基于CFD的柱塞泵動態性能仿真分析

尹錦鋒,楊宏斌（河南科技大學機電工程學院,河南洛陽47003；2平頂山工業職業技術學院化工學院,河南平頂山467000）

基于CFD的柱塞泵動態性能仿真分析

尹錦鋒1,2,楊宏斌1
（1河南科技大學機電工程學院,河南洛陽471003；2平頂山工業職業技術學院化工學院,河南平頂山467000）

該文以軸向柱塞泵的配流盤為研究對象，運用CFD技術對配流盤結構和尺寸參數對泵內部液體的動力學特性以及泵的輸出性能的影響進行研究，得到配流盤阻尼槽結構與柱塞泵流量脈動及壓力沖擊的參數化關系，仿真模擬證明了計算流體力學進行軸向柱塞泵動態性能仿真的有效性。

柱塞泵，配流盤，CFD技術，三角槽

0　前言

軸向柱塞泵具有體積小、傳遞功率大(高壓力和高轉速)、變量控制方便、效率高、壽命長等優點，因此在現代工程機械液壓系統中，幾乎都采用軸向柱塞泵作為油源[1]。該文運用CFD技術成功地搭建了基于計算流體力學的軸向柱塞泵動態性能仿真模型。分析了配流盤卸荷槽尺寸對柱塞泵性能的影響，對其結構的優化設計有重要意義。

1軸向柱塞泵的結構特點

伴隨著液壓系統對齒輪泵高效率、高可靠性、高功率密度(高壓、大排量)的發展要求，柱塞泵額定工作壓力不斷提高，高壓或超高壓柱塞泵配流過程中的油擊和噪聲問題已經嚴重限制了柱塞泵的發展[2]。

解決斜盤式軸向柱塞泵配流過程中的油擊和噪聲問題的主要解決方案為：在高、低壓腔間隔的閉死密封區開卸荷槽，使得轉子上吸滿低壓油的工作腔在進入高壓排油區的過程中，油液壓力均勻升高至排油壓力，同等油液壓力的液壓油接觸即不會產生油擊現象；同理，轉子上的工作腔完成排油歷程后，使得工作腔內的油液壓力均勻下降至吸油口油液壓力。

因此，為解決斜盤式軸向柱塞泵配流過程中的油擊和噪聲問題，需研究配流盤的工作原理及其卸荷槽結構的設計方法。

2　建立軸向柱塞泵配流動態模型

本模型的主要研究對象為軸向柱塞泵的配流盤結構和尺寸參數對泵內部液體的動力學特性以及泵的輸出性能的影響，因此建模的重心放在配流盤的配流作用上[3]。配流整體幾何結構用UG建立，圖1為軸向柱塞泵配流3D模型，模型設計為9柱塞式軸向柱塞泵。

3　基于Fluent的軸向柱塞泵配流性能分析

運用網格劃分軟件對三角形卸荷槽區域的網格進行局部細化，以提高計算精度。為方便在Fluent中的邊界條件設置，將柱塞腔內的油液和高、低壓腔內的油液設置為兩種液體。內部流體設置為液壓油，密度為889kg/m3。高壓腔排油出口壓力設為10MPa，低壓腔進油口壓力設為1MPa。將柱塞腔下表面和高、低壓腔上端面設置為Interface，并進行關聯。這樣就可以實現柱塞腔和高、低壓腔的壓力、流量及溫度的數據交流。

在柱塞腔液體本身繞Z軸的圓周運動的帶動下，柱塞腔間逐漸地與高壓腔脫離，此時柱塞腔頂部的運動開始使柱塞腔容積擴大，而柱塞腔底部開始與低壓腔連通，借此實現吸油過程。兩種運動的疊加，實現了柱塞腔間斷地與高、低壓腔連通，與軸向柱塞泵本身的工作原理一致。

卸荷槽的設置是為了緩沖柱塞腔在連通高、低壓腔之間轉換時所產生的沖擊，因此對配流效果有重要影響。為研究不同尺寸卸荷槽緩解沖擊的能力，設計模擬仿真實驗如下：

配流盤三角形卸荷槽的幾何尺寸如圖2所示，其中槽寬3mm，槽深2mm，卸荷槽對應的圓心角為α，分別研究無三角形卸荷槽、三角形卸荷槽α=10°、α=20°時，軸向柱塞泵的配流特性。

配流盤的相位設置為偏置型，保證吸、排油的流暢。模型其他設置與前面所述一致。模型設置完成后劃分網格，然后導入Fluent進行運算。由于完全接通高、低壓腔后的壓力和流量很穩定，因此重點觀察高、低壓切換時，柱塞腔的壓力和流量特性。結果如圖3、圖4所示。

觀察圖3和圖4可以發現：當α=20°時，柱塞腔的壓力特性較差：低壓腔換至高壓腔時壓力升高較多，超過了高壓腔油壓10MPa，最大值為11.7MPa，造成較大沖擊；而高壓腔換至低壓腔時壓力下降太多，出現負壓，壓力最小值為-0.39MPa，會使油液中的空氣析出，出現氣泡，產生氣穴現象。

當不存在三角形卸荷槽時，柱塞腔的流速特性較差：低壓換至高壓、高壓換低至壓時流速均出現較大的波動，并且伴隨回流，回流瞬間值達到0.35L/s和0.85L/s左右。而當α=10°時，相較另外兩個模型，柱塞腔的壓力和流量曲線均比較平滑，性能穩定。

分析原因如下：

柱塞腔從低壓的油箱吸到液壓油接高壓負載時，柱塞腔內油壓為1MPa，突然與高壓負載10MPa相接，必然會引起負載的高壓油倒流進柱塞腔。同理，柱塞腔從高壓負載排完油接低壓油箱時，柱塞腔內油壓達到10MPa，與1MPa的油箱相接瞬間，勢必會引起柱塞腔內高壓油倒流回低壓油箱，從而造成流量的不穩定。

分析表明，仿真模擬數據基本符合理論推測和實際情況。

4　結論

通過對斜盤式軸向柱塞泵配流過程的動態模擬發現，三角槽尺寸參數對于柱塞泵整個配流過程中產生的流量脈動與壓力沖擊具有較明顯的影響，且如果三角槽跨度尺寸與深度尺寸設計不當，會導致柱塞腔預壓縮和預膨脹量過大，引起柱塞腔內壓力沖擊，對進一步研究柱塞泵的結構優化有重要參考意義。

[1]徐繩武.軸向柱塞泵和馬達的發展動向[M].液壓氣動與密封,2003(04):10-15.

[2]王彬.軸向柱塞泵平面配流副潤滑特性及其參數優化[M].浙江大學,2013:11-12.

[3]俞云飛.液壓泵的發展展望[M].液壓氣動與密封,2012(1):2-6.

導師：楊宏斌，男，河南科技大學，教授，研究方向：主要從事弧齒錐齒輪與準雙曲面齒輪的設計與制造技術研究，齒輪數控加工技術、測量及計算機仿真等研究。

尹錦鋒（1982—），男，講師，從事機械方面的教學和研究工作。