轉套式配流系統配流口與泵腔壓力特性對比分析

孫澤豪，張洪信，趙清海，姜曉天，王新亮

(1. 青島大學 a. 機電工程學院； b. 動力集成及儲能系統工程技術中心，山東 青島 266071；2. 山東凱馬汽車制造有限公司，山東 濰坊 262700)

0 引言

轉套式配流系統利用往復柱塞泵柱塞的固有往復直線運動驅動配流套單向轉動,實現配流,克服了閥式配流系統在結構、壓力損失、成本、容積效率等方面的弊端[1]。配流系統的結構原理如圖1所示，具體工作過程在此不再贅述。徐威等[2-3]進一步完成了轉套式配流系統的參數化設計和虛擬樣機設計，并探討了轉套的3種凸輪槽型線與轉套運動的關系；張延君等[4-8]以水為工作流質對往復柱塞泵轉套式配流系統泵內的非定常流動進行了仿真,確定了配流口、減振槽結構及最佳閉死角；姜曉天等[9]以isight優化設計框架搭建了系統設計優化平臺，完成了對U型減振槽的結構優化；程前昌等[10-11]將轉套式配流系統與閥式配流系統在體積結構、壓力脈動和容積效率3個方面進行對比研究，并確定線性凸輪槽型線性能最優。 但還沒有關于配流口和泵腔兩位置的壓力對比分析，本文在已有研究的基礎上探究配流口和泵腔的壓力特性區別及原因，分析結果可為后續研究提供支持。

前期工作對轉套式配流系統結構和壓力特性進行了系統研究，基本奠定了配流系統設計分析的理論基礎，但要深入、全面地優化配流系統結構，配流口與泵腔壓力特性必須重點把握，當然這也是了解配流系統工作特性的需要。

圖1 轉套式配流系統結構原理圖

1 泵腔與減振槽結構原理

低壓環境是流場內部空化產生的直接原因[12-13]。轉套式配流系統進油腔與油箱相連，出油腔接通外部負載，兩部分流體域壓力可認為分別等于入口壓力與出口壓力。而泵腔作為工作腔，其容積大小隨著柱塞往復運動周期性變化，并通過轉套上的配流口與進出油腔接通，實現吸排油過程。整個工作循環中配流口和泵腔流體域壓力頻繁變化，與配流系統的空化特性之間存在著緊密聯系，且直接影響著系統的容積效率。

減振槽位于配流口的左下角，其作用在于降低流場內高低壓轉化時出現的壓力超調及流量脈動。減振槽內壓力與泵腔內壓力如差別太大或沒有差別都將起不到減振作用。

減振槽主要有V型和U型兩種，V型減振槽亦可稱三角減振槽，其結構形狀如圖2所示。

圖2 三角減振槽結構形狀

三角減振槽的結構參數見表1。

表1 減振槽結構參數表

U型減振槽的結構模型如圖3所示，其結構特點為等截面弧狀，二維結構圖如圖4所示。

圖3 U型減振槽結構模型

圖4 U型減振槽二維結構圖

U型減振槽的結構參數見表2。

表2 U型等截面減振槽相關參數

青島大學研制的轉套式配流系統采用了U型減振槽，本文也針對U型減振槽和泵腔進行比較。

2 分布壓力變化過程比較

仿真過程針對線性凸輪槽型線轉套并在標定轉速、入口壓力下進行，其標定工況為：轉速500 r/min、入口壓力0.1 MPa，負載壓力10 MPa。

轉套式配流系統工作時內部流場壓力與配流口的通流面積密切相關[14-16]，整個工作過程中配流口通流面積變化如圖5所示。吸油起始階段減振槽先與進油腔接通，通流面積較小；隨著轉套的轉動配流口逐步接通進油腔，通流面積逐步增大，直到整個配流口全部參與吸油；吸油結束時配流口逐漸與進油腔分離，通流面積越來越小，最終兩部分完全分離，開始進行排油過程。排油階段配流口通流面積變化情況與吸油過程類似，先由減振槽與排油腔接通，隨后配流口主體部分逐步接通，通流面積不斷增大，直到整個配流口全部進行排油。排油結束時配流口逐步與排油腔分離，通流面積不斷減小，最終完全分離，開始進入下一周期吸油過程。

圖5 配流口通流面積變化過程

當曲軸工作在500 r/min時，轉套式配流系統流場仿真中引入空化模型后，流場內壓力降低到臨界空化壓力時，油液中會有氣體析出，壓力不再降低，理論上不會出現絕對負壓。參考圖6-圖9發現，仿真過程中在同一時間段內配流口最高壓始終高于泵腔最高壓，泵腔最高壓會逐漸接近配流口最高壓。但是，配流口各處壓力并非絕對高于泵腔各處壓力，甚至配流口某些地方最低壓力還會低于泵腔中的最低壓力，這樣使得泵腔中的高壓流體向配流口低壓處流動，容易引發渦流現象。對比圖6和圖8，在配流口通流面積較小的情況下其整體的壓力值比較低，而且壓力分布比較均勻，通流面積增大后壓力值有明顯增高，而且壓力分布出現明顯的分層；泵腔中的壓力分布也有類似情況，配流口通流面積較小時泵腔壓力普遍比較低，而且分布比較均勻，通流面積增大后泵腔壓力明顯增加。

圖6 0.012 s時配流口壓力分布變化云圖

圖7 0.015 s時泵腔壓力分布變化云圖

圖8 0.021 s時配流口壓力分布變化云圖

圖9 0.024 s時泵腔壓力分布變化云圖

3 平均壓力特性比較

整個配流系統在工作過程中，配流口和泵腔內的工作壓力隨著柱塞上下往復移動而出現周期性變化，配流口內油液的平均壓力變化曲線如圖10所示，泵腔內平均壓力的變化如圖11所示。吸油起始階段，柱塞上行泵腔容積迅速變大，泵腔連同配流口產生較大真空度，配流口首先通過減振槽與進油腔接通，但通流面積較小，油液吸入量較少，不能迅速充滿空腔區域，導致配流口和泵腔內壓力持續降低，并逼近油液在常溫下的空化壓力。仿真過程中發現流體域油液平均壓力降低至800 Pa左右時，配流口和泵腔內開始產生空化氣體，隨著轉套轉動通流面積增大，大量油液流入空腔中，導致真空度降低、壓力逐步升高，空化氣泡開始潰滅，而壓力較低區域則繼續產生氣泡，使氣泡的產生和潰滅始終處于動態變化中。空化氣泡的潰滅會釋放巨大能量并引起壓力的波動。由圖10可以看出工作時間為0.022 s時，配流口內壓力急劇增大，出現小壓力尖角，同樣由圖11可以看到0.024 s時泵腔內也出現壓力尖角。這表示空化氣泡群體性潰滅釋放了巨大能量，氣泡潰滅時復雜的周期性衰減過程及油液湍流流動的影響，造成壓力下降后出現小范圍波動。隨著配流口整體與進油腔接通，通流面積大大提高，配流口和泵腔內壓力高于油液的空化壓力，不再出現空化氣體，但整體壓力依然低于吸油口大氣壓，配流系統繼續進行吸油過程。

圖10 配流口平均壓力曲線圖

圖11 泵腔平均壓力曲線圖

吸油接近尾聲時，配流口與進油腔逐漸分離，通流面積開始減小，但遠大于減振槽處的通流面積，同時柱塞運動接近上止點附近，泵腔容積基本恒定，不會再產生較大的真空度。此時配流口和泵腔內壓力略有下降，但仍高于油液的空化壓力，因而不會再出現空化氣體。當工作時間為0.06 s時，轉套相對于吸油起始位置轉過180°，柱塞越過上止點開始向下運動進行排油。由于吸油過程中配流口和泵腔內存在空化現象，導致部分容積被空化氣體所占據，當配流口與排油腔接通時會出現油液的倒灌，高壓油由排油腔回流至配流口和泵腔中引起壓力上升；此外減振槽處通流面積較小，柱塞下移起始階段配流口排油困難，使得配流口連同泵腔內壓力上升，在兩方面共同作用下導致吸油向排油過渡階段配流口和泵腔壓力均高于出口負載出現壓力超調。配流口中最大壓力為12.87 MPa，泵腔中最大值為13.02 MPa。隨著轉套繼續轉動，通流面積逐漸增大，配流口和泵腔內壓力降低并趨于外部負載，配流口連續穩定輸出高壓油液。

排油接近尾聲時，柱塞運動接近于下止點，泵腔與配流口之間通流面積很小，泵腔中殘存的少量高壓油液幾乎不流入配流口中，泵腔出現排油困難，造成泵腔內壓力突然上升，出現瞬間的壓力尖角，最大壓力為13.26 MPa；而配流口直接與排油腔負載壓力接通，使其幾乎不受泵腔高壓油流入的影響，基本與負載壓力相一致。因而在排油向吸油過程轉換時配流口壓力略有上升，但無明顯壓力超調。當工作時間為0.12 s時，轉套相對于吸油起始位置轉過360°，柱塞通過下止點，泵腔重新開始吸油，配流口和泵腔內壓力迅速降低，進入新的工作循環。

4 結語

1)空化氣泡的群體性潰滅釋放出巨大能量給泵腔和配流口同時帶來壓力波動，使二者內部出現壓力尖角。

2)配流口直接與進排油腔接通，且本身容積不發生變化，所以其壓力尖角的峰值與泵腔壓力尖角的峰值相比之下較低。

3)配流口由于連通進出油腔，相對壓力能保持得更平穩，所以出現壓力變化后能夠比泵腔更快平復波動。