（机械电子工程专业论文）基于cfd的轴向柱塞泵配流特性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 轴向柱塞泵因其具有容积效率高、极限压力高、功率密度高等特点，广泛应用在工 程机械设备中。随着目前液压系统向着高速、高压、大流量方向发展，对轴向柱塞泵的 性能提出了更高的要求。 本文对轴向柱塞泵配流特性进行研究，在全面考虑多种因素影响下，采用c f d 方 法对配流过程非定常流场进行数值模拟，力求能够获得对柱塞泵配流过程中复杂流场的 深入认识，为今后柱塞泵的工程设计以及性能的提高提供具有参考价值的分析方法与研 究手段。根据课题的内容和特点，分为5 个章节。 第一章，着重分析了选题背景，包括轴向柱塞泵特点和c f d 在柱塞泵中的应用。 对轴向柱塞泵国内外研究现状进行了介绍。最后概括了本文的研究内容和意义。 第二章，轴向柱塞泵配流过程数值模拟。首先根据雷诺数计算配流过程中各个区域 的流体流态，首次采用层流加局部湍流模型对配流流场进行数值计算；在高速高压下运 转的流体不再是一般认为的不可压缩流体，提出了弱可压缩性概念，得到了弱可压缩流 体的状态方程，同时考虑油液的粘压效应和粘温效应，获得了表征粘度随压力、温度变 化的关系式。将以上两个方程式带入流体控制方程组使其封闭并对其进行数值求解。 第三章，数值计算结果分析。通过流场可视化，观察流量倒灌现象以及油膜处压力 分布；得到泵出口流量脉动变化情况；从两个方面探求配流过程出现空化的原因，同时 得到空化的位置分布和体积组分分布；提出新的研究阻尼槽流量系数的方法，即根据数 值模拟结果，拟合出流量系数与配流旋转角度的关系式；对缸体进行受力分析，得到缸 体所受压紧力和压紧力矩；详细分析了变工况下柱塞泵内流及外特性以及阻尼槽几何尺 寸对柱塞泵性能的影响。 第四章，流量脉动测试试验台的初步设计。根据管道动态特性搭建了流量脉动测试 实验台，以期对轴向柱塞泵出口的流量进行动态测量，以此来验证仿真计算是否真实， 准确，借此证明所建立的数学模型、所设定的边界条件和初始条件是否合理。 第五章，对本论文的研究工作和成果进行了总结，展望了未来需开展的工作。 关键词：轴向柱塞泵；c f d ；弱可压缩流体；粘度；空化；阻尼槽；压力冲击；流量 脉动； 浙江大学硕二e 学位论文 a b s t r a c t a x i a lp i s t o np u m pw i t hi t sh i g ho v e r a l le f f i c i e n c y , h i g hr o b u s t n e s sa n dh i g hp o w e r d e n s i t y , i sw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n w i t ht h eh y d r a u l i cs y s t e mo r i e n t e dt ot h e h i g hs p e e d ，h i 曲p r e s s u r ea n dg r e a tf l o wr a t e ，i ti sd e m a n d e dt h a tp u m p ss h o u l db ec a p a b l eo f e v e nm o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e n l i st h e s i se x p l o r e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff l o wf i e l dd u r i n gf l o wd i s t r i b u t i o n p r o c e s si na x i a lp i s t o np u m pw i t ht l l ea i do f c f d t h e a i mo ft h ew o r ki st oe s t a b l i s ham o r e a c c u r a t ef l o wf i e l dm o d e lc o n s i d e r i n gv a r i o u sf a c t o r sa n dd e e p l yu n d e r s t a n da l lt h e p h e n o m e n ai n v o l v e di n t h ef l o wd i s t r i b u t i o np r o c e s s w i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nm e t h o d s ，m o r er e a l i s t i cr e s u l t sc o u l db ea c h i e v e d i th a ss o m es i g n i f i c a n c et ot h e f l o wf i e l ds t u d i e sa n dt h es t r u c t u r ed e s i g no p t i m i z a t i o no ft h ea x i a lp i s t o np u m p t h em a i n c o n t e n t so ft h i st h e s i sc a r lb es u m m a r i z e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s t h ef i r s tc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h t h e m e ，i n c l u d i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa x i a lp i s t o np u m pa n dt h ee x i s t i n gr e s e a r c h e sa d o p t i n g c f di nh y d r a u l i cc o m p o n e n t s a n dg e n e r a l l ys u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u so fa x i a lp i s t o n p u m pa th o m ea n da b r o a d a tl a s t ，t h es i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n to f t h et h e s i sa r ep r e s e n t e d t h es e c o n dc h a p t e rf o c u s e so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a c c o r d i n gt or e y n o l d s n u m b e rc a l c u l a t e d ，t h ef l o wr e g i m ei n s i d et h ea x i a lp i s t o np u m pi sl a m i n a rw i t hs o m el o c a l d i s t u r b a n c e so ft u r b u l e n tf l o w ；t h ew o r k i n gm e d i u mi na x i a lp i s t o np u m pi sw e a k l y c o m p r e s s i b l ef l u i di n s t e a do fi n c o m p r e s s i b l ef l u i d ，t h es t a t ee q u a t i o no fw e a k l yc o m p r e s s i b l e f l u i di sd e v e l o p e d ；t h eo t h e rc o n c e mi st h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i a t i o no fv i s c o s i t y , t h e v i s c o s i t yf u n c t i o nw h i c hi st e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ed e p e n d e n ti sa d o p t e d t h e s et w o e q u a t i o n sa b o v e a l es u p p l i e dt ot h eg o v e r n i n ge q u a t i o n s t h eg o v e m i n ge q u a t i o n sa r ec l o s e d a n dt h e ns l o v e dn u m e r i c a l l y t h et 1 1 j r dc h a p t e ri n v e s t i g a t e st h ep h e n o m e n ai n v o l v e di nd i s t r i b u t i o np r o c e s s s o m e r e f e r e n c er e s u l t sa l ep r e s e n t e d 1 n a t a n t a n e r o u sb a c k f l o wi n t ot h ec y l i n d e ra n dp r e s s u r e d i s t r i b u t i o no ft h eo i lf i l ma r es h o w n m e a n w h i l e ，t h er e a s o n sf o rt h ec a v i t yi n c e p t i o nd u r i n g t h ef l o wd i s t r i b u t i o np r o c e s sa r ea n a l y z e d b a s e do nt h ec o n t o u r so fv o l u m ef r a c t i o n ，t h e r e g i o na n dt h ed e g r e eo fc a v i t a t i o no c c u r r e di nt h ei n t e m a lf l o wa r ep r e d i c t e d an e w m e t h o d o ff l o wc o e f f i c i e n tt h e o r e t i c a la n a l y s i si sa p p l i e d ：i na c c o r d a l i c ew i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， j i 浙江大学硕士学位论文 t h ef l o wc o e f f i c i e n ta n dt h er o t a t i o na n g l eo ff l o we q u a t i o n sa r eo b t a i n e d t h ef o r c e sa n d m o m e n t se x e r t e do nt h ec y l i n d e rb l o c ka l ea l s oa c h i e v e v e d b e h a v i o r so fa na x i a lp i s t o n p u m pi nas p e c i f i cr a n g eo fo p e r a t i n gc o n d i t i o na r ea n a l y z e di nd e t a i l s o m er e s e a r c h e so n t h ei m p a c to fr e l i e fg r o o v eo nt h ep e r f o r m a n c eo fa x i a lp i s t o np u m pa r ec o n d u c t e da sw e l l t h ef o u r t hc h a p t e rf o c u s e so nt h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fat e s tr i go fa x i a lp i s t o np u m pt o t e s tt h ef l o wr i p p l e so nt h ep u m po u t l e t t h i sd a t ai su s e dt ov a l i d a t et h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， a n dt h e nv a l i d a t et h el e g i t i m a c yo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h es p e c i f i c a t i o no fb o u n d a r y c o n d i t i o n sa n di n i t i a lc o n d i t i o n s t h ef i f t hc h a p t e ri st h es u m m a r yo ft h ep a p e r ss t u d yw o r ka n dt h ep r o s p e c to ft h en e x t s t e p sw o r k k e y w o r d s ：a x i a lp i s t o np u m p ；c f d ；w e a k l yc o m p r e s s i b l ef l u i d ；v i s c o s i t y ；c a v i t a t i o n ； r e l i e fg r o o v e ；f l o wr i p p l e s ；p r e s s u r ep u l s a t i o n ； 1 1 i 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 拿箭 签字日期： 。8 争石月1 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堑鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝储躲李静 新躲铂 签字日期： d 8 年6 月j zf i 签字日期：0 2 年6 月l2 日 浙江人学硕上学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 轴向柱塞泵的特点 第1 章绪论 在现代液压传动中，柱塞泵是使用最广的液压动力元件之一，从万吨以上的重型液 压机到小型的液压机具，从一般工业用的固定式机械到行走车辆，从民用机械到军用武 器，都广泛地使用了柱塞泵m 。 柱塞泵是依靠柱塞在其缸体内往复运动时密封工作腔容积的变化来实现吸油和压油 的。柱塞泵与其他容积式液压泵齿轮泵、叶片泵、螺杆泵相比，有如下优点乜1 ： 1 、参数高：常用压力达2 0 - 4 0 m p a ，超高压泵可达7 0 m p a ；常用泵的排量为每转几毫升 至5 0 0 毫升，大排量泵每转可达数干毫升；常用泵的驱动功率在2 0 0 k w 以下，大功率 泵可达5 0 0 k w 以上。 2 、效率高：因为柱塞与孔易加工，尺寸及表面质量可以达到很高精度，所以配合精 度高，泄露小，容积效率可达9 5 以上，总效率可达9 0 以上。 3 、寿命较长：泵内轴承的设计寿命一般为2 0 0 0 5 0 0 0 h ，泵的使用寿命可达1 0 0 0 0 h 以 上。 4 、变量方便，形式较多。利用变量柱塞泵，实现液压系统的功率调节和无级变速， 是液压传动特别是高压液压传动系统的最重要的优点之一。 5 、单位功率的重量轻。 当然，柱塞泵结构较复杂，零件数量较多，制造工艺要求较高，成本较贵，一般对 介质的清洁度要求也较严格。但是现在使用的液压系统趋向采用高压，要求更多地使用 功率调节和无极变速，工作介质的发展和污染控制技术也在不断的完善，所以柱塞泵的 应用正在愈来愈广泛。 柱塞泵又可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵。与径向柱塞泵比较，轴向柱塞泵具有结 构简单，零件少，容积效率高，转速高，单位功率体积小，重量轻，成本低等优点，所 以在许多场合径向柱塞泵己逐渐被轴向柱塞泵所替代。 轴向柱塞泵常用于高压、大流量、大功率的液压系统中和流量需要调节的场合。随 着工业设备对泵的性能要求越来越高，具有先天优势的柱塞泵是主要的发展方向。尤其 是近年来工程机械、塑料机械、矿山冶金和机床设备等的迅速发展，对长寿命、高性能、 低噪声轴向柱塞泵有着极大的需求。 预计2 0 1 0 年，柱塞泵马达的需求增长比率如图1 1 所示。 新大学硕十学位论文 4 52 5 圈1 1 轴向柱塞泉市场需求 1 1 2c f d 技术在柱塞泵中的应用 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f i ) ) 是通过计算机数值计算 和图形显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象所做的分析。采用c f d 方法对 物理问题进行数值模拟的基本思想可以概括为：把原来在时间、空间坐标系中连续的物 理量的场，如流体流动的压力场、温度场等，用有限个离散点上的值的集台来代替，通 过求解按定方法建立起来的关于这些值的代数方程，来获得离散点上被求物理量的 值。这些离散点上被求物理量值的集台称为该物理量的数值解。 c f d 的长处是适应性强，应用面广。流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量 多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用c f d 方法则有可能找出 满足工程需要的数值解。 运用数值计算技术，优化结构、降低磨损、减小噪声、提高性能是流体技术发展的 重要方向。轴向柱塞泵在配流过程中，流体介质处于高速旋转状态，密闭容腔中的流动 会出现多种复杂的流态，如气穴、旋涡、脉动流、喷流等，这些复杂的流态在很大程度 上影响着柱塞泵的性能。在柱塞泵传统设计计算中，一般对其内部的流动现象加以忽略 或做过度简化，大多采用的是集中参数的经验公式。随着轴向柱塞泵对减振、降噪、节 能以及精确设计的要求不断提高，必须深入流场内部，揭示柱塞泵内部流道结构对流场 特征性能的影响规律。c f d 技术在液压技术中的引入和应用，使深入柱塞泵内部流场进 行研究成为可能。 近年来，国外液压领域的知名研究机构，在对柱塞泵配流过程的研究上很重视研究 手段的开发运用。欧 l | 液压领域的几个主要的研究机构几乎都把c f d 作为一个专门的研 究方向，美国液压领域三大研究内容中第三类内容专门一条提出c f d 高级仿真方法的研 究日本流体传动系统协会( j f p s ) 确定对仿真工具的研究为未来八个重要研究方向之 一。采用c f d 对流体流动进行数值模拟已经成为液压行业日益关注的研究方法。c f d 技 术对于深入理解和掌握配流过程产生的复杂流态对柱塞泵性能的影响以及以此为依据 浙江大学硕上学位论文 进行的结构优化有着重要的辅助作用。 目前，c f d 在液压元件中的应用主要集中在液压阀b 卜1 上。起初是关于阀的定常数值 模拟，研究阀口、流道等流场有急剧变化的区域产生的气穴、漩涡、喷流等典型流场。 随着阀口形式的复杂和多样，如非全周阀口i 异型阀口流道等，全周开口滑阀的液动力计 算公式都无法直接应用，通过流场仿真的方法，由所得压力分布及速度场对阀芯所受的 液动力进行分析，同时对液压阀阀体内的流道、液压集成阀块内流道和复杂管路的压力 损失进行精确的计算。之后，随着c f d 软件不断完善，出现了阀的非定常数值模拟，获得 了阀芯开启关闭过程中受到的瞬态液动力、流量系数与通过阀流量，阀开口度之间的定 量关系。 液压阀中的流场分析研究，对于c f d 方法逐渐应用到柱塞泵上进行分析研究有着很好 的借鉴作用和指导意义。 和液压阀相比，由于轴向柱塞泵的结构复杂，关于轴向柱塞泵的流场仿真研究工作 开展的很少。瑞典皇家理工学院的一篇博士论文做过这方面的初步探讨，主要采用c f d 软件对轴向柱塞泵吸油特性进行研究；萨奥丹佛斯也采用c f d 技术对轴向柱塞泵内空化 现象进行了数值模拟；国内西南交通大学也开展了一系列研究工作，主要是针对水压柱 塞泵。这些都是对c f d 技术在柱塞泵领域的一个初步性研究，还有待于进一步加深。 轴向柱塞泵性能提高的重要性以及迫切性，加上c f d 仿真方法的成熟以及自身具备 的优势，使得二者结合成为可能，并且有着广阔的研究空间和发展前景。 1 2 国内外研究现状 研究轴向柱塞泵配流过程中柱塞腔内瞬时压力，配流过程中的空化现象以及泵出口 的流量脉动，寻求降低配流噪声、油液冲击、气穴含量的方法以期提高柱塞泵性能一直 是国内外学者致力于探索的课题。 1 2 1 国外研究现状 1 9 8 3 年，y a m a g u c h i 口1 采用丙烯酸树脂制作了透明泵，并且采用高速摄像技术用来 观察配流过程中产生的空化同时测量柱塞腔内的压力变化。得出可以通过合理设计配流 盘的结构来防止空化现象产生的结论。他同时也对水压柱塞泵做了相关的测试研究。 h e l g e s t a d 1 建立了一个不同以往的模型，主要体现在他用传统的节流口方程来描 述阻尼槽处流体的流动。随后将微型传感器安装到缸体上用来测量柱塞腔压力，发现流 量系数随着雷诺数以及流动方向在o 7 1 之间变化。由于实验条件的限制，高速高压情 况下的测量没能实现。后来，他们又对不同形状和位置的阻尼槽进行研究，同时提出了 在配流盘出安装溢流阀的想法，把溢流阀安装在配流盘和排油腔处防止流量倒灌，但可 惜没有实验结果。 p a nhc 砷1 提出在油膜厚度为常数的情况下，高低压配流槽问的端部区的压力场分 1 浙江大学硕上学位论文 布可以通过有限差分的方法在自然坐标下进行计算。由此得到的配流盘液压分离力以及 端面内外泄露流量值较前面的简化解析算法要精确。他们提出采用网格生成技术，用有 限差分方法来求解复杂几何域上的位势压力场。但采用有限差分方法计算该椭圆偏微分 方程复杂边值问题，当求解区域的边界形状较复杂( 如带眉毛槽、降噪孔的配流盘) 时， 除非对边界进行简化，否则需要进行复杂的数学变换，工作量非常大。 巴斯大学的一批学者在八十年代也开始着手对柱塞泵配流过程的研究，取得了大量 的成果。i n r l i n g n 们和e d g ek a 卜刚是其中的代表。1 9 8 6 年，他们首先利用试验所得 的过程曲线，对以前的模型进行了理论结果和实测结果的对比分析，结果发现z a i c k e n k o 模型在压力超调的计算上存在很大的误差，尤其是高速高压时，误差更大。d a r l i n g 建 立了柱塞腔压力瞬变的数学模型： 卿岈茜鲁 其中，g 是柱塞运动产生的流量，q 是通过阻尼槽的流量，q 是泄露流量，是 油液的弹性模量。 针对带有阻尼槽的配流盘，在模型中引入节流槽内油液的惯性影响项，从而大大提 高了模型对柱塞腔压力瞬变过程中压力超调的计算精度。但在压力变换过渡时间的计算 上还存在着误差。e d g ek a 在流量脉动的测量方法上有了突破。他提出把油泵看成一 个流量脉动源和泵源阻抗的并联组合，称为高阻抗测量( h i g hi m p e d a n c e ) ，并将二者的 乘积看作是液压泵在流体噪声产生特性的评价指标。1 9 8 3 年此方法被英国做为测量液 压泵流量脉动的标准方法。1 9 9 0 年，e d g ek a 和j o h n s t o nd n n 刀叫埔1 提出了二次源法 ( s e c o n d a r ys o u r c em e t h o d ) ，此方法取代了高阻抗法( h i g hi m p e n d a n c em e t h o d ) 成为英 国测量液压泵流量的标准。此方法在1 9 9 6 年也被作为国际标准。 美国p u r d u e 大学的m o n i k a n 们叫2 2 3 课题组利用c + + 编写了c a s p a r 软件程序，c a s p a r 是一个解算具有各向异性的流体间隙油膜特性的工具；针对柱塞副、滑靴副、配流副三 处的油膜进行流体力学特性、动力学特性、温度特性研究；采用雷诺方程研究流体力学 特性，采用能量守恒演算温度特性，采用动力学方程推演动力学特性；这些方程靠一些 柱塞泵的关键尺寸因子联系起来。c a s p a r 的结构如图1 2 。目前已经得到了柱塞泵马 达内部一些关键位置的特性分布规律。图1 3 是配流过程中配流盘处压力变化情况。这 种从微观层面上对元件的特性规律进行研究的方法很值得借鉴。 4 圈1 3 配流过程配流盘处压力分布 瑞典林雪平大学从上世纪九十年代开始着手液压泵的研究。j o h a n s s o na 叫州在他 的博士论文中提出了降低柱塞泵噪声的多变量综合优化法。流量脉动测量方面，在总结 了前人的测量方法并分析其优缺点的基础上，提出了( s o u r c ea d m i t t a n c e ) 滑4 量方法， 林雪平大学的le r i c s o n 汹1 搭建了试验台。图1 4 为测试试验台以及泵出口流量脉动的测 试结果。 淅 学碰学位论文 圈1 4s o u r c ea d m i t t a n c e 涮量试验台厦翱试结果 德国亚琛工业大学( r w t ha a c h e n ) 的i f a s 研究组“也开展了柱塞泵马达技术 方面的研究工作。该小组重点研究压力姝动油液冲击引起的噪声的传递路线，如图1 5 所示，以对结构振动进行测试和计算。并通过敢进柱塞泵马达的外壳结构降低振动。 在脉动方面的研究主要通过流体仿真方面的软件d s h p l u s 开展，采用d s h p l u s 软件建立 一个完整的轴向柱塞泵的仿真程序，该程序有三个模块构成，一个是机械模块可进行运 动及动力学仿真计算( 由a i ) a i s 构成) ，一个是液压模块可计算出由流体产生的压力， 最后一个摩擦模块主要计算摩擦力的值。通过此程序对泵的几个关键摩擦副进行研究， 用来分析柱塞泵内部压力、流场分布及变化情况。i f a s 课题组还将d s h p l u s 与a d a m s 进行联合仿真，对九柱塞泵出于流体压缩性和交替运动产生的脉动进行了研究。 匿1 5 噪声传递示意圈 2 0 0 3 年在芬兰坦佩雷召开的流体会议上，意大利p 锄大学的p a o l oc a s o l i ”“ 从仿真和试验两方面得到了柱塞腔内压力变换情况，如图1 6 所示。 浙江 学碗i 位论文 i l 。，。，、。 圜 景”8 4 ” 耐t d 哪p n m n t 5 0 h lh = l m 竹啼i 圜 扣虬岫 晶 酗d d 唧 蝴1 2 。融4 = 2 5 r r n w 田16 柱塞腔内压力变捶情况仿真与试验对比结果 2 0 0 0 年瑞典皇家学院的w i k u n d9 1 采用c f d 软件运用并行计算的方法对斜轴式轴 向柱塞泵吸油特性进行研究。研究手段上有很大突破。他首先对柱塞泵进行了简单的二 维仿真，得到阻尼槽处的速度矢量图以及压力等值线图。不足之处是把阻尼槽单独从泵 中独立出柬就无法得到其他区域对阻尼槽处的影响。之后建立了柱塞泵三维模型，为了 减少计算，在仿真过程中做了适当的简化，相对二维模型来说有了很大的改进。但是模 型中没有考虑油液的可压缩性，泄漏等因素的影响。可以说这篇文章是将c f d 分析方法 在柱塞泵领域的一个初步探索性研究，文中给出的研究思路和方法很值得借鉴。 2 0 0 8 年在德国举行的第六次国际流体传动会议上，萨奥一丹佛斯公司1 采用数值 模拟和试验相结合的办法，研究柱塞泵的空化现象。其最大的特点是通过高速摄像来捕 捉空化现象。图1 7 是仿真得到的空化位置。图1 8 足措建的试验台，但试验观察的现 象不理想，还有待进一步完善。 圉17c f 仿真预测空化位簧 * 砸学位论文 1 2 2 国内研究现状 图l8 空化现象试验台 曾祥荣1 在8 0 年代初研究了柱塞泵噪声产生的原因。通过试验获得了泵噪声功率 谱，分析得到泵的噪声是随液压力、力矩、瞬时流量的变化而变化的。指出泵的噪声可 分为流体噪声和机械噪声，其中流体噪声是主要原因。重点分析了压力突变激声、气蚀 激声以及斜盘力矩证负突变激声。 上海交通大学对柱塞泵的研究起步也比较早，研究的比较系统。李元勋啡“”等对 液压马达新型端面配流副液压分离力进行了数值求解和分析，给处了配流流场r e y n o l d s 方程，他们用有限元对配流盘一个转动周期中多个密封区求解r e y n o l d s 方程，得到配 流盘处油液粘度随油压变化时以及粘度恒定时密封带油液压力分布情况。然后采用二维 数值积分方法得出配流盘所受液压分离力及其作用点。 1 9 8 8 年，邱泽麟嗍通过对e d g eka 模型的验证，发现e d g eka 模型在压力变换过 渡时间的计算上存在很大误差，建立了可实时测试高速旋转中柱塞腔内压力瞬态变化过 程的试验装置，井根据实验结果在e d g ek 的模型的基础上引入了一个修正系数 州岈齿害 其中e 是根据大量实验得出的。修乖系数c ，= 1 一e - t y 1 9 9 0 年余经拱m 1 提出了流量脉动测试的实用近似方法。图1 9 为得到的流量脉动 的幅值，图1 1 0 是压力上升阶段实测图。他分析t e d g ek a 和邱泽瞬建立的数学模型， 发现存在着两大问题。其一是模型中将油液综合体积弹性模量视为不随柱塞腔内油压变 化的常量，忽视了随着压力的变化油液综合体积弹性模量是变化的事实，其二为模型中 取通过配流盘阻尼槽的流量系数为常数，忽略了阻尼槽的节流面积的变化对流量系数的 影响- 根据模型的结构特点，应用解决非线性规划问题的最优化设计方法，设计出体积 浙江大学硕上学位论文 弹性模量动态模型参数的辨识方法。通过将模型仿真结果与实测结果的对比分析，对数 学模型的精度和适应性进行评价。同时提出了双级三角阻尼槽的配流盘阻尼结构。 = ) 墓 露 蕾 时局( 眦 图1 9 流量脉动幅值图1 1 0 压力上升阶段实测图 九十年代初，甘肃工业大学那成烈3 卜6 1 等人开始了柱塞泵领域的研究探索。通过 对轴向柱塞泵配流过程中出现的油击，气蚀及柱塞腔预升压预卸压梯度变化特性等决定 流体噪声强弱的物理因素进行建模仿真研究。他们对柱塞腔内瞬时压力特性进行了建 模，加入了斜盘倾角的影响，并比较准确的建立了减振孔和三角槽的过流面积公式，用 仿真方法分析了轴向柱塞泵瞬时流量脉动特性及控制方法。他发现考虑油液的可压缩性 时，轴向柱塞泵实际脉动均匀性低于理想状态分析结果，并且与柱塞数目的奇偶性无关。 另外，他还提出了最佳通油比例的设计规律，并设计了非对称偏转的低噪声配流盘结构。 安徽理工大学的许贤良h 7 卜h 刚等人也在九十年代开展了一系列的研究。首先，进行 了数学模型方面的分析，模型中主要考虑了柱塞腔内油液的可压缩性、泄露因素以及阻 尼槽的节流作用，重点结合数学模型对柱塞数的奇偶性因素对流量脉动的影响进行了分 析。此外，还搭建了试验台对泵出口位置的压力脉动情况进行了测量。 华中科技大学的聂松林嘞卜凸2 1 等人在2 0 0 0 年左右开始了对水压轴向柱塞泵的研究， 重点是对水压柱塞泵的配流副和滑靴副进行理论和实验研究。 浙江大学也相继开展了对水压柱塞泵的研究，周华教授嵋3 卜阳1 是其中的代表。他们 除了对水压柱塞泵的配流盘和滑靴副润滑特性进行了研究外，还搭建了配流副和滑靴副 润滑特性试验系统。 浙江大学的冀宏啼叼提出了一种研究液压动力元件中阻尼槽噪声特性的新方法，通过 把柱塞泵配流盘上的阻尼槽映射到滑阀上，对阻尼槽的气穴噪声特性进行研究。对两种典 型阻尼槽( v 形槽和u 形槽) 进行了压力分布测量、流场仿真及噪声信号测量，分析了阻 尼槽结构、压力分布和噪声之间的内在规律。此文献对研究柱塞泵提出了新的思路，但 有由于简化过于严重并且所建立的模型与实际还存在着定的差异，所以正确性还有待 考证。同时他还发明了一种抗气泡析出的柱塞泵配流盘，结构如图1 1 1 所示。配流盘的低 压侧阻尼槽是由第一、第二等截面阻尼槽组合而成，第一等截面阻尼槽的中心角等于缸 体上腰形孔中线与配流盘上下死点连线的夹角。低压阻尼槽上构造了二级节流结构，可 9 浙江 学砸j 学位论文 以防止柱塞工作腔与低压油槽接通时出现的气泡析出。 田5 一袖) 蠢量墁i e 大国5 - 4 b ) 蠢量直眭敏太 图1 1 2 象出口流量脉动 2 0 0 7 年林静”对不同结构形状的配流盘进行了c f d 数值计算，得到柱塞泵内部压 力场分布。如图1 1 3 和图1 1 4 所示。但是压力云图中有严重的负压存在，也就是会产 生空化现象，空化的产生必然会影响流量的输出情况，这样就影响了流量脉动结果的准 确性。诸葛辉、孙明智在此之后针对柱塞泵的吸油腔进行了仿真优化。并据此定性 分析了各种吸油腔模型在不同转速和负载下流场( 速度场、压力场) 之间的关系。 ( ) ( ) ( ) 图1 1 3 不同结构形状的配流盘 l o * 人学碗 岸位论文 圈1 1 4 柱塞泵建模和瞬时压力分布 综合起来，目前对这课题的研究存在着以下问题： l 、理论分析：柱塞腔配流过程中柱塞腔压力瞬变过程数学模型的建立经历了个 较长的历史时期，后人的研究重点放在对模型的细化和完善。但目前为止还没有一个精 准的数学模型柬指导实践。 2 、实验测试：柱塞腔内压力的测量相对容易，一般采用在柱塞缸孔接近缸孔腰型 出口位置安装微型压力传感器，将采集到的信号引到象体外面进行信号处理和分析。但 是轴向柱塞泵的出口流量脉动属于高频非定常流量，现有的流量计的可测频宽( 一般小 于5 0 h z ) 和流量计的流量压力非定常特性难以精确确定，使得测试非常困难。出 现的高阻抗法、- 次源法、实用近似法等测量方法都比较繁杂新的方法正在研究。 3 、c f d 数值模拟：c f d 的优点不容忽视，但目前运用c f d 软件对轴向柱塞泵进行 数值模拟的工作进行的相对较少，主要是得到泵内压力场分布和出口的流量脉动。但是 模型简化过于严重，而且很多因素束被考虑，有很大的完善空间。 1 3 课题研究意义 近年来，随着我国经济的腾飞，在工业现代化和大规模城市化进程中，工程机械、 塑料机械、冶金、机床和农业机械等领域对轴向柱塞泵的需求旺盛。但是我国液压件行 业与国外先进产品相比，存在较大差距，高技术含量的工程机械及其它机械所需的液压 产品被国外产品占据了绝大部分的市场。特别是变量液压系统所需的变量泵、变量马达 等高技术含量的液压元件基本上还是空白。国内由于缺乏高性能液压元件而只能依靠进 口，使主机厂受到国外供应商的严重制约。因此，迫切需要大幅提高我国液压柱塞泵 马达的技术水平，增强产品技术竞争力。 基础件的研究技术难度高，其研发需要投入巨额经费，过去我国科研开发力量薄弱 缺少高素质专业人才，科研手段落后与高水平配套件急需的矛盾，限制了我国基础件性 能的提高。目前我国的经济发展为轴向柱塞泵的研发带来了良好的经济背景，工程机械 的高速扩张和发展为轴向柱塞泵设备带来了广阔的发展空间。国家“十一五”发展规划对 高性能液压元件研发给予了高度重视，发布了“十一五”科技支撑计划“高性能液 浙江大学硕士学位论文 压轴向柱塞泵马达产业化关键技术研究 ，集中全国优势力量，高校和企业集团共同攻 关。 本文在“十一五”国家科技支撑计划( 课题编号：n o 0 0 6 b a f 0 1 8 0 1 n o 2 0 0 6 b a f 0 l b 0 4 ) 的支持下，开展了轴向柱塞泵配流特性研究，在全面考虑多种因素 影响情况下，建立配流过程数学和物理模型并进行数值模拟，对数值结果进行了深入的 分析，为国家进行基础件的提高提供了技术储备。由于c f d 应用到液压行业的时间不 长，在加上轴向柱塞泵几何模型的复杂，采用数值模拟方法研究轴向柱塞泵配流过程的 文献相对过少，相关的技术方法以及影响配流过程中流场诸多因素国内外几乎无详尽的 技术参考资料。本论文就此内容进行了探索，并取得了一定的研究成果。 1 4 主要研究内容 本课题研究的目的就是在综合考虑各个影响因素的情况下，建立精准的轴向柱塞泵 配流过程瞬态模型，对数值模拟结果进行深入分析，进而通过对元件进行结构优化以降 低或消除不良流态，最终实现提高柱塞泵性能的目标。同时将c f d 在液压泵的应用方面有 所突破。本文的主要研究内容为： 1 轴向柱塞泵配流过程模型的建立。首先分析轴向柱塞泵配流过程中流场特性以及 在高速高压下液压油的性质，如可压缩性以及粘度的变化等。对c f d 方法在轴向柱塞泵 仿真应用时的基本数学模型进行修正。在全面考虑各种因素的影响的情况下，建立起数 学和物理模型，设定边界条件和初始条件，采用变形网格技术进行配流过程的非定常数 值模拟。 2 对数值模拟结果进行分析。通过流场特性的微观层面上对泵性能进行研究。对瞬 态流场进行可视化研究。观察流量倒灌、压力超调以及空化现象。同时预测空化发生位 置，模拟气体体积分布情况，探求配流过程中空化产生的机理。利用数值模拟结果，得 到阻尼槽的流量系数与转角关系，以及配流过程中缸体所受的压紧力和压紧力矩。最后 进行变工况和变几何结构情况下轴向柱塞泵配流特性的研究。 3 流量脉动测试试验台的设计和搭建。为了验证前面理论和数值计算的可靠性与准 确性，获得充足的实验数据进行比较，对流量脉动测试试验台进行设计，对液压元件进 行选型确定测试步骤。以期得到试验数据验证仿真模型是否真实、准确。 1 2 浙江大学硕：l 学位论文 第2 章轴向柱塞泵配流过程数值模拟 轴向柱塞泵配流过程中，流体介质处于高速旋转状态，在密闭容腔中的流动会出现 多种复杂的流态，如旋涡、脉动流、喷流等；在高速高压下，流体的性质也会发生变化， 流体的密度和粘度不再是常数，而是受压力、温度等因素影响；同时由于配流副间的相 互滑动以及柱塞在缸体内的往复运动使得流体边界随时间不断的变化；在吸油区还有可 能伴随空化现象的产生等。 虽然以上种种现象使得柱塞泵配流过程流场相当复杂，但是流体流动总是受其自身 的控制方程支配的，在对轴向柱塞泵配流流场全面深入的分析基础上，可以建立起准确 的数学物理模型，设定合理的边界条件以及初始条件，探索出与实际情况尽可能一致的 关系，使数值模拟更加有意义，以此作为深入分析的指导与参考。 2 1 配流过程的数学模型和物理模型 建立轴向柱塞泵配流过程三维流动相对应的基本方程组，并根据轴向柱塞泵的实际 结构建立了物理模型。在此基础上，基于f l u e n t 软件平台对轴向柱塞泵配流过程非定常流 场进行数值求解。 2 1 1 基本方程式 1 连续性方程 望+ 皇幽+ 曼幽+ a ( p w ) ：0 烈 a x 耐 a z 2 动量守恒方程 ia u a ua ua u ia t a x a y a z l=x一昙罢+、叙a2ugz + 雾+ 害，+ 等昙t 詈+ 考+ 警，l - x 一万表、a x z + 矿+ 虿) + 蓄夏( 瓦+ 面+ 瓦 la v a va va v la t a x a y a z i = g y 一号多+ ( 萨a 2 v + 可a 2 _ ! v 2 + 鲁) + 丝3 旦a y ( 丝a x + 茜+ 警)l - g y 一万方 ( 萨+ 秒2 + 虿) + 一( 一+ 万+ 嵩) ia w a wo wa w ia t a x a y a z 卜：一昙害州害+ 雾+ 害卜pa ( a u 一一+ o v g 3a z a x警，1 2z 一万壹+ ( 丽+ 矿+ 万) t一以+ i ) 3 能量方程 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文 a ( p t ) + o ( p u t ) + o ( p v t ) + o ( p w t ) a融 a y az(2-3) ：i 0 ( 一k _ o t ) + i 0 ( 一ki o t ) + _ 0 ( 一ki o t ) + 呶c po x a ) ) c po ) ) o z c p o z = “2 c 罢，2 + 2 c 考，2 + 2 c 娑o z ，2 + c 考+ 塞，2 + c 宴o z + 考，2 + c 芸+ 参2 卜；c 罢+ 考+ 警，2 c 9 c 卯卯劣卯出院 j出咖比 式中：p 流体混合密度 流体混合动力粘度 ，、y 、w 分别为在x 、y 、z 坐标方向上的速度分量 g ，、g y 、g ：分别为在x 、y 、z 坐标方向上单位质量的质量力分量 c 比热容 一粘性耗散函数 k 传热系数 丁摩擦副温升 由以上三式可知，未知函数是u ( x ，y ，z ，f ) ，v ( x ，y ，z ，f ) ，w ( x ，y ，z ，f ) ，p ( x ，y ，z ，) ， p ( x ，y ，z ，f ) ，( f ) ，t ( x ，y ，z ，f ) 。式中共有七个未知数，但是以上只给出了5