（机械设计及理论专业论文）360°双螺旋副旋转油缸内流动特性及效率研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 峭辱 日期：- v 卅o # b b _ _ 5 _ h 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。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： 导师签越日期丝年上乒日 摘要 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸较叶片式结构摆动油缸及齿轮齿条式摆动缸相比， 具有体积小、回转精度高、重量轻、效率高等优点。在工程机械、建筑机械、矿 山机械中具有广阔的应用前景。但是，仅美国h e l a c 公司、德国h k s 公司等少 数几家公司能生产。在这样的条件下，对3 6 0 。双螺旋副旋转油缸进行研究，从 而实现其国产化是必然的。 其主要的工作内容是：从机理上对旋转油缸的螺旋曲面复杂层流流动进行分 析。利用计算流体力学的基本理论，建立液压油流动的s o i l d w o r k s g a m b i t f l u e n t 数值仿真模型，给出符合实际的初始及边界条件，获得液压油在缸内螺旋副间的 摩擦力随构参数及压强、活塞速度等的变化规律，并以此求得传动效率；根据能 量方程、连续性方程、n s 方程，建立环形间隙液压油内泄漏的数学模型。在此 基础上利用f l u e n t 软件进行数值仿真，探讨其在实际工况下，油缸内部间隙螺旋流 的流动特性、内泄漏规律。为优化油缸结构参数、选择合理的制造精度、减少内 泄漏、提高容积效率提供理论依据。 搭建实验台，对3 6 0 度双螺旋副旋转油缸进行实验，对比实验效率曲线与理 论效率曲线，发现误差少，说明效率公式可信。 关键词：3 6 0 。双螺旋副旋转油缸，流动特性，摩擦力，内泄漏，效率 a b s t r a c t c o m p a r e dt h eb l a d es t r u c t t i let y p es w i n g i n gc y l i n d e ra n dt h eg e a r r a c ka n dp i n i o nt y p es w i n g i n gc y l i n d e r , 36 0 o d o u b l eh e l i xp a i r h y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o r h a st h es m a l lv o l u m e t h e h i g h r o t a t i o n p r e c i s i o n ，t h e1 i g h tw e i g h t ，t h eh i g he f ! f i c i e n c ya n ds oo n i nt h e e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y , t h e c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y , t h em i n i n g m a c h i n e r yh a dt h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t b u t 。o n l ya m e r i c a nh e l a c c o r p o r a t i o n g e r m a nh k sc o r p o r a t i o na n ds oo nm i n o r i t ys e v e r a l c o u n t r i e sc a np r o d u c e u n d e rs u c hc o n d i t i o n ，3 6 0 o d o u b l eh e l i xp a i r h y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o rw a sr e s e a r c h e d ，t h u sr e a l i z i n gi t sd o m e s t i c m a n u f a c t u r ei si n e v i t a b l y i t sm a i nw o r kc o n t e n ta sf o l l o w s f i r s t l y , c o m p l e xl a m i n a rf l o wi n h e l i c a lc u r v eo fh y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o rw a sa n a l y s e df r o m m e c h a n i s m u s i n gc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sf u n d a m e n t a lt h e o r y , t h e h y d r a u l i co i l f l o w ss o i l d w o r k s g a m b i t f l u e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m o d e lw a se s t a b l i s h e d c o n f o r m i n gt o r e a l i t y i n i t i a la n db o u n d a r y c o n d i t i o n sw a sg i v e n ，v a r i a t i o nr e g u l a r i t yo ff r i c t i o nf o r c ew a so b t a i n e d w i t ht h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s t h ep r e s s u r ea n dt h ep i s t o ns p e e de t c c h a n g e ，a n dt h u st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yw a so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h e e n e r g ye q u a t i o n ，c o n t i n u i t ye q u a t i o n ，n se q u a t i o n ，t h ei n t e r n a ll e a k a g e m o d e lo fh y d r a u l i co i lw a se s t a b l i s h e dw i t h i na n n u l a rg a pa n df l u e n t s o f t w a r ew a su s e df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h ea c t u a lw o r k i n g c o n d i t i o n s ，a b o u th e l i xf l o ww i t h i ng a po f36 0 。d o u b l eh e l i xp a i r h y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o r , f l o wc h a r a c t e r i s t i e sa n di n t e m a ll e a k a g e v a r i a t i o nr e g u l a r i t yw i t he a c hf a c t o rw a se x p l o r e d t oo p t i m i z et h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，s e l e c tar e a s o n a b l em a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o n ，r e d u c e i n t e m a l l e a k a g e p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i st oi m p r o v ev o l u m e t r i c e f f i c i e n c y e x p e r i m e n tt a b l ew a sb u i l ta n dt h u se x p e r i m e n t sc a r r i e do u to n 36 0 o d o u b l eh e l i xp a i rh y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o r c o m p a r i n gt h e e x p e r i m e n t a le m c i e n c yc u r v ew i t ht h et h e o r e t i c a le f j f i c i e n c yc u r v e f e w e r e r r o r sw a sf o u n d e d i n d i c a t i n gt h ee f j i c i e n c yf o r m u l ai sc r e d i b l e k e yw o r d s ：36 0 。d o u b l eh e l i xp a i r h y d r a u l i cr o t a r ya c t u a t o r , f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，f r i c t i o nf o r c e ，i n t e r n a ll e a k a g e ，e f f i c i e n c y 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i 】：i 第一章引言l 1 1 研究背景j 1 1 1 1 旋转油缸简介1 1 2 国内外的研究现状及发展趋势3 1 2 1 国外研究现状、专利等知识产权情况分析各国内现状3 1 2 2 未来发展趋势4 1 3 本文研究的意义、目的4 1 4 本文的思路、研究内容及研究路线5 1 4 1 本文思路：5 1 4 2 研究内容5 1 4 3 研究方案及技术路线5 1 5 油缸的基本工作原理一6 1 6 ，j 、结7 第二章油缸内流动特性的力学理论基础8 2 1l 宗j 2 罡8 2 2 油缸内液压油流动的基本控制方程9 2 2 1 连续性方程( 质量守恒方程) 9 2 2 2 油缸内液压油的动量守恒方程1 0 2 2 3 油缸内部液压油的能量守恒方程l o 2 2 4 雷诺系数及液压油的选择1 0 2 3 内流动特性控制方程的离散l l 2 3 1 控制方程的离散方法1 1 2 3 2 油缸内部流体控制方程的离散格式1 3 2 3 3 油缸内部流动的离散算法1 5 2 4 油缸离散求解的边界条件18 2 4 1 流体进口边界18 2 4 2 流体出口边界l8 2 4 3 给定压力边界1 8 2 4 4 壁面边界1 9 2 5 小结1 9 第三章静压螺旋副间摩擦力及传动效率的分析2 0 3 1 螺旋副简介2 0 3 1 1 螺旋副三维结构图2 0 3 1 2 螺旋副的分类2 l 3 1 3 油缸螺旋副工作原理2 2 i i i 3 2 螺旋副间流体的分析过程2 3 3 2 1 进行内流动特性必须注意的几个问题。2 3 3 2 2 数值分析的流程2 4 3 2 3 螺旋副间流体网格自适应性2 9 3 3 基于静动压螺旋传动的摩擦力研究3 3 3 3 1 螺旋副长度对摩擦力的影响研究3 3 3 3 2 螺距对摩擦力的影响3 4 3 3 3 间隙大小与总摩擦力的关系3 4 3 3 4 牙形角与总摩擦力的关系3 4 3 3 5 直径大小与总摩擦力的关系3 5 3 3 6 总摩擦力与黏度的关系。3 5 3 3 7 速度与摩擦力的关系。3 5 3 3 8 压力与摩擦力的关系3 5 3 3 9 压差与摩擦力的关系3 6 3 4 基于动静压润滑的螺旋副的设计3 7 3 4 1 螺旋副的转矩与压力3 7 3 4 2 基于动静压润滑摩擦系数螺旋副的设计计算3 8 3 4 3 基于仿真摩擦力的油缸设计计算3 9 3 4 4 传动效率3 9 3 5 结论4 0 3 6 ，j 、结z 1 1 第四章油缸环形间隙螺旋流内流动特性及效率分析4 2 4 1 综j 2 登j 4 ：1 4 2 环形间隙流动特性的理论分析一4 3 4 2 1 液压油油黏性4 3 4 2 2 油的黏度与压力的关系4 5 4 2 3 油的黏度与温度的关系4 6 4 2 4 黏度同时随温度和压力变化的规律4 7 4 3 液压油的黏温黏压关系4 7 4 4 螺旋流泄漏量及能耗4 9 4 5 流动特性及内泄漏量分析5 2 4 5 1 黏度对泄漏量的影响规律5 3 4 5 2 圆周速度对泄漏量影响规律5 4 4 5 3 剪切速度对于流速的影响规律5 6 4 5 4 流速、泄漏量随直径的变化规律5 7 4 5 5 压差的影响规律5 8 4 5 6 活塞长度对内流动特性及泄漏量的影响规律6 0 4 5 7 泄漏量随间隙的变化规律6 l 4 6 总效率的计算6 3 4 8 月、结6 3 第五章实验6 5 5 1 效率实验6 5 5 2 小结6 7 第六章总结与展望6 8 i v 参考文献6 9 致谢7 3 攻读学位期间主要的研究成果。7 4 v 中南人学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸( 双螺纹螺旋摆动油缸) 利用大螺旋升角螺旋副实 现旋转运动，由于其体积小、重量轻、效率高、结构紧凑，且与叶片式摆动油缸 相比，具有输出转矩大、容积效率高及可实现3 6 0 。的大范围摆动等显著优点，因 此在工程机械、建筑机械、矿山机械得到广泛应用，从而达到减化结构、降低能 耗、节约成本的目的。本课题来源于某公司凿岩车易损件的国产化项目，并得到 了教育部重点项目“旋转液压缸内动边界面参数化匹配设计研究”的支持。 本文通过对3 6 0 。双螺旋副旋转油缸内部结构及其间流动液压油进行分析， 建立油缸内液压油的流动模型及内泄漏模型，研究其润滑状态及内泄漏规律，达 到降低能耗同、提高效率的目的。 1 1 1 旋转油缸简介 按旋转类油缸内部结构的不同，可将旋转油缸分为以下类型：旋转叶片式和 活塞式两大类，其中旋转叶片式又分为单叶片式与双叶片式，而活塞式分为齿轮 齿条式、活塞螺旋式、链式、曲柄连杆式、来复式等类型，后面三种因为其结构 的臃肿，使用不便及成本等方面的原因，基本已经淘汰。下面主要是对于旋转叶 片式及齿轮齿条式与活塞螺旋式油缸进行简介。 1 叶片式结构【1 1 - 6 旋转叶片式摆动缸的特征就是它内部有一个固定的装置叶片。叶片固定 在外壳上，活塞部分则固定在驱动轴上。叶片式摆动缸结构紧凑，它允许的最大 旋转角度在2 7 0 。3 6 0 。之间。但是叶片式摆动油缸承载能力差，工作腔的密封困 难、内泄漏较大，出现容积效率低、使用压力难以进一步提高，叶片式摆动油缸 的用途受到很大限制等问题。叶片式摆动缸经常用于伺服回转台等低压机构。 2 齿轮齿条式摆动缸 为了输出更大的扭矩，就需要采用体积相较螺旋摆动式、叶片式摆动油缸等 大很多的齿轮齿条摆动油缸。 齿轮齿条式摆动油缸的工作原理是通过液压油的加载作用，给齿条活塞一定 的动力，从使动齿条一起运动，并通过与齿条啮合的齿轮执行旋转运动，从而将油 缸活塞的直线往复运动通过齿条带动齿轮，转化成齿轮轴的正反向摆动旋转，同 时将作用在活塞上的推力转化成齿轮轴的输出扭矩。齿轮齿条摆动缸特别适合于 传递大的扭矩。扭矩的产生和传输是靠齿轮齿条副的啮合传动实现的。根据设计， 中南火学硕j ：学位论文 第一章引言 滚柱轴承支撑起齿轮轴和活塞的反作用而产生的剪应力。由于齿轮轴的摆动角度 与齿条的长度成正比，因此齿轮轴的摆角可以任意选择，并能大于3 6 0 。但角 度越大，齿条越长，结构越臃肿。 传递完全相同的运动和扭矩，齿轮齿条摆动油缸所占用的空间与旋转叶片摆 动缸相比要更庞大。结构庞大这一点限制了齿轮齿条摆动油缸的使用与推广。而 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸相比叶片式而言，则更加紧凑。 3 活塞螺旋式摆动油缸 活塞螺旋式摆动油缸【7 】【9 】又可以分为单螺纹与双螺纹两种类型： ( 1 ) 单螺纹活塞螺旋式摆动油缸 液压螺旋摆动缸是一个装配紧凑的配件，其原理是：螺旋齿轮将极高的液压 压力转化为极高的扭矩，摆动提升组件通过自己的螺旋动动，将直线动运与摆 动( 旋转运动) 相结合。它在很小的空间里利用液压集合了非常高的扭矩。它内 部采用组合螺旋齿轮结构，整个摆动油缸在较小的空间内可做出较大的扭矩。尽 管动力高，但是他仍然可以精确地控制，大螺旋摆动缸已经成功地应用在了几乎 所有要求有旋转运动且要求大扭矩的领域。 主要特点： 内部采用螺旋结构，外型尺寸小，输出扭矩大； 1 8 种系列尺寸，最高扭矩至2 5 0 ，0 0 0n m ； 额定工作压力2 1 m p a ，最大至3 2 m p a ； 每个系列尺寸都有4 种转角：9 0 0 ，18 0 0 ，2 7 0 0 和3 6 0 0 ； 摆动精度，回转间隙可降低至1 0 分； 最大可实现摆动角度1 5 0 0 度的螺旋摆动缸； 双平键驱动轴或花键轴。 单螺纹活塞螺旋式摆动油缸的有关方面的知识，为本人对螺旋摆动缸的设计 提供了急需的材料，然而，h k s 、h e l a x 等公司为了垄断市场，根本就没有给出 摆动缸内部具体的结构及各种受力情况，特别是对于其关键因素，螺旋副间的摩 擦力受力情况，更是只字未提。也没有说明了为何要采用液压油动静压润滑润等 关键技术。这些必须自行分析研究。 ( 2 ) 双螺纹活塞螺旋式摆动液压【l o 】。【1 5 】 此设计的基本原理是基于一个多级的螺旋传动。通过加载于一个活塞上的液 压力，将直线运动传递到螺旋副，在螺旋副的啮哈作用转化为一个旋转运动( 摆 动) 。随着直线行程的增加，旋转运动的转角也随之增加。已实现的最大转角目前 为1 0 0 0 度。工作介质的压力通过一个完全相同的力矩转换过程，直接被转换成输 出轴的扭矩。因此，传动轴上所输出的力矩在摆动的两个方向上大小是一致的。 由于在活塞的周边上均用了良好的密封装置，所以通过单向阀或止回阀等等手段 2 中南大学硕士学位论文 第一章引言 可以在负载的状态下使摆动缸停止转动，并停止在任意转动角度上。因为采用流 体静动压润滑，其摩擦系数很少，螺旋副本身并不能进行自锁。以此基本原理为 理论基础，很容易把一个直线运动和摆动综合起来，以构成一个结构非常紧凑的 摆动直线运动综合体。这种方案对于各种同步或异步的摆动一直线运动同时发生 的情况是非常理想的。在这里值得一提的是，所有的驱动装置都可安装可靠的缓 冲装置。在大负载的情况下，缓冲距离可以按需求量进行优化。转角缓冲可降低 至2 0 分转角。 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸( 双螺纹摆动油缸) 因为其结构的优异性而是我们 研究的重点，在金志民的“动力与精确的天合之作h k s 摆动油缸仅对双 螺纹活塞螺旋式摆动油缸的原理进行了很简单的介绍，对于油缸的内部结构、受 力、加工要求及润滑油的选择、等最主要的方面没有提及，更为关键之处在于怎 样通过螺旋副的啮合从而实际3 6 0 。旋转也未提及。且不同之处在于，他采用螺 旋齿轮进行设计，但是我们这里将采用螺旋副进行设计。他的论文能给我在基本 原理上以启发，但对于具体怎样进行详细的基础理论研究及设计还必须我们自行 从零开始。 1 2 国内外的研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状、专利等知识产权情况分析各国内现状 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸实现机器运动部件在重载下的大角度旋转，与采用 多个直线油缸组合产生旋转相比，具有占用空间小、回转精度高的优点。目前， 国内生产的大型工程机械、矿山机械及建筑机械，为了实现某些部件在重载下的 大角度旋转，一般都是采用带卤轮齿条的摆动油缸，利用齿条驱动齿轮的方式来 实现摆动，存在结构大、响应慢、回转精度不高等问题，而且齿轮齿条为开式啮 合传动，易磨损与腐蚀，使用寿命短；或者采用叶片式摆动油缸，同样存在结构 尺寸大、密封件易损、承载负荷小、寿命短等问题，且旋转角度均不超过2 7 0 。 国内曾于9 5 年有过一项名为“螺旋回转油缸 的专利，但只有理论描述，没有 能够实际应用的设计理论和产品。旋转角度超过3 6 0 。的旋转油缸是国内的一项 空白，国内尚未见3 6 0 。双螺旋副旋转油缸设计和制造的报道。 进口工程机器设备主要采用技术更先进、性能更优越的活塞螺旋式摆动油 缸，该类油缸与齿轮齿条式旋转油缸和叶片式油缸相比，其承载能力和回转精度 更高，驱动更平稳，寿命长，而且传动效率高。目前美国h e l a c 公司的l 1 0 、2 0 、 3 0 系列旋转油缸，挪威的s c a n as k a r p e n o r d a s 公司和日本t a k e d a 公司生产的 旋转油缸以及最有名的德国h k s 公司的双螺纹3 6 0 。双螺旋副旋转油缸，都已 经广泛应用于各种类型机械中。产品的专利和生产技术主要掌握在这些制造商手 3 中南大学硕上学位论文第一章引言 中。制造厂商们也在努力提高摆动油缸的效率、控制精度、承载能力，减少油缸 的体积和延长使用寿命。 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸的螺旋副具有低的表面粗糙度，液压油在缸内的流 动形式为层流流动，但是对三维、层流动计算并不成熟。k s 模型和r n g 方法 解大流场宏观尺寸紊流及涡问题较有效，但在紊流和层流有限元法求解还存在许 多具体问题。因此，有必要从机理上对3 6 0 。双螺旋副旋转油缸的螺旋曲面复杂 流动层流进行分析与计算，从而计算出3 6 0 。双螺旋副旋转油缸关键的一环 摩擦力随设计参数的变化规律。为3 6 0 。双螺旋副旋转油缸结构与参数设计提供 理论依据。 1 2 2 未来发展趋势 从工程装备的发展趋势来看，作为其关键部件的3 6 0 。双螺旋副旋转油缸应 向着以下几个方面发展： 1 ) 承载能力高： 2 ) 传动效率高； 3 ) 回转精度高； 4 ) 寿命长； 5 ) 维护方面； 6 ) 操作简单。 1 3 本文研究的意义、目的 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸是工程机械中的关键部件，目前国产同类产品的旋 转角度均不超过2 7 0 0 ，旋转角度超过3 6 0 。的摆动油缸是国内的一项空白，而且 实现大角度摆动的部件多为齿轮齿条式、直线活塞式或叶片式油缸，存在回转角 度小、结构复杂、尺寸大、响应慢、寿命短等问题。 基于以下三点考虑： 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸是进口设备的关键部件，一 旦失效将导致整台设备无法工作，配件不能及时供货且价格昂贵；旋转角度超 过3 6 0 。的摆动油缸设计制造的关键技术掌握在国外厂商手中，国内没有相应的 产品可以替代；密封件损耗后只能整体更换，造成资源浪费。因此，有必要进 一步研究开发出具有自主知识产权的大角度3 6 0 。双螺旋副旋转油缸，特别是对 于自行设计的双螺纹结构的3 6 0 。双螺旋副旋转油缸螺旋副间液压油润滑及摩擦 力进行重点研究，找到双螺纹摆动油缸匹配特性，获得承载能力、传动效率与其 结构及工艺参数的相关性模型及量值规律，从而形成大角度摆动油缸结构与参数 设计依据，为研究、设计、制造该类产品提供理论指导。使其承载能力、传动效 4 中南大学硕士学位论文 第一章引言 率、回转精度、使用寿命、结构尺寸较高要求，填补国内空白，也为国内外相关 液压产品的设计和制造提供理论支持和技术借鉴。 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸可广泛地应用于机器人、机械臂、液压钻机、凿岩 机、起重机、铲运机和挖掘机等大中型工程机械中。且在这些设备上应用后可极 大地降低机构的复杂性，提高系统的可靠性和传动效率，减少机构的重量和占用 空间。以凿岩机为例，其大臂、连接臂及钎杆转动均可直接应用3 6 0 。双螺旋副 旋转油缸实现，仅此一项预计每年的需求量就在3 0 0 台套以上。而若将研究成果 推广应用到上述工程机械设备上，那么每年的需求量将上万台套，市场潜力巨大。 1 4 本文的思路、研究内容及研究路线 1 4 1 本文思路 本文通过揭示3 6 0 。双螺旋副旋转油缸的液压传动及液压油润滑机理，将两 者统一。从流体力学的基本方程n s 方程入手，通过数值分析计算，获得承载能 力、传动效率与其结构及工艺参数的相关性模型及量值规律，从而建立起3 6 0 。 双螺旋副旋转油缸内部结构与参数设计准则。 1 4 2 研究内容 1 油缸内部液压油流动特性的研究型及其数值仿真 油缸内部液压油流动特性的仿真，是设计液压元件参数最有力的手段，是对 液压元件性能机理性的本质研究。对于双螺纹结构的3 6 0 。双螺旋副旋转油缸的 设计而言，采用常规的滑动螺旋副的设计其传动效率很低，为提高效率优化结构， 必须对缸内部螺旋曲面复杂流动进行分析，建立液压油流动的数值仿真模型，给 出符合实际条件的初始边界条件，获得液压油在油缸内部螺旋副间的速度、压力 及摩擦力分布规律。探讨在实际工况下，油缸内部圆环缝隙间螺旋流的流动特性。 从而得到其内泄漏规律，为降低泄漏量提高容积效率甚至达到零泄漏提供依据。 2 大角度摆动油缸的力学分析 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸的承载能力和传动效率取决于液压油在缸内的流动 状态( 润滑状态) 。因涉及到油缸内部结构参数、制造精度的影响，探讨螺纹副 间隙、工艺参数对固壁摩擦力的影响规律；研究螺旋副在摩擦力和液压驱动力共 作用下的力学特性，揭示油缸的结构参数和工艺参数对其承载能力、传动效率、 回转精度的影响规律。 1 4 3 研究方案及技术路线 1 螺旋副间液压油的建模及数值仿真 5 中南大学硕士学位论文 第一章引言 利用计算流体力学的基本理论，建立3 6 0 。双螺旋副旋转油缸内部液压油的 仿真数学模型，在液压油不同条件下，给出符合实际流动的边界条件；然后对计 算区域进行有限体积网格划分及对流场数学模型进行有限体积离散，并进行数值 计算，对数值结果进行可视化分析，从而得到流体的速度、压力和摩擦力分布状 况；从而获得液压油在大角度旋转油缸内流动全过程的速度、压力及摩擦规律， 得出油缸内液压油的流动特性。 2 环形间隙问液压油流动规律及数值仿真、 根据能量方程、连续性方程、n s 方程，建立环形间隙间液压油内泄漏的数 学模型。在此基础上利用f l u e n t 软件进行数值仿真，比较理论结果及数值结果， 优化油缸结构参数及选择较合理的制造精度，从而减少内泄漏，提高容积效率提 供理论依据及合理参数。 1 5 油缸的基本工作原理 如图1 - 1 所示，通过双级螺旋副，将液压力转换成转矩输出，并通过调整进 出油口油压，实现主轴的回转运动。 图1 - 1 油缸工作原理示意图 1 螺纹轴，2 青铜螺套，3 活塞轴套，4 螺母 油缸内部，青铜螺套与活塞轴套一起给成活塞。通过青铜螺套2 将油缸分成 前后独立的两腔。当a 为进油口，b 为出油口时，即油缸左腔的压力大于右腔 的压力时，活塞被推动向右运动，由于活塞轴套与螺母的啮合作用，活塞作螺旋 运动( 从左向右看，可以分解为一个向右的直线运动及一个逆时针方向的旋转运 动) 。而此时活塞与螺纹轴也是一个螺旋副啮合作用，活塞的旋转运动传递给了 螺纹轴，同时活塞的向右直线运动也带动螺纹轴作逆时针旋转运动( 从左向右 看) ，通过两级螺旋副的放大作用，只要较小的行程，就可以得到较大的输出旋 转角度。反之，油缸主轴运行方向相反。如此，通过液压方向阀控制液压油口进 出油方向，将可以控制液压缸主轴输出旋转方向。 6 l 中南大学硕士学位论文第一章引言 1 6 小结 对3 6 0 。双螺旋副旋转油缸的市场需求、国内外现状、研究目标、研究方法 及研究路线及基本工作原理进行概括性说明。 7 中南人学硕：学位论文第二章油缸内流动特性的力学理论基础 第二章油缸内流动特性的力学理论基础 2 1 综述 应用计算流体力学( 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 ) 1 6 】技术对于 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸进行数值计算，可以获得大量旋转油缸内液压油的流动 信息，这些结果可以评价和改进3 6 0 。双螺旋副旋转油缸的内部结构，优化结构 参数，提高效率。3 6 0 。双螺旋副旋转油缸内流动特性的理论基础是流体力学， 特别是流体力学的一个分支计算流体力学。计算流体力学是结合理论流体力学与 计算机技术的一门新兴学科。它以理论流体力学与数值分析为基础，以高速计算 机为工具，通过数值计算与图形显示的方式，达到对工程问题和物理化学问题乃 至于自然界各类问题研究目的的一门学科。 在整个流体力学学科的发展和流体力学原理的研究中，计算流体力学建立了 一种新的研究方法。它的兴起推动了流体力学研究工作的飞速发展。从1 7 世纪 到至2 0 世纪6 0 年代，对于流体的研究与实践主要使用两种方法：一种是单纯的 实验研究，它以实验为研究手段； 另一种是单纯的理论分析方法， 它利用简单流动模型假设，给出 所研究问题的解析解。计算流体 力学方法与理论分析方法和实验 研究方法组成了研究流体流动问 题的完整体系。如图2 1 所示， 给出了表征三者之间关系的流体 力学示意图。 图2 - 1 流体力学的三种研究方法 流体的运动可以用一组非线性的偏微分方程组来描述。但要用解析法求解 这些问题，只有对极简单的情况才有可能。对于螺旋副间流压油这样求解域复杂 的实际工程问题，经典的流体力学就无能为力，只能求助于数值计算方法。这也 是计算流体力学能得到发展的主要原因。计算流体力学的主要控制方程基于质量 守衡、动量守衡和能量守衡，这些自然规律。通过控制方程对3 6 0 。双螺旋副旋 转油缸螺旋副间液压油的数值模拟，可以得到螺旋副间复杂流动内各个位置上的 基本物理量的分布规律，以及这些物理量随时间的变化情况，确定流体的速度、 压力等分布。 计算流体力学的蓬勃发展，为油缸内螺旋副间三维流动的研究提供了可能。 计算流体力学方法研究螺旋副及圆环间隙之间的三维流动的特点如下： 1 ) 给出油缸液压油运动区域内的离散解，而不是解析解。因此仅能从中知道 8 中南大学硕士学位论文 第二二章油缸内流动特性的力学理论基础 液压油在空间中某点或者某个时刻的值，这是与理论分析方法的一个主要区别； 2 ) 它是随着计算机科学技术的发展而不断进步的。这是因为可能模拟的液压 油运动的复杂程度、解决问题的深度和给出解的精度，与所画网格的多少息息相 关，如果网格太小，则基本不能达到所要求的精度，但是网格太多，则对于计算 机运行速度、内存大小、运算能力提出了苛刻的要求，所以对于大于1 0 0 网格的 计算，一般的电脑都不能满足要求。 2 2 油缸内液压油流动的基本控制方程 3 6 0 。双螺旋副旋转油缸内流动特性要受到流体的基本守恒定律的支配，这 些基本的守恒定律有：质量守恒定律( 连续性方程) ，动量守恒定律( 牛顿第二定律) ， 能量守恒定律( 热力学第一定律) 。若液压油处于紊流状态，则还要遵守输运方程。 2 2 1 连续性方程( 质量守恒方程) 对固定空间位置的微元体，质量守恒定律可表示为：单位时间内微元体中液 压油质量的增加，等于同一时间内间隔内流入该微元体的净质量流量。 用公式表示为： 流体微元体内的质量增加率= 流入流体微元体的净质量流量率 任何流动问题都必须满足质量守恒定律，油缸内部液压油的流动也不例外。 按照这一定律可以得出质量守恒方程，即连续方程2 0 】- 【2 1 1 。 挈+ 掣+ 掣+ _ a ( p w ) ：o ( 2 - 1 ) 8 t a x 两 钯 式中：p 液压油的密度； “，y ，w 速度矢量u 在x ，y ，z 三个方向上的分量； f 时间。 引入矢量符号，可以写成： 望+ 挑( p u ) ：o (2-2)d 式j , 中：d i v ( u ) 速度矢量u 的散度。 式( 2 1 ) 给的足瞬怠维, - o f 爪缩流， n ，j 质t 凡i t ：j 。i r i 方程。孑：1 7 1 l 功处丁稳：冬，几 凶液压油为均质1 i 可压缩流体，【l “密度p 为常数，以写为： d i v ( u ) = 0。 ( 2 3 ) 式( 2 - 3 ) 为油缸内液压油流动的连续性方程。 9 中南人学硕：仁学位论文 第二章油缸内流动特性的力学理论基础 2 2 2 油缸内液压油的动量守恒方程 动量守恒定律是任何液压系统必须满足的基本定律。即：该定律是牛顿第二 定律在流体力学中的特定表达形式。按照这一定律。可导出在向量公式下的方程： 害_ f + 丢州p ) ( 2 - 4 ) 式中：f 微元体受到的质量力( 矢量形式) ： d i v ( p ) 压力散度。 动量守恒方程也称为n s 方程。n s 方程比较准确的描述了液压油的实际流 动情况，黏性液压油的流动分析均可归为对此方程的研究。由于其形式甚为复杂， 实际上只有极少量的情况可以得出解析解，故产生了通过数值求解的思路，这也 是计算流体力学得以迅速发展的基础。 2 2 3 油缸内部液压油的能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的系统必须满足的基本定律。即微元体中能量 的增加率等于进入微元的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。该定律实 质上是热力学第一定律： 挈胁c 删柏( k 。g r a d t 1 + 品 5 ， 其中：c ，比热容o t 温度； 后流体传热系数； 品黏性耗散项。 2 2 4 雷诺系数及液压油的选择 自然界中的流体流动状态主要有两种形式，即层流和紊流。层流是指流体的 流动是分层的或分片的，层与层之间没有任何干扰、层与层之间既没有质量的传 递，也没有动量的传递。而紊流则刚好相反，是指液压油层与层之间相互有干扰， 而且液压油速度分量在其平均值上还叠加有随机的紊流脉动。若在液压油中放入 染料，则层流状态会显示出一条直线，相同的液压油中染料质点不会发散。但在 紊流中，染料会很快发散，并且随着流动会和周围的液压油混合，我们将会观测 到许多细丝和浑浊的流团逐渐变粗各自弥散。对于流体流动，定义r e y n o l d s 数( 雷 诺数) ： 1 0 中南大学硕士学位论文第二章油缸内流动特性的力学理论基础 r e = p u d r 式中：u 一液压油平均流速； ，7 一动力黏度； d = 4 詈一7 9 j 3 直径( m ) ， 固体接触的周长。 ( 2 6 ) a 一过流断面面积，s 过流断面上液压油与 对于圆管流动，当r e 2 0 ，因此属于几何形状相差巨大的一类，应该采用双精度求 解器。 2 采用哪种求解格式可以加速收敛 格式的选择可以加速或者延迟求解过程的收敛性，这就意味不同的算法格 式，所用的时间不同，好的算法会节约大量的时间。 3 使用某个算法时，内存是否足够用 内存能否足够的问题是与网格的多少是有很大关联的，网格数多于1 0 0 万 时，一般的服务器就已经不能够满足要求了，在有限体积法条件下，8 0 万网格 时，选s i m p l c 算法时，内存时能够满足要求的。但是对于使作其它的仿真软 件，如有有限元法软件，一般所用的时间很长，而且绝大部分会产生内存不足的 现象。这也从另一个方面说明，网格的划分时，不能太多，否则内存不足，将无 法进行计算，网格数量太小，则计算精度不够。 4 计算收敛所需要的时间 f l u e n t 的一个最大的优点，就是它是采用多重网格对几何模型进行离散计算 的，而多重网格法被证明是收敛最快的计算方法之一，与其它仿真软件相比， f l u e n t 计算所用的时间可能是其它的几十分之一。而对于3 6 0 。双螺旋副旋转油 缸而言，只对液压油一种流体的仿真，无多相流，没有多种液压油间的内插值及 交差网格。所以所用时间较短，该问题不突出。 中南人学硕：仁学位论文第三章螺旋传动副间摩擦力及传动效率的c f d 分析 3 2 2 数值分析的流程 采用c f d 的方法对流体流动进行数值分析，通常包括以下几个步骤： ( 1 ) 建立几何模型。建立所要仿真的螺旋副间液压油的几何模型。可以在 g a m b i t 中建立，但因其三维设计能力较差，用s o l i d w o r k s 画出螺旋副间液压油 的三维形状。并保存为s e t p 格式；并用s t e p 格式导入g a m b i t 中划分网格。 i 几何模型 l 划分网格 上 i 建立计算 i模型 上 i 定义边界 条件 上 i i 迭代计算 上 i 表达计算 结果 ( 2 ) 划分网格。网格的划分是所有仿真过程中， 最耗时，工作量最大的部分。因为长度相差很大，采用 常用的网格划分