多排式轴向柱塞泵的流体动力特性研究
陈 进，方建忠，李世六，张石强
（ 重庆大学& 机械传动国家重点实验室，重庆& ’"""(" ） ［ 摘要］ 研究了多排式轴向柱塞泵的工作原理、功能特点及应用前景，并以该泵为例，利用 )*+,-./0 泵 用软件对其进行了建模、仿真分析和空化预测。针对原设计左端盖中存在的弊端，着重分析了其空化产生 的机理，并以提高空化系数为目标，从入口压力和结构优化 ! 个方面在理论上进行了探讨，推出了与提高 空化系数相关的数学公式，并提出了增大入口压力的改进措施，设计了有利于减小压降的新型端盖，有效 地抑制了空化的产生。结果表明，应用 )*+,-./0 泵用软件对多排式轴向柱塞新型泵进行流体动力特性分析 验证，结果准确可靠。分析表明该泵各项性能指标优异，通过改良，泵的空化问题得到有效控制，为提高 泵的容积效率和降低噪声提供了参考依据。 ［ 中图分类号］ 456(#$ 76& & ［ 关键词］ 多排式轴向柱塞泵；)*+,-./0；123 仿真；空化；曲面 ［ 文献标识码］ 8& &
多排式轴向柱塞泵的优点还在于与马达的完 全互逆，多排式轴向柱塞马达不但继承了传统的 轴向柱塞马达的工作压力高、输出转矩较大和效 率高、低速稳定性好、启动效率高等优点，更具 有结构简单、外形尺寸小、变量范围大、变量控 制简单的优点，容易实现低速大排量、恒功率变 速及 “ 微动” 功能，最终达到无级变量和无级调 速的目 的， 可 以 应 用 在 建 筑 机 械 等 大 型 机 械 产 品上。 特别是要求液压泵能够实现在系统供油总量
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图" 多排式轴向柱塞泵 （ 马达） 组成的静液压系统
态三维的 678 设计软件包，是目前世界上唯一用
于泵方面的专业软件，可以进行载荷、压力、转
矩、流速 和 噪 声 预 测 及 分 析， 特 别 是 在 预 测 泵
（ 尤其是容积式泵） 的空化方面，可以解决泵的复
杂形体的建模和旋转 9 移动流体建模，以及在复杂 用先进的 678 数值解法溶进现代计算机软件技术
的地方。而且图 < 显示，由于腰形孔与配流盘流道 狭窄，对液流起到了一定的限流作用，导致配流 以看出，由于低压区的显著空化，导致柱塞孔由 低压区向高压区转换时产生强烈回流，造成很大 的压力波动和损失能量，同时也影响了模型的收 敛和计算的精度。 盘空化。从图 # 的高低压区转换时的空化预测中可
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力急剧降低或流速过大导致压力过低而在液体中 产生大量 气 泡。而 当 气 泡 随 液 体 流 至 高 压 区 时， 气泡中所含空气和蒸气将突然混入、溶 入 液 体 或 凝结为 液 态 致 使 气 泡 破 灭。 当 这 一 瞬 间 产 生 的 氧化变 质 和 强 烈 冲 击 反 复 作 用 于 固 体 壁 面 时， 将破坏 固 体 壁 面 以 致 剥 落， 同 时 产 生 强 烈 的 振 动和噪 声。 因 此 空 化 是 影 响 泵 效 率 和 寿 命 的 重 要因素。从 以 上 的 空 化 机 理 分 析 结 合 轴 向 柱 塞 泵的工 作 原 理 可 以 看 出， 在 轴 向 柱 塞 泵 中， 气 泡在柱 塞 泵 的 低 压 腔 （ 入 口 ） 产 生， 而 引 起 的 气蚀将发生在高压腔 （ 出口） 。只要抑制或减少 的空化问题。 低压腔 产 生 气 泡， 就 从 根 源 上 解 决 轴 向 柱 塞 泵
15<= >./，2?=@ >.A/9BCD/E，FG HC.9-.*，I5?=@ HC.9J.A/E
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现有级变量。
45 多排式轴向柱塞泵特点及应用
多排式轴向柱塞泵的结构如图 6 所示，缸体 (
在泵轴 ; 的带动下旋转，缸体内的柱塞组做牵连运 动。( 排柱塞作用下的液压油在配流盘的配流作用
用范围可以大大扩大，再考虑发动机的油门调节， 可以获得一条理想的动力特性曲线。近年来，变 量方式采用点比例控制方式的越来越多，与微电 子技术相结合，实现智能化控制，根据不同的工 况，选择不同的工作模式和控制模式，更有利于 功率合理利用和节约能耗。
"# $%&’()*+ 泵用设计软件
-./01234 泵用设计软件是美国 52/.1234 公司 开发的泵用设计、仿真和分析软件。它是一种瞬
下分别与左端盖 6 上的油路连接，可以看出，多排 式轴向液压泵相当于多个轴向泵并联。通过改变 若将多排式轴向柱塞泵与传统的马达组合，可实
参与工作的柱塞组数 （ # 种组合） ，实现独立变量，
实现无级变量、无级调整、 “ 微动” 等功能，目前 的型式已经难以满足要求。而且，在设计方法上， 1?3 只能解决泵中各零件干涉等机械结构上的问 题，无法模拟泵内流体的运动规律，因此也就无 法把握机械结构对泵内流动状态的影响，特别是 面对泵这种结构复杂 （ 流道建模复杂） 的流体机 械建模和严重影响泵的效率、可靠性、使用寿命 以及噪声源问题之一的空化问题，当前的 123 软 件已经无法满足这种专业领域的需求。本文提出 的多排式轴向柱塞泵和应用 )*+,F./0 泵用软件进 行 123 分析正是在这种形势下产生的。
解瞬态三维的粘性流 体 力 学 方 程 （ :;<5 ） 。 678
算法采用了适合低速液体的、以速度和压力为基 本变量的 5=>-1?6 方法。 -./01234 采用准确直观 的动网格方法来处理泵的运动，初始时对动静流 道分别建摸，在计算过程中，动流道部分每种泵 有专门的 软 件 模 块 自 动 处 理 网 格 的 移 动 和 变 形。 在每个时间步，动静区域通过 52/.1234 独特的全 隐式滑移界面 （ 5@2A23B 23CDEFGHD） 技术 >I= 自动在 新位置重新联结起来。 678 空化模拟最大的困难是在气相 9 液相界面 处存在着巨大的密度变化，而且空化的位置、发 生点和空化空泡形状强烈地依赖于压力场，进而 受到 流 动 几 何 形 状 和 流 动 边 界 条 件 的 影 响。 -./01234 空化 模 型 是 基 于 两 相 流 动 的 模 型 思 想，
面的流速提高 /$& ，下游同一断面的流速提高 /$! ，对 上下游两断面间的体积为控制体，列轴向方向的动量 方程，并注意到两突然扩大的的凸肩面积为 （ ’! ( ’& ） 。 设该面积上的平均压力为 #，不考虑控制体内流体与管 壁间的轴向粘性作用力，设两断面上的动量修正系数 #"& ) #"! )&，则可得： ’! ( ’& ） ) !( $ （ $! ( $& ） （ 1） #& ’& ( #! ’! 0 # （ 设上游断面上压力按静压力分布规律，则平 已为实验证实） ，结合 ( 2 ) ’& $& ) 均压力 # ) #& （ ’! $! ，式 （ 1 ） 可简化为： #& ( #! ) !$! （ $! ( $& ） （ 3） ’& 将 $! ) $& 代入对上式后，对方程两端求微 ’! 分，可得： ’& ’& （ ( & ） $& / $& ’! ’! 联合 （ #） ，（ 3 ） 可得 / #! ( / #& / $& )! #! ( #& $& / #& ( / #! ) ! ! （ #）
工况要求 1!"" 17 "$ ! ，1 ，! 9! ;"" "$ "1< 图% 空化动画
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图&
配流盘流道的空化预测
图’
高低压区转换时的空化预测
图!
多排式轴向柱塞泵的物理模型
$" 改进措施
空化是液体在流动过程中，由于局部地区压
!""#$ "% （ 上半月刊）
以图 1 所示的多排式轴向柱塞泵为对象，泵采 用自吸系统，预测在给定工况下压力变化和空化 程度。工况要求如表 1 所示。
表# 图$ 压力动画
转速 2 （ 3 2 4+5） 进口压力 2 8.’ 出口压力 2 8.’ 流体粘性
底盘角度 2 （ 6）
流体密度 2 （ :, 2 4 ）
9
从图 9 —图 # 的模拟结果可以看出，在所模拟 的工况要求下，由于供液能力不足，导致入口端 柱塞孔空化严重，供油系统的设计还有值得商榷
图 ! 所示的静液压系统中，多排式轴向柱塞泵 通过控制元件与 & 、! 、’ 、( 通道连接，直接控制 多排式轴向柱塞马达。由于它们具有较大的变量 范围，因而调速范围宽，经过适当的设计，不需 变速箱，由液压马达直接驱动负载，适用于高速 方案和低速方案。由于液压泵和液压马达均可变
量，所以静液压传动装置可调范围扩大 （ ! 排的 &, % 左右，’ 排的 & , !) 左右） 。当液压泵处于最 大排量、液压马达处于最小排量时，传动装置可 以输出最高转速；当液压泵处于最小排量、液压 马达处于最大排量时，传动装置可以输出最大转 矩。这样，在发动机功率相同的情况下，功率利
［ 收稿日期］ !""# K "( K !% ［ 通讯地址］ 陈进，重庆大学机械传动国家重点实验室
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不变的情况下，使马达输出的转速最低而转矩最 大，实现低速大排量、恒功率变速及 “ 微动” 功 能，达到无级变量和无级调速。
&$ 左端盖 !$ 配流盘 ’$ 缸体 ($ 中号柱塞 )$ 小号柱塞 *$ 大号柱塞 #$ 斜盘 +$ 泵轴 图! 多排式轴向柱塞泵