作者：张毅
本文借鉴表面织构理念及环形沟槽式柱塞设计方法，提出一种螺旋沟槽式柱塞设计方案，而沟槽特征对铜套表面接触应力分布的影响情况有待人们的深入研究。目前，各类数值模拟方法在具有织构特征的表面接触问题研究中得到广泛应用。本文采用动态接触特性的数值模拟方法，重点考察沟槽螺旋角变化对铜套表面接触应力分布的影响情况。
1 螺旋沟槽式柱塞的设计与有限元建模
1.1 螺旋沟槽式柱塞的设计
沟槽式柱塞的结构如图1所示，柱塞外圆柱面上设有两段螺旋槽，在柱塞表面长度为Z的局部区域设有螺旋沟槽，螺距为p。该方案可以利用螺旋沟槽及时捕获并清理磨屑，从而减轻磨粒磨损。
以某型柱塞为例，柱塞直径为@24 mm，柱塞体长度为75 mm，设计的螺旋沟槽截面如图1(b)所示。采用三角形截面，沟槽深度h=0.125 mm，沟槽宽W—0.5 mm，通过改变螺距p的长度，可以分别获得O。（环形）、5。、10。和15。螺旋角的螺旋沟槽。
1.2摩擦接触几何模型
在此对接触模型进行了简化处理，重点对铜套主要承载区进行考察。如图2所示，在距柱塞中心水平线位置e-6 mm处选取周向60。的区域，以及铜套周向60。的区域，作为计算区域。为了避免摩擦副模型在周向几何边界上的应力集中对计算结果的影响，忽略铜套接触层计算区域周向两侧5。区域的计算结果数据。在轴向上，截取长度为18 mm的沟槽段进行建模分析，重点考察沟槽对铜套表面接触应力分布特征的影响。
1.3材料模型
本文主要考察铜套表面在正常工作接触状态下的应力变化情况，因未达到塑性变形和磨损阶段，故将柱塞接触层和铜套定义为线弹性材料。柱塞材料为GCr15钢，弹性模量E1=206 GPa，泊松比v1一0.30，密度p=7 830 kg/m3。铜套材料为锰黄铜，弹性模量E2 -100 GPa，泊松比V2一0.33，密度p=8 930 kg/m3。
1.4单元类型和网格划分
依据动态接触特性分析的有限元数值模拟方法，选用八节点实体Solid164单元，该单元适用于各向同性弹性材料以及刚体材料。图3为接触模型网格划分。
经过多次尝试，最后综合考虑计算效率和精度要求，取接触面单元尺寸为0.1 mm，铜套总体划分单元数为123 900个。
1.5载荷施加与边界条件设置
在沟槽式柱塞与铜套接触的数值模拟中，忽略柱塞的圆周向自转运动，将铜套外圆柱表面单元在x和y方向上固定；利用刚性体模型定义柱塞非接触层，对其x、y和z方向进行约束。动、静摩擦系数分别取0.1和0.08。
根据所研究对象工作载荷大小及相互运动关系，以低速重载工况为例，这里在柱塞非接触层施加径向载荷F。=360 N，对铜套施加恒定速度v2=0.01 m/s。
2 数值模拟结果分析
根据固体接触应力准则分析可知，柱塞一铜套相对滑动过程中，接触界面单元体的接触应力状态十分复杂。在此重点考察螺旋沟槽设计对铜套表面等效接触应力场的影响。
图4为某时刻（t=3 ms）铜套表面在无沟槽柱塞作用下的应力分布情况。
由图4可以看出，铜套与柱塞两端接触部位、铜套承载正下方即底部均出现了较大的应力集中，最大应力出现在二者的交汇处。非应力集中区铜套表面单元应力分布并不是完全均匀，但幅值大小变化比较平稳，总体差异在0.45 MPa以内。柱塞体设计有螺旋沟槽结构时，在t=3 ms时，铜套表面在具有不同螺旋角沟槽式柱塞作用下的应力分布情况如图5所示。
图5中，沟槽结构对铜套表面相应接触位置的应力分布产生了明显影响。在铜套底部，与沟槽边界接触的铜套区域出现了明显的应力集中现象，而沟槽中央对应的铜套表面应力则明显下降。在非沟槽接触区域，与无沟槽柱塞作用下的结果十分相似。
由图5可知，有沟槽柱塞作用下铜套表面的最大等效接触应力也是发生在与柱塞端部接触区域，表1为柱塞具有不同螺旋角沟槽时铜套表面最大等效应力对比表。
由表1可知，与无沟槽柱塞作用相比，除了0。螺旋沟槽柱塞作用下铜套表面最大应力稍有降低外(降低6.75%)，其他3种情况下最大应力均略有增加。对比图4和图5可以发现，无沟槽及0。螺旋沟槽柱塞作用下，铜套底部两侧表面应力分布具有很好的对称特性，非应力集中区域应力大小变化比较平稳。在其他3种沟槽柱塞作用下，铜套非应力集中区域的应力变化起伏则相对较大，铜套底部两侧表面应力分布没有对称性。可以推断，O。螺旋沟槽结构有利于减轻铜套表面的应力集中现象；其他几种螺旋槽柱塞由于其接触作用的非对称特性，会使得最大接触应力稍有增加，且随着沟槽螺旋角度的增加，铜套表面最大等效应力基本呈递增趋势。
图6为各铜套底部应力集中单元节点的最大等效应力分布曲线对比情况。
由图6可以看出，在铜套与柱塞沟槽接触部位出现了较为明显的应力集中现象。比较发现，螺旋角度越大，由沟槽引起的应力集中越明显。无沟槽作用时，铜套底部的最大应力为2. 963 MPa，而4种螺旋沟槽作用下在相同位置产生的最大应力分别为3. 173 MPa、3. 457 MPa、3.722 MPa和3.744 MPa，分别增大了7. 09%、16. 7%、25. 6%和26. 4%。
3结论
(1)数值仿真结果表明，沟槽结构对铜套表面相应接触位置的应力分布产生了明显影响。在铜套底部，与沟槽边界接触的铜套区域出现了明显的应力集中现象，而沟槽中央对应的铜套表面应力则明显下降。
(2)随着螺旋角度的增大，由沟槽引起的应力集中越明显，但数值均没有超过铜套与柱塞两端接触产生的集中应力大小，非应力集中区的应力分布变化不明显。
综上可以推断，由螺旋沟槽作用引起接触应力变化对铜套整体的接触疲劳寿命影响是十分有限的，螺旋沟槽式柱塞设计方案具有较强的可行性，本研究可以为新型柱塞一铜套副的减摩降磨设计提供参考。
4摘要：柱塞与铜套表面间的接触状态对柱塞泵的工作性能影响显著。为了改善柱塞一铜套副的表面接触性能，借鉴表面织构设计的基本理念，提出了一种螺旋沟槽式柱塞设计方案；利用动态接触特性分析的有限元数值模拟方法，重点考察了螺旋沟槽结构对铜套表面接触应力分布的影响情况。研究结果表明，螺旋沟槽式柱塞设计方案具有较强的可行性，为新型柱塞一铜套副的减摩降磨设计提供参考。
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