往復柱塞泵轉套式配流系統潤滑性能研究

馬炳然 孫浩洋 鄭璐穎 張洪信

摘要：針對閥式配流系統存在噪音大、成本高、結構松散等缺點，本文耦合了Fluent軟件和Fortran編程的方法，對往復柱塞泵中轉套式配流系統潤滑性能進行研究。將該配流副視為特殊的滑動軸承，討論在不同時刻下，半徑間隙對潤滑膜最小膜厚的影響和寬徑比對潤滑膜承載能力的影響。研究結果表明，在3個時刻下，最小膜厚隨半徑間隙的增大而減小;承載能力隨寬徑比的增大而增大，當寬徑比從0.75增加到1.4時，潤滑膜的承載能力顯著增加，但當從1.4增加到1.5時，承載能力增加不顯著，因此，求得給定工況下半徑間隙和寬徑比的最佳取值區間為1.25～1.4。該研究為往復柱塞泵轉套式配流系統的配流副潤滑設計提供了方法。

關鍵詞：往復柱塞泵; 配流副; 水潤滑; 最小膜厚

經濟發展推動了液壓技術的飛速進步[1]，帶動了高性能液壓元件的需求。我國的液壓技術與國外相比起步較晚，在高性能的柱塞泵、馬達、閥等關鍵元件上，大量依賴國外進口，在一定程度上制約了我國現階段工程機械的發展[2]。液壓泵主要分為齒輪泵、柱塞泵、葉片泵種[3]，其中，柱塞泵在液壓系統中應用廣泛，其具有密封性好、容積效率高、配合精度高、可在高壓條件下工作等優點，在許多液壓元件發展相對緩慢的情況下，柱塞泵的材料、結構和性能發展勢頭良好[4]。同時，往復柱塞泵在汽車、工程機械、原油運輸、船舶、泵站、移動機械及礦山開采上應用廣泛[5]，一般由發動機或電動機驅動，如果其高速高頻、高效、高輸出壓力、大流量開關配流問題得到解決，對形成新型油液、電液車輛動力傳動系統意義重大[6]。而潤滑膜的存在，不僅使接觸表面不會造成磨損，而且通過潤滑液持續流動，帶走摩擦副工作過程中產生的大量熱量[7-9]。目前，常用的閥式配流系統存在噪音大、成本高、結構松散、節流損失大、容積效率受工作頻率影響大等缺點[10-11]，而轉套式配流系統可有效克服上述缺點，利用柱塞的往復直線運動驅動轉套單向旋轉實現高效配流。配流副可實現柱塞泵的吸液和排液分配，在承受載荷的同時，還具有密封和潤滑作用[12]。袁柳櫻等人[13]對柱塞副的膜厚進行理論計算和分析，得到了柱塞的偏角、偏心距、自轉角速度等因素對油膜壓力分布的影響，并根據分析從潤滑角度給出了減小磨損、延長使用壽命的建議;楊華勇等人[14]針對往復柱塞泵轉套式配流系統中配流副潤滑膜膜厚極薄，與泵的流場尺度相差若干數量級，難以直接應用Fluent求解的問題，通過耦合Fluent軟件和Fortran編程的方法，建立了該摩擦副的潤滑分析算法;鄭璐穎[15]進行了水潤滑柱塞泵轉套式配流系統的潤滑研究，耦合了商用CFD計算軟件和自行建模編程求解的方法，研究表明該方法是可行的;徐威[16]對往復柱塞泵轉套式配流系統性能仿真與結構優化進行了研究。在此基礎上，水作為潤滑介質，具有來源廣泛、安全、無污染等優點，可有效減少磨損，提高機械效率[17]。基于此，本文以水作為潤滑介質，耦合了Fluent軟件和Fortran編程方法，對往復柱塞泵轉套式配流系統的潤滑性能進行研究，重點討論了配流副結構參數的潤滑設計。該研究為往復柱塞泵轉套式配流系統的配流副潤滑設計提供了理論依據。

1 往復柱塞泵轉套式配流系統配流副潤滑分析原理

1.1 計算方法

往復柱塞泵轉套式配流系統截面圖如圖1所示。該摩擦副可視為一個特殊的滑動軸承，轉套相當于旋轉軸，泵體相當于軸承座，潤滑膜支撐的外載荷W是泵腔內的流體對轉套壓力和轉套與柱塞之間彈簧壓力的矢量之和，記偏位角為φ，泵體軸向長度為L。半徑間隙δ為泵體內徑R與轉套半徑r之差。

轉套旋轉1周為1個運動周期，為簡化模型，對轉套與泵體間進行準穩態潤滑分析。即針對某一特定瞬時，先預設轉套與泵體的初始偏心率，利用流體計算軟件Fluent，完成往復柱塞泵流場的非定常運動流場數值模擬，得到柱塞泵的整體流場;將得到的泵腔內流體對轉套的壓力和轉套與柱塞間彈簧壓力的矢量和作為轉套與泵體間潤滑膜的外載荷W，針對此瞬時的轉套與泵體間的潤滑膜建模，利用Fortran語言編程，求得對應于該外加載荷的偏心率，并對求得的偏心率與預設值之間的誤差進行對比，松弛迭代偏心率，直至達到收斂精度，進而求得潤滑膜厚及壓力分布。在整個周期內逐一瞬時計算，可以得到1個周期內轉套與泵體間任意時刻的潤滑膜膜厚和壓力分布。本研究選取3個時刻進行配流副間的潤滑分析，以說明設計方法。

1.2 網格劃分

建立往復柱塞泵轉套式配流系統的流場模型并劃分網格，流體域整體網格如圖2所示。針對潤滑膜部分加密邊界層，采用六面體結構網格，總節點數約為50萬。

1.3 Fluent計算

運用Fluent求解，計算參數如表1所示。對于運動過程泵腔中的柱塞和轉套運動，通過自定義函數（user define function，UDF）定義，運用網格光順和O1動態層結合的方法設置為動網格[18]。泵腔與配流口、配流口與潤滑膜內表面、配流口與潤滑膜外表面均與接觸面設置為INTERFACE滑移關聯邊界條件，其余為壁面邊界條件。

根據求得的泵腔流場，對其流場壓力積分可得泵腔內的流體對轉套的壓力隨時間的變化規律，泵腔內流體對潤滑膜壓力瞬變過程如圖3所示。取圖中的3個時刻（t1=0.30 s，t2=0.33 s，t3=0.35 s）進行潤滑分析，討論結構參數對配流副潤滑性能的影響。

1.4 數學模型與量綱一化

4 結束語

本文在應用Fluent模擬往復柱塞泵轉套式配流系統整體流場的基礎上，耦合Fortran編程對其配流副的潤滑問題進行建模分析，計算3個時刻下配流副結構參數對往復柱塞泵轉套式配流系統水潤滑性能的影響。研究結果表明，在當前工況下，半徑間隙δ的最佳取值區間為10 μm≤δ≤20 μm;寬徑比K的最佳取值區間為1.25～1.4，既滿足全膜潤滑，又能保證容積效率和承載能力。采用本方法逐一瞬時對配流副潤滑性能進行計算，即可完成配流副整個運動周期的潤滑設計。該研究對形成新型油液、電液車輛動力傳動等系統具有重要意義。

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