雙排葉片泵配流盤三角槽結(jié)構(gòu)的仿真分析*

李凌輝，孟利民，陳錫平

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

液壓泵是液壓系統(tǒng)的核心元件，為液壓系統(tǒng)工作提供動力，液壓泵性能的好壞直接影響整個液壓系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行[1]。液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的速度與液壓泵的流量緊密相關(guān)，執(zhí)行元件的速度由流量決定，所以流量的穩(wěn)定性對于執(zhí)行元件的運動穩(wěn)定性至關(guān)重要。配流盤是液壓泵中重要的零件之一，是液壓泵工作過程中的配流通道，對泵工作時產(chǎn)生的流量、壓力脈動有著重要影響，進(jìn)而影響流體噪聲的大小[2]。Edge K A等[3]通過對有三角槽結(jié)構(gòu)的配流盤進(jìn)行深入的研究，發(fā)現(xiàn)三角槽深度開口角的大小可以影響液壓泵壓力脈動的情況。凌鵬等[4]通過研究三角槽的過流面積，建立了理想狀態(tài)下的三角槽過流面積模型。馬吉恩[5]對配流盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，包括配流盤進(jìn)出口三角阻尼槽寬度角、深度角對泵內(nèi)噪聲的影響，提出了如何對配流盤進(jìn)行降噪的建議。

液壓泵結(jié)構(gòu)不同，配流盤結(jié)構(gòu)對其流量、壓力特性影響也不同。本文針對所設(shè)計的雙排定量葉片泵，基于PumpLinx軟件對配流盤三角槽進(jìn)行研究分析，仿真時考慮葉片泵泄漏造成的影響，分析三角槽深度角和寬度角對葉片泵流量特性和壓力特性的影響，在此基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 雙排定量葉片泵及配流盤結(jié)構(gòu)

在液壓系統(tǒng)中,葉片泵因為具有外形尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、流量均勻、運行平穩(wěn)、噪聲小、使用壽命長等特點，能夠滿足中、低壓力系統(tǒng)的需求。為提高葉片泵流量，設(shè)計了雙排定量葉片泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時，傳動軸帶動兩個轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，經(jīng)由一個出油口排油，通過兩個轉(zhuǎn)子流量的耦合來提升雙排定量葉片泵的流量。

1-傳動軸；2-左泵體；3-左配流盤a；4-定子a；5-轉(zhuǎn)子a；6-右配流盤a；7-雙聯(lián)出口；8-左配流盤b；9-轉(zhuǎn)子b；10-定子b；11-右配流盤b；12-右泵體

三角阻尼槽因為加工方法簡單，工作時其節(jié)流面積可以逐漸變化，能適應(yīng)配流過程中不同情形下的節(jié)流需求。三角阻尼槽在配流盤上的位置及其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。本文分別對三角阻尼槽的深度夾角(θ1)和寬度夾角(θ2)進(jìn)行分析研究。通過改變一個參數(shù)進(jìn)行多次仿真，分析三角槽不同參數(shù)變化對雙排葉片泵的流量脈動、壓力脈動的影響，從仿真結(jié)果找出最合適的三角槽參數(shù)。

圖2 三角阻尼槽在配流盤上的位置

圖3 三角阻尼槽的結(jié)構(gòu)

2 基于PumpLinx的仿真

2.1 流體域模型

通過SolidWorks軟件分別對不同參數(shù)的配流盤阻尼槽進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件進(jìn)行流體域的提取，將流體域保存為STL格式，導(dǎo)入到PumpLinx進(jìn)行流體仿真，提取的流體域模型如圖4所示。

圖4 流體域模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)葉片泵的工作原理，假設(shè)工作時流體的運動狀態(tài)為湍流，設(shè)置仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

PumpLinx軟件內(nèi)置了液壓泵的網(wǎng)格模板，對于葉片泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動區(qū)域，采用PumpLinx自帶網(wǎng)格模板可生成高質(zhì)量六面體動網(wǎng)格。對于除轉(zhuǎn)子部分的其他區(qū)域，采用通用網(wǎng)格劃分模板快速生成六面體的笛卡爾網(wǎng)格。按上述對雙排葉片泵模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終生成的網(wǎng)格總數(shù)為716 871個，如圖5所示。

圖5 雙排葉片泵流體域網(wǎng)格劃分

3 仿真結(jié)果分析

3.1 三角阻尼槽的深度夾角θ1對壓力脈動性能的影響

三角阻尼槽通流能力的強(qiáng)弱與阻尼槽的深度夾角有關(guān)，取寬度角為80°，然后分別對取深度夾角為9°、11°和13°的三角阻尼槽進(jìn)行模擬計算。三角阻尼槽深度夾角取不同值時雙排葉片泵出口壓力的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知：當(dāng)三角槽的深度角為11°時，葉片泵的出口壓力值最大且持續(xù)時間長，這會在葉片泵內(nèi)部產(chǎn)生大的液壓沖擊，引起機(jī)械噪聲；當(dāng)三角槽的深度角為13°時，壓力值最小，引起的液壓沖擊小，效果最好。

圖6 不同深度夾角θ1時三角阻尼槽出口壓力變化曲線

3.2 三角阻尼槽寬度夾角θ2對流量脈動的影響

流量脈動率是反映流量波動大小的主要參數(shù)之一，其計算公式為:

其中：Qmax為流量最大值；Qmin為流量最小值；Qavg為流量平均值。

為研究配流盤三角阻尼槽的寬度夾角對葉片泵流量脈動的影響，在深度角為11°的情況下對寬度角分別為60°、80°和100°的三角槽進(jìn)行模擬計算，分析配流盤寬度角大小對流量脈動的影響，得到的雙排葉片泵出口流量變化曲線如圖7所示，相關(guān)參數(shù)如表2所示。表2中，流量的最大值為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周時7個波峰值的平均值，最小值為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周時7個波谷值的平均值[6-8]。

圖7 不同寬度夾角三角θ2時阻尼槽出口流量變化曲線

表2 雙排葉片泵出口流量參數(shù)

由圖7和表2可以看出：葉片泵在工作過程中，轉(zhuǎn)子在高低壓過渡區(qū)域都會出現(xiàn)明顯的流量脈動，當(dāng)三角阻尼槽寬度夾角為80°時，出口流量曲線的峰谷值最小，這會引起嚴(yán)重的液壓油倒灌，且流量的脈動率最大；當(dāng)寬度夾角為100°時，流量的波動較為平緩，且流量的脈動率也最小。

4 結(jié)論

本文針對所設(shè)計的雙排葉片泵的流量與出口壓力特性進(jìn)行研究。基于PumpLinx對配流盤三角槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，研究配流盤上的三角槽結(jié)構(gòu)的深度夾角和寬度夾角對泵出口壓力以及流量脈動性的影響。仿真結(jié)果表明:

(1) 配流盤三角阻尼槽的深度夾角對葉片泵的壓力脈動性能有著較大影響，當(dāng)深度夾角為13°時，葉片泵的壓力脈動最小，引起的液壓沖擊較小。

(2) 配流盤三角阻尼槽的寬度夾角影響葉片泵的流量脈動性能，當(dāng)寬度夾角為100°時，葉片泵的流量波動較為平緩，流量脈動最小。

綜上所述，當(dāng)配流盤三角槽的深度夾角為13°、寬度夾角為100°時，雙排葉片泵整體的流量和壓力脈動較小，且配流過程中油液產(chǎn)生的液壓沖擊也較小。