学的联合求解数值模型,通过数值模拟与试验,分析了摩擦焊柱塞的多体动力学特性及其对泵空化的改善效果。结果表明:吸油行程中,柱塞应力集中于球颈及球头侧芯杆,滑靴承受柱塞球头挤压力与回程盘截切力,靴底应力梯度方向与滑靴速度矢量正交;排油行程中,柱塞局部应力超 250 MPa 但分布分散,组件结构强度安全。压力与空化特性方面,相较传统大腔柱塞,摩擦焊柱塞与缸体形成的闭死容腔最小,容积效率高、响应快,其较小闭死容腔可避免吸油时油液惯性导致的中压冲击,减小空化射流强度,降低空蚀破坏风险。
廖文博, 周俊杰, 武艺, 陈泽, 郑志豪. 摩擦焊柱塞的多体动力学特性及其对泵空化的改善[J]. 兵工学报, 2025, 46(S1): 250334-.
LIAO Wenbo, ZHOU Junjie, WU Yi, CHEN Ze, ZHENG Zhihao. Multibody Dynamics Characteristics of Friction-welded Piston and Their Effect on Pump Cavitation Mitigation[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(S1): 250334-.
| 名称 | 项目 | 数值 |
|---|---|---|
| 旋转摩擦焊 工艺参数 | 主轴升速时间/ s | 10.00 |
| 主轴转速/rpm | 4520 | |
| 摩擦产热压力/MPa | 3.00 | |
| 摩擦产热时间/s | 4.20 | |
| 急停制动时间/s | 0.40 | |
| 顶锻粘合压力/MPa | 8.50 | |
| 顶锻粘合时间/s | 3.00 | |
| 熔化缩距/mm | 4.20 | |
| 待焊面积/mm2 | 417.00 | |
| 峰值温度/℃ | 1140 | |
| 待焊件 (42CrMo) | 密度/(kg·m-3) | 7.85 |
| 杨氏模量/Pa | 2.10×105 | |
| 泊松比 | 0.300 | |
| 熔点温度/℃ | 1440 | |
| 待焊接端面粗糙度/μm | ≤0.8 | |
| 待焊接端面硬度/HB | 257~269 | |
| 屈服强度/MPa | ≥930 | |
| 抗拉强度(调质后)/MPa | ≥1080 |
表1 焊接工艺参数与材料参数
Table 1 Welding process parameters and material parameters
| 名称 | 项目 | 数值 |
|---|---|---|
| 旋转摩擦焊 工艺参数 | 主轴升速时间/ s | 10.00 |
| 主轴转速/rpm | 4520 | |
| 摩擦产热压力/MPa | 3.00 | |
| 摩擦产热时间/s | 4.20 | |
| 急停制动时间/s | 0.40 | |
| 顶锻粘合压力/MPa | 8.50 | |
| 顶锻粘合时间/s | 3.00 | |
| 熔化缩距/mm | 4.20 | |
| 待焊面积/mm2 | 417.00 | |
| 峰值温度/℃ | 1140 | |
| 待焊件 (42CrMo) | 密度/(kg·m-3) | 7.85 |
| 杨氏模量/Pa | 2.10×105 | |
| 泊松比 | 0.300 | |
| 熔点温度/℃ | 1440 | |
| 待焊接端面粗糙度/μm | ≤0.8 | |
| 待焊接端面硬度/HB | 257~269 | |
| 屈服强度/MPa | ≥930 | |
| 抗拉强度(调质后)/MPa | ≥1080 |
| 图示 | 泵技术参数 | 数值 |
|---|---|---|
| | 额定压力/MPa | 35 |
| 最高压力/MPa | 42 | |
| 额定转速/rpm | 2400 | |
| 最大倾角/(°) | 16 | |
| 排量/ml | 145 | |
| 摩擦焊接柱塞的主要几何特征 | ||
| D=26.1mm | R=9.35mm | |
| d3=3mm | L=94.2mm | |
表2 重载柱塞泵及柱塞技术参数
Table 2 Technical parameters of heavy-duty piston pumps and piston
| 图示 | 泵技术参数 | 数值 |
|---|---|---|
| | 额定压力/MPa | 35 |
| 最高压力/MPa | 42 | |
| 额定转速/rpm | 2400 | |
| 最大倾角/(°) | 16 | |
| 排量/ml | 145 | |
| 摩擦焊接柱塞的主要几何特征 | ||
| D=26.1mm | R=9.35mm | |
| d3=3mm | L=94.2mm | |
| 流体介质参数 | |||
|---|---|---|---|
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
| 动力粘度/Pa·s | 0.04039 | 油液密度/(kg·m-3) | 870 |
| 弹性模量/MPa | 1500 | 饱和蒸汽压/MPa | 0.004 |
| 气体质量分数/% | 0.00164 | 环境温度/K | 328 |
| 刚体、柔性体材料参数 | |||
| 部件 | 密度/(kg·m-3) | 杨氏模量/Pa | 泊松比 |
| 回程盘(刚) | 7.85×103 | 2.06×105 | 0.280 |
| 球铰(刚) | 8.5×103 | 1.10×105 | 0.330 |
| 滑靴(柔) | 8.5×103 | 1.10×105 | 0.330 |
| 柱塞(柔) | 7.85×103 | 2.10×105 | 0.300 |
| 缸体(刚) | 7.85×103 | 2.16×105 | 0.269 |
| 斜盘(刚) | 7.85×103 | 2.07×105 | 0.270 |
表3 输入参数
Table 1 Input parameters
| 流体介质参数 | |||
|---|---|---|---|
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
| 动力粘度/Pa·s | 0.04039 | 油液密度/(kg·m-3) | 870 |
| 弹性模量/MPa | 1500 | 饱和蒸汽压/MPa | 0.004 |
| 气体质量分数/% | 0.00164 | 环境温度/K | 328 |
| 刚体、柔性体材料参数 | |||
| 部件 | 密度/(kg·m-3) | 杨氏模量/Pa | 泊松比 |
| 回程盘(刚) | 7.85×103 | 2.06×105 | 0.280 |
| 球铰(刚) | 8.5×103 | 1.10×105 | 0.330 |
| 滑靴(柔) | 8.5×103 | 1.10×105 | 0.330 |
| 柱塞(柔) | 7.85×103 | 2.10×105 | 0.300 |
| 缸体(刚) | 7.85×103 | 2.16×105 | 0.269 |
| 斜盘(刚) | 7.85×103 | 2.07×105 | 0.270 |
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doi: 10.12382/bgxb.2021.0814 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2019.09.003 |
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doi: 10.12382/bgxb.2024.0405 |
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