基于流固耦合的電子泵密封性分析

崔瑾，向永超，冉昭，陳曉峰

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心 ，河北保定 071000)

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基于流固耦合的電子泵密封性分析

崔瑾1,2，向永超1,2，冉昭1,2，陳曉峰1,2

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心 ，河北保定 071000)

摘要：對(duì)不同溫度工況下的電泵流體域進(jìn)行流體仿真，確定油溫對(duì)泄漏量的影響。應(yīng)用流固耦合(FSI)分析的方法，對(duì)極限工況下電子泵殼體與端蓋間結(jié)合面壓進(jìn)行仿真計(jì)算。將仿真結(jié)果用于電子泵密封性的評(píng)價(jià)。分析結(jié)果表明：電子泵殼體與端蓋結(jié)合面密封性不足，存在泄露泄漏風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)密封性不足區(qū)域的設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見，以減少電子泵工作泄漏量，提高工作效率。

關(guān)鍵詞：電子泵；流固耦合；結(jié)合面壓；密封性

0引言

機(jī)械效率和容積效率是泵體開發(fā)過程中關(guān)注的焦點(diǎn)。為得到更高效的液壓泵，一般設(shè)計(jì)人員從兩方面出發(fā)：提高轉(zhuǎn)子的嚙合平順性，以降低轉(zhuǎn)子因摩擦和振動(dòng)帶來的機(jī)械損失[1]；提高泵體的密封性，以減少工作中的泄漏量。

結(jié)合面壓受零部件材料、結(jié)構(gòu)、裝配連接等多方面影響，是密封性裝備的重要技術(shù)指標(biāo)[2]。傳統(tǒng)的泵體密封性分析是應(yīng)用結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析的手段對(duì)泵體內(nèi)部高壓區(qū)加載負(fù)載壓力，忽略泵體內(nèi)部低壓區(qū)的壓力對(duì)泵結(jié)構(gòu)變形的影響。與傳統(tǒng)方法相比，流固耦合分析考慮了泵體內(nèi)部流體的真實(shí)流場(chǎng)對(duì)固體壁面的作用。將流體的壓力脈動(dòng)作用于流固交界面上[3-4]，計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)地反映出液體流動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響。

作者應(yīng)用單向流固耦合方法對(duì)電子泵密封性進(jìn)行了仿真計(jì)算。首先進(jìn)行了4種工作油溫下的流體域分析，得出溫度對(duì)電子泵內(nèi)部壓力場(chǎng)分布的影響，再應(yīng)用流固耦合的方法對(duì)極限工況下電子泵殼體與端蓋間的結(jié)合面壓進(jìn)行仿真。

1電子泵仿真數(shù)模

1.1設(shè)計(jì)模型及有限元模型

電子泵主要由5個(gè)部分組成：殼體、端蓋、電機(jī)、運(yùn)轉(zhuǎn)件、緊固件。其中運(yùn)轉(zhuǎn)件主要包括轉(zhuǎn)子、軸、軸承。電子泵結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

對(duì)電子泵殼體與端蓋間的結(jié)合面壓進(jìn)行計(jì)算，構(gòu)建有限元模型之前首先要對(duì)原設(shè)計(jì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，去掉不必要的特征，方便仿真分析過程進(jìn)行網(wǎng)格劃分，減少仿真計(jì)算的工作量。在原三維模型的基礎(chǔ)上去掉電機(jī)，保留電機(jī)外殼與端蓋的固定端面(如圖1中元件3所示)，只保留螺栓整體尺寸，去掉螺紋特征，對(duì)螺帽進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1.2電子泵流體域及有限元模型

流固耦合問題考慮的是結(jié)構(gòu)與流體之間存在相互作用而產(chǎn)生的相互影響[5]。對(duì)電子泵進(jìn)行流固耦合計(jì)算，泵體內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)件所在的流體域是有限元分析的重點(diǎn)。在三維CAD軟件中，對(duì)電子泵進(jìn)行特征簡(jiǎn)化，生成內(nèi)部流體域，導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。流固耦合數(shù)值模擬的重點(diǎn)在于流體域固體之間的數(shù)值傳遞。為保證流固數(shù)值傳遞的順暢，模型簡(jiǎn)化的過程要保證流固交界面的特征一一對(duì)應(yīng)。流體和固體在不同的網(wǎng)格生成器中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，要保證流固交界面上的網(wǎng)格尺寸盡量一致。

1.3網(wǎng)格控制

有限元模型的構(gòu)建需要設(shè)置合理的網(wǎng)格類型及尺寸：關(guān)注位置的特征需要保留且不失真，采用較小尺寸的網(wǎng)格避免網(wǎng)格過大引起應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生；不關(guān)注的位置可以采用較大尺寸的網(wǎng)格，以控制有限元模型整體的網(wǎng)格數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間。在電子泵殼體與端蓋結(jié)合面上采用面網(wǎng)格尺寸控制，根據(jù)網(wǎng)格劃分的協(xié)調(diào)性[6]，電子泵結(jié)構(gòu)內(nèi)部流固交界面與流體域外壁面進(jìn)行相同尺寸的網(wǎng)格設(shè)置。

2流體域分析

2.1流固耦合分析方法確定

對(duì)電子泵進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，查看電子泵進(jìn)、出口流量分布曲線，得到：電子泵內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈后，進(jìn)、出口流量已經(jīng)趨于穩(wěn)定(如圖3所示)。電子泵正常工作轉(zhuǎn)速為800～3 500 r/min，因此電子泵從啟動(dòng)到正常工作的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)為0.075 s，即液體流動(dòng)對(duì)電子泵產(chǎn)生的瞬間沖擊作用時(shí)間最長(zhǎng)只有0.075 s，且發(fā)生頻次非常低，可以忽略。因此對(duì)電子泵進(jìn)行流固耦合分析，只需要進(jìn)行單向流固耦合分析[7]即可，關(guān)注油液在電子泵內(nèi)部產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)壓力分布對(duì)電子泵結(jié)構(gòu)的影響。

電子泵正常工作油溫度范圍為0～125 ℃，溫度直接影響油品性能，進(jìn)而影響油液的流動(dòng)特性。因此流固耦合分析還需要考慮不同溫度工況下流體域壓力的分布。

2.2不同溫度下的流體域仿真

油液在流體域內(nèi)流動(dòng)，在進(jìn)油腔會(huì)形成局部負(fù)壓。假設(shè)負(fù)壓產(chǎn)生在泄壓槽內(nèi)，則會(huì)加強(qiáng)電子泵殼體與端蓋的結(jié)合力；假設(shè)泄壓槽內(nèi)壓力全部為正值，則會(huì)削弱殼體與端蓋間的結(jié)合力。因此對(duì)電子泵進(jìn)行流固耦合分析，對(duì)泄壓槽加載真實(shí)油壓，可以更加真實(shí)地反映出結(jié)合面壓力。

將流體域計(jì)算結(jié)果中不同溫度工況下，泄壓槽內(nèi)大于0的壓力分布顯示出來(如圖4所示)，低壓區(qū)泄壓槽顯示缺損區(qū)域即為負(fù)壓區(qū)。分析結(jié)果云圖顯示：不同溫度下泄壓槽內(nèi)負(fù)壓區(qū)的面積大小是不同的，且隨油溫上升負(fù)壓區(qū)面積增大。因此采用流固耦合方法對(duì)電子泵密封性進(jìn)行分析的極限工況發(fā)生在油溫最高時(shí)，即125 ℃工況。

3單向流固耦合分析

3.1加載及約束

與結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析方法相比，流固耦合分析考慮了流動(dòng)油液的壓力場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)電子泵端蓋上的泄壓槽高壓區(qū)和低壓區(qū)都加載油壓。

在流體軟件中選擇適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ停O(shè)置125 ℃油品的密度和動(dòng)力黏度等屬性，對(duì)電子泵進(jìn)、出口加載壓力邊界，進(jìn)口加載1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，出口加載電子泵負(fù)載極限壓力0.8 MPa，對(duì)流體域進(jìn)行分析，計(jì)算直至模型自動(dòng)收斂。將流體計(jì)算的壓力分布結(jié)果全部映射到結(jié)構(gòu)壁面上。對(duì)電子泵殼體與端蓋之間的4個(gè)緊固螺栓加載3 521 N預(yù)緊力，在電子泵殼體底部的4個(gè)固定孔位施加固定約束。流固耦合分析加載見圖5。

式中：F為螺栓預(yù)緊力(N)；T為螺栓擰緊力矩(N·m)；d為螺栓公稱直徑(m)。

3.2分析結(jié)果

對(duì)電子泵密封性的判定，需要通過查看結(jié)合面壓分布情況。依據(jù)力學(xué)平衡原理，需要確保殼體與端蓋結(jié)合面接觸應(yīng)力σ不小于內(nèi)部壓力p[8]，即σ≥p。

電子泵正常工作中，內(nèi)部流體域高壓區(qū)壓力值為0.8 MPa，所以，對(duì)該電子泵密封性的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：

σ≥0.8 MPa

對(duì)流固耦合分析中結(jié)構(gòu)模塊的分析結(jié)果進(jìn)行后處理，從變形量、結(jié)合面壓和接觸狀態(tài)3個(gè)方面對(duì)電子泵分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)：

查看端蓋Z向的位移量(轉(zhuǎn)子的軸向?yàn)閆向，且指向殼體一側(cè)為正)。端蓋中心區(qū)域的位移與靠近螺栓孔位置區(qū)域的位移方向完全相反，即端蓋發(fā)生了翹曲變形[如圖6(b)所示]。

查看電子泵殼體與端蓋之間的結(jié)合面壓云圖(圖7)，并對(duì)面壓小于0.8 MPa的區(qū)域進(jìn)行節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集和顯示。

查看電子泵殼體與端蓋的接觸狀態(tài)分布圖8。

通過結(jié)合面壓分布及接觸狀態(tài)顯示：最大結(jié)合面壓出現(xiàn)在

殼體與端蓋間的4個(gè)螺栓孔位置，且結(jié)合面壓沿遠(yuǎn)離螺栓孔位的方向逐漸減小；接觸狀態(tài)呈現(xiàn)Near的區(qū)域，采集的節(jié)點(diǎn)面壓數(shù)值大部分為0，即端蓋與殼體之間產(chǎn)生了縫隙。

4結(jié)論

通過流固耦合方法對(duì)電子泵進(jìn)行了密封性仿真分析，得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)殼體與端蓋間螺栓加載5 N·m擰緊力矩時(shí)，電子泵存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

(2)隨電子泵工作油溫越高，泄漏風(fēng)險(xiǎn)越大。

針對(duì)該電子泵密封性的仿真分析結(jié)果，為了減小電子泵的泄漏量，可以進(jìn)行3種嘗試：

(1)在電子泵殼體與端蓋結(jié)合面上增加連接螺栓個(gè)數(shù)；

(2)更換能夠承受更大擰緊力矩規(guī)格的螺栓；

(3)通過改變端蓋表面加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，來提高端蓋的剛度。

參考文獻(xiàn):

【1】吳文海,楊宇瀾,劉桓龍,等.基于液壓泵效率的挖掘機(jī)節(jié)能研究[J].機(jī)床與液壓,2014,42(22):94-96.

【2】陳成軍,楊國(guó)慶,常東方,等.面向結(jié)合面密封性能要求的裝配連接工藝設(shè)計(jì)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,46(3):75-83.

【3】孔繁余,王婷,王文廷,等.基于流固耦合的高溫泵葉輪應(yīng)力有限元分析[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,33(3):269-273.

【4】王海宇,張德勝,施衛(wèi)東,等.基于流固耦合的離心泵蝸殼結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,32(6):472-476.

【5】金連根,毛建生,方兵.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流場(chǎng)單向、雙向流固耦合數(shù)值的分析比較研究[J].機(jī)電工程,2014,31(12):1564-1568.

【6】李海峰，吳翼川，劉建波，等.有限元網(wǎng)格剖分與網(wǎng)格質(zhì)量判定指標(biāo)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012,23(3)：368-377.

【7】呂倩.基于流固耦合的液力變矩器葉片分析與壽命計(jì)算[D].南京:南京航空航天大學(xué),2014.

【8】葛玉霞,李旭東,張潔,等.發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊密封性有限元分析[J].鐵道機(jī)車車輛,2011,31:184-187.

E-pump Sealing Analysis Based on Fluid-structure Interaction

CUI Jin1,2，XIANG Yongchao1,2，RAN Zhao1,2，CHEN Xiaofeng1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China ;2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Keywords:E-pump; Fluid-structure interaction；Contact surface pressure； Sealing

Abstract:The fluid field of E-pump under different temperature conditions was simulated, to make sure the influence of temperature to leakage. Fluid-structure interaction(FSI) method was applied to calculate the contact surface pressure between E-pump housing and cover under ultimate working condition. The simulation results were used to evaluate the sealing of E-pump. The calculation results showed that: the sealing of contact surface between E-pump housing and cover was insufficient, existing leak risk.Some improvement suggestions were proposed aiming at sealing shortage area, in order to reduce E-pump sealing and improve working efficiency.

收稿日期：2015-12-11

作者簡(jiǎn)介：崔瑾(1988—)，女，碩士，主要從事汽車零部件設(shè)計(jì)與仿真。E-mail：cuijinhappy@163.com。

中圖分類號(hào):U46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)05-026-05