高壓軸向柱塞泵缸體抗空化結構分析

崔金元，劉志奇，劉敏,3，董洪全

(1.太原理工大學機械與運載工程學院， 山西太原 030024；2.太原科技大學機械工程學院， 山西太原 030024；3.山西科技學院智能制造工程學院， 山西晉城 048000)

0 前言

軸向柱塞泵作為液壓動力系統的核心部件，被廣泛應用于工程和航空機械領域。隨著機械技術和工業需求的不斷發展，軸向柱塞泵不斷向高壓、大排量、低振聲方向發展。而柱塞泵中的空化現象引起的振動、噪聲、不穩定流態和破損過流部件[1-2]等，直接影響著柱塞泵的壽命和工作特性。因此，對柱塞泵空化抑制的研究，具有重要的實際意義和應用價值。

國內外學者對柱塞泵的特性和抗空化結構具有深入的研究。王東偉等[3]對空化的非定常流態和空化的氣泡特性進行了研究，對空化研究提供了很好的理論支撐。張鑫等人[4]運用Pumplinx仿真軟件對不同節流槽形式下滑閥空化現象進行分析，可以合理借鑒于柱塞泵空化的分析。王震等人[5]通過Pumplinx仿真軟件對不同形狀的卸荷槽泵內流量和壓力特性影響分析，得到U形槽為最優結構。GULLAPALLI等[6]研究了油液的特性對柱塞泵效率和空化噪聲產生的影響，對空化流態的研究具有指導意義。劉曉紅等[7]分析了配流副氣蝕機制，通過控制油液回流射流速度傾角抑制氣穴的發生，延長配流盤壽命4倍多。徐兵等人[8]總結了優化結構參數對氣穴影響規律不一，可通過優化算法求解多目標參數的影響，對優化分析具有指導作用。孫澤剛等[9]通過Fluent軟件對柱塞泵三角槽內空化進行分析，并得到最優的三角槽參數，實現抑制油液空化。尹方龍和聶松林[10]對預升壓角流場進行了模擬分析，并通過優化預升壓角結構參數得到泵的最優流量特性。孟廣耀等[11]對泵的球面配流副中泵的壓力脈動和空化特性的影響進行分析，得到球面配流對空化影響不大。章志超和陳淑梅[12]提出新穎的錐形缸體傾斜柱塞腔和腰形孔對柱塞泵壓力和流量的特性影響分析，但未對柱塞泵空化特性的影響進行分析。劉志奇等[13]提出了配流盤的抗空化結構，運用Pumplinx軟件仿真分析，并通過Kriging插值模型預測未知參數，對結構參數進行優化，得到最優配流盤腰形孔多向偏轉角度。戴秋杰等[14]研究了空化氣蝕的機制，運用數值模擬方法研究了氣蝕余量值，從理論角度更加深入地解釋了空化。潘陽等人[15]提出雙聯排配流盤結構和對三角槽結構參數的優化仿真、實驗驗證，減小了柱塞泵出口的壓力超調和氣穴現象，對配流結構的優化具有指導意義。齊國寧等[16]通過探究減振槽的結構參數，改變氣穴位置，從而降低氣穴對過流面的損傷，提出新的研究方向。

本文作者以高壓斜盤式軸向柱塞泵為研究對象，針對柱塞泵內缸體傾斜柱塞腔和傾斜腰形孔結構對空化的影響進行探究。

1 高壓軸向柱塞泵模型建立

1.1 研究對象

文中研究對象為：斜盤式高壓軸向柱塞泵，轉速為1 500 r/min，斜盤傾角為15°，柱塞個數為9，柱塞直徑為30 mm，缸體內柱塞分布圓的直徑為120 mm，缸體保持為柱狀，具體結構如圖1所示。

圖1 高壓軸向柱塞泵結構Fig.1 Structure of high pressure axial piston pump

1.2 柱塞泵缸體抗空化結構

柱塞泵在高速旋轉正常工作時，缸體每旋轉一圈，高、低壓共轉換4次。當油液處于低壓區，壓力低于空氣分離壓時，油液中氣體析出，形成空化現象。柱塞泵缸體吸油柱塞腔內壁是空化現象嚴重的地方，因此針對柱塞腔空化現象進行抑制改進。

常見的柱塞泵缸體柱塞腔和腰形孔軸線與柱塞泵主軸線平行。現提出：柱塞腔傾斜β(單位:(°))和腰形孔傾斜為α(單位:(°))，如圖2所示。隨著柱塞腔和腰形孔傾斜一定角度，借助柱塞泵高速旋轉的離心力F，增大其分力F1，從而增強柱塞腔對油液的自吸性能，抑制油液的空化。

圖2 缸體傾斜式柱塞腔和腰形孔分析

2 Pumplinx仿真建模

2.1 數學模型

Pumplinx仿真分析軟件運用Singal全空化模型，結合空化氣泡受力、空氣分離壓和非定常空化流等因素，通過Rayleigh-Plesset解析空化發生-潰滅的動態過程。

通過Rayleigh-Plesset對柱塞泵內低壓區空化現象解析為

(1)

式中：rv為空化氣泡的直徑;plv為飽和蒸汽壓;p為油液的壓力;ρl為油液的密度。

柱塞泵正常工作時，非定常流態油液中氣體的體積分數xv為

(2)

式中：kv為氣、液兩相流的單位體積油液中的氣泡理論個數;rv為油液中的氣泡理論半徑。

2.2 三維模型和網格劃分

運用SolidWorks建立柱塞泵內部流體三維模型，轉化為STL模型，導入Pumplinx仿真分析平臺。對柱塞泵柱塞、缸體、配流盤和油膜等分塊進行Advance精細化動網格劃分，網格劃分為四面體和六面體等復合網格。模型實現分塊聯動，設置旋轉軸為z軸和旋轉方向，既可實現柱塞上下往復運動，也可實現配流盤高速旋轉運動，對柱塞泵缸體內部油液空化進行詳細分析。配流副間隙油膜厚度設置為10 μm，劃分雙層網格，更貼近柱塞泵實際工況。三維模型劃分最大網格和最小網格分別為0.025 m和0.001 m，模型網格總量為826 450個，具體如圖3所示。

圖3 柱塞泵流體三維網格模型Fig.3 Three-dimensional mesh model of piston pump fluid

2.3 條件設置

以柱塞泵軸向順時針為旋轉方向，轉速為1 500 r/min，引用Cavitation全空化模型，設置缸體柱塞腔數量為9個，具體邊界條件如表1所示。

表1 柱塞泵運動仿真分析設置邊界參數

3 柱塞泵抗空化結構仿真分析

基于上述已劃分網格的柱塞泵三維流體模型，通過具體邊界條件的設置，借助Pumplinx仿真分析平臺進行仿真分析。

如圖4所示，當缸體吸油腰形孔與配流盤吸油口結合吸油時，發生明顯的空化現象。空化析出的氣泡隨著油液進入缸體腰形孔和柱塞腔，呈不均勻狀態分布，尤其以靠近吸油區柱塞腔和腰形孔內壁，空化氣泡分布最多。

圖4 缸體吸油腰形孔與吸油口結合空化分布云圖

3.1 缸體柱塞腔傾斜角對柱塞腔內空化的影響

不改變柱塞泵缸體圓柱形狀，柱塞腔與柱塞泵軸線所成夾角范圍：β=3°～9°，腰形孔傾斜角度：α=90°，轉速n=1 500 r/min。

設置不同柱塞腔傾斜角度β分別為3°、6°和9°，分析吸油區缸體柱塞腔內油液的氣體體積分數，如圖5所示。通過分析可得：隨著缸體柱塞腔與柱塞泵軸線所成夾角不斷增大，氣體體積分數不斷降低。在t=0.035～0.009 s時，缸體柱塞腔內氣體體積分數最大降幅約1.7 %，實現了較好的抑制效果。

圖5 柱塞腔傾斜角變化時缸體柱塞腔內油液的氣體體積分數曲線

分析可得：保證缸體柱狀的前提下，柱塞腔最大角度傾斜β=9°時，抑制缸體內油液的空化效果最好。

3.2 缸體腰形孔傾斜角對柱塞腔內空化的影響

在考慮缸體柱塞腔和腰形孔配合角度的同時，缸體腰形孔傾斜角度：α=70°～85°，β=0°，轉速n=1 500 r/min。

設置不同腰形孔傾斜角度α分別為70°、75°、80°和85°，分析吸油區缸體柱塞腔內油液的氣體體積分數，如圖6所示。通過分析可得：隨著腰形孔傾斜角度α由85°逐漸減小，油液的氣體體積分數先降低后增大。在t=0.035～0.055 s時，缸體柱塞腔內氣體體積分數最大降幅約1.2%，對空化有一定的抑制效果。

圖6 腰形孔傾斜角變化時缸體柱塞腔內油液的氣體體積分數曲線

分析可得：考慮缸體柱塞腔和腰形孔配合角度的同時，腰形孔最大角度傾斜α=75°時，抑制缸體內油液的空化效果最好。

4 抗空化結構參數優化解析

已對已知缸體柱塞腔和腰形孔傾斜角度進行了仿真分析，但需要考慮對已知點鄰近的未知點的測算，并結合兩傾斜角度對柱塞泵空化的相互影響，求解最佳結構參數[17]。

Kriging插值模型基于已知點參數，運用加權平均預測鄰近點數據[18]。設置兩參數α和β為自變量，以Guass函數為對應相關求解函數，對應t=0.004 5 s時氣體體積分數為目標函數值xv，建立函數模型分析：

(3)

式中：xv為未知點的參數預測值；n為數值維數；α∈(70°，75°，80°，85°)；β∈(0°，3°，6°，9°)。

通過求解可得α和β兩自變量對應的氣體分數預測曲面，如圖7所示。

圖7 氣體體積分數預測曲面Fig.7 Prediction surface of gas volume fraction

綜合分析所得：缸體柱塞腔和腰形孔沿旋轉軸傾斜可以很好地抑制空化現象，最優結構參數為：腰形孔角度α=75.3°和柱塞腔角度β=9°。

5 結論

文中對柱塞泵缸體抗空化結構的分析，得到以下結論：

(1)提出柱塞泵抗空化結構：缸體腰形孔傾斜α角和柱塞腔傾斜β角，借助柱塞泵高速旋轉的離心力F，增大其分力F1，從而增強柱塞腔對油液的自吸性能，有效抑制泵內油液的空化程度。

(2)通過Pumplinx仿真分析，腰形孔和柱塞腔內有局部嚴重空化，當腰形孔角度α=75°和柱塞腔角度β=9°時，柱塞腔內氣體體積分數分別降低了1.2 %和1.7 %。

(3)運用Kriging插值優化求解，得到柱塞泵缸體抗空化結構的最優結構參數為：腰形孔角度α=75.3°和柱塞腔角度β=9°。