Методи та моделі визначення сил тертя запірно регулюючих елементів гідроапаратів

Abstract

UA: Розглянуто фактори, що визначають величину сили тертя запірно-регулюючих елементів гідроапаратів, зокрема вплив радіального зазору, геометрії золотника та гільзи, матеріалів і властивостей робочої рідини. Запропоновано фізичну модель процесу тертя, що враховує сумарну дію контактного та рідинного тертя під час зворотно-поступального та осциляційного руху золотника. Наведено методику визначення критичної та максимальної швидкості руху золотника, а також формули для розрахунку сили тертя у запірно-регулюючих елементах. Розроблені рекомендації щодо оптимізації геометрії, вибору радіального зазору та застосування антиадгезійних покриттів і присадок у робочій рідині для зниження тертя та підвищення енергоефективності й надійності гідроапаратів. Отримані результати мають практичне значення для проєктування та експлуатації промислових гідроприводів. /// EN: This paper examines the factors determining the friction force of shut-off and control elements in hydraulic devices, including the influence of radial clearance, geometry of the spool and sleeve, materials, and properties of the working fluid. A physical model of the friction process is proposed, which accounts for the combined effect of contact friction and fluid friction during reciprocating and oscillatory motion of the spool. The methodology for determining the critical and maximum velocities of the spool is presented, along with formulas for calculating the friction force in shut-off and control elements. The study provides recommendations for optimizing geometry, selecting radial clearance, and applying anti-adhesive coatings and fluid additives to reduce friction, increase energy efficiency, and enhance the reliability of hydraulic devices. The results show that friction in shut-off and control elements is determined by the complex interaction between contact and fluid friction, radial clearance, geometry of the spool and sleeve, and physicochemical properties of the working fluid. Rational selection of radial clearance, contact surface area, and volumes of the spool and sleeve is critical to minimizing power losses and ensuring stable operation. In addition to conventional design and technological solutions, effective friction reduction can be achieved by giving the spool high frequency, low-amplitude oscillatory reciprocating motion, using wear-resistant and anti-adhesive coatings, and employing specialized fluid additives, which reduce static characteristic hysteresis and the likelihood of spool jamming while optimizing energy performance. In most cases, during reciprocating motion, the spool operates under mixed lubrication, where the friction coefficient remains nearly constant; if the critical speed is exceeded, the motion transitions to fluid lubrication, substantially reducing contact friction and surface wear. The developed physical model of spool motion and friction forces allows determination of critical and maximum spool velocities, estimation of friction force for different operating conditions, prediction of dynamic behavior of shut-off and control elements, and optimization of hydraulic device parameters, providing a scientifically grounded methodology for design and operation. Application of the obtained recommendations improves the accuracy, energy efficiency, and reliability of industrial hydraulic drives and provides a foundation for further research on contact and tribological processes in precision spool–sleeve pairs. Prospective directions for future research include numerical-experimental modeling of friction forces considering surface microgeometry, actual loading conditions, and dynamic oscillations of the spool to enhance accuracy, performance, and lifespan of hydraulic devices.