（机械电子工程专业论文）基于cfd的a11vo轴向柱塞泵配流特性研究.pdf

k 一 t h ec f ds i m u l a t i o na n a l y s i so ff l o wd i s t r i b u t i o nf e a t u r e si na x i a lp i s t o np u m p a 1 1 v o l 9 0 b y m a d e j i a n g b e ( t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i r e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a n g f e n g y u m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特j j t l d n 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：习摄江 日期：2 b f 年f 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 与慑皿日期：2 0 【1 年月f 日 日期：泖1 年乡月夕日 硕士学位论文 目录 摘善要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 柱塞泵的概况1 1 1 2 c f d 技术在柱塞泵中的应用2 1 2 轴向柱塞泵配流机构的研究现状一3 1 2 1 配流机构国外研究现状一3 1 2 2 配流机构国内研究现状5 1 3 课题研究意义7 1 4 主要研究内容8 第2 章轴向柱塞泵配流过程的理论模型分析9 2 1 过流面积的理论模型分析一9 2 2 柱塞运动的理论模型分析1 6 2 2 1 柱塞倾角对柱塞位移、速度及流量脉动影响分析1 6 2 2 2 柱塞倾角对柱塞受力的影响分析2 0 2 3本章小结2 4 第3 章轴向柱塞泵配流过程解析建模2 6 3 1 配流过程的数值仿真建模2 6 3 1 1 基本守恒方程式一2 6 3 1 2 油液粘温、粘压系数的确定一3 0 3 2 配流流场的流态分析3 1 3 2 1 柱塞腔内的流态分析3 2 3 2 2 阻尼槽的流态分析3 3 3 3 几何模型的建立以及网格划分3 4 3 4 边界条件的设定与瞬态计算模型的建立3 7 3 5 本章小结3 8 第4 章数值仿真结果分析3 9 4 1出口流量瞬时脉动3 9 4 2 缸体所受压紧力和压紧力矩4 0 4 3阻尼槽流量系数影响分析4 4 4 3 1 与吸油腔相通的阻尼槽流量系数一4 5 4 3 2 与排油腔相通的阻尼槽流量系数4 7 基于c f d 的a i1 v o 轴向柱塞泵配流特性研究 4 4 三角阻尼槽结构对泵性能的影响4 9 4 5 配流盘阻尼槽的结构优化5 4 4 6 本章小结5 6 第5 章结论与展望5 7 参考文献5 9 致 射6 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录一6 5 i i 硕士学位论文 摘要 轴向柱塞泵由于结构紧凑、功率密度大、使用寿命长等独特优点在各类机械 设备中得到了广泛应用。然而随着对轴向柱塞泵性能要求的不断提高，使得研制 具有较低噪声的高速、高压、大流量的轴向柱塞泵成为主要研究方向，因此如何 在提高轴向柱塞泵性能的同时，有效降低柱塞泵噪音成为当前的研究热点。噪声 是柱塞泵的三大性能指标之一，对轴向柱塞泵的性能有着至关重要的影响，研究 发现轴向柱塞泵噪声主要是配流盘在配流过程中所产生的配流噪声，因此如何降 低配流盘的配流噪声是改善轴向柱塞泵性能，提高其应用价值的关键所在，故通 过研究配流盘的配流特性以降低柱塞泵的噪声是十分必要的。 本文以力士乐的a 11 v 0 19 0 型斜盘式高压轴向柱塞泵为研究对象，采用c f d 方法对其配流过程的流场进行数值模拟。考虑到在高速高压下流体的压缩性不可 忽略，因此在流体控制方程组中加入了弱可压缩状态方程，同时考虑到油液的粘 温和粘压效应，推导出粘度随压力、温度变化的关系式，并将其带入流体控制方 程组进行数值求解，根据数值计算结果，对配流过程中柱塞泵的出口流量进行了 分析研究，发现数值仿真所得的出口流量脉动比仅考虑几何运动所得的流量脉动 要大些；当柱塞腔与配流盘腰形槽上阻尼槽接通时，其流动过程受到节流作用的 影响，采用数值拟合的方法，对配流过程中柱塞腔进入吸、排油腔时配流盘阻尼 槽的流量系数的变化规律进行分析，根据仿真结果拟合出流量系数与转角的关系； 对比分析配流盘进、出口三角阻尼槽的开口角和深度，及阻尼槽顶端的小孔结构 对柱塞腔内压力变化过程的影响，得到三角阻尼槽的宽度开口角应选择在3 5 。 时，柱塞腔内的压力变化较为平缓：阻尼槽深度角应取为8 0 。时，可以保证柱塞 泵在配流过程中产生较低的流体噪声；对于阻尼槽顶端的小孔结构，它可以改善 泵的流量脉动，同时小孔容腔可以改善柱塞腔离开高压腔或低压腔时在原腔内形 成的压力冲击现象。 关键词：轴向柱塞泵，阻尼槽，过流面积，流量脉动，液压力矩 基于c f d 的a i l v o 轴向柱塞泵配流特性研究 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es p e c i a la d v a n t a g e so fc o m p a c tc o n f o r m a t i o n ，l a r g ep o w e rd e n s i t y , l o n g e v i t yo fs e r v i c e ，a x i a lp i s t o np u m ph a v eb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u st y p e so f m a c h i n e r ya n de q u i p m e n t w i t ht h e c o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h ea x i a lp i s t o n p u m p sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t ，h i g hs p e e d ，h i g hp r e s s u r e ，a n dh i g hf l o wa x i a l p is t o np u m pw i t hl o wn o i s ei sm a d et ob eam a j o rr e s e a r c hd i r e c t i o n ，s oh o wt o i m p r o v ea x i a lp i s t o np u m p sp e r f o r m a n c ea n dr e d u c ei t sn o i s ee f f e c t i v e l yi sb e c o m i n g t h ec u r r e n tr e s e a r c hf o c u s n o i s ei so n eo ft h et h r e ep e r f o r m a n c e so fp i s t o np u m p ，a n d i th a sac r u c i a li m p a c to nt h ea x i a lp i s t o np u m p sp e r f o r m a n c e s t u d yf o u n dt h a tt h e a x i a lp i s t o np u m pn o i s ei sa s s i g n m e n tf l o ww h i c hi sg e n e r a t e di nt h ep r o c e s so f a s s i g n m e n tf l o wb yv a l v ep l a t e ，s oh o w t or e d u c et h ea s s i g n m e n tf l o wn o i s eo fv a l v e p l a t ei s t h ek e yt oi m p r o v ea x i a lp i s t o np u m p sp e r f o r m a n c ea n di n c r e a s ei t su s i n g v a l u e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt or e d u c et h en o i s eo ft h ep i s t o np u m pb y s t u d y i n ga s s i g n m e n tf l o wp r o p e r t yo f v a l v ep l a t e i nt h ep a p e r , ar e x r o t hc o r p o r a t i o n sp r o d u c t i o no fs w a s hp l a t eh i g h - p r e s s u r e a x i a lp i s t o np u m pa11v o19 0a st h er e s e a r c ho b je c t ，d on u m e r i c a ls i m u l a t i o no f f l o w f i e l dd u r i n gt h ep r o c e s so fa s s i g n m e n tf l o wb yu s i n gc f dm e t h o d s t a k i n gi n t o a c c o u n tt h ec o m p r e s s i b i l i t yo ft h ef l u i dc a nn o tb ei g n o r e du n d e rh i g hs p e e d a n d h i g hp r e s s u r e ，w e a k l yc o m p r e s s i b l e s t a t ee q u a t i o ni sa d d e dt ot h ef l u i dc o n t r o l e q u a t i o n s ，a tt h es a m et i m et a k i n gi n t oa c c o u n t t h ee f f e c to fv i s c o s i t y t e m p e r a t u r ea n d v i s c o s i t y p r e s s u r eo fo i l ，e l i c i tt h er e l a t i o n a le x p r e s s i o nt h a tv i s c o s i t yd e c r e a s e sw i t h p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，a n db r o u g h t i ti n t ot h ef l u i dc o n t r o le q u a t i o n s ，t h e nd o n u m e r i c a ls o l u t i o n a c c o r d i n gt on u m e r i c a lr e s u l t s ，d oa n a l y t i c a ls t u d yo no u tf l o wo f p i s t o np u m pi nt h ep r o c e s so fa s s i g n m e n tf l o w ，w ec a n f i n dt h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h eo u t l e tf l o wp u l s a t i o ni sb i g g e rt h a nf l o wp u l s a t i o nw h i c ho n l yc o n s i d e r i n g g e o m e t r i cm o v e m e n t ；w h e nt h ep i s t o n c h a m b e rc o n n e c t e dt ot h ed a m p i n gg r o o v e w h i c hi nt h ev a l v ep l a t es l o t ，t h ef l o wp r o c e s si si n f l u e n c e db yt h r o t t l i n ga c t i o n u s e t h em e t h o do fn u m e r i c a lf i t t i n gt oa n a l y s i st h ec h a n g el a wo ft h ev a l v ep l a t e s d a m p i n gg r o o v ef l o wc o e f f i c i e n tw h e np l u n g e rc a v i t ye n t e ri n t os u c t i o na n dd i s c h a r g e c h a m b e rd u r i n gt h ep r o c e s so ff l o wa s s i g n m e n t f i tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o w c o e f f i c i e n ta n dt u r na n g l ea c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ；c o n t r a s t i v ea n a l y s i st h e o p e n i n ga n g l ea n dd e p t ho ft h et r i a n g l ed a m p i n gg r o o v ei nv a l v ep l a t e si n l e ta n d o u t l e t ，a n dt h es t r u c t u r eo fl i t t l eh o l eo nt o po fd a m p i n gg r o o v ei n f l u e n c et h ep i s t o n c a v i t yp r e s s u r ec h a n g e i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tw h e n t h eo p e n i n ga n g l eo ft r i a n g l e d a m p i n gg r o o v ei s 3 5 0t h ep r e s s u r ec h a n g ei np i s t o ni sm o r eg e n t l e ；f o rt h ed a m p i n g g r o o v ed e p t hw h i c hi sc o n t r o l l e dw i t h i na b o u t8 0 。，t h e n i tc a nb ee n s u r e dt h a tp i s t o n p u m pg e n e r a t e dl o w e rf l u i dn o i s ei nt h ep r o c e s so ff l o wa s s i g n m e n t ；f o rt h ed a m p i n g g r o o v ew h i c hc o m b i n eh o l ew i t hg r o o v ec a ni m p r o v et h ef l o wp u l s a t i o n o ft h ep u m p ， p o r ec h a m b e rc a ni m p r o v et h ep h e n o m e n o no fp r e s s u r e s h o c kw h i c hl st 0 眦e dl n o r i g i n a lc h a m b e rw h e np i s t o nc h a m b e rd e v i a t e f r o mh i g hp r e s s u r ec h e s ta n dl o w p r e s s u r ec h e s t k e yw o r d s ：a x i a lp i s t o np u m p ，d a m p i n gg r o o v e ，a r e ao fp a s s a g e ，f l o w p u l s a t i o n h y d r a u l i ct o r q u e 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 柱塞泵的概况 液压传动作为一种传动方式，由于具备功率密度高、结构小巧、配置灵活、 组装方便、可靠耐用等独到的特点，已成功地用于大部分需要中等以上功率输出， 且需对运动过程进行灵活控制和调节的地方，是现代化传动与控制的关键技术之 一 卜4 】o 在现代液压传动中，柱塞泵是使用最广的液压动力元件之一，从万吨以上的 重型液压机到小型的液压机具，从一般工业用的固定式机械到行走车辆，从民用 机械到军用武器，都广泛地使用了柱塞泵。 因为柱塞泵比较其他容积式液压泵一一齿轮泵、叶片泵、螺杆泵有如下优点 【3 】 ( 1 ) 参数高：常用压力达2 0 - 4 0 m p a ，超高压泵可达7 0 m p a 以上；常用泵的排 量为每转几l 至5 0 0 m l ，大排量泵每转可达数千毫升；常用泵的驱动功率在2 0 0 k w 以下，大功率泵可达5 0 0 k w 以上。 ( 2 ) 效率高：容积效率可达9 5 以上，总效率可达9 0 以上。 ( 3 ) 寿命较长：泵内轴承的设计寿命一般为2 0 0 0 - - - 5 0 0 0 h ，泵的使用寿命可 达1 0 0 0 0 h 以上。 ( 4 ) 变量方便，形式较多：利用变量柱塞泵，实现液压系统的功率调节和无 级变速，是液压传动特别是高压液压传动系统的最重要的优点之一。 ( 5 ) 可以使用不同的工作介质：例如，既可以使用矿物油，也可以使用乳化 液或其他人工合成介质，这对适应某些液压设备的抗燃要求和节省能源具有重要 的意义。 ( 6 ) 单位功率的重量轻。 但是柱塞泵也有如下缺点： ( 1 ) 结构较复杂，零件数较多。 ( 2 ) 制造工艺要求较高，成本较贵。 ( 3 ) 除阀式柱塞泵以外，一般对介质的清洁度比较敏感，因此对使用和维护 水平要求较高。 虽然柱塞泵有以上的缺点，但随着泵设计制造水平的提高，液压系统趋向于 采用高压，要求更多的使用功率调节和无级变速以及工作介质的发展和污染控制 技术的不断完善，柱塞泵的应用愈来愈广泛。 基于c f d 的a 1 l v o 轴向柱塞泵配流特性研究 柱塞泵又可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵。与径向柱塞泵比较，轴向柱塞泵 具有结构简单，零件少，容积效率高，转速高，单位功率体积小，重量轻，成本 低等优点，所以在许多场合径向柱塞泵己逐渐被轴向柱塞泵所替代“】。 轴向柱塞泵是液压领域中结构最复杂，对工艺、材料要求较高的元件之一。 尤其是轴向柱塞泵中的摩擦副，包括配流副、柱塞副、滑靴副等，对工艺、材料 等性能要求更加苛刻。许多液压专家、学者及生产厂家对轴向柱塞泵配流副的状 况问题产生极为关注的兴趣，是因为配流副工作状况的优劣是决定着轴向柱塞泵 质量优劣的关键哺咱，。 1 1 2c f d 技术在柱塞泵中的应用 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机 数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的 分析。它的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场， 如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定 的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解 代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 的长处是适应性强，应用面广。流动问题的控制方程一般是非线性的， 自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用c f d 方法 可能找出满足工程需要的数值解。运用数值计算技术，优化结构、降低磨损、 噪声、提高性能是流体技术发展的重要方向。轴向柱塞泵在配流过程中，流 质处于高速旋转状态，密闭容腔中的流动会出现多种复杂的流态，如气穴、 、脉动流、喷流等，这些复杂的流态在很大程度上影响着柱塞泵的性能。在 泵传统设计计算中，一般对其内部的流动现象加以忽略或做过度简化，大多 的是集中参数的经验公式。随着轴向柱塞泵对减振、降噪、节能以及精确设 要求不断提高，必须深入流场内部，揭示柱塞泵内部流道结构对流场特征性 影响规律。c f d 技术在液压技术中的引入和应用，使深入柱塞泵内部流场进 究成为可能。 f l u e n t 是目前处于世界领先地位的c f d 软件之一，广泛用于模拟各种流体 传热、燃烧和污染物运移等问题。f l u e n t 提供了灵活的网格特性，用户可以 地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对于二维问题， 成三角形单元网格和四边形单元网格；对于三维问题，提供的网格单元包括 体、六面体、棱锥、楔形体及杂交网格等。f l u e n t 还允许用户根据求解规模、 及效率等因素，对网格进行整体或局部的细化和粗化。对于具有较大梯度的 区域，f l u e n t 提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的 2 硕士学位论文 轴向柱塞泵性能提高的重要性以及迫切性，加上c f d 仿真方法的成熟以及自身具 备的优势，使得二者结合成为可能，并且有着广阔的研究空间和发展前景。 1 。2 轴向柱塞泵配流机构的研究现状 研究轴向柱塞泵配流过程中柱塞腔内瞬时压力，配流过程中的空化现象，以 及泵出口的流量脉动，寻求降低配流噪声、油液冲击、气穴含量的方法以期提高 柱塞泵性能一直是国内外学者致力于探索的课题。1 朝。 1 2 1配流机构国外研究现状 巴斯大学的一批学者在八十年代开始对柱塞泵配流过程的研究，并取得了大 量成果。d a r l i n g 和e d g ek a n l 是其中的代表。1 9 8 6 年，他们首先利用试验所得 的过程曲线，对以前的模型进行了理论结果和实测结果的对比分析，结果发现 z a i c k e n k o 模型在压力超调的计算上存在很大的误差，尤其是高速高压时，误差更 大。d a r l i n g 建立了柱塞腔压力瞬变的数学模型： g + q + 9 2 苦去 其中，g 是柱塞运动产生的流量，q 是通过阻尼槽的流量，9 是泄露流量，油 液的弹性模量。 针对带有阻尼槽的配流盘，在模型中引入节流槽内油液的惯性影响项，从而 大大提高了模型对柱塞腔压力瞬变过程中压力超调的计算精度。但在压力变换过 渡时间的计算上还存在着误差。e d g ek a 阻1 在流量脉动的测量方法上有了突破。 他提出把油泵看成一个流量脉动源和泵源阻抗的并联组合，称为高阻抗测量( h i g h i m p e d a n c e ) ，并将二者的乘积看作是液压泵在流体噪声产生特性的评价指标。1 9 8 3 年此方法被英国做为测量液压泵流量脉动的标准方法。1 9 9 0 年，e d g ek a 和 j o h n s t o nd n 提出了二次源法，成为液压泵流量脉动测试的国际标准。 德国亚琛工业大学( r w t h a a c h e n ) 的i f a s 研究组也开展了柱塞泵马达技术 方面的研究工作睁1 。该小组重点研究压力脉动油液冲击引起噪声的传递路线，如 图1 1 所示，以对结构振动进行测试和计算。并通过改进柱塞泵马达的外壳结构 降低振动。在脉动方面的研究主要通过流体仿真方面的软件d s h p l u s 开展，采用 d s h p l u s 软件建立一个完整的轴向柱塞泵的仿真程序，该程序有三个模块构成， 一个是机械模块可进行运动及动力学仿真计算( 由a d a m s 构成) ，一个是液压模 块可计算出由流体产生的压力，最后一个摩擦模块主要计算摩擦力的值。通过此 程序对泵的几个关键摩擦副进行研究，用来分析柱塞泵内部压力、流场分布及变 化情况。i f a s 课题组还将d s h p l u s 与a d a m s 进行联合仿真，对九柱塞泵由于流 体压缩性和交替运动产生的脉动进行了研究。 3 基于c f d 的a 1 1 v o 轴向柱塞泵配流特性研究 n o i s e s e 图1 1 噪声传递示意图 瑞典的林雪平大学的j 0 p a l m b e r g n 们教授率领的研究小组在柱塞泵的振动和 噪声控制方面开展了一系列的研究工作。在配流盘结构优化方面，提出了一种预 压缩容积法( p c f v ) ( 图1 2 ) ，通过在配流盘的吸油腰形槽和排油腰形槽之间设置一 个预压缩容积，减小流量的倒灌，从而降低脉动和压力冲击。目前该方法已经在 派克的泵上实现应用。他们还提出了一种斜盘式柱塞泵交错角( c r o s sa n g l e ) 降噪的 方法( 图1 3 ) ，主要思想就是通过改变斜盘的旋转轴线同缸体中心轴之间的最大夹 角的位置，从而改变缸体上下死点在配流盘上的对应位置，达到控制柱塞腔油液 预压缩量的目的，进而降低脉动和噪声。此外，他们提出了一种在配流盘过渡区 设置单向阀的降噪方法，可以避免在配流过程中柱塞腔内流量倒灌引起的流量脉 动和冲击，见图1 4 所示。近年来，他们还重点对柱塞泵流量脉动的测试方法和 模型进行研究，提出了两测点( t w o m i c r o p h o n e ) i 贝0 量法和源阻抗( s o u r c ea d m i t t a n c e ) 测量法，希望实现工业应用的目的，并在此基础上研究和开发了针对噪声脉动问 题分析的仿真软件。这两种测试方法在高频段的测试结果存在较大误差，有待进 一步改进。 掺涵 图1 2预压缩容积法图1 3 交错角法 4 硕士学位论文 单 撵油 a ) 俯视图 腰槽 1 排油腔2 配流盘3 4 单向阀 5 周像6 阻尼孔 b ) 排油阶段结构示意图 图1 4 带有单向阀的配流盘工作原理 日本神奈川大学学者小岛英- - ( e k o j i m a ) n 1 1 实验室的研究项目中很重要的 一部分内容是关于噪声控制的。一方面，他们开展了纯水液压元件的气蚀方面的 研究，重点是针对液压阀气蚀研究在柱塞泵噪声方面，重点针对流量脉动理论 及测量进行了研究把管道动态特性中的层流流动模型应用到流量脉动的测量当 中，采用高、低阻抗回路对柱塞泵出口点处的压力进行测量，再根据管道模型推 算出被测泵的流量脉动源和泵源阻抗。该方法要求泵的输出管道既要满足高负载 阻抗( 采用硬管) 又要满足低负载阻抗( 加蓄能器等) 两种形式，同时在管道动特性模 型应用时又对传递函数进行了较大的简化，因此这种测量方法测量过程较复杂， 同时测量精度不高。在模型分析上主要还是考虑了油液的可压缩性、泄漏因素以 及阻尼槽的节流作用，对节流槽区域和腰形槽区域等进行了分段分析。 2 0 0 0 年瑞典皇家学院的w i k l u n d n 2 3 采用c f d 软件运用并行计算的方法对斜轴 式轴向柱塞泵吸油特性进行研究。研究手段上有很大突破。他首先对柱塞泵进行 了简单的二维仿真，得到阻尼槽处的速度矢量图以及压力等值线图。不足之处是 把阻尼槽单独从泵中独立出来就无法得到其他区域对阻尼槽处的影响。之后建立 了柱塞泵三维模型，为了减少计算，在仿真过程中做了适当的简化，相对二维模 型来说有了很大的改进。但是模型中没有考虑油液的可压缩性，泄漏等因素的影 响。可以说这篇文章是将c f d 分析方法在柱塞泵领域的一个初步探索性研究，文 中给出的研究思路和方法很值得借鉴。 1 2 2配流机构国内研究现状 哈尔滨工业大学的曾祥荣h 1 在8 0 年代初较系统地研究了柱塞泵噪声产生的 原因。通过试验获得了轴向柱塞泵噪声功率谱，分析得到轴向柱塞泵的噪声是随 液压力、力矩、瞬时流量的变化而变化的。指出轴向柱塞泵的噪声可分为流体噪 声和机械噪声，其中流体噪声是主要原因。重点分析了压力突变激声、气蚀激声 以及斜盘力矩证负突变激声。 上海交通大学的陈兆能n 3 。1 们教授等人，在九十年代初围绕柱塞泵噪声控制开 5 基于c f d 的a 1 i v o 轴向柱塞泵配流特性研究 展了一系列的研究，主要内容包括柱塞泵配流过程的数学模型、流体噪声的测试 方法以及配流结构的优化设计等方面。通过微型压力、加速度传感器的设置，测 试了高压、高转速情况下柱塞腔内压力动态变化过程及斜盘振动过程，还实现了 压力、流量脉动的测试。通过基于对柱塞工作腔内压力的瞬变信号直接测试和工 作腔内压力瞬变过程的数学建模分析，讨论了阻尼孔与三角槽两种阻尼结构的降 噪特点和机理，证实了三角槽控制压力冲击性能优于阻尼孔。这些研究方法和结 论对现代柱塞机械噪声研究仍有一定的指导意义。 1 9 8 8 年，邱泽麟n 朝通过对e d g ek a 模型的验证，发现e d g ek a 模型在压力 变换过渡时间的计算上存在很大误差，建立了可实时测试高速旋转中柱塞腔内压 力瞬态变化过程的试验装置，并根据实验结果在e d g ek a 的模型的基础上引入了 一个修正系数： 绯+ q + q ，2 击去 - r 曼1 其中c ，是根据大量实验得出的。修正系数c o = 1 一pu j 兰州理工大学的那成烈n 6 3 教授等人针对轴向柱塞泵噪声和脉动冲击的控制 开展了一系列的研究工作。通过对柱塞工作腔预升( 预卸) 压方程建模分析，提出 了孔槽结合的新型减振结构和降低预升压( 预释压) 压力梯度及倒灌流量峰值的设 计准则。近年来，这方面的研究工作一直持续，他们分析了泵在配流过程中产生 气穴的原因和对泵噪声特性的影响，重点对配流盘的结构进行优化设计，并提出 了一种新型低噪声的配流盘，两配流槽的几何分布采用非对称结构，排油配流槽 的包角小于吸油配流槽的包角，在柱塞的排油行程未结束，柱塞便与排油配流槽 脱离，进入机械封闭释压区，在释压过程中微量的机械压缩排油量和高压油液体 积膨胀量由减振槽引入吸油配流槽中，从而达到降低噪声的目的。这种低噪声的 配流结构还申请了国家发明专利。 浙江大学的冀宏n 刀h 列提出了一种研究液压动力元件中阻尼槽噪声特性的新 方法，通过把柱塞泵配流盘上的阻尼槽映射到滑阀上，对阻尼槽的气穴噪声特性 进行研究。对两种典型阻尼槽( v 形槽和u 形槽) 进行了压力分布测量、流场仿真 及噪声信号测量，分析了阻尼槽结构i 压力分布和噪声之间的内在规律。此文献 对研究柱塞泵提出了新的思路，但由于简化过于严重并且所建立的模型与实际还 存在着一定的差异，所以正确性还有待考证。同时他还发明了一种抗气泡析出的 柱塞泵配流盘，结构如图1 5 所示。配流盘的低压侧阻尼槽是由第一、第二等截 面阻尼槽组合而成，第一等截面阻尼槽的中心角等于缸体上腰形孔中线与配流盘 上下死点连线的夹角。低压阻尼槽上构造了二级节流结构，可以防止柱塞工作腔 与低压油槽接通时出现的气泡析出。 6 硕士学位论文 图1 5 一种抗气泡析出的新型配流盘 西南交通大学的刘晓红h 引对高压轴向柱塞泵的配流过程进行了c f d 解析和试 验研究，通过对不同结构形式阻尼槽( 孔) 对应轴向柱塞泵的空蚀情况进行分析， 结合射流和气泡溃灭理论，分析了高压轴向柱塞泵腔体内产生空蚀的原因。最后， 提出了一个通过分析节流槽出口处的射流方向来评价高压轴向柱塞泵空蚀特性的 空蚀评价方法，即将减压槽出口的射流角范围在3 0 0 - 6 0o 作为评价高压轴向柱塞 泵空蚀破坏特性的标准。 综上所述，目前对这一课题的研究存在着以下问题： ( 1 ) 通过优化压力冲击和流量脉动的数学模型，可以得到关键元件结构对流 体噪声的影响规律，从而掌握关键元件的设计方法。但是目前国内对压力冲击和 流量脉动与柱塞泵结构参数的关系模型不完善。 ( 2 ) 由于流量脉动属于高频信号无法直接进行测量，因此关于其的研究方法 一直是研究重点。运用c f d 软件可对轴向柱塞泵内压力场分布和出口的流量脉动 进行数值模拟，但模型简化过于严重，因此有很大的完善空间。 1 3 课题研究意义 近年来，随着我国基础建设的发展，要求更多高质量、高要求的工程机械投 入使用，使得工程机械液压在整个液压工业中的比重也变得越来越大。而液压泵 是整个液压系统的核心，液压泵质量的好坏关系到整个液压系统是否能正常运行。 而我国液压件行业与国外先进产品相比，存在较大差距，高技术含量的工程机械 及其它机械所需的液压产品被国外产品占据了绝大部分的市场n 卜2 5 1 。尤其是国内 柱塞泵的生产，关键元件如配流盘的设计参数基本上都是参考国外数值，缺少自 己的设计理论，大大降低了我国柱塞泵生产企业在国际市场上的竞争力，这就迫 切需要大幅提高我国在该领域的研究水平。 本文在综合考虑多种因素影响的情况下，建立了配流过程的数学和物理模型 并进行数值模拟，对其得到的数值结果进行分析，以其在轴向柱塞泵配流盘配流 特性的研究中获得有理论意义和实用价值的结论和成果。 7 基于c f d 的a 1 1 v o 轴向柱塞泵配流特性研究 1 4 主要研究内容 本文以力士乐公司的a 1 1 v 0 1 9 0 型斜盘式轴向柱塞泵为研究对象，通过对其 真实结构的测量，建立轴向柱塞泵配流过程瞬态的模型，并对其数值模拟结果进 行分析。具体的研究工作为： ( 1 ) 轴向柱塞泵在工作时有两个主要运动：一个是柱塞与缸体相对配流盘的 旋转运动；一个是柱塞沿缸体轴线，相对缸体的往复运动。由于在其做旋转运动 时，柱塞腔和配流盘槽口之间位置关系的改变，其所形成的过流面积也不断变化， 故通过分析得到过流面积的分段函数，并使用m a t l a b 对其进行数值模拟。而柱塞 的往复运动会使柱塞腔内的流体发生变化，影响压力特征方程，因此建立了柱塞 运动的理论模型，分析了柱形缸体和锥形缸体对柱塞泵运动方程的影响。 ( 2 ) 分析了轴向柱塞泵配流过程中流场特性及高速高压下液压油的性质，如 可压缩性以及粘温、粘压效应。在全面考虑各种因素影响的情况下，建立数学和 物理模型，并对其设定边界条件和初始条件，采用c f d 软件f l u e n t 对斜盘式轴 向柱塞泵配流过程中的流场特性进行研究。 ( 3 ) 对数值模拟结果进行分析，得到了柱塞泵的出口流量以及配流过程中缸 体所受压紧力和压紧力矩的变化趋势。并利用数值模拟结果，拟合出阻尼槽的流 量系数与转角的关系。最后进行变工况和变几何结构情况下轴向柱塞泵配流特性 的研究。 8 硕士学位论文 第2 章轴向柱塞泵配流过程的理论模型分析 轴向柱塞泵在配流过程中，油液经过配流盘上的腰形槽流入或者流出柱塞腔， 这个流动过程受到节流作用的影响，尤其是当柱塞腔与配流盘腰形槽上的阻尼槽 接通时，节流效果十分明显乜p 2 引。 柱塞腔和配流盘槽口之间的位置关系所形成的过流面积是影响柱塞泵流体流 动特性的一个重要参数，直接影响着配流效果和整个模型的最终计算精度，且过 流面积随着柱塞腔和配流盘槽口之间位置关系变化而变化。而流量系数是另一个 重要的影响参数，它是衡量液阻流通能力的指标，且流量系数是一个受结构等因 素影响十分明显的参数，变化规律十分复杂。因此，对于过流面积和流量系数分 析的精确性，影响着数学物理模型的准确建立。故需分析出与实际情况尽可能一 致的关系，使数值模拟更加有意义，以此作为深入分析的指导与参考。 2 1过流面积的理论模型分析 柱塞泵工作过程中，油液通过配流盘上的腰形槽流入或者流出柱塞腔，即吸 油腰槽与吸油管路相通，柱塞腔处于吸油行程时通过吸油窗孔与它相通，排出的 油液都汇集到排油腰槽，通过与排油腰槽相连得排油管路将油液排出。这个流动 过程受到节流作用的影响，尤其是当柱塞腔与配流盘腰形槽上阻尼槽接通时，节 流效果十分明显。且该流动过程满足节流公式： q = c , a ，半s 切0 ，咱) y 尸 ( 2 1 ) 从上式可以看出，由柱塞腔和配流盘槽口之间的位置关系所形成的过流面积 彳，是影响柱塞泵流体流动特性的一个重要参数，其直接影响着配流效果和整个模 型的最终计算精度。而且过流面积随着柱塞腔和配流盘槽口之间位置关系变化而 变化，如图2 1 所示。 而由于柱塞腔和配流盘槽口之间不同的位置关系，其所形成的过流面积的形 状也不同，因此过流面积的计算公式也不相同，其呈分段函数形式。 9 基于c f d 的a 1 1 v o 轴向柱塞泵配流特性研究 吸 1 - 三) 三三j 一 2 三廷三三三三一 3 一夏三三三三一 4 一一龟丕三三j 一 5一一乓琵e 三j 一 腔6 一一雹丕三j 一 图2 1 配流盘槽口和柱塞腔的位置关系 三角槽形阻尼槽是最常见的阻尼槽结构之一口3 ，它是三角空间锥体，如同 金字塔，横截锥体的特定截面面积为过流面积( 如图2 2 ) 。三角槽在配流盘的开 设方法是一个侧面与配流盘工作表面相重合，如图2 2 所示的e f g 面。沟底棱 线p 办与此面夹角为鼠。b c 是转子油缸吸排油窗孔的前缘圆弧，因其半径较大近似 认为是直线。当转子油缸吸排油窗孔前缘圆弧滑至6 c 位置时，三角槽锥体侧面打 开的面积是e b c 面积，但它不是流道中最小的过流截面，即不是计算过流截面 面积。工程上采用一种名誉过流截面计算面积的方法，为了工艺上方便而定义的， 是以a b c 面积定义为计算过流截面面积，a b c 所在的平面特点是与e b c 所在 的平面垂直，即与配流盘工作便面垂直，但却不是最小过流截面。工程上采用做 为流道流量计算的过流截面的特点应是面积最小，且过流截面有与流线相垂直的 特性，而a b c 截面不具有这些特性，它的特点仅方便于确定加工时圆盘铣刀进 刀深度，即顶点a 相对于底边施的高口，。 r 1 也 图2 2 三角阻尼槽过流截面图图2 3 修正系数关系图 1 0 硕士学位论文 根据图2 2 的几伺结构关系，司求得a a b c 的面积s 为： s = 丢讲也 ( 2 2 ) 而 a = e l - t g o , = 墨泡研 ( 2 3 ) 式中e l 是三角槽在配流盘表面上分布圆弧长的一部分，墨是分部圆的半径，矽则 是由三角槽顶点为起始点算起的三角槽开口角。 址2 讲留鲁= 2 尺。嬲b 留鲁 ( 2 4 ) 将式2 3 ，2 4 带入式2 2 得三角槽名义过流截面面积墨为： 墨：r ? 伊2