基于CFD的柱塞泵動(dòng)態(tài)性能仿真分析

尹錦鋒,楊宏斌（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南洛陽47003；2平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院,河南平頂山467000）

基于CFD的柱塞泵動(dòng)態(tài)性能仿真分析

尹錦鋒1,2,楊宏斌1
（1河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南洛陽471003；2平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院,河南平頂山467000）

該文以軸向柱塞泵的配流盤為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)配流盤結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)對(duì)泵內(nèi)部液體的動(dòng)力學(xué)特性以及泵的輸出性能的影響進(jìn)行研究，得到配流盤阻尼槽結(jié)構(gòu)與柱塞泵流量脈動(dòng)及壓力沖擊的參數(shù)化關(guān)系，仿真模擬證明了計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行軸向柱塞泵動(dòng)態(tài)性能仿真的有效性。

柱塞泵，配流盤，CFD技術(shù)，三角槽

0　前言

軸向柱塞泵具有體積小、傳遞功率大(高壓力和高轉(zhuǎn)速)、變量控制方便、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中，幾乎都采用軸向柱塞泵作為油源[1]。該文運(yùn)用CFD技術(shù)成功地搭建了基于計(jì)算流體力學(xué)的軸向柱塞泵動(dòng)態(tài)性能仿真模型。分析了配流盤卸荷槽尺寸對(duì)柱塞泵性能的影響，對(duì)其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要意義。

1軸向柱塞泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

伴隨著液壓系統(tǒng)對(duì)齒輪泵高效率、高可靠性、高功率密度(高壓、大排量)的發(fā)展要求，柱塞泵額定工作壓力不斷提高，高壓或超高壓柱塞泵配流過程中的油擊和噪聲問題已經(jīng)嚴(yán)重限制了柱塞泵的發(fā)展[2]。

解決斜盤式軸向柱塞泵配流過程中的油擊和噪聲問題的主要解決方案為：在高、低壓腔間隔的閉死密封區(qū)開卸荷槽，使得轉(zhuǎn)子上吸滿低壓油的工作腔在進(jìn)入高壓排油區(qū)的過程中，油液壓力均勻升高至排油壓力，同等油液壓力的液壓油接觸即不會(huì)產(chǎn)生油擊現(xiàn)象；同理，轉(zhuǎn)子上的工作腔完成排油歷程后，使得工作腔內(nèi)的油液壓力均勻下降至吸油口油液壓力。

因此，為解決斜盤式軸向柱塞泵配流過程中的油擊和噪聲問題，需研究配流盤的工作原理及其卸荷槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

2　建立軸向柱塞泵配流動(dòng)態(tài)模型

本模型的主要研究對(duì)象為軸向柱塞泵的配流盤結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)對(duì)泵內(nèi)部液體的動(dòng)力學(xué)特性以及泵的輸出性能的影響，因此建模的重心放在配流盤的配流作用上[3]。配流整體幾何結(jié)構(gòu)用UG建立，圖1為軸向柱塞泵配流3D模型，模型設(shè)計(jì)為9柱塞式軸向柱塞泵。

3　基于Fluent的軸向柱塞泵配流性能分析

運(yùn)用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)三角形卸荷槽區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，以提高計(jì)算精度。為方便在Fluent中的邊界條件設(shè)置，將柱塞腔內(nèi)的油液和高、低壓腔內(nèi)的油液設(shè)置為兩種液體。內(nèi)部流體設(shè)置為液壓油，密度為889kg/m3。高壓腔排油出口壓力設(shè)為10MPa，低壓腔進(jìn)油口壓力設(shè)為1MPa。將柱塞腔下表面和高、低壓腔上端面設(shè)置為Interface，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)柱塞腔和高、低壓腔的壓力、流量及溫度的數(shù)據(jù)交流。

在柱塞腔液體本身繞Z軸的圓周運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下，柱塞腔間逐漸地與高壓腔脫離，此時(shí)柱塞腔頂部的運(yùn)動(dòng)開始使柱塞腔容積擴(kuò)大，而柱塞腔底部開始與低壓腔連通，借此實(shí)現(xiàn)吸油過程。兩種運(yùn)動(dòng)的疊加，實(shí)現(xiàn)了柱塞腔間斷地與高、低壓腔連通，與軸向柱塞泵本身的工作原理一致。

卸荷槽的設(shè)置是為了緩沖柱塞腔在連通高、低壓腔之間轉(zhuǎn)換時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，因此對(duì)配流效果有重要影響。為研究不同尺寸卸荷槽緩解沖擊的能力，設(shè)計(jì)模擬仿真實(shí)驗(yàn)如下：

配流盤三角形卸荷槽的幾何尺寸如圖2所示，其中槽寬3mm，槽深2mm，卸荷槽對(duì)應(yīng)的圓心角為α，分別研究無三角形卸荷槽、三角形卸荷槽α=10°、α=20°時(shí)，軸向柱塞泵的配流特性。

配流盤的相位設(shè)置為偏置型，保證吸、排油的流暢。模型其他設(shè)置與前面所述一致。模型設(shè)置完成后劃分網(wǎng)格，然后導(dǎo)入Fluent進(jìn)行運(yùn)算。由于完全接通高、低壓腔后的壓力和流量很穩(wěn)定，因此重點(diǎn)觀察高、低壓切換時(shí)，柱塞腔的壓力和流量特性。結(jié)果如圖3、圖4所示。

觀察圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)α=20°時(shí)，柱塞腔的壓力特性較差：低壓腔換至高壓腔時(shí)壓力升高較多，超過了高壓腔油壓10MPa，最大值為11.7MPa，造成較大沖擊；而高壓腔換至低壓腔時(shí)壓力下降太多，出現(xiàn)負(fù)壓，壓力最小值為-0.39MPa，會(huì)使油液中的空氣析出，出現(xiàn)氣泡，產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象。

當(dāng)不存在三角形卸荷槽時(shí)，柱塞腔的流速特性較差：低壓換至高壓、高壓換低至壓時(shí)流速均出現(xiàn)較大的波動(dòng)，并且伴隨回流，回流瞬間值達(dá)到0.35L/s和0.85L/s左右。而當(dāng)α=10°時(shí)，相較另外兩個(gè)模型，柱塞腔的壓力和流量曲線均比較平滑，性能穩(wěn)定。

分析原因如下：

柱塞腔從低壓的油箱吸到液壓油接高壓負(fù)載時(shí)，柱塞腔內(nèi)油壓為1MPa，突然與高壓負(fù)載10MPa相接，必然會(huì)引起負(fù)載的高壓油倒流進(jìn)柱塞腔。同理，柱塞腔從高壓負(fù)載排完油接低壓油箱時(shí)，柱塞腔內(nèi)油壓達(dá)到10MPa，與1MPa的油箱相接瞬間，勢(shì)必會(huì)引起柱塞腔內(nèi)高壓油倒流回低壓油箱，從而造成流量的不穩(wěn)定。

分析表明，仿真模擬數(shù)據(jù)基本符合理論推測(cè)和實(shí)際情況。

4　結(jié)論

通過對(duì)斜盤式軸向柱塞泵配流過程的動(dòng)態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，三角槽尺寸參數(shù)對(duì)于柱塞泵整個(gè)配流過程中產(chǎn)生的流量脈動(dòng)與壓力沖擊具有較明顯的影響，且如果三角槽跨度尺寸與深度尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致柱塞腔預(yù)壓縮和預(yù)膨脹量過大，引起柱塞腔內(nèi)壓力沖擊，對(duì)進(jìn)一步研究柱塞泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有重要參考意義。

[1]徐繩武.軸向柱塞泵和馬達(dá)的發(fā)展動(dòng)向[M].液壓氣動(dòng)與密封,2003(04):10-15.

[2]王彬.軸向柱塞泵平面配流副潤滑特性及其參數(shù)優(yōu)化[M].浙江大學(xué),2013:11-12.

[3]俞云飛.液壓泵的發(fā)展展望[M].液壓氣動(dòng)與密封,2012(1):2-6.

導(dǎo)師：楊宏斌，男，河南科技大學(xué)，教授，研究方向：主要從事弧齒錐齒輪與準(zhǔn)雙曲面齒輪的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究，齒輪數(shù)控加工技術(shù)、測(cè)量及計(jì)算機(jī)仿真等研究。

尹錦鋒（1982—），男，講師，從事機(jī)械方面的教學(xué)和研究工作。