浅谈往复柱塞泵转套式配流系统结构设计优化

液力传动的基本原理,是利用流体的流压能实现动力的传递。当液压装置工作后,由原动力(电机)的电机能量转换为液压能,但同时又要耗费大量的电能,即系统与外界的能量交流。然后再通过液压缸或液压风机,将流体中的压缩能转化成机械能,以便于驱动载荷进行所需要的操作。也因为其设计灵活、构造简便、比永磁同步电动机更大的优点,所以在不同领域中都获得了普遍的使用,尤其是往复式运动活塞泵,因为其作为终端、主机、角、阀门,可以被广泛地用于装配制造、仓库运输等方面。为了能够更加精细化其整体的机械结构,本文提出了往复柱塞转套式配流系统的基本机构,并对其进行合理优化,以期为国内液压技术提供重要参考借鉴。

转套式配流系统凸轮槽型线及其运动学特性研究

针对往复柱塞泵采用的阀式配流结构存在结构松散、节流损失大、效率受工作频率影响大等问题,提出了一种结构简单紧凑、节流损失小、工作稳定、配流无滞后的往复柱塞泵转套式配流系统。论述了转套式配流系统的工作原理,建立了三种不同凸轮槽型线转套的运动学模型,对比分析了三种凸轮槽型线转套对配流系统运动学特性的影响,同时对传动销进行了剪切强度分析。结果表明,与其它两种凸轮槽线型相比,正弦凸轮槽线型转套角速度和角加速度的大小和幅值均较小,且无拐点、阶跃,转套转动相对平稳,配流系统各零件的所受冲击力小。

转套式配流系统U型减振槽结构设计优化

转套式配流系统中减振槽结构参数对系统的流量脉动、压力冲击、工作噪声、工作寿命等具有重要影响。以转套式配流系统U型减振槽的厚度、高度和包角为设计变量,考虑流量倒灌约束,建立了以压力极值最小为目标的设计优化模型。以i SIGHT优化设计框架搭建了系统设计优化平台,完成了设计变量对优化目标的灵敏度分析和结构优化。优化后泵的容积效率基本不变,泵腔压力极值减小了8.3%,显著降低了压力超调现象引起的冲击、振荡等问题,提高了整个配流系统工作的稳定性。优化结果具有较强的稳健性,但额定工作转速设定值较大时还需要重新优化U型减振槽结构。

转套式配流系统三角减振槽结构及其对流场影响

针对转套式配流系统在高低压转换时存在的冲击、噪声等问题,提出一种三角形截面减振槽结构。根据配流系统的结构特点,建立减振槽数学模型,分析减振槽在不同阶段的通流面积;并对配流系统全流场进行数值分析与可视化研究,分析减振槽对流量脉动、泵腔压力、速度矢量的影响规律。结果表明:三角形截面减振槽结构流场流态为湍流,流场流速较大、流向紊乱,对流量脉动影响较严重,出现流量冲击和回流现象,但很大程度上降低了压力脉动,对压力场具有良好的稳定作用。

转套式配流系统内部流场空化现象研究与分析

针对转套式配流系统工作时流场内部局部压力降低,产生低压区以及出现低于绝对零压的现象,本文利用空化模型模拟流体的压力分布,并分析了空化对系统的影响。同时,对空化产生的机理与模型进行分析,根据转套式配流系统的结构特征建立流体模型,根据仿真要求对配流系统流体域进行参数设置,并在仿真过程加入空化模型,设置流体饱和蒸汽压。仿真结果表明,配流系统工作过程中在高压区向低压区的过渡位置出现了空化现象,气泡被带入低压区,对配流系统元件的气蚀现象不明显,但会降低容积效率,说明空化对配流系统造成一定影响。该研究对进一步研究容积效率指明了方向。

转套式配流系统配流口结构及对工作脉动的影响

转套作为配流系统的核心零件之一,其配流口的结构形状对整个配流系统的工作脉动影响较大。以配流系统为研究对象,设计方形配流口、圆形配流口、双配流口3种不同配流口结构转套。首先建立了3种配流口过流面积的数学建模,分析过流面积的变化特点与规律。为了研究不同配流口对配流系统的流量特性与压力特性的影响,利用流体仿真分析软件Fluent,对3种配流口结构的流体模型进行流体动力学仿真。结果表明方形配流口配流面积最大,配流曲线较平稳,圆形配流口对流量脉动和压力脉动影响最小,所以可根据对配流系统的不同要求选用不同结构的转套。

转套式配流系统闭死角对工作脉动的影响研究

为了降低转套式配流系统在转换过程中出现的冲击现象和噪声,本文根据配流系统配流特征,分析了泵腔在两个阶段中闭死升压和降压的数学模型。同时,为改善配流系统工作中液压冲击现象,选取最佳闭死角,并利用仿真软件Fluent,对配流系统工作循环中流量和压力变化进行数值模拟。仿真结果表明,当闭死压缩角为3°时,对流量特性及泵腔压力脉动的影响最小,且最接近理论分析;在任意膨胀阶段,泵腔内部都出现了不同程度的空化现象,且膨胀角越小,流量脉动越大,综合考虑膨胀角选取2°最合适。该研究为转套式配流系统确定闭死角的大小提供了理论依据。

入口压力对转套式配流系统空化的影响

入口压力的变化会改变转套式配流系统内部流场的压力分布,影响系统内部空化特性。利用流场分析软件Fluent对转套式配流系统的流体域进行仿真计算,设置不同的入口压力,考察空化相关参数随入口压力变化的规律,提出开发适配转套式配流系统的新空化模型将是未来研究工作的重点,并应用YST380W型液压综合试验台对仿真结果进行试验验证。结果表明,入口压力的提高能有效降低转套式配流系统的空化程度,减小最大气体体积分数和空化占比,提高容积效率。

基于湍动能的转套式配流系统流场特性分析

为了分析转套式配流系统内部流场动能损失及耗散情况,本文以配流系统全流场为研究对象,基于湍动能求解雷诺应力,采用专业流体软件Fluent模拟其流体域内部湍动能分布、流速分布和流量脉动情况,并详细分析了三者之间的关系及湍动能分布对流速与流量脉动的影响。分析结果表明,湍动能大小分布与流速大小分布特性基本吻合;流场内部动能损失较大,流动不稳定点出现在进、排流质转换瞬间,且在转换瞬间出现较大流量倒灌现象。该研究具有重要理论意义和工程应用价值。

转套式配流系统U型减振槽结构及其对流场影响

减振槽是针对液压系统设计的一种降低冲击的凹槽。针对转套式配流系统的工作特点,在转套结构上设计了一种U型截面减振槽结构。建立工作过程中的配流特性数学模型,分析不同阶段的通流面积,重点研究减振槽在全流场数值模拟中对流量脉动、压力脉动、速度分布的影响,结果表明:U型减振槽结构流场流态为湍流,压力脉动较大,有压力冲击和降低的现象出现,但U型减振槽流场流速小、流向稳定,很大程度上降低了流量脉动,对流场具有良好的稳定作用。U型等截面减振槽结构的整体分析具有重要工程应用价值,为结构优化提供了理论依据。

转套式配流系统转套间隙对容积效率的影响

容积效率反映了转套式配流系统的配流性能。在考虑转套间隙引起流质泄漏的基础上,建立了空化分析的数学模型,并利用动网格和滑移网格技术对配流系统的运行情况进行了数值模拟,结果显示:随着转套与泵体之间间隙的增大,转速小于1100 r/min时,容积效率随转速升高缓慢增加,转速高于1100 r/min后,容积效率急剧减小,主要是受空化作用的影响;不同的负载压力下不同转套间隙引起的容积效率变化趋势一致,均随负载压力的增大逐渐降低。

转套式配流系统凸轮槽型线对空化特性的影响

空化引起的振动和噪声会影响转套式配流系统性能和寿命,转套的凸轮槽型线与空化特性关系密切。在线性凸轮槽型线基础上提出了3种新的凸轮槽型线,建立了相应的型线方程,随着曲轴转动,线性型线对应的转套转角波动最小、样条型线最大。建立了系统空化流体力学模型,通过仿真,发现4种型线对应的最大气体体积分数均随工作转速升高单调递增,总体看来线性型线最好;空化占比随转速增大而升高,同转速条件下线性凸轮槽型线对应空化占比最小;容积效率随转速增加单调递减,开始比较平缓,速度较高时降低较快,总体看来线性型线对应的容积效率最高。

凸轮槽型线及入口压力对转套式配流系统空化特性的影响

转套式配流系统的凸轮槽型线与入口压力对系统的空化特性影响较大。基于线性、反正弦、正切和样条4种不同凸轮槽型线研究了入口压力对空化特性的影响,建立了系统空化流体力学模型。通过仿真可知,4种型线对应的最大气体体积分数均随入口压力增大单调递减,线性型线下降最为明显;空化占比随入口压力增大而降低,同一入口压力条件下线性型线对应空化占比最小;随着入口压力增大,容积效率单调递增,线性型线稳步提高,其余3种型线开始增大较快,入口压力较高时平缓上升。总体看来增大4种凸轮槽型线入口压力均可显著降低空化程度。

转套式配流系统凸轮槽型线及其运动学特性再研究

转套式配流系统是一种新型的配流系统,克服了传统阀式配流系统体积大、结构松散、容积效率低等缺点,转套内凸轮槽型线直接影响转套式配流系统的运动学特性。本文通过分析正弦凸轮槽型线不自锁条件,提出四种新型凸轮槽型线,并对四种型线下的转套和传动销进行运动学分析。结果表明:线性凸轮槽型线转套的角速度和角加速度的幅值最小,分别为203.1 rad/s、4.961×10^4rad/s^2,一个周期内存在两次冲击;线性凸轮槽型线下传动销径向速度和加速度最小,分别为-0.387 m/s、115.0 m/s^2,运动过程中不存在冲击。因此,线性凸轮槽型线为最佳选择。

转速对转套式配流系统空化的影响

转套式配流系统的转速会影响空化特性,而空化又会导致转套式配流系统的容积效率下降,产生强烈的振动和噪声,影响系统的正常工作.建立了配流系统的Singhal空化模型,进行了仿真和试验研究.结果表明:转套式配流系统的最大气体体积分数随转速的增加而单调增加,且配流口处增长缓慢,泵腔内增加较大;空化占比随转速的增加也不断增加,配流口处的空化占比基本在20%以下,泵腔内可达到了25%以上,空化时间持续较长;容积效率随转速的增加先增大再减小,容积效率最大处的转速为500 r/min,最大容积效率可达92.13%;试验容积效率略低于仿真结果,最大误差为2%.

U型和三角型减振槽对转套式配流系统空化的影响

为了了解不同减振槽结构对转套式配流系统空化产生的影响,设计了U型和三角型减振槽结构,通过Fluent仿真和试验方法研究2种结构下配流系统的空化特性,以确定空化特性最优的减振槽结构.并建立了配流系统的Singhal空化模型,仿真流体模型则考虑转套与泵腔之间的间隙,且以油液作为工作介质,分析在标定工况下和不同转速下配流系统的空化.试验在YST380W型液压综合试验台上进行,监测了不同转速下系统的容积效率,与仿真结果相互印证.仿真结果表明:2种减振槽的气体体积分数变化规律基本一致,U型减振槽的空化特性略优,且转速越大优势越明显;空化占比变化趋势和大小基本相同,U型减振槽优势随着转速的升高越来越明显;容积效率均随转速的升高先增大再减小,U型减振槽的容积效率高于三角型减振槽.对U型减振槽结构系统容积效率试验,仿真误差大约为2%.

往复柱塞泵转套式配流系统结构优化

往复柱塞泵转套式配流系统配流结构的尺寸对系统性能有重要影响。通过Isight软件集成三维建模软件、网格划分软件、CFD仿真分析软件及后处理软件,以最高容积效率为目标,以泵腔压力为约束条件,对减振槽和配流口尺寸进行优化。分析表明,结构尺寸优化后系统容积效率提高了0.8%,泵腔压力峰值增大了3.3%;系统的入口最大瞬时流量提高了8.3%,回流减小了31.1%;系统的出口最大瞬时流量提高了23.9%,最大瞬时倒灌量减小了37.4%。

转套式配流系统与阀式配流系统性能对比研究

往复柱塞泵的结构体积、容积效率和脉动特性是其重要的性能指标,决定了柱塞泵在实际应用中的空间占用、机械效率、使用寿命和噪声产生等问题。针对传统往复柱塞泵采用的阀式配流系统与新型的转套式配流系统,在体积结构、压力脉动和容积效率3个方面进行对比研究。将两种配流系统设计为相同的额定输出流量、额定输出压力和额定工作转速,并将其体积进行比较,对转套式配流系统在Fluent软件中进行仿真,并将其脉动情况和容积效率与阀式配流系统进行对比分析。结果表明:转套式配流系统在结构体积和压力脉动方面均优于阀式配流系统,在额定工况下,转套式配流系统的容积效率较高,且表现稳定,当工作转速较大时,其容积效率急剧下降。

转套式配流系统配流口与泵腔空化特性对比分析

针对配流系统中存在的空化现象,本文主要对转套式配流口和泵腔空化特性进行对比分析。采用Fluent对系统进行流体动力学仿真计算,并采用Singhal空化理论模型,在相同转速、相同入口压力和相同负载压力条件下,对配流口和泵腔的空化气体体积分布云图、平均气体体积分数曲线图以及速度矢量图进行对比分析。研究结果表明,配流口内平均气体体积分数整体小于泵腔,且最大体积分数出现时间较早、整个空化过程持续时间短;另外,在配流口和泵腔内会出现涡流,而且随着涡流加剧,空化现象也更严重,说明配流口作为两个不同压力场之间的连接部分,空化程度没有低压区域剧烈,其中一个原因是高压区会抑制空化现象,另外则是高压区和低压区连通后低压区内会产生剧烈涡流,导致低压区局部压力降低。该研究为后期系统结构优化提供了理论依据。

入口压力与转套式配流系统空化特性关系研究

针对转套式配流系统的容积效率下降所产生的振动和噪声,本文主要对凸轮槽型线及入口压力与转套式配流系统空化特性之间的关系进行研究。提出了4种凸轮槽型线,建立了配流系统的Singhal空化模型,并在YST380W型液压综合实验台上进行空化特性仿真实验。仿真结果表明,线性型线空化现象最弱,增大入口压力,线性型线的空化强度最低,样条型线下降趋势最明显;空化占比随入口压力的增大而减小,线性型线的空化占比最低,配流口处样条型线空化占比降低趋势明显,泵腔中样条型线和反正弦型线凸轮槽下降幅度较大;容积效率均随入口压力升高单调递增,线性型线的容积效率最高,且始终保持在92%以上。实验容积效率变化趋势与仿真模拟时基本一致,由于加工误差及转套与油壁之间强剪切作用等因素,实验数据略低于仿真模拟,最大误差为3.2%,在允许范围内。该研究为转套式配流系统的进一步优化设计提供了理论基础。