斜盤式軸向柱塞泵缸體及配流盤抗空化研究.pdf

1、軸向柱塞泵及液壓節(jié)流槽是液壓系統(tǒng)的重要元件，廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，以液壓油為介質(zhì)的液壓傳動技術(shù)得到發(fā)展。為適應(yīng)近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的工作壓力越來越高。
　　隨著液壓系統(tǒng)向高速、高壓方向發(fā)展，液壓元件的空化現(xiàn)象成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。本文針對軸向柱塞泵柱塞腔及液壓節(jié)流槽的空化現(xiàn)象開展研究。主要包括:軸向柱塞泵缸體腰形孔結(jié)構(gòu)與配流盤節(jié)流槽結(jié)構(gòu)對柱塞腔空化的影響;缸體腰形孔水力直徑與柱塞腔直徑匹配關(guān)系

2、對柱塞腔空化影響的理論研究;軸向柱塞泵缸體腰形孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與柱塞腔氣體體積分數(shù)平均值的函數(shù)關(guān)系的建立;軸向柱塞泵缸體腰形孔及節(jié)流槽抗空化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。具體而言:
　　1)軸向柱塞泵柱塞腔空化仿真分析
　　利用Fluent軟件的動網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格、Cavitation模型、Mixture混合模型及RNG k-ε湍流模型建立軸向柱塞泵空化流有限元仿真計算模型。通過柱塞腔氣體體積分數(shù)平均值的變化來定量監(jiān)測柱塞泵工作時每一階段柱塞腔空

3、化的變化。研究柱塞泵在不同的入口壓力、不同斜盤傾斜角及不同柱塞泵缸體轉(zhuǎn)速對軸向柱塞泵柱塞腔空化的影響。
　　2)缸體腰形孔水力直徑與柱塞腔直徑配比關(guān)系對柱塞腔空化影響研究
　　在軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)方面，重點研究了缸體腰形孔結(jié)構(gòu)對柱塞腔空化的影響，提出了缸體腰形孔水力直徑與柱塞腔直徑的配比關(guān)系對柱塞腔空化具有較大影響。根據(jù)假設(shè)通過缸體腰形孔的流體體積剛好填滿柱塞移動時柱塞腔多出的空間的條件，建立了理想情況下柱塞腔不發(fā)生空化時缸體腰

4、形孔水力直徑與柱塞腔直徑臨界比值mc的數(shù)學(xué)模型，分析了交錯角α、斜盤傾角β、缸體角速度ω對臨界比值mc的影響，并進行了仿真驗證，提出合理的配比關(guān)系建議。
　　3)傾斜式缸體腰形孔結(jié)構(gòu)對柱塞腔空化影響理論分析
　　軸向柱塞泵缸體腰形孔結(jié)構(gòu)主要有直型及傾斜式兩種。工程中將缸體腰形孔結(jié)構(gòu)設(shè)計為傾斜式，主要是考慮缸體高速轉(zhuǎn)動時缸體腰形孔中流體的離心力有助于流體流入柱塞腔，從而提高柱塞腔的自吸能力，可在一定程度降低柱塞腔的空化，提高其

5、容積效率。但在實際應(yīng)用時沒有更深入分析缸體腰形孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對柱塞腔自吸力的影響。本文從腰形孔參數(shù)h、δxv、δxz入手，從理論上分析了其對柱塞腔自吸性能的影響，并通過仿真柱塞腔空化進行了驗證。
　　4)軸向柱塞泵預(yù)升（卸）壓階段配流盤節(jié)流槽空化研究
　　軸向柱塞泵配流盤設(shè)計有三角形節(jié)流槽，設(shè)計節(jié)流槽的目的是讓柱塞腔通過上、下死點后，利用節(jié)流槽的調(diào)節(jié)功能使柱塞腔的壓力與柱塞泵的進油、出油口的壓力接近，減小水擊。但當柱塞腔通過死點

6、后，柱塞腔液壓油與柱塞泵進、出油口會出現(xiàn)很高的壓差，液壓油會高速通過節(jié)流槽，從而產(chǎn)生較為嚴重的空化，柱塞泵伴隨產(chǎn)生振動、噪聲、減小容積效率。本文借助Fluent軟件仿真分析了三角形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對節(jié)流槽空化的影響，并提出在不改變節(jié)流槽通流面積前提下的節(jié)流槽抗空化結(jié)構(gòu)改進方案。通過仿真對比結(jié)構(gòu)改進前及改進后的節(jié)流槽空化情況，發(fā)現(xiàn)改進后的節(jié)流槽結(jié)構(gòu)的抗空化性能優(yōu)于改進前的結(jié)構(gòu)。
　　5)基于Kriging代理模型的軸向柱塞泵缸體腰形孔

7、及節(jié)流槽抗空化結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。
　　由于空化理論的不成熟性及液壓元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的強耦合性，因此，建立結(jié)構(gòu)參數(shù)與流體氣體體積參數(shù)值之間精確的空化數(shù)學(xué)模型較為困難。本文選擇了Kriging代理模型的方法來近似替代空化數(shù)學(xué)模型，并詳細介紹了Kriging代理模型的原理及模型建立的原則，對模型的代理精度進行了驗證，說明該模型能夠滿足工程需要。利用Kriging代理模型原理建立軸向柱塞泵缸體腰形孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與柱塞腔流體氣體體積分數(shù)平均值的函數(shù)關(guān)系

8、;V形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與節(jié)流槽流體氣體體積分數(shù)最大值的函數(shù)關(guān)系;U形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與節(jié)流槽流體氣體體積分數(shù)最大值的函數(shù)關(guān)系。
　　在已建立的Kriging代理模型的基礎(chǔ)上，采用遺傳算法優(yōu)化訓(xùn)練該代理模型。優(yōu)化的目標值為氣體體積分數(shù)值的最小值。分別得到軸向柱塞泵、V形節(jié)流槽、U形節(jié)流槽抗空化的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。
　　本文的研究表明，采用Fluent的mixture模型、動網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格，可更真實地仿真液壓軸向柱塞泵柱塞腔及節(jié)流槽的空化流