液力减速器启动过程瞬态压力脉动分析

液力减速器启动过程瞬态压力脉动分析

0液力驱动系统动态特性液压差又称液压差，是车辆动脉中的高效辅助刹车装置。液力减速器内部流动复杂，在启动工况时泵轮、涡轮较大的转速差会引起明显的非定常流动现象，由于液力减速器的内部流动决定外部性能，所以内部的压力脉动是影响机组运行稳定性的关键因素Song等液力减速器内部压力脉动是引起其振动噪声的重要因素之一，目前还没有液力减速器在不同叶片倾角、不同充液率下启动过程瞬态压力脉动的研究。本文以液力减速器为试验对象，采集不同叶片倾角在不同充液率下启动过程的瞬态压力脉动信号，分析轴频和叶频处的压力脉动幅值，研究叶片倾角和充液率对瞬态压力脉动的影响，以期为低振动低噪声液力减速器的结构优化设计提供理论依据。1试验对象和测量系统1.1液力驱动结构本文以液力减速器为试验对象，其水力结构主要包括泵轮、涡轮、壳体和后盖板，液力减速器结构如图1所示。泵轮与涡轮叶片倾角相同，倾角分别为60°、75°和90°，循环圆内径为50mm，外径为150mm，叶片高度均为20mm，泵轮叶片数为11片、涡轮叶片数为12片。泵轮、涡轮几何参数如表1所示。1.2压力脉动信号采集以60°、75°、90°叶片倾角的液力减速器为试验对象，调节腔体内充液量，对60%、70%、80%、90%、100%充液量，700、800、900、1000r/min时的液力减速器进行压力脉动信号采集。1.3试验方法和过程试验装置主要有变频器、驱动电机、液力减速器、高频动态压力传感器、转矩转速采集仪和增压泵等。变频器型号为三星F700变频器，可实现对驱动电机变频调速。驱动电机为皖南生产的三相异步电动机，型号为Y2-90L-4，技术参数如表2所示，试验系统示意图如图2所示。测试前，打开液力减速器进口球阀和出口球阀，启动增压泵将液力减速器腔体充满水，关闭增压泵，关闭液力减速器进口球阀和出口球阀，通过调节排液球阀开度来控制液力减速器腔体不同充液率充液率q（%）的计算公式为式中V充液率的标定如图3所示。充液容积V满充液时的充液容积V本文对不同工况下液力减速器启动过程瞬态压力脉动信号进行采集和数据处理。试验采用HM90高频动态压力传感器采集压力脉动信号，每次测量之前对压力传感器均进行校准。HM90高频动态压力传感器技术指标如表3所示，压力脉动测点布置位置如图4所示。采样频率过高会导致特征信号混叠，采样频率过低则会导致特征信号无法被捕捉，无法保证采集信号对原始信号的真实还原。为反映真实瞬态压力脉动信号，根据奈奎斯特理论，将采样频率设为高于原始信号最高频率的2倍2试验结果与分析2.1旋转坐标系控制方程压力脉动是由于叶片和导叶之间相互作用引起的周期性水流脉动。液力减速器内部压力脉动产生原因是：转动的泵轮叶片与静止的涡轮叶片之间产生动静干涉作用，泵轮叶片出口的旋转压力场、速度场与下游的静止的涡轮叶片发生干涉，从而导致压力脉动假定液力减速器内部流体绝热、不可压缩，内部能量转换主要有2种形式，泵轮将自身的动能转换为流体的动能，流体将获得的动能全部转换为内能，因此可以用连续性方程和动量方程作为控制方程。旋转坐标系下的控制方程如下1）连续性方程式中2）动量方程式中t为时间，s;假定泵轮转速恒定，方程中的角加速度惯性力假定泵轮内部为定常流动，同时忽略泵轮内部的质量力，方程可以简化为式中uf0b6s表示沿流线方向求导。将式（7）转化为圆柱坐标系下表示为考虑到泵轮出口处压力（P）和速度分布对流场的作用，假定泵轮周围流场表示为根据上式解得的泵轮产生的旋转压力场p和速度场2.2压动脉信号分析2.2.1不同叶片的压力脉动特征对试验数据的压力脉动时域进行时频变换，本文采样频率为6400Hz，样本点32768个，采用汉宁窗进行数据处理从图5可以看出，各角度叶轮的压力脉动峰值所对应的频率均出现在200Hz以下，启动过程压力脉动峰值点出现在叶频处，这是由于液力减速器启动瞬间转速的快速增加导致了干涉频率。90°叶轮的压力脉动峰值最大，且压力脉动主要集中于轴频、干涉频率及其倍频处。75°叶轮和60°叶轮与90°叶轮有相似的规律，在干涉频率处压力脉动幅值最大，且干涉频率处压力脉动幅值随着叶频倍数的增加呈现下降趋势。压力脉动由泵轮与涡轮干涉产生，且表现为干涉频率倍频脉动。为进一步分析不同倾角叶轮对压力脉动的影响，取轴频、干涉频率及其倍频处的压力脉动幅值，得到了不同倾角叶轮在70%充液率情况下启动到不同转速情况下轴频、干涉频率压力脉动幅值如表4所示。从表4中可以看出，在轴频处，压力脉动幅值表现为随着叶轮角度的增大先减小后增加的变化趋势。瞬态过程中压力脉动主要集中于叶频处，在充液率70%情况下，较低转速即700、800r/min时，压力脉动幅值随着叶轮角度增大而上升；较高转速时，压力脉动幅值随着叶轮角度增大先减小后大幅度上升。在90°叶轮达到峰值1670Pa。在叶频倍频处，叶片倾角的增加也引起压力脉动幅值的增大。因此，减小叶片倾角角度能有效的降低压力脉动幅值，从而降低动静叶片干涉产生的射流尾迹影响。2.2.2不同充液率时压力脉动分析截取75°叶轮下的各充液率在不同转速时域信号内连续数点做汉宁窗的快速傅里叶变换，分析频域0～1000Hz内主要频率成分及其幅值大小，如图6所示。从图6可以得出，瞬态过程下，压力脉动主要集中在0～400Hz。随着充液率的增加，压力脉动幅值先减小后增大，在100%充液率时液体所具有的动能达到最大，此时叶频处压力脉动为最高值。压力脉动峰值存在于轴频、叶频及叶频倍频处。不同充液率下的轴频、叶频及叶频倍频处压力脉动见图7。由图7中可以看出，在轴频处，随着充液率增大，压力脉动幅值总体呈现上升趋势，在60%～80%充液量时，压力脉动幅值随转速变化不明显；在90%～100%充液率时，随着泵轮转速的增加，压力脉动幅值明显增大；相同充液量下，压力脉动幅值随转速增大而增加。压力脉动最大值在叶轮叶频处，且随着充液率增加压力脉动先降低后增加；随着转速的增加，各充液率下压力脉动幅值变化幅度越大，所以适当降低转速可以减小压力脉动变化幅度，增加液力减速器使用寿命。在叶轮倍频处，压力脉动幅值在60%～90%充液率时下降，在90%～100%充液率时大幅度上升且达到最大值。因此，在75°叶轮时，使充液率保持70%～90%能有效减小压力脉动。3不同转速条件下叶片的力脉动1）在瞬态启动过程时，液力减速器运行时的压力脉动峰值出现在一倍叶频处。2）对于相同充液率下不同叶片倾角的叶轮，倾角在60°～75°时，启动过程压力脉动峰值随着转速的增加呈现减小的趋势；倾角在75°～90°时，启动过程压力脉动峰值随着转速的增加呈现先减小后快速增大的趋势。在实际工程应用中