往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)潤(rùn)滑性能研究

馬炳然 孫浩洋 鄭璐穎 張洪信

摘要：針對(duì)閥式配流系統(tǒng)存在噪音大、成本高、結(jié)構(gòu)松散等缺點(diǎn)，本文耦合了Fluent軟件和Fortran編程的方法，對(duì)往復(fù)柱塞泵中轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)潤(rùn)滑性能進(jìn)行研究。將該配流副視為特殊的滑動(dòng)軸承，討論在不同時(shí)刻下，半徑間隙對(duì)潤(rùn)滑膜最小膜厚的影響和寬徑比對(duì)潤(rùn)滑膜承載能力的影響。研究結(jié)果表明，在3個(gè)時(shí)刻下，最小膜厚隨半徑間隙的增大而減小;承載能力隨寬徑比的增大而增大，當(dāng)寬徑比從0.75增加到1.4時(shí)，潤(rùn)滑膜的承載能力顯著增加，但當(dāng)從1.4增加到1.5時(shí)，承載能力增加不顯著，因此，求得給定工況下半徑間隙和寬徑比的最佳取值區(qū)間為1.25～1.4。該研究為往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的配流副潤(rùn)滑設(shè)計(jì)提供了方法。

關(guān)鍵詞：往復(fù)柱塞泵; 配流副; 水潤(rùn)滑; 最小膜厚

經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動(dòng)了液壓技術(shù)的飛速進(jìn)步[1]，帶動(dòng)了高性能液壓元件的需求。我國(guó)的液壓技術(shù)與國(guó)外相比起步較晚，在高性能的柱塞泵、馬達(dá)、閥等關(guān)鍵元件上，大量依賴國(guó)外進(jìn)口，在一定程度上制約了我國(guó)現(xiàn)階段工程機(jī)械的發(fā)展[2]。液壓泵主要分為齒輪泵、柱塞泵、葉片泵種[3]，其中，柱塞泵在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，其具有密封性好、容積效率高、配合精度高、可在高壓條件下工作等優(yōu)點(diǎn)，在許多液壓元件發(fā)展相對(duì)緩慢的情況下，柱塞泵的材料、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)展勢(shì)頭良好[4]。同時(shí)，往復(fù)柱塞泵在汽車(chē)、工程機(jī)械、原油運(yùn)輸、船舶、泵站、移動(dòng)機(jī)械及礦山開(kāi)采上應(yīng)用廣泛[5]，一般由發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，如果其高速高頻、高效、高輸出壓力、大流量開(kāi)關(guān)配流問(wèn)題得到解決，對(duì)形成新型油液、電液車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)意義重大[6]。而潤(rùn)滑膜的存在，不僅使接觸表面不會(huì)造成磨損，而且通過(guò)潤(rùn)滑液持續(xù)流動(dòng)，帶走摩擦副工作過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量[7-9]。目前，常用的閥式配流系統(tǒng)存在噪音大、成本高、結(jié)構(gòu)松散、節(jié)流損失大、容積效率受工作頻率影響大等缺點(diǎn)[10-11]，而轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)可有效克服上述缺點(diǎn)，利用柱塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)套單向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高效配流。配流副可實(shí)現(xiàn)柱塞泵的吸液和排液分配，在承受載荷的同時(shí)，還具有密封和潤(rùn)滑作用[12]。袁柳櫻等人[13]對(duì)柱塞副的膜厚進(jìn)行理論計(jì)算和分析，得到了柱塞的偏角、偏心距、自轉(zhuǎn)角速度等因素對(duì)油膜壓力分布的影響，并根據(jù)分析從潤(rùn)滑角度給出了減小磨損、延長(zhǎng)使用壽命的建議;楊華勇等人[14]針對(duì)往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)中配流副潤(rùn)滑膜膜厚極薄，與泵的流場(chǎng)尺度相差若干數(shù)量級(jí)，難以直接應(yīng)用Fluent求解的問(wèn)題，通過(guò)耦合Fluent軟件和Fortran編程的方法，建立了該摩擦副的潤(rùn)滑分析算法;鄭璐穎[15]進(jìn)行了水潤(rùn)滑柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的潤(rùn)滑研究，耦合了商用CFD計(jì)算軟件和自行建模編程求解的方法，研究表明該方法是可行的;徐威[16]對(duì)往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)性能仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，具有來(lái)源廣泛、安全、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可有效減少磨損，提高機(jī)械效率[17]。基于此，本文以水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，耦合了Fluent軟件和Fortran編程方法，對(duì)往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的潤(rùn)滑性能進(jìn)行研究，重點(diǎn)討論了配流副結(jié)構(gòu)參數(shù)的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)。該研究為往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的配流副潤(rùn)滑設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)配流副潤(rùn)滑分析原理

1.1 計(jì)算方法

往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)截面圖如圖1所示。該摩擦副可視為一個(gè)特殊的滑動(dòng)軸承，轉(zhuǎn)套相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)軸，泵體相當(dāng)于軸承座，潤(rùn)滑膜支撐的外載荷W是泵腔內(nèi)的流體對(duì)轉(zhuǎn)套壓力和轉(zhuǎn)套與柱塞之間彈簧壓力的矢量之和，記偏位角為φ，泵體軸向長(zhǎng)度為L(zhǎng)。半徑間隙δ為泵體內(nèi)徑R與轉(zhuǎn)套半徑r之差。

轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)1周為1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，為簡(jiǎn)化模型，對(duì)轉(zhuǎn)套與泵體間進(jìn)行準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)潤(rùn)滑分析。即針對(duì)某一特定瞬時(shí)，先預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)套與泵體的初始偏心率，利用流體計(jì)算軟件Fluent，完成往復(fù)柱塞泵流場(chǎng)的非定常運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)數(shù)值模擬，得到柱塞泵的整體流場(chǎng);將得到的泵腔內(nèi)流體對(duì)轉(zhuǎn)套的壓力和轉(zhuǎn)套與柱塞間彈簧壓力的矢量和作為轉(zhuǎn)套與泵體間潤(rùn)滑膜的外載荷W，針對(duì)此瞬時(shí)的轉(zhuǎn)套與泵體間的潤(rùn)滑膜建模，利用Fortran語(yǔ)言編程，求得對(duì)應(yīng)于該外加載荷的偏心率，并對(duì)求得的偏心率與預(yù)設(shè)值之間的誤差進(jìn)行對(duì)比，松弛迭代偏心率，直至達(dá)到收斂精度，進(jìn)而求得潤(rùn)滑膜厚及壓力分布。在整個(gè)周期內(nèi)逐一瞬時(shí)計(jì)算，可以得到1個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)套與泵體間任意時(shí)刻的潤(rùn)滑膜膜厚和壓力分布。本研究選取3個(gè)時(shí)刻進(jìn)行配流副間的潤(rùn)滑分析，以說(shuō)明設(shè)計(jì)方法。

1.2 網(wǎng)格劃分

建立往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的流場(chǎng)模型并劃分網(wǎng)格，流體域整體網(wǎng)格如圖2所示。針對(duì)潤(rùn)滑膜部分加密邊界層，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，總節(jié)點(diǎn)數(shù)約為50萬(wàn)。

1.3 Fluent計(jì)算

運(yùn)用Fluent求解，計(jì)算參數(shù)如表1所示。對(duì)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程泵腔中的柱塞和轉(zhuǎn)套運(yùn)動(dòng)，通過(guò)自定義函數(shù)（user define function，UDF）定義，運(yùn)用網(wǎng)格光順和O1動(dòng)態(tài)層結(jié)合的方法設(shè)置為動(dòng)網(wǎng)格[18]。泵腔與配流口、配流口與潤(rùn)滑膜內(nèi)表面、配流口與潤(rùn)滑膜外表面均與接觸面設(shè)置為INTERFACE滑移關(guān)聯(lián)邊界條件，其余為壁面邊界條件。

根據(jù)求得的泵腔流場(chǎng)，對(duì)其流場(chǎng)壓力積分可得泵腔內(nèi)的流體對(duì)轉(zhuǎn)套的壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，泵腔內(nèi)流體對(duì)潤(rùn)滑膜壓力瞬變過(guò)程如圖3所示。取圖中的3個(gè)時(shí)刻（t1=0.30 s，t2=0.33 s，t3=0.35 s）進(jìn)行潤(rùn)滑分析，討論結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)配流副潤(rùn)滑性能的影響。

1.4 數(shù)學(xué)模型與量綱一化

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在應(yīng)用Fluent模擬往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)整體流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，耦合Fortran編程對(duì)其配流副的潤(rùn)滑問(wèn)題進(jìn)行建模分析，計(jì)算3個(gè)時(shí)刻下配流副結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)水潤(rùn)滑性能的影響。研究結(jié)果表明，在當(dāng)前工況下，半徑間隙δ的最佳取值區(qū)間為10 μm≤δ≤20 μm;寬徑比K的最佳取值區(qū)間為1.25～1.4，既滿足全膜潤(rùn)滑，又能保證容積效率和承載能力。采用本方法逐一瞬時(shí)對(duì)配流副潤(rùn)滑性能進(jìn)行計(jì)算，即可完成配流副整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)。該研究對(duì)形成新型油液、電液車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)等系統(tǒng)具有重要意義。

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