Mathematical Modeling of Combined Hydroabrasive and Contact Wear of the Swashplate-Piston Shoe Interface in Axial-Piston Hydraulic Machines under Misalignment Conditions

UKR: У статті розглядається проблема підвищення надійності аксіальнопоршневих гідромашин, які є базовими елементами гідростатичних трансмісій мобільних машин. Особливу увагу приділено спряженню «п’ята поршня – опора люльки», від технічного стану якого суттєво залежить загальна ефективність та довговічність гідроагрегату. Основними проблемами є відсутність вичерпних даних про механізми зношування цього вузла в умовах реальної експлуатації, зокрема за наявності абразивних частинок у робочій рідині та перекосі п’яти, що унеможливлює розробку ефективних технологій відновлення. Метою дослідження є встановлення закономірностей формування комбінованого зношування досліджуваного спряження та розробка узагальненої математичної моделі для опису локальної та інтегральної інтенсивності зношування з урахуванням змінної товщини мастильної плівки, концентрації абразивних частинок і параметрів навантаження. На основі морфологічного аналізу ідентифіковано домінуючий гідроабразивний та супутній контактний механізми зношування, розроблено математичну модель, що поєднує модифіковану залежність Арчарда з енергетично-емпіричним описом гідроабразивного зносу, введено коефіцієнт контакту для кількісної оцінки переходу до граничного тертя, чисельним аналізом доведено, що внесок гідроабразивної складової перевищує 95%, а зменшення товщини мастильної плівки з 25 до 5 мкм призводить до зростання зносу у 4–25 разів, побудовано карти розподілу зон максимального руйнування на периферії контакту. Розроблена модель адекватно описує комбіноване зношування в досліджуваному спряженні, а визначені критичні діапазони зазорів і зони локалізації зносу є основою для прогнозування ресурсу гідромашин та вдосконалення технологій їх ремонту.

ENG: The article considers the problem of increasing the reliability of axial-piston hydraulic machines, which are the basic elements of hydrostatic transmissions of mobile machines. Special attention is paid to the “piston heel - cradle support” coupling, the technical condition of which significantly affects the overall efficiency and durability of the hydraulic unit. The main problems are the lack of comprehensive data on the wear mechanisms of this unit under real operating conditions, in particular in the presence of abrasive particles in the working fluid and heel skew, which makes it impossible to develop effective restoration technologies. The purpose of the study is to establish the regularities of the formation of combined wear of the studied coupling and to develop a generalized mathematical model to describe the local and integral wear intensity taking into account the variable thickness of the lubricating film, the concentration of abrasive particles and the load parameters. Based on morphological analysis, the dominant hydroabrasive and concomitant contact wear mechanisms were identified, a mathematical model has been developed that combines the modified Archard dependence with the energy-empirical description of hydroabrasive wear, a contact coefficient has been introduced to quantitatively assess the transition to limit friction, numerical analysis has proven that the contribution of the hydroabrasive component exceeds 95%, and a decrease in the thickness of the lubricating film from 25 to 5 μm leads to an increase in wear by 4–25 times, maps of the distribution of maximum destruction zones on the periphery of the contact have been constructed. The developed model adequately describes the combined wear in the studied coupling, and the determined critical clearance ranges and wear localization zones are the basis for predicting the resource of hydraulic machines and improving their repair technologies.