汽車動力轉向器殘油流體特性分析

高云鵬， 程 凱＊， 徐天翀

（1.長春工業大學 機電工程學院，吉林 長春 130012；2.松原市江心島石油開發有限責任公司，吉林 松原 138000）

0 引 言

在前期研制的轉向器抽油機的基礎上，我們將要研制應用“充氣排油法”的轉向器排油機。所謂充氣排油就是以高壓氣體從進油口注入充滿油液的轉向器，將其內部油液吹出［1］。因而在實驗前對轉向器內流道模型運用FLUENT軟件進行仿真，可以為后續實驗提供理論基礎。

1 模型的建立

1.1 三維幾何模型的建立

汽車動力轉向器斷面圖如圖1所示。

轉向器內腔主要由A、B兩個大腔和一些細小流道構成，流道走向錯綜復雜，尤其是A腔部分。當動力轉向器活塞處于中間位置，此時A腔、B腔以及回油口都是相通的，且A、B兩腔的壓力相等［2］。在此種狀態下，進油口接高壓氣體，高壓氣體首先進入控制閥，由于此時動力轉向器處于中位，高壓氣體一部分進入回油口，但此時回油口在外部設備的控制下有可能閉合。另一部分將進入A、B兩個腔室，由于出油口并不常開，中位時A、B兩腔連通，高壓氣體將使兩個腔室處于高壓狀態。一旦出油口開啟，則液壓油在高壓的推動下將隨著氣體從出油口排出；當動力轉向器活塞向左移動，進油口接高壓氣體，高壓氣體進入控制閥，由于此時動力轉向器處于右轉彎狀態，高壓氣體將只進入B腔而不能進入A腔，但此時B腔與回油口隔離，所以當出油口接通時，A、B腔的油液均不能順利排出。動力轉向器左轉彎的時候與右轉彎時原理基本相似，其結果也不能排出轉向器內部的油液。

圖1 汽車動力轉向器斷面圖

通過以上分析我們將選擇動力轉向器處于中位時的狀態進行建模，如圖2所示。

圖2 動力轉向器內流道三維模型

需要特殊說明的是：在真實的流動過程中，A腔的進油和排油均從那一個流道中經過，但為了用FLUENT軟件進行仿真，人為的做了一個等大的流道直接接到了模型的出油口。同時省略了某些小流道，但是不會影響整體的效果；液壓油為粘性流體不隨速度梯度的變化而變化；假定系統內部流體沒有熱傳導現象且流道中的機械部件在工作過程中沒有壓力變形［3］。

1.2 計算模型的選擇

流體的流動分為層流和湍流，本實驗模型為湍流模型［4］。斷流體的流態時我們一般要依據雷諾數Re這一標準，為無量綱參數。對于圓形管內流動，一般認為臨界雷諾數為2 000，即當Re＜2 000時，管內流動是層流，否則為湍流［5］。表達式為：

式中：V——截面的平均速度，m／s；

L——特征長度，m；

ν——流體的運動粘度，m2／s。

動力轉向器內部的流道近似認為是管狀的流動，流量值按照推薦的較大流量30L／min，式中特征長度L取為管道直徑d，流體的運動粘度與動力粘度的關系可表示為：

式中：μ——流體的動力粘度，Pa·s；

ρ——液壓油的密度，其國際制單位是kg／m3。

本次仿真汽車動力轉向器內液體的流型為湍流模型，湍流計算選擇Standard k－ε模型［6］。

2 仿真相關參數條件設定

數值計算選擇有限元體積法中經常用的SIMPLE算法來求解離散方程組，進油口采用壓力進口條件，而出油口采用壓力出口條件。采用標準k－ε模型，其公式為：

式中：ui，uj——時均速度，即考慮到脈動因素的影響，采用的方法是時間平均法；

k——由于平均速度梯度引起的湍動能［7］。

在標準的k－ε模型中，ε表示湍動能耗散率，定義為：

湍動粘度可以表示成k和ε的函數：

式中：Cμ——經驗值常數。

3 模型的仿真結果及其分析

根據動力轉向器排油的實際情況以及我們采用的充氣排油方法的基本原理，首先以時間為變量，時間步長為0.01s，以動力轉向器內部基本相體積分數的變化為觀測量，對實驗過程進行模擬仿真分析。

我們可以明顯的看到，隨著時間的變化，動力轉向器內部初始時刻油的體積分數為1，也就是說開始的時候動力轉向器內部是注滿液壓油的。觀察時間進行0.5s時，動力轉向器入口處的液壓油在氣體的推動下剛剛開始被排出，由于進行時間較短，在這一瞬時，動力轉向器其他位置的油液并沒有減少。

觀察時間進行0、0.5s時油液位置如圖3所示。

圖3 觀察時間進行0、0.5s時油液位置

當時間進行1s時，油管中被排出的油液有所增加，B腔油液開始有所減少，A腔變化不明顯；時間進行2s時，B腔油液所占體積分數為50%，扇形齒輪軸腔油液變化明顯，A腔油液有所減少。

觀察時間進行1、2s時油液位置如圖4所示。

圖4 觀察時間進行1、2s時油液位置

當時間進行5s時，B腔油液還剩25%，A腔油液50%，剩余油液主要集中在滾珠絲杠內腔和出油口處；當時間進行10s時，動力轉向器內部油液基本不足20%。

觀察時間進行5、10s時油液位置如圖5所示。

圖5 觀察時間進行5、10s時油液位置

當時間進行30s時，滾珠絲杠的內腔頂端處還有一定量的油液難以排除，轉向器內部油液已基本排出干凈。并且綜合以上其它各圖可以看到，該處的油液一直是難以排除的。這是因為高壓氣體進入轉向器后，由于絲杠內腔的存在，高壓氣體很容易將油液封堵在腔室內難以排除，但隨著時間的延續，以及高壓氣體間斷性的關停動作，使得該腔內的油液雖也能夠排除［8］，但是這是很耗費時間的。這也是動力轉向器內油液難以排除干凈的原因之一。

觀察時間進行30、50s時油液位置如圖6所示。

圖6 觀察時間進行30、50s時油液位置

由于實驗方法采用的是充氣排油，即以高壓空氣將轉向器內部的油液排出。所以對動力轉向器內部兩相混合時的壓力分布以及壓力變化的分析對于排油過程來講特別的重要，下面分析一下排油過程中的兩相混合的壓力分布情況。觀察時間進行0.5、10s時油液位置如圖7所示。

圖7給出了動力轉向器內部考慮氣液兩相混合后不同時間的總體壓力分布情況。在時間進行0.5s的時候，從圖中可以明顯看到，入口分別接A、B兩腔的油道也保持了較高的壓力，這是由于此時動力轉向器內大部分還都充滿著油液，而出口相對而言較小，入口壓力氣體進入轉向器內腔的速度遠遠大于油液排出的速度，所以氣體不斷進入轉向器內腔而壓縮產生高壓，接近于我們設定的工作壓力。此時，A、B兩腔是充滿油液的，在高壓氣體的作用下兩腔的油液迅速排出，從而吸收了一部分能量，這導致了兩腔的壓力相對連接入口的管路而言要小一些的；而在此同時，接近接出口的B腔內的油液在高壓氣體推動下排出的速度明顯要比A快，所以我們從圖中可以看到這一時刻B腔壓力明顯低于A腔。也就是說一定的時間內B腔的油液是先排完的。

圖7 觀察時間進行0.5、10s時油液位置

當時間進行10s時，對比油液t＝10s時的體積分數圖知道，此時轉向器內的油液已經基本排出，動力轉向器內充滿了空氣而只有少量的油。所以，此時由于液壓油的排出，轉向器內腔基本形成了一個空氣進入排出通路，這就減少了空氣排出時的阻力，從而管路中的壓力明顯降低了。與此同時，由于液壓油的排出，整個動力轉向器內腔的壓力趨于平衡。

4 結 語

1）動力轉向器內部油液的排油效率隨著動力轉向器內部殘留液壓油含量的降低而降低，在仿真的前10s內排油效率較高，并且排油時間越長，排油效率越低。

2）動力轉向器內部油液難以排除干凈和它的結構復雜有著直接的關系，絲杠內腔處的油液不能順利排出是一個主要原因。A、B兩腔產生的漩渦流現象也是油液難以排出的另外一個原因。

3）齒條活塞處于中間位置時，A、B兩腔是同時排油的，但是B腔比A腔排油更快。

4）雖然入口提供的工作壓力為600 000Pa，但是在排油過程中，尤其是排油過程的后期階段動力轉向器內腔是達不到我們提供的工作壓力的，或者和入口壓力相差很大。

5）出口處的流場速度很大，并且在高壓作用下，出口很可能出現噴射或者油霧現象。

［1］ 閆麗.動力轉向器總成的流體力學分析及其排油裝置的研究［D］.長春：長春工業大學，2012.

［2］ 程凱，周香，李廣明.汽車動力轉向器的流場分析［J］.機械工程師，2010（1）：50－52.

［3］ 王經.氣液兩相流動態特性的研究［Μ］.上海：上海交通大學出版社，2011：15－18.

［4］ 韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用［Μ］.北京：北京理工大學出版社，2004：9－26.

［5］ 唐家鵬.Fluent14.0超級學習手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2013：13－14.

［6］ 王瑞金，張凱.Fluent技術基礎與應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2007：7－8.

［7］ 張德生，趙繼云.基于CFD的桃形腔耦合器流暢分析及結構優化［J］.中國礦業大學學報，2010（5）：50－52.

［8］ 周香.汽車動力轉向器的流體力學特性及其吸油裝置的研究［D］.長春：長春工業大學，2010.