雙向柱塞泵雙向緩沖槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王一博,王安迪,任中永,許順海,張 斌

(1.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司,河南 鄭州 450016;2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310058)

引言

針對(duì)于掘進(jìn)機(jī)、混凝土泵車等裝備的閉式液壓作動(dòng)系統(tǒng),其主泵采用雙向泵構(gòu)成的閉式系統(tǒng),在使用過程中需要通過改變驅(qū)動(dòng)端的旋轉(zhuǎn)方向,使得柱塞泵能夠反向運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,泵的雙向構(gòu)型對(duì)其配流盤緩沖槽的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單向泵緩沖槽設(shè)計(jì)通常為中心對(duì)稱分布結(jié)構(gòu),但是對(duì)于雙向泵結(jié)構(gòu),其無法實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)工況的有效預(yù)壓縮,導(dǎo)致脈動(dòng)增大。因此,針對(duì)于雙向柱塞泵正反轉(zhuǎn)切換過程的脈動(dòng)抑制問題,需要對(duì)緩沖槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。柱塞泵配流盤緩沖槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化長(zhǎng)期以來一直是學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的研究重點(diǎn),PALMBERG J O等[1]對(duì)柱塞泵高低壓切換過程中產(chǎn)生壓力沖擊與配流環(huán)節(jié)產(chǎn)生的流量倒灌問題進(jìn)行了分析,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)緩沖槽結(jié)構(gòu)參數(shù)降低了出口的壓力沖擊。徐兵等[2]分析了典型結(jié)構(gòu)的緩沖槽關(guān)鍵參數(shù)與輸出壓力-流量特性的影響規(guī)律,對(duì)輸出流量特性的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析,得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)。洪昊岑等[3]提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的緩沖槽結(jié)構(gòu)多參數(shù)優(yōu)化方法,通過對(duì)仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)分析,計(jì)算基于流量脈動(dòng)最優(yōu)目標(biāo)的緩沖槽結(jié)構(gòu)最優(yōu)解。ERICSON L[4]通過對(duì)緩沖槽接觸容腔的分析,提出了一種基于預(yù)壓縮容腔法的多參數(shù)優(yōu)化算法,得到的優(yōu)化緩沖槽結(jié)構(gòu)能夠有效降低柱塞泵流量脈動(dòng)與壓力沖擊。馬吉恩[5]采用集中參數(shù)法對(duì)柱塞泵流量脈動(dòng)和壓力沖擊進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,并對(duì)柱塞泵的配流盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。梁德棟等[6]采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)配流盤緩沖槽的深度角和寬度角進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)構(gòu)有效的降低了柱塞泵的流體噪聲。單樂等[7]對(duì)柱塞泵中球面配流盤上的3種典型緩沖槽過流面積進(jìn)行數(shù)值解析,對(duì)不同的緩沖槽過流面積對(duì)柱塞泵出口的流量脈動(dòng)的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。楊漫[8]通過使用群智能算法來實(shí)現(xiàn)柱塞泵的降噪優(yōu)化,建立了包含緩沖槽寬度角、深度角、開口角以及配流盤的錯(cuò)配角4個(gè)參數(shù)的多參數(shù)優(yōu)化模型,求解最優(yōu)緩沖槽結(jié)構(gòu)參數(shù)。一些研究人員,采用CFD仿真的方法對(duì)雙V形卸荷槽的流量特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),仿真結(jié)果有效的降低了泵出口的流量脈動(dòng)[9-11];還有采用PumpLinx對(duì)某型軸向柱塞泵和某型靜壓傳動(dòng)裝置的軸向柱塞馬達(dá)進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明若內(nèi)部流動(dòng)域網(wǎng)格劃分、數(shù)值方法和計(jì)算精度合理,CFD技術(shù)能夠有效對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測(cè),可在一定程度上代替試驗(yàn)[12-13]。

本研究針對(duì)于雙向柱塞泵的緩沖槽的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究,針對(duì)緩沖槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與柱塞泵壓力-流量特性的強(qiáng)耦合關(guān)系,采用CFD仿真的方法對(duì)多組不同組合構(gòu)型的配流盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD仿真,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,提出采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解計(jì)算,降低轉(zhuǎn)向切換后泵出口的流量脈動(dòng)和壓力沖擊。

1 緩沖槽配流機(jī)理模型

研究對(duì)象為某閉式軸向柱塞泵,額定壓力25 MPa,額定排量750 mL/r,轉(zhuǎn)速1000 r/min。其配流盤緩沖槽采用三角形構(gòu)型,如圖1所示。柱塞泵的配流流量與緩沖槽過流截面兩端壓差與過流面積有關(guān),配流流量為:

(1)

圖1 緩沖槽結(jié)構(gòu)模型

式中,qi——節(jié)流流量

Cr——流量系數(shù)

A——過流面積

pf——柱塞腔內(nèi)油液壓力

pi——配流腔油液壓力

ρ——油液密度

當(dāng)柱塞腔與緩沖槽初連通時(shí),過流面積以一定的變化梯度增大,其變化梯度對(duì)于流量脈動(dòng)的影響很大。三角形緩沖槽是目前應(yīng)用最廣泛的構(gòu)型,緩沖槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

結(jié)合緩沖槽的結(jié)構(gòu)模型分析其過流面積,圖1中ef為柱塞腔出口槽與緩沖槽頂端接觸點(diǎn)連線,gh垂直于ef,φ為ah在出口槽分布圓上的包角,即ah兩點(diǎn)與分度圓圓心弧度。△efg為緩沖槽垂直于面abc的截面,其面積為:

(2)

實(shí)際的過流面積為流體流過的最小截面,即為過邊線ad的△efg投影面積△efi,其面積為:

(3)

(4)

由于ah=Rfφ,因此過流面積為:

(5)

另一方面,由于在接觸過程中,ef是與柱塞腔出口槽的寬半徑r有關(guān)的弧線,且:

(6)

因此需要對(duì)過流面積進(jìn)行修正,修正系數(shù)Ks為:

(7)

因此得到緩沖槽過流面積修正公式為:

(8)

根據(jù)該公式,可知緩沖槽的過流面積大小與其深度角θ1、寬度角θ2、長(zhǎng)度L、分布圓半徑Rf等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)[14-16]。

2 單向緩沖槽仿真分析

本研究通過CFD仿真分析的方法對(duì)配流盤緩沖槽對(duì)出口壓力-流量特性的影響規(guī)律進(jìn)行分析,柱塞泵內(nèi)流場(chǎng)的瞬時(shí)壓力分布如圖2所示。通過對(duì)軸系進(jìn)行布爾運(yùn)算得到柱塞泵的內(nèi)流場(chǎng)模型。為了更真實(shí)的模擬柱塞泵配流盤摩擦副的壓力分布特性,在配流盤與缸體間構(gòu)造配流副油膜流域,模擬配流副的支撐油膜結(jié)構(gòu)。仿真模型入口采用壓力邊界,邊界設(shè)置pi=0.35 MPa,出口采用壓力邊界,邊界設(shè)置pO=25 MPa,轉(zhuǎn)速為1000 r/min,配流副油膜厚度為20 μm。

圖2 柱塞泵流場(chǎng)模型

本研究針對(duì)某型雙向柱塞泵的配流特性和采用單向緩沖槽的配流盤模型進(jìn)行分析,分別對(duì)70°,90°,110°寬度角的模型進(jìn)行計(jì)算。

提取不同緩沖槽結(jié)構(gòu)下柱塞泵出口的流量信息,由圖3可知,寬度角選取為70°時(shí),流量脈動(dòng)的幅值最小,脈動(dòng)率為11.82%,但是在升壓階段存在較大的流量倒灌,導(dǎo)致其輸出流量存在較大的沖擊[17]。

圖3 緩沖槽寬度角對(duì)于泵出口流量的影響

同樣,對(duì)不同深度角的緩沖槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,并保持邊界條件不變,提取泵出口流量信息,如圖4所示。可以看出,深度角為8°時(shí),泵的輸出流量脈動(dòng)最小,脈動(dòng)率為12.08%。

圖4 緩沖槽深度角對(duì)于泵出口流量的影響

進(jìn)一步對(duì)不同緩沖槽長(zhǎng)度的緩沖槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,保持邊界條件不變,提取泵出口流量信息,如圖5所示。可以看出,緩沖槽長(zhǎng)度為23 mm時(shí),泵的輸出流量脈動(dòng)最小,脈動(dòng)率為12.71%。

圖5 緩沖槽長(zhǎng)度對(duì)于泵出口流量的影響

通過上述分析可以看出,緩沖槽的寬度角、深度角、長(zhǎng)度均會(huì)對(duì)其輸出壓力-流量特性產(chǎn)生影響,另一方面,由于在流道腰型配流窗的后端,并未加工緩沖槽結(jié)構(gòu),在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)方向切換時(shí),緩沖槽結(jié)構(gòu)將不會(huì)進(jìn)行預(yù)壓縮作用,對(duì)寬度角70°、深度角8°、長(zhǎng)度23 mm的緩沖槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算,求解反轉(zhuǎn)1000 r/min工況下柱塞泵的輸出流量特性,如圖6所示。

圖6 單向緩沖槽流量脈動(dòng)計(jì)算(正反轉(zhuǎn)工況)

由圖6所示,反轉(zhuǎn)工況的流量脈動(dòng)幅值達(dá)到160 L/min,遠(yuǎn)高于正轉(zhuǎn)工況,會(huì)對(duì)整泵的輸出產(chǎn)生極大的沖擊。因此,本研究提出雙向緩沖槽的構(gòu)型方案,并針對(duì)于緩沖槽的構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

3 雙向緩沖槽仿真分析

當(dāng)采用雙向的緩沖槽構(gòu)型時(shí),如圖7所示。由于腰型配流窗的前后端均加工有緩沖槽結(jié)構(gòu),因此導(dǎo)致柱塞腔會(huì)同時(shí)連通高低壓容腔,增加泵的內(nèi)泄漏。

圖7 雙向緩沖槽配流盤結(jié)構(gòu)

對(duì)單向緩沖槽與雙向緩沖槽的壓力-流量特性進(jìn)行分析,如圖8所示。可以看出,雙向緩沖槽構(gòu)型存在更大的流量倒灌問題,同時(shí)在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下,雙向緩沖槽構(gòu)型的配流盤的流量脈動(dòng)較大,同時(shí)由于雙向緩沖槽連通了柱塞腔增大了泵的回流泄漏,導(dǎo)致流量的峰值小于單向結(jié)構(gòu)。但是在反轉(zhuǎn)工況下,雙向緩沖槽結(jié)構(gòu)顯著優(yōu)化了柱塞泵的出口流量脈動(dòng)。

圖8 單向緩沖槽與雙向緩沖槽的壓力-流量特性對(duì)比

4 雙向緩沖槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以優(yōu)化出口的壓力沖擊與流量脈動(dòng)為目標(biāo),對(duì)雙向緩沖槽構(gòu)型進(jìn)行多參數(shù)的優(yōu)化求解。配流盤的緩沖槽構(gòu)型采用中心對(duì)稱設(shè)計(jì),采用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)行緩沖槽的多目標(biāo)優(yōu)化[18],優(yōu)化變量如表1所示。

表1 緩沖槽的多目標(biāo)優(yōu)化變量表

對(duì)雙向的緩沖槽進(jìn)行獨(dú)立優(yōu)化,優(yōu)化目標(biāo)為降低柱塞泵出口流量脈動(dòng),基于前期對(duì)柱塞泵壓力-流量特性的分析[18],即增加雙向構(gòu)型后,主要影響輸出流量的倒灌特性和泄漏特性。因此優(yōu)化策略的目標(biāo)設(shè)置為流量脈動(dòng)幅值、流量最大值、流量曲線的局部最小值、流量曲線的上升梯度、流量倒灌曲線的下降梯度。NSGA-Ⅱ算法的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:種群數(shù)S=100;最大迭代次數(shù)N=500;交叉概率pc=0.35;變異概率pb=0.15。

流量脈動(dòng)幅值計(jì)算公式:

Dfr=max(qout)-min (qout)

(9)

流量最大值計(jì)算公式:

Dqmax=max(qout)

(10)

流量曲線的局部最小值計(jì)算公式:

Dqmin′=min′(qout)

(11)

流量曲線的上升梯度計(jì)算公式:

(12)

流量倒灌曲線的下降梯度計(jì)算公式:

(13)

式中,Dfr——流量脈動(dòng)幅值

Dqmax——流量最大值

Dqmin′——流量曲線的局部最小值

Ddq1——流量曲線的上升梯度

Ddq2——流量倒灌曲線的下降梯度

優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為:

f(x)=min(a1Dfr,a2Dqmax,a3Dqmin′,a4Ddq1,a5Ddq2)

(14)

計(jì)算結(jié)果收斂在最優(yōu)脈動(dòng)率的全局最優(yōu)點(diǎn)(取值范圍內(nèi)),優(yōu)化后的結(jié)果與原始結(jié)構(gòu)的壓力特性與流量特性的對(duì)比曲線,如圖9、圖10所示。

圖9 出口壓力特性

圖10 出口流量特性

優(yōu)化結(jié)果顯示,對(duì)于需要進(jìn)行正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的二象限柱塞泵結(jié)構(gòu),配流盤緩沖槽的構(gòu)型需要采用中心對(duì)稱式構(gòu)型,且緩沖槽的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時(shí)具有更好的壓力-流量特性。優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果為前/后緩沖槽寬度角82.3°,前/后緩沖槽深度角12.7°,前緩沖槽與后緩沖槽采用相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)型可以保證正反轉(zhuǎn)時(shí)具有相同的壓力-流量特性。與原始結(jié)構(gòu)的壓力-流量特性的對(duì)比結(jié)果表明,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu),流量脈動(dòng)率為13.7%,相比于優(yōu)化前(流量脈動(dòng)率為14.2%)降低了0.5%;壓力脈動(dòng)為0.3 %,相比于優(yōu)化前(0.4%)降低了0.1%,脈動(dòng)幅值為20.09 MPa。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)于雙向大排量軸向柱塞泵的配流盤設(shè)計(jì)展開研究,分析在柱塞泵轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)時(shí)單向緩沖槽與雙向緩沖槽結(jié)構(gòu)對(duì)柱塞泵壓力-流量脈動(dòng)的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 緩沖槽的寬度角、深度角、長(zhǎng)度均會(huì)對(duì)其輸出壓力-流量特性產(chǎn)生影響。當(dāng)柱塞泵進(jìn)行反轉(zhuǎn)時(shí),單向緩沖槽構(gòu)型會(huì)導(dǎo)致柱塞泵配流過程的預(yù)升壓不充分,導(dǎo)致流量倒灌顯著增加;

(2) 通過采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)配流盤緩沖槽的構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu):前/后緩沖槽寬度角82.3°,前/后緩沖槽深度角12.7°,能夠減少配流環(huán)節(jié)的流量倒灌現(xiàn)象,同時(shí)可以降低出口的壓力-流量脈動(dòng)。

后續(xù)將重點(diǎn)針對(duì)于優(yōu)化模型的試驗(yàn)驗(yàn)證展開研究,探究不同結(jié)構(gòu)類型的緩沖槽的卸荷特性。