斜盘式轴向柱塞泵缸体及配流盘抗空化研究
斜盘式轴向柱塞泵动态特性研究与仿真试验_邱博
1 系统工作原理
以导轨式喂花机液压系统为原型， 设计测试系统 如图 1 所示。 其是简化的液压系统工作原理， 柱塞泵 2 由电机的带动， 通过调压控制阀 3 调节最大出口压 力， 直至达到设定压力， 经过单向阀 4， 由电磁换向 阀 5 调节油液进入液压缸 6 达到驱动输棉导轨 7 的作 用。 此系统用来测试大负载情况下恒压泵特性曲线变 化， 为后续整个液压系统设计提供参考依据， 并为液 压控制系统设计提供参数。
θ1 θ2
图 3 柱塞泵配流过程 Fig. 3 Process of piston pump flow
随着缸体的转动， 三角槽过流面积公式为：
S=R2(Φ+φ0)2tan2θ1tan(θ2/2)
(1)
式中： Φ— ——柱塞转过的角度；
φ0— — — 初 始 位 置 时 第 一 个 柱 塞 通 油 槽 包 围 三 角 槽的区间角；
中国农机化学报 Journal of Chinese Agricultural Mechanization
DOI: 10.3969/j.issn.2095-5553.2014.01.046
Vol.35 No.1 Jan. 2014
斜盘式轴向柱塞泵动态特性研究与仿真试验 *
PARKER斜盘式轴向柱塞泵工作特征技术资料
PARKER斜盘式轴向柱塞泵工作特征技术资料PARKER斜盘式轴向柱塞泵工作特征技术资料PARKER斜盘式轴向柱塞泵重要由主体部分和变量机构两大部分构成,依据变量机构的结构形式和工作原理,可分为手动变量、伺服变量、液控变量、电动变量、恒功率变量等多种形式。
PARKER柱塞泵分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两种代表性的结构形式；柱塞缸由于径向柱塞泵属于一种新型的技术含量比较高的高效泵，随着国产化的不断加快，径向柱塞泵必定会成为柱塞泵应用领域的紧要构成部分；实在详见径向柱塞泵百科，以下仅以轴向柱塞泵为例进行解释。
柱塞泵一般分为单柱塞泵、卧式柱塞泵、轴向柱塞泵和径向柱塞泵。
PV016R9K1T1NFHSPV020R1K1T1NBLCPV020R1K1T1NFR1PV020R1K1T1NFWSPV020R1K1T1NFHSPV020R1K1T1NFRLPV020L1K1T1NFWSPV023R1E1T1NGLCPV023R1K8T1VFHSPV023R1K1A1NFWSPV023R1L1T1NFRCPV023R1L1T1NCLCPV023R1K1T1NBCCPV023R1K1T1NFPVPV032R1K1A1VFDSParker派克PV系列轴向柱塞泵有带标准压力调整器和带功率调整器两种选择。
z大排量从16至270ml/rev，额定工作压力为350bar，z低转速为每分钟300转，泄油口朝上。
型号有：PV016，；PV020，；PV023，；PV032，；PV040，；PV046，；PV063，；PV080，；PV092，；PV140，；PV180，；PV270等。
美国Parker派克PVP系列轴向柱塞泵带有通轴结构，可作为单泵和多联泵，用于开式回路的斜盘式结构，派克PVP系列轴向柱塞泵的安装形式为公制或SAE。
派克PVP系列轴向柱塞泵有带标准压力调整器和带遥控压力调整器两种选择。
Parker派克PVP系列轴向柱塞泵z大排量从16至140ml/rev，额定工作压力为250bar，z低转速为每分钟500转。
斜盘式轴向柱塞泵的结构分析与设计详尽教程共40页
斜轴式轴向柱塞泵的设计学位论文
毕业论文斜轴式轴向柱塞泵的设计摘要轴向柱塞泵作为应用广泛的一类柱塞泵，它的柱塞轴线与缸体轴线相互平行。
因为结构紧凑的原因使它具有较为明显的优点，具有紧凑的结构、较轻的重量、单位功率体积小、较高的工作压力以及较高的容积效率。
轴向柱塞泵在机械工业，特别是在液压系统中有着广泛的应用。
本次毕业设计是对斜轴式轴向柱塞泵进行的设计，其主要性能参数为额定压力P n =32MPa，理论排量v=28ml/r，转速n=1450r/min。
本文将对斜轴式轴向柱塞泵的发展状况、应用现状、轴向柱塞泵的研究现状以及工作原理进行一定的阐述。
根据已知参数对连杆柱塞组、缸体、配流盘、主轴等进行设计计算。
着重进行连杆柱塞组、配流盘的受力分析，轴承的选择与校核，平键的强度校核。
根据计算得到的相关参数绘制三维零件图以及三维装配图。
关键词：柱塞泵柱塞缸体配流盘The Design of Bent Axis Axial Piston PumpAbstractAxial piston pump is widely used as in mechanical industry , its position axis parallel to the cylinder axis. It has many obvious the advantages due to its compact structure, such as light weight, small size, power units, high working pressure and high volume efficiency. Axial piston pump has been widely used in the machinery industry, especially in the hydraulic system .The graduation project is to design Cline axial piston pump, the main performance parameters is given, its nominal pressure is 32MPa, the theoretical displacement is 28ml / r, speed is 1450r/min. In this paper, there are some exposition about the development status of Bent Axis Piston Pumps, application status, the status of research and how is the axial piston pump works . Based on the given parameters,I will do some calculations on the plunger rod group, cylinder, valve plate, and spindle . Be focused on the check of plunger rod group, valve plate stress analysis, bearing selection and verification, and flat key strength . Draw three-dimensional assembly drawing and parts drawing in accordance calculated parameters .Key Words : plunger pump;plunger; cylinder; valve plate目录1.引言 (1)1.1研究基础 (1)1.2斜轴式轴向柱塞泵的特点 (1)1.3国内外发展现状 (2)2.A2F型斜轴式轴向柱塞泵的结构及工作原理 (3)2.1斜轴式轴向柱塞泵的结构 (3)2.2斜轴式轴向柱塞泵工作原理 (3)3.A2F斜轴式轴向柱塞泵的基本参数 (5)3.1容积效率 (5)3.2 机械效率 (5)3.3 功率与效率 (6)4.主要零件的设计计算 (7)4.1连杆柱塞组的设计 (7)4.1.1柱塞直径d z (7)4.1.2柱塞名义长度 (8)4.1.3连杆球头直径 (8)4.1.4连杆设计 (8)4.2配油盘的设计 (10)4.2.1过渡区设计 (10)4.2.2配油盘主要尺寸确定 (11)4.3缸体的设计 (12)4.3.1柱塞分布圆半径R f (13)4.3.2缸体内﹑外直径D1,D2的确定 (13)4.3.3缸体的高度 (14)4.4球面配流副的设计 (14)的确定 (15)4.4.1缸孔油窗口倾斜角4.4.2球面半径R的确定 (16)4.5主轴的设计计算 (16)4.5.1主轴最小直径d (17)min4.5.2 R1与R的比例 (18)5.运动学分析 (19)5.1柱塞的位移s (19)5.2柱塞的速度v (19)5.3柱塞的加速度a (19)6.受力分析 (20)6.1柱塞上的作用力 (20)6.2连杆上的作用力 (21)6.2.1连杆A点所受的力 (21)6.2.2连杆B点所受的力 (22)6.3主轴上的转矩 (23)6.4轴承的选择与校核 (24)6.4.1寿命计算公式 (24)6.4.2轴承的平均负荷 (24)6.5平键的强度校核 (28)6.6配流盘受力分析 (28)6.6.1压紧力P y (29)6.6.2分离力P f (29)6.6.3力平衡方程 (30)7.三维装配图 (32)结语 (33)参考文献 (34)致谢 (35)1.引言1.1研究基础现代液压驱动泵的应用范围贯穿整个机械行业。
斜盘式轴向柱塞泵的配流副特性分析
斜盘式轴向柱塞泵的配流副特性分析发布时间：2021-09-12T23:36:49.803Z 来源：《基层建设》2021年第17期作者：张树鹏1 周爱玲2 周志明3 王锦胜4 孔超5 [导读]摘要：斜盘式轴向柱塞泵的配流副润滑好坏会直接柱塞泵的使用寿命和使用安全性，而配流副的油膜承载力大小是衡量柱塞泵配流盘和圆锥型缸体底面润滑特性的指标。
因此基于雷诺方程建立并分析配流副稳态油膜模型，推导配流副油膜的压力场特点。
1、襄阳博亚精工股份公有限公司武汉分公司湖北省武汉市 4300002、中国人民解放军第3303工厂湖北省武汉市 4300003、襄阳博亚精工装备股份公有限公司武汉分公司湖北省武汉市 4300004、襄阳博亚精工装备股份公有限公司武汉分公司湖北省武汉市 4300005、襄阳博亚精工装备股份公有限公司武汉分公司湖北省武汉市 430000摘要：斜盘式轴向柱塞泵的配流副润滑好坏会直接柱塞泵的使用寿命和使用安全性，而配流副的油膜承载力大小是衡量柱塞泵配流盘和圆锥型缸体底面润滑特性的指标。
因此基于雷诺方程建立并分析配流副稳态油膜模型，推导配流副油膜的压力场特点。
然后采用CFD方法仿真分析油膜压力场的变化规律，分析理论模型与仿真结果，验证理论结果的正确性，为斜盘式轴向柱塞泵的替代进口提供理论依据。
关键词：斜盘式轴向柱塞泵；配流盘；配流副；流场仿真 Abstract：The lubrication quality of the valve pair of swashplate axial piston pump will directly affect the service life and safety of the piston pump，and the oil film bearing capacity of the valve pair is the index to measure the lubrication characteristics of the valve plate and the bottom surface of the conical cylinder So based on Reynolds equation to build and analysis with vice steady-state flow model of oil film，the flow of oil film pressure field distribution was characteristic And then by adopting the method of CFD simulation analysis，the change rule of oil film pressure field analysis theory model and the simulation results，verify the correctness of the theoretical results，for the swashplate axial piston pump provides the theory basis for replace imported. Key words：swashplate axial piston pump valve plate valve pair flow field simulation oil film bearing capacity 引言斜盘式轴向柱塞泵是液压传动系统中的重要动力源，广泛使用在各种机械工程和矿山设备中。
基于全空化模型的柱塞泵内空化流动数值模拟
基于全空化模型的柱塞泵内空化流动数值模拟刘春节 吴小锋 干为民 何亚峰常州工学院,常州,213002摘要:针对典型斜盘式轴向柱塞泵工作时出现的空化现象,以某高压柱塞泵为例,建立了柱塞泵配流过程中,气液混合相的连续性控制方程和运动控制方程,推导了基于气液两相流的质量输运控制方程,并对柱塞泵进行了空化流动的数值模拟㊂仿真结果表明,不同的转速㊁压差和配流盘结构对柱塞腔内部㊁配流盘表面以及缸体与配流盘接触处的空化存在影响,且仿真结果与实验检测数据结果是吻合的㊂关键词:斜盘式轴向柱塞泵;空化;气液两相流;气相生成率;气相压缩率中图分类号:T H 137.51 D O I :10.3969/j.i s s n .1004‐132X.2015.24.013N u m e r i c a l S i m u l a t i o no fC a v i t a t i o nF l o w i nP i s t o nP u m p Ba s e do nF u l l C a v i t a t i o n M o d e l L i uC h u n j i e W uX i a o f e n g G a n W e i m i n H eY a f e n gC h a n g z h o u I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ,C h a n g z h o u ,J i a n gs u ,213002A b s t r c t :A c c o r d i n g t o t h e c a v i t a t i o n p h e n o m e n o n i na t y p i c a l s w a s h p l a t e a x i a l p i s t o n p u m p,t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n ,m o t i o ne q u a t i o na n dv a p o r ‐l i q u i dm i x e dm a s s t r a n s p o r t e q u a t i o n s i nah i g h p r e s -s u r e p i s t o n p u m p w e r e b u i l t b y c o n s i d e r a t i o no f t h e i n f l u e n c e s o f t h em e d i u mc o m p r e s s i b i l i t y a n d t u r -b u l e n c em o d e l .A n d t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no f v a p o r ‐l i q u i d f l o wi n t h e p u m p wa s c a r r i e do u t .T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h a t t h e c a v i t y i n p i s t o n p u m p i s a f f e c t e db y d i f f e r e n t s p e e d s ,p r e s s u r e d i f f e r -e n t i a l ,a n dv a l v e p l a t es t r u c t u r e .F i n a l l y ,c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a l d a t a ,t h es i m u l a t i o nr e -s u l t s a r e a gr e e m e n tw i t h t h e a c t u a l d a t a .K e y w o r d s :s w a s h p l a t e a x i a l p i s t o n p u m p ;c a v i t a t i o n ;v a p o r ‐l i q u i d t w o ‐p h a s e f l o w ;v a p o r g e n e r -a t i o n r a t i o ;v a p o r c o m pr e s s i o n r a t i o 收稿日期:20150701基金项目:国家自然科学基金资助项目(51305049);江苏省教育厅自然科学基金资助项目(13K J D 460003);江苏省科技支撑项目(B E 2014051);常州市科技项目(C J 20140046)0 引言空化是由液体中的局部低压(低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压力)导致的液体气化而引发的微气泡(气核)爆发性生长现象㊂柱塞泵内的空化流动常常引起柱塞泵的内部冲击和噪声,导致出口流量和压力脉动大㊁工作效率低等问题㊂国内外学者对空化流动的研究甚多,但对柱塞泵内空化流动的研究较少㊂文献[1‐5]对空化流动的数值计算进行了研究,并建立了气液两相流动的空化模型㊂文献[6‐7]提出的全空化理论模型被广泛应用于空化流动预测㊂翟江等[8]运用F l u e n t 软件对水压柱塞泵内的空化流动进行了模拟仿真,分析了空化流动对泵出口脉动的影响㊂刘晓红等[9]对液压轴向柱塞泵内的配流盘气蚀机理进行了数值解析㊂在以上研究的基础上,笔者利用全空化模型对典型的液力机械柱塞泵进行了数值模拟㊂1 柱塞泵内空化流动引起的配流盘表面气蚀本文的研究对象为I P V D 18型斜盘式轴向柱塞泵,如图1所示,泵的技术参数如表1所示㊂泵内部存在的空化流动会导致其配流盘表面存在明显的气蚀,如图2所示㊂图1 斜盘式轴向柱塞泵总成表1 I P V D 18型斜盘式轴向柱塞泵技术参数柱塞数转速(r /m i n )压力(M P a )额定最高额定最高最大倾角(°)920002400304025㊃1433㊃基于全空化模型的柱塞泵内空化流动数值模拟刘春节 吴小锋 干为民等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图2 斜盘式轴向柱塞泵结构2 基于全空化模型的控制方程2.1 连续性方程将柱塞泵内的液压油看作气相和液相均匀混合的两相流介质,则连续性方程为∂ρm∂t+∇(ρm u i)=0(1)式中,ρm为气液混合相的平均密度;u i为气液混合相的平均速度;i为流动维数;t为时间㊂2.2 运动方程忽略质量力和微小气泡的表面张力,考虑湍流对黏度的影响,基于湍流过滤模型[10‐11]建立湍流黏度方程:μm t=C uρm K2εm i n(1,C3ΔεK3/2)(2)式中,μm t为湍流引起的动力黏度项;C u㊁C3为经验系数;Δ为网格过滤因子;K为湍流动能;ε为湍流耗散率㊂从而得到气液两相流运动方程:∂(ρm u i)∂t+∇(ρm u i u j)=-∇p+∇[(μm+μm t)∇u i]+∇[(μm+μm t)∇u i]/3(3)式中,p为压力;μm为平均动力黏度;u i㊁u j为气液混合相二维流动方向上的运动平均速度㊂2.3 空化流质量输运方程本文以气液两相流为对象,假设流体可压缩,考虑流体的黏性和湍流,则气液两相空化流的质量输运方程[12‐13]为∂(ρm f v)∂t+∇(ρm u i f v)=∇(Γ∇f v)+R e-R c(4)式中,f v为气相质量分数;R e为气相产生率;R c为气相压缩率;Γ为有效传递系数㊂以上质量输运方程中,需要知道气相产生率R e与压缩率R c跟各项质量变化的关系㊂从气泡动力学出发,引入R a y l e i g h‐P l e s s e t气泡动力学方程,忽略方程中的气泡表面张力项和二阶导数项,以气核半径变化来描述气泡动力学行为:d R B d t=2|p v-p|3ρl s g n(p v-p)(5)1ρm=f vρv+1-f vρl(6)p v=p s a t+p t u r b(7)式中,R B为气泡半径;p v为气相临界压力,其值与气相饱和压力与湍流强度有关;ρl为液体平均密度;p s a t为气相饱和压力;p t u r b为湍流强度引起的压力㊂质量输运方程中,气相产生率和压缩率与相质量变化有关,亦跟相密度变化相关㊂结合液相㊁气相㊁混合相连续性方程:∂[(1-α)ρl]∂t+∇[(1-α)ρl u i]=R c-R e(8)∂(αρv)∂t+∇(αρv u i)=R e-R c(9)∂ρm∂t+∇(ρm u i)=0(10)将式(8)加上式(9)并结合式(10)可得:∂ρm∂t=∂(αρv)∂t+∂[(1-α)ρl]∂t(11)∇(ρm u i)=∇(αρv u i)+∇[(1-α)ρl u i](12)从而得到混合相密度变化与气相体积分数变化的关系:dρmd t=(ρv-ρl)dαd t(13)其中,α为气相体积分数㊂设单位体积内的气泡数目为n,则可以得到气相体积分数关于气泡半径表达式:α=4πn R3B/3(14)将式(14)代入式(13)得混合相密度变化与气泡动力学关系:dρmd t=(ρv-ρl)336πnα2d R Bd t(15)联立求解式(4)㊁式(8)㊁式(9)㊁式(13)和式(15),可得气相产生率和压缩率表达式:R c=3αρvρlR Bρm2(p v-p)3ρl(16)R e=3(1-α)ρvρlR Bρm2(p v-p)3ρl(17)由液体中气泡的形成机理可知,气泡半径取决于气泡内外压差和气泡表面张力之间的平衡,引入气泡表面张力系数㊂液相体积分数变化与介质的平均速度成正比,并用湍动能表示平均速度,则气相产生率和压缩率转化为R e=C e(1-f v)ρvρlσ2K(p v-p)3ρl(18)R c=C c f vρvρlσ2K(p v-p)3ρl(19)式中,C e㊁C c为经验常数,C e=0.02,C c=0.01;σ为气泡表面张力系数㊂3 柱塞泵工作模型3.1 柱塞泵流体模型选用I P V D型高压斜盘式轴向柱塞泵为对㊃2433㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.象,模型见图3,柱塞绕主轴转动的同时还沿轴向做往复式直线运动,使得柱塞腔周期性地通过配流盘接触吸油腔和排油腔,完成泵油的过程㊂1.主轴 2.泵前端盖 3.斜盘 4.滑靴 5.柱塞 6.缸体7.配流盘 8.变量机构 9.泵后端盖图3 斜盘式轴向柱塞泵结构图利用泵类专业C F D 计算软件P UM P L I N X对柱塞泵进行模拟,选择P UM P L I N X 内部全空化流动数值模拟方程,根据I P V D 型柱塞泵内部结构参数,建立泵内部流体模型,如图4所示㊂柱塞泵三维模型中,缸体头部与配流盘连接处流体结构采用结构化四面体网格划分,其余部分采用非结构网格,对边界接触处进行了局部网格加密处理,如图5所示㊂图4柱塞泵流体模型图5 柱塞泵流体模型网格划分3.2 介质定义选择40号液压油作为传动介质,忽略其黏性,考虑介质的可压缩性,则液体的体积弹性模量为βe =1V ΔV Δp (20)式中,V 为流体原来的体积;ΔV 为体积压缩量;Δp 为压力增加量㊂考虑液压油的可压缩性,由压缩系数的定义可知液压油的密度ρl =ρl 0e x p (βe (p -p 0))(21)式中,p 0为参考大气压力,p 0=0.101325M P a ;ρl 0为液压油在参考大气压力下的密度,ρl 0=870k g /m 3㊂气相密度为ρv =p MR T(22)式中,M 为液压油的摩尔质量,M =0.0144k g/m o l ;R 为普适气体常数,R =8.314J /(m o l ㊃K );T 为环境温度,T =300K ㊂3.3 边界处理设置柱塞泵边界条件时,利用P UM P L I N X 软件自带的柱塞泵模板,定义斜盘旋转中心坐标为(0,0,0.75)mm ,定义斜盘旋转矢量,旋转速度为1200r /m i n ,进口压力为0.1M P a,出口压力为20M P a㊂4 数值模拟与结果分析以柱塞泵内流场中的气相体积分布情况来反映内部的空化程度,仿真计算的结果如图6所示,空化主要发生在配流盘表面㊁柱塞腔内部以及缸体表面的局部区域㊂图6 柱塞腔内气相体积分布如图7㊁图8所示,柱塞泵工作过程中,局部空化程度比较大㊂柱塞腔刚刚与进油腔接触时,配流盘表面局部气相体积分数达到了95%㊂同样,在柱塞腔刚与出油腔接触时,缸体与配流盘接触处的局部气相体积分数达到了90%㊂如图8所示,柱塞腔与配流盘进油腔接触过程中,柱塞腔内发生了空化㊂图9显示,当柱塞经过进油腔时,㊃3433㊃基于全空化模型的柱塞泵内空化流动数值模拟刘春节 吴小锋 干为民等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.柱塞腔内气相的体积分数先由小变大,再由大变小,最大气相体积分数为23.6%㊂图7柱塞腔接进油腔处气相体积分布图8柱塞腔接出油腔处气相体积分布图9 柱塞腔二维截面上气相体积分布5 计算结果及分析产生柱塞泵内部空化现象的最直接原因是压力变化,而柱塞泵工作过程中内部压力分布变化取决于转速㊁进出口压力㊁内部结构参数等因素,因此借助P UM P L I N X 仿真平台,模拟了各种因素对柱塞泵内部空化现象[14‐15]的影响㊂5.1 压力和转速对空化流动的影响5.1.1 压力和转速对柱塞腔内空化的影响柱塞腔内的空化随着负载压力变化而变化,图10给出了柱塞腔经过配流盘上不同位置时,柱塞腔内气相体积分数的变化情况㊂柱塞腔脱离出油腔㊁刚与进油腔接通时,柱塞腔内的高压油突然与进油腔的低压油接触,腔内气相体积分数不断上升,柱塞腔内气相体积分数最大值出现在从接通进油腔后转过40°的位置,随着转角继续增大,柱塞腔内的气相体积分数又逐渐减小㊂当柱塞腔脱离进油腔㊁刚与出油腔接通(图10中的180°位置)时,进油腔内的高压油与柱塞腔内的低压油接触;柱塞腔转至200°左右位置时,柱塞腔内气相体积分数稍有升高㊂当负载压力分别为10M P a ㊁20M P a 和30M P a 时,柱塞腔内出现的最大气相体积分数分别为21.4%㊁24.7%和32%㊂因此在进油口压力恒定情况下,负载压力越高,柱塞腔内气相的体积分数越大,空化现象越严重㊂1.p o u t =10M P a2.p o u t =20M P a3.po u t =30M P a 图10 出油腔压力对柱塞腔内空化的影响柱塞腔内的空化还受泵转速的影响,当泵转速分别为1000r /m i n ㊁1500r /m i n 和2000r /m i n 时,柱塞腔内的气相体积变化如图11所示㊂转速1000r /m i n 对应的最大气相体积分数为26.5%,转速1500r /m i n ㊁2000r /m i n 对应的最大气相体积分数分别为24.2%和22.3%,由此可见,随着泵转速的升高,柱塞腔内空化有所缓解㊂1.n =1000r /m i n2.n =1500r /m i n3.n =2000r /m i n图11 泵转速对柱塞腔内空化的影响5.1.2 压力和转速对配流盘表面空化的影响配流盘表面发生的空化主要为局部空化,如图12所示,出现在配流盘表面4°~11°的范围内,配流盘该弧度范围所在区域为柱塞腔从低压进油腔换接负载高压油腔的过滤区域,配流盘表面局部气相体积分数达到90%㊂出油腔压力为10M P a ㊁20M P a 和30M P a 时,配流盘内局部位置气相体积分数分别为83%㊁92.7%和96%㊂如图㊃4433㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.13所示,当转速分别为1000r /m i n ㊁1500r /m i n和2000r /m i n 时,配流盘表面局部最大气相体积分数都在93%左右,局部空化较严重,说明柱塞腔内空化现象几乎不受泵转速的影响㊂1.p o u t =10M P a2.p o u t =20M P a3.po u t =30M P a 图12出油腔压力对配流盘内空化的影响1.n =1000r /m i n2.n =1500r /m i n3.n =2000r /m i n图13 泵转速对配流盘内空化的影响5.1.3 压力和转速对缸体底部空化的影响缸体底部与配流盘接触处也发生了局部空化,且空化较为严重㊂该柱塞泵有9个柱塞(对应缸体上的9个柱塞孔),以缸体与配流盘局部接触处为例,如图14所示,负载压力分别为10M P a㊁20M P a 和30M P a 时,局部最大气相体积分数分别为78%㊁86%和91%;如图15所示,当转速为1000r /m i n ㊁2000r /m i n 和3000r /m i n 时,缸体部位局部气相体积分数都在95%附近,有所降低,但不明显㊂1.p o u t =10M P a2.p o u t =20M P a3.po u t =30M P a 图14 出油腔压力对缸体内空化的影响5.2 结构参数对空化流动的影响压力变化是引起空化流动的主要原因,柱塞1.n =1000r /m i n2.n =2000r /m i n3.n =3000r /m i n图15 泵转速对缸体内空化的影响腔经过高压腔后突然接通低压腔时,一定会产生空化,工程上利用配流盘开槽的方法来缓解柱塞泵高低压换接引起的压力突变㊂本文对有开槽结构的配流盘柱塞泵内部空化流动进行了模拟,并将其与没有开槽结构的柱塞泵内部空化流动进行了比较,从而验证结构参数对柱塞泵内空化流动的影响㊂为了缓冲高低压接通时的压力突变,该柱塞泵配流盘表面开有三角槽结构㊂三角槽结构对柱塞腔内空化的影响如图16所示,当柱塞渡过三角槽部位完全与低压腔接触时,柱塞腔内空间变大,使得腔内压力与低压腔压力差大大降低,柱塞腔内最大的气相体积分数为11%㊂与无槽配流盘结构的柱塞泵最大气相体积分数31%相比,柱塞腔内气相体积分数明显减小㊂同样,配流盘内局部空化和缸体与配流盘接触处局部空化都得到了改善,如图17所示㊂三角槽结构使配流盘内的气相体积分数从无槽结构的98%降至65%,如图18所示㊂由于三角槽的存在,缸体与配流盘接触处的气相体积分数从95%降至55%㊂由此可知,配流盘上的阻尼槽结构不仅仅有利于降低出口压力㊁减小流量脉动,对于柱塞泵内部空化现象亦有相当大的改善作用㊂1.无槽配流盘 2.有槽配流盘图16 三角槽结构对柱塞腔内空化的影响5.3 柱塞泵空化前后实测数据验证为了验证斜盘式轴向柱塞泵内部空化现象的存在,以I P V D 18型柱塞泵为对象,对其内部发生㊃5433㊃基于全空化模型的柱塞泵内空化流动数值模拟刘春节 吴小锋 干为民等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.1.无槽配流盘 2.有槽配流盘图17三角槽结构对配流盘内空化的影响1.无槽配流盘 2.有槽配流盘图18 三角槽对缸体与配流盘接触处空化的影响空化部位的固体壁面粗糙度进行了测量,从而验证基于全空化模型的柱塞泵空化流动仿真的正确性与可行性㊂利用三坐标测量仪对柱塞腔内部㊁配流盘表面㊁缸体底部的壁面偏差进行测量,结果分别如图19~图21所示㊂(a)柱塞腔实体内部示意图(b)柱塞腔内部空化前后壁面偏差对比图19 柱塞腔内部发生空化前后的壁面偏差对比由此可见,实体模型中发生空化的位置与仿真中空化出现的位置基本吻合㊂通过对柱塞腔内部㊁配流盘表面和缸体底部局部区域空化前后的(a)配流盘实体表面示意图(b)柱配流盘表面空化前后壁面偏差对比图20配流盘表面发生空化前后的壁面偏差对比(a)缸体实体表面示意图(b)缸体表面局部区域空化前后壁面偏差对比图21 缸体底部发生空化前后的壁面偏差对比粗糙度对比可知,实际模型中,柱塞腔内空化区域面积较大,导致空化区域表面粗糙度变大35%;配流盘表面空化和缸体局部区域空化面积较小,但局部空化现象较严重,导致空化区域表面粗糙度增加80%㊂对照仿真数据可知,仿真结果基本㊃6433㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.反映了柱塞泵实际模型内部空化现象㊂6 结论(1)将柱塞泵内空化流动看作气液两相流动,借助于气泡动力学方程推导了基于气液两相质量输运控制方程的全空化模型㊂(2)利用C F D软件P UM P L I N X,选择全空化数值模拟模型,对I P V D18型斜盘式轴向柱塞泵在不同工作压力(10M P a㊁20M P a㊁30M P a)㊁不同转速(1000r/m i n㊁1500r/m i n㊁2000r/m i n)以及有无三角槽结构的情况下进行了数值模拟,分析了压力㊁转速和结构对泵内部空化的影响㊂参考文献:[1] S c h n e r rG H,S a u e r J.P h y s i c a l a n dN u m e r i c a lM o d e l-i n g o fU n s t e a d y C a v i t a t i o nD y n a m i c s[C]//F o u r t hI n-t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nM u l t i p h a s e F l o w.N e wO r l e-a n s,U S A,2001:305‐316.[2] S i n g h a lA K,A t h a v a l e M M,L iH.M a t h e m a t i c a lB a s i sa n d V a l i d a t i o no ft h eF u l lC a v i t a t i o n M o d e l[J].J o u r n a lo fF l u i d sE n g i n e e r i n g,2002,124(3):617‐624.[3] Z w a r tPJ,G e r b e rA G,B e l a m r iT A.T w o‐p h a s eF l o w M o d e lf o r P r e d i c t i o n C a v i t a t i o n D y n a m i c s[C]//F i f t hI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n M u l t i p h a s eF l o w.Y o k o h a m a,J a p a n,2004:216‐223[4] K u b o t aA,K a t oH,Y a m a g u c h iH.A N e w M o d e l i n go fC a v i t a t i o nF l o w s:aN u m e r i c a l S t u d y o fU n s t e a d yC a v i t a t i o no n a H y d r o f o i lS e c t i o n[J].J.F l u i dM e c h.,1992,240(2):59‐96.[5] K u n zRF,B o g e rD A,S i n e b r i n g D R,e t a l.A P r e-c o nd i t i o ne dN a v i e r‐S t o k e s M e t h o df o rT w o‐p h a s eF l o w sw i t hA p p l i c a t i o n t oC a v i t a t i o nP r e d i c t i o n[J].C o m p u t e r s a n dF l u i d s,2000,29(8):849‐875.[6] S i n g h a lA K,A t h a v a l eM M,L iH u i y i n g,e t a l.M a t h e-m a t i c a lB a s i sa n d V a l i d a t i o n o ft h e F u l l C a v i t a t i o nM o d e l[J].J o u r n a l o fF l u i d sE n g i n e e r i n g,2002,124:1‐8.[7] Z h a n g R u i,C h e n H o n g x u n.N u m e r i c a lA n a l y s i so fC a v i t a t i o n w i t h i n S l a n t e d A x i a l‐f l o w P u m p[J].J o u r n a l o fH y d r o d y n a m i c s,2013,25(5):663‐672.[8] 翟江,赵勇刚,周华.水压轴向柱塞泵内部空化流动数值模拟[J].农业机械学报,2012,43(11):244‐260.Z h a i J i a n g,Z h a o Y o n g g a n g,Z h o u H u a.N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fC a v i t a t i n g F l o wi n W a t e r H y d r a u l i cA x i a l P i s t o nP u m p[J].T r a n s a c t i o n s o f t h eC h i n e s eS o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l M a c h i n e r y,2012,43(11): 224‐260.[9] 刘晓红,于兰英,刘恒龙,等.液压轴向柱塞泵配流盘气蚀机理[J].机械工程学报,2008,44(11):203‐208.L i u X i a o h o n g,Y u L a n y i n g,L i u H u a n l o n g,e ta l.C a v i t a t i o nE r o s i o n M e c h a n i s mo fP o r tP l a t eo fH y-d r a u l i cA x i a l P l u n ge r P u m p[J].J o u r n a l o fM e c h a n-i c a l E n g i n e e r i n g,2008,44(11):203‐208.[10] J o h a n s e nS T,W uJ,S h y y W.F i l t e r‐b a s e d U n-s t e a d y R A N S C o m p u t a t i o n s[J].I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o fH e a t a n dF l u i dF l o w,2004,25(1):10‐21.[11] C e b e c l T,R s h a o J,K a f y e k eF,e t a l.C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c sf o rE n g i n e e r s[M].L o n g B e a c h,C A,U S A:H o r i z o n sP u b l i s h i n g I n c.,2005:88‐89.[12] 刘厚林,刘东喜,王勇,等.泵空化流数值计算研究现状及展望[J].流体机械,2011,39(9):38‐44.L i u H o u l i n,L i u D o n g x i,W a n g Y o n g,e ta l.N u-m e r i c a lR e s e a r c hS t a t u sa n dP r o s p e c t so fC a v i t a t-i n g F l o wi naP u m p[J].F l u i d M a c h i n e r y,2011,39(9):38‐44.[13] 戚定满,鲁传敬,何友声.两空泡运动特性研究[J].力学季刊,2001,21(1):16‐20.Q iD i n g m a n,L u C h u a n j i n g,H e Y o u s h e n g.T h eS p e c i a l i t y o fT w oB u b b l e s I n t e r a c t i o n[J].C h i n e s eQ u a r t e r l y M e c h a n i c s,2000,21(1):16‐19. 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斜盘式轴向柱塞泵工作原理
斜盘式轴向柱塞泵工作原理
斜盘式轴向柱塞泵是一种常见的液压传动装置，它通过一套复杂的工作原理来实现流体的输送和压力的产生。
下面将详细介绍斜盘式轴向柱塞泵的工作原理，其中不包含重复的标题内容。
斜盘式轴向柱塞泵由泵体、转盘、柱塞、偏心轴和盘型凸轮等部分组成。
其工作原理主要分为吸油阶段和压油阶段两个过程。
1. 吸油阶段：
在吸油阶段中，转盘会随着偏心轴的旋转而转动。
当转盘旋转时，柱塞便会受到凸轮的作用，使得柱塞沿着轴向运动。
柱塞的运动会改变柱塞与转盘之间的容积，从而使得工作室产生一定的负压。
当出口冲孔与进口冲孔相连时，油液就会通过吸油口进入到工作室内。
由于柱塞的多个工作室之间是完全隔离的，因此吸入的油液可以保持较好的密封性能。
2. 压油阶段：
在压油阶段中，转盘继续由偏心轴带动旋转。
当柱塞因转盘的作用而向外运动时，柱塞的工作室与出口冲孔相连。
此时，工作室内的油液便会被推到出口冲孔处，并进入输出管路。
当柱塞运动到最大位移时，柱塞的工作室与进口冲孔相连。
此时，油液会从进口冲孔重新进入工作室，以便下一次的压油。
综上所述，通过循环实现的吸油和压油过程，斜盘式轴向柱塞泵能够不断地将液体吸入工作室并输出，实现液压系统的流体输送和压力产生。
该泵具有结构简单、体积小、重量轻、性能稳定等优点，被广泛应用于工程机械、冶金设备等领域。
天然海水润滑条件下斜盘式轴向柱塞泵仿生非光滑表面摩擦副润滑减磨机理及试验研究
天然海水润滑条件下斜盘式轴向柱塞泵仿生非光滑表面摩擦副润滑减磨机理及试验研究篇一哎呀，搞这斜盘式轴向柱塞泵的研究啊，就像是在大海里捞针，难是难，但也挺有意思的。
一开始接到这个课题，我这心里就犯嘀咕，天然海水润滑，这条件可够苛刻的，还得研究啥仿生非光滑表面摩擦副，这都啥跟啥嘛！不过咱也不能怂啊，硬着头皮上呗。
我记得刚开始做准备工作的时候，为了找合适的材料来模拟那个仿生非光滑表面，我跑遍了整个材料市场。
那一天，太阳可大了，我在市场里转得晕头转向，跟那些老板们讨价还价，就为了能买到性价比高的材料。
有的老板看我一脸学生样，还想坑我，我这眼睛可尖着呢，跟他们斗智斗勇，最后总算是买到了差不多的材料。
回到实验室，就开始动手加工那些摩擦副试件了。
我小心翼翼地按照设计好的尺寸和形状，用各种工具打磨、切削。
这活儿可得细心，稍微不注意，尺寸不对了，这试件可就废了。
有一次，我在打磨的时候，一不留神，差点把手指给磨破了，吓得我出了一身冷汗，从那以后，我操作起来更加谨慎了。
好不容易把试件做好了，就开始搭建试验台。
这又是个大工程，各种管道、阀门、传感器，要连接得妥妥当当的。
我和实验室的小伙伴们一起，趴在地上接线、拧螺丝，累得腰酸背痛的。
有个小伙伴不小心把线接错了，结果一通电，仪器就报警了，我们又得重新检查，折腾了好半天才弄好。
终于开始试验了，把海水灌进系统里，启动柱塞泵，心里那叫一个紧张啊。
眼睛紧紧地盯着那些监测数据的屏幕，就怕出现啥异常情况。
一开始，数据不太稳定，摩擦副的磨损情况也不太理想，我这心里就像压了一块大石头。
但是我这人吧，就有股不服输的劲儿。
我开始仔细检查试验的每一个环节，从海水的质量、试件的安装，到泵的运行参数，一点一点地排查。
突然，我发现原来是海水的温度有点偏高，可能影响了润滑效果。
我赶紧调整了冷却系统，让海水温度降下来。
再次启动试验，嘿，这次数据看起来好多了！摩擦副的磨损也明显减轻了。
我高兴得差点跳起来，赶紧把小伙伴们叫过来一起看。
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斜盘式轴向柱塞泵缸体及配流盘抗空化研究
轴向柱塞泵及液压节流槽是液压系统的重要元件,广泛应用于液压系统。随
着现代工业技术的发展,以液压油为介质的液压传动技术得到发展。
为适应近代工业技术的发展,现代液压系统的工作压力越来越高。随着液压
系统向高速、高压方向发展,液压元件的空化现象成为国内外学者研究的热点。
本文针对轴向柱塞泵柱塞腔及液压节流槽的空化现象开展研究。主要包括:
轴向柱塞泵缸体腰形孔结构与配流盘节流槽结构对柱塞腔空化的影响;缸体腰形
孔水力直径与柱塞腔直径匹配关系对柱塞腔空化影响的理论研究;轴向柱塞泵缸
体腰形孔结构参数与柱塞腔气体体积分数平均值的函数关系的建立;轴向柱塞泵
缸体腰形孔及节流槽抗空化的结构优化研究。
具体而言:1)轴向柱塞泵柱塞腔空化仿真分析利用Fluent软件的动网格、滑
移网格、Cavitation模型、Mixture混合模型及RNG k-ε湍流模型建立轴向柱
塞泵空化流有限元仿真计算模型。通过柱塞腔气体体积分数平均值的变化来定量
监测柱塞泵工作时每一阶段柱塞腔空化的变化。
研究柱塞泵在不同的入口压力、不同斜盘倾斜角及不同柱塞泵缸体转速对轴
向柱塞泵柱塞腔空化的影响。2)缸体腰形孔水力直径与柱塞腔直径配比关系对柱
塞腔空化影响研究在轴向柱塞泵结构方面,重点研究了缸体腰形孔结构对柱塞腔
空化的影响,提出了缸体腰形孔水力直径与柱塞腔直径的配比关系对柱塞腔空化
具有较大影响。
根据假设通过缸体腰形孔的流体体积刚好填满柱塞移动时柱塞腔多出的空
间的条件,建立了理想情况下柱塞腔不发生空化时缸体腰形孔水力直径与柱塞腔
直径临界比值mc的数学模型,分析了交错角α、斜盘倾角β、缸体角速度ω对临
界比值mc的影响,并进行了仿真验证,提出合理的配比关系建议。3)倾斜式缸体
腰形孔结构对柱塞腔空化影响理论分析轴向柱塞泵缸体腰形孔结构主要有直型
及倾斜式两种。
工程中将缸体腰形孔结构设计为倾斜式,主要是考虑缸体高速转动时缸体腰
形孔中流体的离心力有助于流体流入柱塞腔,从而提高柱塞腔的自吸能力,可在
一定程度降低柱塞腔的空化,提高其容积效率。但在实际应用时没有更深入分析
缸体腰形孔结构参数对柱塞腔自吸力的影响。
本文从腰形孔参数h、δxy、δxz入手,从理论上分析了其对柱塞腔自吸性
能的影响,并通过仿真柱塞腔空化进行了验证。4)轴向柱塞泵预升(卸)压阶段配
流盘节流槽空化研究轴向柱塞泵配流盘设计有三角形节流槽,设计节流槽的目的
是让柱塞腔通过上、下死点后,利用节流槽的调节功能使柱塞腔的压力与柱塞泵
的进油、出油口的压力接近,减小水击。
但当柱塞腔通过死点后,柱塞腔液压油与柱塞泵进、出油口会出现很高的压
差,液压油会高速通过节流槽,从而产生较为严重的空化,柱塞泵伴随产生振动、
噪声、减小容积效率。本文借助Fluent软件仿真分析了三角形节流槽结构参数
对节流槽空化的影响,并提出在不改变节流槽通流面积前提下的节流槽抗空化结
构改进方案。
通过仿真对比结构改进前及改进后的节流槽空化情况,发现改进后的节流槽
结构的抗空化性能优于改进前的结构。5)基于Kriging代理模型的轴向柱塞泵缸
体腰形孔及节流槽抗空化结构优化研究。
由于空化理论的不成熟性及液压元件结构参数的强耦合性,因此,建立结构
参数与流体气体体积参数值之间精确的空化数学模型较为困难。本文选择了
Kriging代理模型的方法来近似替代空化数学模型,并详细介绍了 Kriging代理
模型的原理及模型建立的原则,对模型的代理精度进行了验证,说明该模型能够
满足工程需要。
利用Kriging代理模型原理建立轴向柱塞泵缸体腰形孔结构参数与柱塞腔
流体气体体积分数平均值的函数关系;V形节流槽结构参数与节流槽流体气体体
积分数最大值的函数关系;U形节流槽结构参数与节流槽流体气体体积分数最大
值的函数关系。在已建立的Kriging代理模型的基础上,采用遗传算法优化训练
该代理模型。
优化的目标值为气体体积分数值的最小值。分别得到轴向柱塞泵、V形节流
槽、U形节流槽抗空化的最优结构。
本文的研究表明,采用Fluent的mixture模型、动网格、滑移网格,可更真
实地仿真液压轴向柱塞泵柱塞腔及节流槽的空化流。采用Kriging代理模型,不
仅避免建立复杂的空化数学模型,而且可通过实验设计提高代理模型精度,方便
采用改进遗传算法进行结构优化计算。
本课题的研究结果为液压元件抗空化的结构优化设计提供了理论依据,具有
良好的工程实用性。