基于Fluent流場分析的拖拉機齒輪泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

賈大明，徐文靜，王俊卿

(洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽 471000)

0 引言

在拖拉機液壓傳動系統(tǒng)中，齒輪泵的主要作用是輸送液壓油，將機械能轉(zhuǎn)換為壓力能或者將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能，其性能主要和齒輪泵內(nèi)部的流動有關(guān)。在設(shè)計齒輪泵的初期，必須考慮齒輪泵的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流動情況，以設(shè)計出符合要求的泵。拖拉機齒輪泵的動態(tài)仿真可以為其設(shè)計提供大量的數(shù)據(jù)參考，是一種非常有效的計算機輔助設(shè)計手段；但是，由于其三維模型較為復(fù)雜，數(shù)值模擬工作較難進行，目前對于齒輪泵的仿真模擬工作往往局限在對其流量的模擬，對齒輪的運動和流場的分析較少。為了反映出齒輪泵作業(yè)過程中內(nèi)部齒輪和流體的動態(tài)變化，必須借助于現(xiàn)代仿真模擬手段，對其動態(tài)過程展開研究。Fluent動網(wǎng)格技術(shù)是當(dāng)前計算流體仿真模擬常用的軟件，而其UDF動網(wǎng)格編程模塊可以有效地實現(xiàn)裝置流場的動態(tài)分析，對于拖拉機新型齒輪泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要的意義。

1 拖拉機齒輪泵工作原理

在拖拉機動力元件中，液壓控制元件是較為常用的動力執(zhí)行元件，其工作時必不可少的元件是齒輪泵。拖拉機齒輪泵也叫液壓泵，其作用是在電機的驅(qū)動下將能量進行變換，如將機械能轉(zhuǎn)換為壓力能，將壓力能輸入到控制系統(tǒng)后，再從系統(tǒng)中傳送到執(zhí)行末端，在執(zhí)行末端將壓力能再轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)拖拉機各零部件的控制。工作原理如圖1所示。

拖拉機齒輪泵在工作時，主要依據(jù)腔體內(nèi)部容積的變化來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。在電機的帶動下，齒輪泵通過旋轉(zhuǎn)形成真空區(qū)或者壓力區(qū)，使液壓油被吸入或者排出，其原型如圖2所示。

圖2 拖拉機齒輪泵外觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The appearance structure of the tractor gear pump

拖拉機齒輪泵主要由6部分組成，包括主動和從動齒輪、泵殼、泵體、軸承和密封圈。在實際仿真模擬時，需要對結(jié)構(gòu)進行簡化，簡化過程主要依據(jù)齒輪泵的傳動原理來實現(xiàn)，如圖3所示。

1.殼體 2.前端蓋 3.傳動軸

圖3中，通過前端蓋和后端蓋對齒輪進行密封，齒輪在傳動軸的帶動下開始運動，運動過程中會形成真空區(qū)域和壓力區(qū)域，實現(xiàn)吸油和排油過程。在仿真模擬時，可以將其簡化為泵體和齒輪兩部分，利用三維建模軟件建立泵體和齒輪后，利用Fluent的動網(wǎng)格技術(shù)對齒輪賦予一定的速度，便可以實現(xiàn)拖拉機齒輪泵的動態(tài)仿真模擬。

2 基于計算流體和動網(wǎng)格的仿真數(shù)學(xué)模型

為了模擬出拖拉機齒輪泵運行的動態(tài)過程，需要采用Fluent的動網(wǎng)格技術(shù)，主要通過UDF編譯來實現(xiàn)。在實際仿真時，齒輪泵主要沉浸在液體中，因此還需要對液體流場進行仿真。Fluent對流場進行計算主要是依賴于3個方程，包括流體連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。其中，流體連續(xù)性方程可以寫作

(1)

其中，x為軸向坐標；u為軸向的流體速度。

同理，動量方程為

(2)

其中，P為靜壓；τij為應(yīng)力張量。

(3)

其中，δij表示粘性項。

Fluent對于流場能量方程的求解為

(4)

其中，keff=kt+k表示有效導(dǎo)熱系數(shù)；Jj′是組分j′的擴散通量；方程右邊前3項為導(dǎo)熱項、組分擴散項和粘性耗散項；Sh為包括其它體積熱源和化學(xué)反應(yīng)熱的源項。

(5)

對于理想流體，焓定義為

h=mj′hj′

(6)

對于不可壓縮氣體，焓定義為

(7)

其中，mj′是組分j′的質(zhì)量分數(shù)。

組分j′的定義為

(8)

其中，Tref=298.15K。

這些方程都屬于FLUENT的內(nèi)置方程，在實際仿真過程中，只需要對參數(shù)進行設(shè)計，但是在動網(wǎng)格的UDF編程過程中需要考慮這些方程?；赨DF動網(wǎng)格的拖拉機齒輪泵Fluent仿真流程如圖4所示。

圖4 拖拉機齒輪泵動態(tài)仿真模擬流程Fig.4 Dynamic simulation process of tractor gear pump

在仿真過程中，首先需要對泵內(nèi)部的流場進行仿真，利用UDF編程使固體齒輪部分進行運動；然后采用流固耦合仿真分析，對動網(wǎng)格進行更新。在計算過程中，需要保證計算的收斂性。如果計算不收斂，還需要對網(wǎng)格進行調(diào)整，直到計算收斂精度達到設(shè)計要求為止。在Fluent中，動網(wǎng)格主要涉及到以下兩方面的內(nèi)容：

1)運動的定義。需要采用UDF編程中的宏命令對運動進行定義。

2)網(wǎng)格更新。Fluent針對網(wǎng)格更新主要有3種方法，包括網(wǎng)格光順、動態(tài)層及網(wǎng)格重構(gòu)。

在Fluent中，對動網(wǎng)格參數(shù)進行設(shè)計主要是通過Dynamic Mesh面板進行設(shè)置，具體如圖5所示。

圖5中，拖拉機動網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置主要包括兩方面的內(nèi)容：一是Mesh Methods；二是Dynamic Mesh Zones。另外，還包括網(wǎng)格域運動預(yù)覽及網(wǎng)格運動預(yù)覽。

圖5 拖拉機動網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameter setting of dragging mobile grid

編程和設(shè)置完成后，可以將UDF編程代碼導(dǎo)入到Fluent進行調(diào)試。調(diào)試過程中，主要參考網(wǎng)格更新和計算的收斂性，當(dāng)網(wǎng)格更新效果和收斂性較好時，便可以實現(xiàn)拖拉機齒輪泵的動態(tài)仿真。

3 基于FLUENT的拖拉機齒輪泵仿真模擬

為了驗證FLUENT軟件對拖拉機齒輪泵進行動態(tài)仿真的可行性，本次研究以東方紅重型拖拉機的齒輪泵為模型，對其進行了建模和仿真。該齒輪泵主要是由兩個相互嚙合的齒輪構(gòu)成，由于齒輪端面被前后蓋密封，因此形成了一個密閉的容腔室，如圖6所示。

圖6 拖拉機齒輪泵原型圖Fig.6 The prototype of tractor gear pump

拖拉機齒輪泵在工作時，齒輪脫開側(cè)的空間體積從小變大，形成局部真空，這時候外部的液壓油會被吸入；同理，液壓油也可以被擠出。根據(jù)這個模型原理，建立了三維仿真模型，如圖7所示。

圖7 拖拉機齒輪泵三維仿真模型Fig.7 Three dimensional simulation model of tractor gear pump

根據(jù)拖拉機齒輪泵的原型和工作原理，建立了三維仿真模型。將三維模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件，對網(wǎng)格劃分后，將網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent軟件中，采用UDF編程賦予齒輪一定的速度，便可以實現(xiàn)齒輪的動態(tài)仿真。

單齒輪動態(tài)仿真速度云圖如圖8所示。由于兩個齒輪模型是對稱的，為了簡化計算，可以先對1個齒輪進行仿真，然后采用鏡像技術(shù)得到雙齒輪同時運行時的動態(tài)分布圖。仿真結(jié)果表明：采用Fluent動網(wǎng)格技術(shù)可以實現(xiàn)拖拉機齒輪泵的動態(tài)仿真。

鏡像后的雙齒動態(tài)仿真速度云圖如圖9所示?；趧泳W(wǎng)格的齒輪泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬能較真實地模擬泵內(nèi)油液流動隨齒輪轉(zhuǎn)動的瞬態(tài)，能為齒輪泵的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供很多有價值的參考數(shù)據(jù)。

圖8 單齒輪動態(tài)仿真速度云圖Fig.8 Dynamic simulation speed cloud diagram of single gear

圖9 鏡像后的雙齒動態(tài)仿真速度云圖Fig.9 Dynamic simulation speed cloud diagram of of double teeth after mirror image

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)拖拉機齒輪泵的動態(tài)仿真模擬過程，采用三維建模和Fluent軟件設(shè)計了齒輪泵的三維仿真模型，并采用UDF動態(tài)編程技術(shù)對齒輪泵作業(yè)過程進行了動態(tài)仿真模擬，成功地捕捉到了拖拉機齒輪泵內(nèi)流場的變化。為了提高計算效率和計算精度，采用了Fluent軟件的鏡像技術(shù)，將兩個齒輪的仿真轉(zhuǎn)換為了1個齒輪的計算。結(jié)果表明，該方法是可行的。采用仿真模擬技術(shù)可以為齒輪泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供較為可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，減少實驗費用，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率，特別是對于新型齒輪泵的設(shè)計具有重要的現(xiàn)實意義。