Flow Ripple of Axial Piston Pump with Computational Fluid Dynamic Simulation Using Compressible Hydraulic Oil

The flow ripple, which is the source of noise in an axial piston pump, is widely studied today with the computational fluid dynamic（CFD） technology development. In the traditional CFD modeling, the fluid compressibility, which strongly influences the accuracy of the flow ripple simulation results, is often neglected. So a compressible sub-model was added with user defined function（UDF） in the CFD model to predict the flow ripple. At the same time, a test rig of flow ripple was built to study the validity of simulation. The flow ripple of pump was tested with different working parameters, including the rotation speed and the working pressure. The comparisons with experimental results show that the validity of the CFD model with compressible hydraulic oil is acceptable in analyzing the flow tipple characteristics. In this paper, the improved CFD model increases the accuracy of flow ripple rate to about one-magnitude order. Therefore, the compressible model of hydraulic oil is necessary in the flow ripple investigation of CFD simulation. The compressibility of hydraulic oil has significant effect on flow ripple, and the compression ripple takes about 88% of the total flow ripple of pump. Leakage ripple has the lowest proportion of about 4%, and geometrical ripple leakage ripple takes the remnant 8%. Besides, the influence of working parameters was investigated through the CFD simulations and experimental measurements. Comparison results show that the amplitude of flow ripple grows with the increasing of rotation speed and working pressure, and the flow ripple rate is independent of the rotation speed. However, flow ripple rate of piston pump grows with the increasing of working pressure, because the leakage ripple will increase with the pressure growing. The investigation on flow ripple of an axial piston pump using compressible hydraulic oil provides a more validity simulation model for the CFD analyzing and is beneficial to further understanding of the flow ripple characteristics in an axial piston pump.

高速轴向柱塞泵空化机制研究与优化

为降低高速轴向柱塞的空化程度,以某型号轴向柱塞泵为例,利用Pumplinx软件搭建CFD仿真模型,探究不同转速与不同吸油口压力对泵空化程度的影响,并结合MATLAB软件对离散的仿真结果进行拟合,得到转速、吸油口压力与吸油效率的变化规律曲线。研究结果表明:当柱塞腔内气体体积达到12%以上,柱塞泵吸油效率下降甚至无法吸油;通过提高吸油口压力可以有效降低柱塞腔的空化程度,提高柱塞泵吸油效率;为了保证泵在5000~6000 r/min下能够正常吸油且有较高的吸油效率,可以使吸油口压力值介于0.25~0.30 MPa之间,此时柱塞腔空化程度和吸油效率均达到相对稳定。

新型减振器活塞的设计及其阻尼特性分析

减振器是悬挂系统的关键部件,而活塞又作为减振器的重要零件,直接影响着汽车减振性能的好坏。针对中兴新能源汽车减振器的活塞进行创新设计;分析了传统液压减振器的工作原理,运用SolidWorks进行了新型活塞的三维建模,建立了减振器双向流固耦合分析模型,导入ANSYS完成了减振器阻尼特性分析,并进行了试验验证。数据结果表明,相比于传统减振器活塞,新型减振器活塞的减振性能更优同时还减小了阀片的挠度变形,从而提高阀片的寿命;最后通过示功机完成试验,证明了减振器的双向流固耦合数值仿真具有一定的可靠性,新型减振器活塞的结构更优。

新型低速大扭矩内曲线柱塞泵空化特性分析

为了研究一种新型低速大扭矩内曲线柱塞泵的内流域空化特性,建立了内曲线柱塞泵的配流体内流域模型,通过CFD流体仿真对配流体流域的空化分布和产生进行研究。分析了不同工况参数对配流体流域空化特性的影响。研究表明:空化主要发生在排油单向阀阀口和高速开关阀阀口,气相体积分数直接反应空化的剧烈程度,泵轴转速和负载压力对于空化的影响明显,但过低的吸油压力会导致柱塞发生吸空。通过增大流道局部内径和缩小流道长度两种不同方式对配流体内流域结构进行优化,以此减小油液流速,进而削弱空化现象,优化方式较好。

轴向柱塞泵流致噪声传递机理分析

在高压工况下,轴向柱塞泵易产生较大的噪声,其主要成分为流体噪声。提出使用计算声学的方法,对轴向柱塞泵的流致噪声进行仿真模拟。首先,归纳了柱塞泵流体噪声的产生机理与传递路径。然后,构建了柱塞泵的声学仿真模型,对其进行数值模拟。最后,分析了柱塞泵的噪声、振动仿真结果,并通过试验加以验证。结果表明:轴向柱塞泵的流体噪声从内向外逐步传递,并作为激励源,引发内部零件与泵体的振动,进而产生辐射噪声;仿真结果与试验结果误差小于6%,仿真的准确度较高。

衬套参数对柱塞泵柱塞副油膜特性的影响分析

为改善液压柱塞泵中柱塞副的磨损状况,建立流固耦合模型,求解流体域与固体域的相互作用。考虑柱塞变形和缸体孔衬套变形,讨论不同弹性模量的铜合金衬套材料和不同厚度的衬套对衬套变形和油膜厚度的影响。结果表明,衬套变形值随衬套材料弹性模量增加而减小,采用弹性模量小的铜合金衬套材料或适当增加衬套厚度能使油膜厚度增大,可以改善柱塞副润滑条件,延长柱塞泵的使用寿命。不同弹性模量的铜合金衬套材料和不同厚度的衬套对油膜厚度影响明显。研究结果为柱塞泵的优化设计提供一定的参考。

CO_(2)压缩机活塞环变形与制冷剂泄漏模拟

为研究活塞环在压缩机工作过程中运动及变形对制冷剂泄漏的影响,利用Solidworks软件建立活塞环三维模型,通过ANSYS软件对活塞环进行流固耦合数值模拟,进而研究活塞环在最大温度与压力载荷下的变形情况;建立制冷剂泄漏通道模型,并编写profile程序,获得活塞环位置改变及入口压力变化下通道内制冷剂泄漏速度的变化规律。结果表明:在压缩行程结束之际制冷剂泄漏量达到最大值,活塞环在膨胀行程及压缩行程下存在纵向位移,2个行程下,最下方的活塞环3速度最大,中间的活塞环2速度最小;与膨胀行程相比,压缩行程下3道活塞环的整体速度更大,其位移所需要的时间更短。研究结果对活塞环受力分析及制冷剂泄漏提供了理论依据。

表面粗糙度对配流副润滑特性的影响

为研究表面粗糙度对轴向液压柱塞泵马达配流副润滑特性的影响,引入Weierstrass-Mandelbort分形函数,对不同幅值的表面粗糙度的表面形貌进行二维和三维模拟,建立考虑表面粗糙度的流固热耦合下的配流副油膜润滑模型,采用中差分形式的有限差分法和松弛迭代法对其进行数值求解,并分析油膜厚度、油膜压力、油膜承载力、摩擦因数等性能参数随着表面粗糙度幅值变化的规律。通过盘-盘形式的配流盘-缸体摩擦磨损试验,得到不同幅值的表面粗糙度下配流副摩擦因数,对所建立的数学模型进行验证。数值计算结果表明,表面粗糙度幅值的增大会引起油膜承载力增大,但也会引起最大油膜压力和摩擦因数的增大,导致摩擦性能下降。摩擦磨损试验发现,表面粗糙度增大,配流盘表面摩擦磨损情况加剧,配流副润滑性能和耐磨性能整体降低。因此在配流盘表面加工处理中,应适当降低其表面粗糙度。

流体润滑条件下复合润滑织构改善缸套表面摩擦性能

为了改善缸套表面摩擦性能,以YTRC2110D型柴油机为研究对象,在缸套流体润滑区域进行复合润滑结构设计.基于摩擦试验,探讨了润滑条件下复合润滑结构改善缸套表面的摩擦性能和磨损机理,并找到性能最优的复合润滑结构.结果表明,在流体润滑条件下,复合润滑结构比单一微织构减摩性能更好.相比光滑表面,单一微织构表面平均摩擦系数下降32.86%,磨损质量最多只降低9.6%,磨损表面粗糙度Sa最高只下降了16.57%,分形维数D只上升4.67%.其表面磨损区域主要为浅犁,还伴随着少量的深犁,复合润滑结构表面平均摩擦系数可以下降42.2%,磨损质量最多减少了17.6%,磨损表面粗糙度Sa最高下降26.86%,分形维数D上升8.77%.复合润滑结构接触表面通过动压油膜和二硫化钼转移薄膜共同作用,磨损表面只产生少量浅犁.研究结果为缸套表面摩擦性能的改善提供了理论依据.

斯特林发电机中气体轴承设计与实验研究

提出一种适用于大功率斯特林发电系统中动力活塞的稳定气体轴承支撑方案,所提方案采用独立气泵、间隙密封与气体轴承耦合的供排气气路、间隙密封隔绝两侧腔体压力。采用计算流体动力学数值模拟分析不同节流孔直径、不同气膜厚度对气体轴承耗气量和承载力的影响,并验证间隙密封耦合气体轴承的新型气路的可行性。通过节流器、气膜厚度、活塞摩擦力等实验测试分析,以及对气体轴承中结构参数的高精度测量,结合激光测距仪与推拉力测试,实现对动力活塞气体轴承性能的高精度、完整评测。最后,建立一套完整的气体轴承设计、测试与分析平台,实现气体轴承活塞支撑的完全可控设计。

自由活塞膨胀机-直线发电机流体仿真与运动分析

为提高自由活塞膨胀机-直线发电机装置的集成度,使用计算流体力学方法,运用动网格技术,分析了气缸内气体的运动情况和活塞的运动特性,并利用正交试验分析了气缸结构参数对活塞运动特性的影响程度。结果表明:气体流经进、排气通口处,气体压力和流速的变化较为明显;气缸通口孔径对活塞速度、位移的影响最大;进气时间、活塞质量、气缸直径对活塞的位移、速度也存在不同程度的影响。

柱塞泵用磁流体密封设计及优化

针对传统密封方式应用于往复密封存在磨损和泄漏的问题,以立式柱塞泵为研究对象,设计一种带有斯特密封的新型磁流体密封装置。利用有限元数值分析软件获得磁流体密封件间隙内磁感应强度分布,计算其理论耐压值,分析密封间隙、齿宽、齿高、槽宽等关键参数对密封压力值的影响,并运用响应曲面优化方法对其进行优化设计。结果表明:初设密封装置理论耐压值为0.483 MPa;密封压力值与密封间隙成反比,密封压力值随着齿宽、齿高、槽宽的增大先增大后减小。优化后各结构参数分别为密封间隙0.2 mm,齿宽0.627 mm,齿高1.01 mm,槽宽1.84 mm时,理论密封压力值为0.529 MPa,相比优化前提升了9.5%,且远高于实际应用密封压力值。

制动卡钳活塞密封槽倒角尺寸对活塞回程量及拖滞和需液量的研究

制动卡钳密封槽的设计对制动器卡钳总成需液量、制动器总成拖滞力矩以及活塞回程量的影响至关重要。活塞回程量、制动器拖滞力矩、制动钳总成需液量三者关系紧密相连。目前没有一个可以量化的数学模型从理论上去衡量三者关系,仅仅是依靠试验数据总结得出经验。分析介绍了制动卡钳密封槽的密封结构、密封机理以及活塞回程量的根本原理,基于对密封槽倒角结构的分析建立了其与活塞回程量的数学模型,分析了密封槽前倒角结构尺寸对制动卡钳需液量的影响,通过试验测试数据验证活塞回程量的数学模型的正确性,并通过试验验证了密封槽前倒角尺寸对需液量和拖滞力矩的影响,同时对比了活塞回程量与倒角数学模型曲线趋势,与试验基本一致。

基于摩擦配副变形的轴向柱塞泵配流副流固热耦合影响因素分析

通过考虑轴向柱塞泵配流盘摩擦配副的缸体和配流盘耦合变形,建立了配流副的热流固多场耦合仿真分析模型。用有限元法求解模型中的柱塞流道压力场和温度场以及配副耦合热变形,其结果能够可视化地实时观测在整泵运动过程中两配副表面不同的温度和变形动态分布过程,从而揭示出多因素对其表面油液润滑特性的影响规律,并指出各因素的影响的权重。结果表明:配流副油液的压力和温度与配副两表面的热弹性变形量的具有耦合交互影响,在轴向柱塞泵的配流副高压压油区,由于压力较大,此区域结构变形和温度分布较大。不同工况条件下,压力和转速的提高,会导致结构的应力变形和温度分布成正相比。压力对变形和温度的影响权重均大于60%,明显大于速度的影响,压力对其起着决定性作用。

基于ANSYS Workbench活塞组合密封圈优化研究

针对某国产化活塞组合密封圈内泄漏问题,基于ANSYS Workbench模拟活塞组合密封圈装配过程的变形情况及接触应力变化情况,采用流体压力渗透载荷的加载方式模拟介质压力对密封圈弹性体的作用,研究活塞组合密封圈弹性体压缩率、硬度以及工作压力对其密封性能的影响。研究表明:弹性体上、下密封部位(BC段、DE段)最大接触应力略小于工作压力与装配下弹性体最大接触应力之和,其密封性能良好;弹性体压缩率及硬度越大,其最大接触应力越大。通过对活塞组合密封圈挡圈及导向环开口间隙以及开口角度的研究,得出挡圈厚度偏小以及导向环开口间隙偏大是导致活塞组合密封圈内泄漏的主要原因。试验结果表明:弹性体采用氢化丁晴(HNBR-80)、挡圈采用聚酯弹性体(TPEE)、导向环采用尼龙(PA66)材料的活塞组合密封圈满足某装备液压缸的使用要求。

DH型转阀钻井冲击器结构性能参数优化研究

为了研究旋冲钻井中双液驱动DH型转阀钻井冲击器的冲击运动规律,优化其性能参数,通过分析其在冲程阶段和回程阶段的受力情况,采用有限差分法,建立转阀活塞运动数学模型,利用MATLAB软件编译仿真电算程序,对转阀活塞的动力学过程进行仿真电算,得出DH型转阀钻井冲击器的最优冲击性能参数。同时研究冲击器上下腔面积差、油压系统流量及压降对DH型转阀钻井冲击器冲击性能的影响,并设计关于冲击功、冲击频率和冲击功率的正交分析试验,利用Design-Expert软件对计算结果进行优化,以更好地提高冲击器的工作性能。研究结果表明:活塞杆直径和压降对冲击器工作性能的影响较为突出,流量对冲击器工作性能的影响较小。经优化,冲击功提高21.88%,冲击频率提高12.9%,冲击功率提高37.6%。相关研究对液动冲击器设计及应用具有一定的指导意义。

UUV冲压活塞式装置发射鱼雷内弹道特性研究

针对无人水下航行器轻量化、体积小的要求,文中提出了一种液压缸-冲压活塞-栅状管式发射装置。为评估该装置动力特性,基于流体动力学和内弹道理论,建立了该装置发射鱼雷动力学模型,以液压缸速度为输入,获得冲压活塞前后端压力特性和发射鱼雷内弹道特性。经对比验证,上述模型计算结果与计算流体力学仿真结果基本吻合,证明了所建模型的可靠性。研究结果表明,冲压活塞运动过程中产生的最大阻力约为0.43 MPa,为满足液压缸速度输入,液压缸输出压力及功率可采用上述结果作为设计依据;冲压活塞运动在0.42 s后作减速运动,此时鱼雷运动约3.9 m,为减小鱼雷后续管内运动时的压差阻力,栅状管孔位可根据上述结果进行优化以提升补水能力,从而提高发射装置的做功能力。

天然气井的绒囊流体活塞修井技术

低压气井修井中的压井作业需要平衡地层压力,以防止天然气溢出引发井控安全问题。为此,引入绒囊流体作为压井液,室内评价研究结果表明:绒囊流体密度在0.5~1.5 g/cm^3,低剪切速率下的黏度达到7 850 000 mPa·s,性能可控,在井筒内胶结形成无固相、结构强度较高类似活塞的封堵段塞。修井时,通过注入不同密度和液量的绒囊流体建立不同的液柱压力,流体以低剪切速率下高结构强度控制天然气从活塞内部突破,阻止天然气从井筒内上升至地面,隔开井筒中天然气与地面的通道;作业中因地层压力变化或者起下管柱,流体可以像活塞一样整体上下浮动。作业后,同常规作业一样气举清理井筒内流体即可恢复生产。中国西北地区某天然气田地层压力系数下降到0.60~0.82,在该区进行了绒囊流体全井充满和绒囊流体活塞修井作业各3口井,作业时间分别为7 d、3 d,取得了较好的技术效果。该项技术为低压天然气井修井提供了一条新的途径。

水压缸活塞环密封流动阻力研究

根据控制棒水压驱动机构水压缸活塞环密封结构的特点,分析了水压缸活塞环的泄漏途径,建立了活塞环密封泄漏流阻的理论计算模型,并结合水压缸活塞环密封处的压差计算模型,推导出水压缸密封结构的流阻计算公式。利用控制棒水压驱动机构单缸性能实验的结果,拟合求得了流阻公式中的系数,并将公式计算流阻与实验结果进行了对比。结果表明:在实验工况下,二者吻合得很好。研究结果为控制棒水压驱动机构水压缸活塞环密封结构的设计和分析提供了理论基础。

反渗透海水淡化能量回收装置中盐水和海水混合过程研究

正位移式能量回收装置利用盐水直接增压进料海水实现反渗透淡化系统余压能回收利用的同时,不可避免会产生盐水和进料海水间的混合.混合使得被增压海水的盐浓度升高,从而导致反渗透系统工作压力及淡化水盐浓度的增加.本文建立了能量回收装置水压缸中盐水和进料海水混合过程的数学模型,利用流体力学模拟软件对水压缸中混合段的形成、混合机理及混合段用作液柱活塞的条件等进行了研究,分析了液柱活塞的局限性和采用实体活塞的重要作用.