斜盘式轴向柱塞泵缸体及配流盘抗空化研究
轴向柱塞泵及液压节流槽是液压系统的重要元件,广泛应用于液压系统。随
着现代工业技术的发展,以液压油为介质的液压传动技术得到发展。
为适应近代工业技术的发展,现代液压系统的工作压力越来越高。随着液压
系统向高速、高压方向发展,液压元件的空化现象成为国内外学者研究的热点。
本文针对轴向柱塞泵柱塞腔及液压节流槽的空化现象开展研究。主要包括:
轴向柱塞泵缸体腰形孔结构与配流盘节流槽结构对柱塞腔空化的影响;缸体腰形
孔水力直径与柱塞腔直径匹配关系对柱塞腔空化影响的理论研究;轴向柱塞泵缸
体腰形孔结构参数与柱塞腔气体体积分数平均值的函数关系的建立;轴向柱塞泵
缸体腰形孔及节流槽抗空化的结构优化研究。
具体而言:1)轴向柱塞泵柱塞腔空化仿真分析利用Fluent软件的动网格、滑
移网格、Cavitation模型、Mixture混合模型及RNG k-ε湍流模型建立轴向柱
塞泵空化流有限元仿真计算模型。通过柱塞腔气体体积分数平均值的变化来定量
监测柱塞泵工作时每一阶段柱塞腔空化的变化。
研究柱塞泵在不同的入口压力、不同斜盘倾斜角及不同柱塞泵缸体转速对轴
向柱塞泵柱塞腔空化的影响。2)缸体腰形孔水力直径与柱塞腔直径配比关系对柱
塞腔空化影响研究在轴向柱塞泵结构方面,重点研究了缸体腰形孔结构对柱塞腔
空化的影响,提出了缸体腰形孔水力直径与柱塞腔直径的配比关系对柱塞腔空化
具有较大影响。
根据假设通过缸体腰形孔的流体体积刚好填满柱塞移动时柱塞腔多出的空
间的条件,建立了理想情况下柱塞腔不发生空化时缸体腰形孔水力直径与柱塞腔
直径临界比值mc的数学模型,分析了交错角α、斜盘倾角β、缸体角速度ω对临
界比值mc的影响,并进行了仿真验证,提出合理的配比关系建议。3)倾斜式缸体
腰形孔结构对柱塞腔空化影响理论分析轴向柱塞泵缸体腰形孔结构主要有直型
及倾斜式两种。
工程中将缸体腰形孔结构设计为倾斜式,主要是考虑缸体高速转动时缸体腰
形孔中流体的离心力有助于流体流入柱塞腔,从而提高柱塞腔的自吸能力,可在
一定程度降低柱塞腔的空化,提高其容积效率。但在实际应用时没有更深入分析
缸体腰形孔结构参数对柱塞腔自吸力的影响。
本文从腰形孔参数h、δxy、δxz入手,从理论上分析了其对柱塞腔自吸性
能的影响,并通过仿真柱塞腔空化进行了验证。4)轴向柱塞泵预升(卸)压阶段配
流盘节流槽空化研究轴向柱塞泵配流盘设计有三角形节流槽,设计节流槽的目的
是让柱塞腔通过上、下死点后,利用节流槽的调节功能使柱塞腔的压力与柱塞泵
的进油、出油口的压力接近,减小水击。
但当柱塞腔通过死点后,柱塞腔液压油与柱塞泵进、出油口会出现很高的压
差,液压油会高速通过节流槽,从而产生较为严重的空化,柱塞泵伴随产生振动、
噪声、减小容积效率。本文借助Fluent软件仿真分析了三角形节流槽结构参数
对节流槽空化的影响,并提出在不改变节流槽通流面积前提下的节流槽抗空化结
构改进方案。
通过仿真对比结构改进前及改进后的节流槽空化情况,发现改进后的节流槽
结构的抗空化性能优于改进前的结构。5)基于Kriging代理模型的轴向柱塞泵缸
体腰形孔及节流槽抗空化结构优化研究。
由于空化理论的不成熟性及液压元件结构参数的强耦合性,因此,建立结构
参数与流体气体体积参数值之间精确的空化数学模型较为困难。本文选择了
Kriging代理模型的方法来近似替代空化数学模型,并详细介绍了 Kriging代理
模型的原理及模型建立的原则,对模型的代理精度进行了验证,说明该模型能够
满足工程需要。
利用Kriging代理模型原理建立轴向柱塞泵缸体腰形孔结构参数与柱塞腔
流体气体体积分数平均值的函数关系;V形节流槽结构参数与节流槽流体气体体
积分数最大值的函数关系;U形节流槽结构参数与节流槽流体气体体积分数最大
值的函数关系。在已建立的Kriging代理模型的基础上,采用遗传算法优化训练
该代理模型。
优化的目标值为气体体积分数值的最小值。分别得到轴向柱塞泵、V形节流
槽、U形节流槽抗空化的最优结构。
本文的研究表明,采用Fluent的mixture模型、动网格、滑移网格,可更真
实地仿真液压轴向柱塞泵柱塞腔及节流槽的空化流。采用Kriging代理模型,不
仅避免建立复杂的空化数学模型,而且可通过实验设计提高代理模型精度,方便
采用改进遗传算法进行结构优化计算。
本课题的研究结果为液压元件抗空化的结构优化设计提供了理论依据,具有
良好的工程实用性。