雙向柱塞泵雙向緩沖槽結構優化設計

王一博,王安迪,任中永,許順海,張 斌

(1.中鐵工程裝備集團有限公司,河南 鄭州 450016;2.浙江大學 流體動力基礎件與機電系統全國重點實驗室,浙江 杭州 310058)

引言

針對于掘進機、混凝土泵車等裝備的閉式液壓作動系統,其主泵采用雙向泵構成的閉式系統,在使用過程中需要通過改變驅動端的旋轉方向,使得柱塞泵能夠反向運轉。因此,泵的雙向構型對其配流盤緩沖槽的設計提出了新的挑戰。傳統的單向泵緩沖槽設計通常為中心對稱分布結構,但是對于雙向泵結構,其無法實現反轉工況的有效預壓縮,導致脈動增大。因此,針對于雙向柱塞泵正反轉切換過程的脈動抑制問題,需要對緩沖槽的結構進行優化設計。柱塞泵配流盤緩沖槽的結構優化長期以來一直是學術界與工業界的研究重點,PALMBERG J O等[1]對柱塞泵高低壓切換過程中產生壓力沖擊與配流環節產生的流量倒灌問題進行了分析,通過優化設計緩沖槽結構參數降低了出口的壓力沖擊。徐兵等[2]分析了典型結構的緩沖槽關鍵參數與輸出壓力-流量特性的影響規律,對輸出流量特性的變化趨勢進行分析,得到優化結構。洪昊岑等[3]提出了基于數據驅動的緩沖槽結構多參數優化方法,通過對仿真結果的數據分析,計算基于流量脈動最優目標的緩沖槽結構最優解。ERICSON L[4]通過對緩沖槽接觸容腔的分析,提出了一種基于預壓縮容腔法的多參數優化算法,得到的優化緩沖槽結構能夠有效降低柱塞泵流量脈動與壓力沖擊。馬吉恩[5]采用集中參數法對柱塞泵流量脈動和壓力沖擊進行了數學建模,并對柱塞泵的配流盤結構進行優化設計。梁德棟等[6]采用多目標遺傳算法對配流盤緩沖槽的深度角和寬度角進行了優化,優化結構有效的降低了柱塞泵的流體噪聲。單樂等[7]對柱塞泵中球面配流盤上的3種典型緩沖槽過流面積進行數值解析,對不同的緩沖槽過流面積對柱塞泵出口的流量脈動的影響規律進行了分析。楊漫[8]通過使用群智能算法來實現柱塞泵的降噪優化,建立了包含緩沖槽寬度角、深度角、開口角以及配流盤的錯配角4個參數的多參數優化模型,求解最優緩沖槽結構參數。一些研究人員,采用CFD仿真的方法對雙V形卸荷槽的流量特性進行了優化設計,仿真結果有效的降低了泵出口的流量脈動[9-11];還有采用PumpLinx對某型軸向柱塞泵和某型靜壓傳動裝置的軸向柱塞馬達進行了CFD數值模擬并對結果進行了實驗驗證,結果表明若內部流動域網格劃分、數值方法和計算精度合理,CFD技術能夠有效對其內部流動特性進行預測,可在一定程度上代替試驗[12-13]。

本研究針對于雙向柱塞泵的緩沖槽的優化設計方法進行研究,針對緩沖槽結構參數與柱塞泵壓力-流量特性的強耦合關系,采用CFD仿真的方法對多組不同組合構型的配流盤結構進行CFD仿真,并對仿真結果進行數據分析,提出采用多目標遺傳算法對最優結構進行求解計算,降低轉向切換后泵出口的流量脈動和壓力沖擊。

1 緩沖槽配流機理模型

研究對象為某閉式軸向柱塞泵,額定壓力25 MPa,額定排量750 mL/r,轉速1000 r/min。其配流盤緩沖槽采用三角形構型,如圖1所示。柱塞泵的配流流量與緩沖槽過流截面兩端壓差與過流面積有關,配流流量為:

(1)

圖1 緩沖槽結構模型

式中,qi——節流流量

Cr——流量系數

A——過流面積

pf——柱塞腔內油液壓力

pi——配流腔油液壓力

ρ——油液密度

當柱塞腔與緩沖槽初連通時,過流面積以一定的變化梯度增大,其變化梯度對于流量脈動的影響很大。三角形緩沖槽是目前應用最廣泛的構型,緩沖槽結構示意圖如圖1所示。

結合緩沖槽的結構模型分析其過流面積,圖1中ef為柱塞腔出口槽與緩沖槽頂端接觸點連線,gh垂直于ef,φ為ah在出口槽分布圓上的包角,即ah兩點與分度圓圓心弧度。△efg為緩沖槽垂直于面abc的截面,其面積為:

(2)

實際的過流面積為流體流過的最小截面,即為過邊線ad的△efg投影面積△efi,其面積為:

(3)

(4)

由于ah=Rfφ,因此過流面積為:

(5)

另一方面,由于在接觸過程中,ef是與柱塞腔出口槽的寬半徑r有關的弧線,且:

(6)

因此需要對過流面積進行修正,修正系數Ks為:

(7)

因此得到緩沖槽過流面積修正公式為:

(8)

根據該公式,可知緩沖槽的過流面積大小與其深度角θ1、寬度角θ2、長度L、分布圓半徑Rf等結構參數有關[14-16]。

2 單向緩沖槽仿真分析

本研究通過CFD仿真分析的方法對配流盤緩沖槽對出口壓力-流量特性的影響規律進行分析,柱塞泵內流場的瞬時壓力分布如圖2所示。通過對軸系進行布爾運算得到柱塞泵的內流場模型。為了更真實的模擬柱塞泵配流盤摩擦副的壓力分布特性,在配流盤與缸體間構造配流副油膜流域,模擬配流副的支撐油膜結構。仿真模型入口采用壓力邊界,邊界設置pi=0.35 MPa,出口采用壓力邊界,邊界設置pO=25 MPa,轉速為1000 r/min,配流副油膜厚度為20 μm。

圖2 柱塞泵流場模型

本研究針對某型雙向柱塞泵的配流特性和采用單向緩沖槽的配流盤模型進行分析,分別對70°,90°,110°寬度角的模型進行計算。

提取不同緩沖槽結構下柱塞泵出口的流量信息,由圖3可知,寬度角選取為70°時,流量脈動的幅值最小,脈動率為11.82%,但是在升壓階段存在較大的流量倒灌,導致其輸出流量存在較大的沖擊[17]。

圖3 緩沖槽寬度角對于泵出口流量的影響

同樣,對不同深度角的緩沖槽結構進行仿真分析,并保持邊界條件不變,提取泵出口流量信息,如圖4所示。可以看出,深度角為8°時,泵的輸出流量脈動最小,脈動率為12.08%。

圖4 緩沖槽深度角對于泵出口流量的影響

進一步對不同緩沖槽長度的緩沖槽結構進行仿真分析,保持邊界條件不變,提取泵出口流量信息,如圖5所示。可以看出,緩沖槽長度為23 mm時,泵的輸出流量脈動最小,脈動率為12.71%。

圖5 緩沖槽長度對于泵出口流量的影響

通過上述分析可以看出,緩沖槽的寬度角、深度角、長度均會對其輸出壓力-流量特性產生影響,另一方面,由于在流道腰型配流窗的后端,并未加工緩沖槽結構,在進行旋轉方向切換時,緩沖槽結構將不會進行預壓縮作用,對寬度角70°、深度角8°、長度23 mm的緩沖槽結構進行仿真計算,求解反轉1000 r/min工況下柱塞泵的輸出流量特性,如圖6所示。

圖6 單向緩沖槽流量脈動計算(正反轉工況)

由圖6所示,反轉工況的流量脈動幅值達到160 L/min,遠高于正轉工況,會對整泵的輸出產生極大的沖擊。因此,本研究提出雙向緩沖槽的構型方案,并針對于緩沖槽的構型進行優化計算。

3 雙向緩沖槽仿真分析

當采用雙向的緩沖槽構型時,如圖7所示。由于腰型配流窗的前后端均加工有緩沖槽結構,因此導致柱塞腔會同時連通高低壓容腔,增加泵的內泄漏。

圖7 雙向緩沖槽配流盤結構

對單向緩沖槽與雙向緩沖槽的壓力-流量特性進行分析,如圖8所示。可以看出,雙向緩沖槽構型存在更大的流量倒灌問題,同時在相同的結構參數下,雙向緩沖槽構型的配流盤的流量脈動較大,同時由于雙向緩沖槽連通了柱塞腔增大了泵的回流泄漏,導致流量的峰值小于單向結構。但是在反轉工況下,雙向緩沖槽結構顯著優化了柱塞泵的出口流量脈動。

圖8 單向緩沖槽與雙向緩沖槽的壓力-流量特性對比

4 雙向緩沖槽結構優化設計

以優化出口的壓力沖擊與流量脈動為目標,對雙向緩沖槽構型進行多參數的優化求解。配流盤的緩沖槽構型采用中心對稱設計,采用NSGA-Ⅱ算法進行緩沖槽的多目標優化[18],優化變量如表1所示。

表1 緩沖槽的多目標優化變量表

對雙向的緩沖槽進行獨立優化,優化目標為降低柱塞泵出口流量脈動,基于前期對柱塞泵壓力-流量特性的分析[18],即增加雙向構型后,主要影響輸出流量的倒灌特性和泄漏特性。因此優化策略的目標設置為流量脈動幅值、流量最大值、流量曲線的局部最小值、流量曲線的上升梯度、流量倒灌曲線的下降梯度。NSGA-Ⅱ算法的相關參數設置如下:種群數S=100;最大迭代次數N=500;交叉概率pc=0.35;變異概率pb=0.15。

流量脈動幅值計算公式:

Dfr=max(qout)-min (qout)

(9)

流量最大值計算公式:

Dqmax=max(qout)

(10)

流量曲線的局部最小值計算公式:

Dqmin′=min′(qout)

(11)

流量曲線的上升梯度計算公式:

(12)

流量倒灌曲線的下降梯度計算公式:

(13)

式中,Dfr——流量脈動幅值

Dqmax——流量最大值

Dqmin′——流量曲線的局部最小值

Ddq1——流量曲線的上升梯度

Ddq2——流量倒灌曲線的下降梯度

優化的目標函數為:

f(x)=min(a1Dfr,a2Dqmax,a3Dqmin′,a4Ddq1,a5Ddq2)

(14)

計算結果收斂在最優脈動率的全局最優點(取值范圍內),優化后的結果與原始結構的壓力特性與流量特性的對比曲線,如圖9、圖10所示。

圖9 出口壓力特性

圖10 出口流量特性

優化結果顯示,對于需要進行正反轉調節的二象限柱塞泵結構,配流盤緩沖槽的構型需要采用中心對稱式構型,且緩沖槽的最優結構參數相同時具有更好的壓力-流量特性。優化的結構參數結果為前/后緩沖槽寬度角82.3°,前/后緩沖槽深度角12.7°,前緩沖槽與后緩沖槽采用相同的結構參數構型可以保證正反轉時具有相同的壓力-流量特性。與原始結構的壓力-流量特性的對比結果表明,優化后的結構,流量脈動率為13.7%,相比于優化前(流量脈動率為14.2%)降低了0.5%;壓力脈動為0.3 %,相比于優化前(0.4%)降低了0.1%,脈動幅值為20.09 MPa。

5 結論

本研究針對于雙向大排量軸向柱塞泵的配流盤設計展開研究,分析在柱塞泵轉向調節時單向緩沖槽與雙向緩沖槽結構對柱塞泵壓力-流量脈動的影響,得出以下結論:

(1) 緩沖槽的寬度角、深度角、長度均會對其輸出壓力-流量特性產生影響。當柱塞泵進行反轉時,單向緩沖槽構型會導致柱塞泵配流過程的預升壓不充分,導致流量倒灌顯著增加;

(2) 通過采用多目標優化方法對配流盤緩沖槽的構型進行優化,優化后的結構:前/后緩沖槽寬度角82.3°,前/后緩沖槽深度角12.7°,能夠減少配流環節的流量倒灌現象,同時可以降低出口的壓力-流量脈動。

后續將重點針對于優化模型的試驗驗證展開研究,探究不同結構類型的緩沖槽的卸荷特性。