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。

Influence of Oil Film Inertia on Piston Skirt Lubrication in High Speed Engine

By an iteration method, the influence of oil film inertia on piston skirt lubrication in a high speed engine is investigated. By alternately solving the Navier-Stocks equations and the Reynolds equation, the new iteration method can trace the variations of velocity field and pressure field with time. Based on this, the mixed-lubrication model suitable for the piston skirt of high engines is proposed. By introducing the inertia coefficient, the new lubrication model includes the inertia term in oil film. The model can be also used to solve for the lubrication performances of a piston skirt in low or medium speed engines and for lubrication problem in general excluding the inertia term of oil film , when the inertia coefficient is put equal to zero. The calculation results show that the influence of oil film inertia on the friction force increases with the ratio of the piston skirt's length to its diameter, the inertia coefficient and the eccentricities of the lower and the upper piston skirt, with other conditions kept constant, while the influence of it on the load capacity of oil film is small.

转速对航空动力装置动力性能和经济性能的影响

为探究发动机转速对某中空长航时无人机动力装置的动力性能和经济性能的影响,结合发动机速度特性曲线、耗油率特性曲线、高空特性曲线及螺旋桨效率曲线,在某无人机飞行速度范围内,选取典型发动机油门匹配不同发动机转速,通过理论计算与试验相结合的方法,评估动力性能和经济性能的变化情况。研究表明:对于所研究的航空动力装置,在所研究的发动机转速范围内,推力随着发动机转速的增加而增大,单位推力耗油率则随着发动机转速的增加先减小后增大,即存在最经济转速,且发动机油门位置越大,对应的最经济转速也越高。为保证动力性能和经济性能,各油门设定的转速应避免设置在最经济转速之下。对于所研究的航空动力装置,在最大连续工况条件下,当飞行速度一定时,动力装置的推力、螺旋桨效率随着飞行高度的增加而降低,单位推力耗油率则随着飞行高度的增加先增加后降低。在飞行高度一定时,动力装置的推力随着飞行速度的增加而降低,而螺旋桨效率、单位推力耗油率则随着飞行速度的增加而上升。

超高速激光熔覆影响细长活塞杆弯曲变形的仿真分析与试验

目的针对细长活塞杆在超高速激光熔覆过程中产生变形的问题,开展热-结构耦合的数值模拟和试验研究。方法采用高斯热源和单向耦合方式,建立细长活塞杆超高速激光熔覆的热-结构耦合仿真分析模型,探讨活塞杆在不同功率和扫描速度下瞬态温度和应力分布的演化过程。构建超高速激光熔覆细长活塞杆变形的试验测试方案,提出9组激光熔覆工况参数,并将试验测试结果与有限元仿真进行对比。结果在激光功率相同时,熔池形貌随扫描速度的增大而发生变化,其等温线呈现彗星状,活塞杆表面上的温度变化曲线要经历3个峰值,然后冷却至室温,最后趋于稳定。熔池区域的等效应力值最大,且会随激光光源的轴向移动而发生演化,而涂层与基体结合界面处的等效应力在极短时间内会经历先升后降的多次循环,然后趋于稳定。沿活塞杆轴向的等效应力呈现两端高、中间低且顶尖端最大的趋势,等效应力值均随激光功率的增加而增大,其应力差值与活塞杆的变形量相对应。当功率为3500 W、扫描速度为25 m/min时,应力差值最小,且变形量也最小。结论热应力是引起活塞杆轴向应力分布变化的主要影响因素,轴向等效应力的差值决定着活塞杆变形量的大小,所得结论可为细长轴类零件表面处理的超高速激光熔覆工艺参数选取提供指导。

轴向柱塞泵热特性及热力学建模实验研究

针对轴向柱塞泵在高压和高速工况下发热过快的问题,对柱塞泵热特性和热力学建模进行了仿真分析与实验研究。首先,在摩擦副发热理论基础上,考虑了泵内油液搅动摩擦与轴承摩擦发热源,研究了柱塞泵内发热机理和传热分析的热特性理论;然后,根据柱塞泵部件复杂和固流态域区分度高的特点,阐述了所采用的控制体积法原理,将泵划分为5个控制体积后,建立了以各个控制体温度变化为导向的热力学模型;最后,采用光纤光栅温度传感器和蓝牙无线温度传感器,针对不同的控制体节点设计了传感器封装结构和布置方法,共同组成了轴向柱塞泵在线热监测系统,并进行了在不同压力条件下的对照实验,对理论模型进行了有效性验证与分析。研究结果表明:对比实验和仿真结果,模型温度变化与实际误差值在5%左右,验证了该模型能准确地反映和预测泵热力学变化过程。该结果为柱塞泵热力学状态监测提供了故障诊断基础,并为液压系统热管理系统设计提供了理论基础和设计依据。

高压宽转速斜盘转动轴向柱塞泵设计

电机驱动的变转速轴向柱塞泵有极大的技术优势与产业价值。开发了一种适用于变速驱动的高压轴向柱塞泵,其采用缸体静止、斜盘转动、摆动配流的结构形式,可大幅度降低传统柱塞泵三大摩擦副的摩擦。介绍了该新型柱塞泵的结构,开发了47 mL/r排量的泵样机,测试了该泵的压力、流量脉动和容积效率。结果表明,在200~1500 r/min运行时,该新型柱塞泵的容积效率为95%~98%,压力脉动为4%~8%,具有转速范围宽、容积效率高、流量脉动小等优势,为变转速轴向柱塞泵的设计提供了借鉴。

新型高转速柱塞泵转速变化压力特性研究

为了研发高转速、高流量的燃油泵,以新型双斜盘柱塞泵为原型,搭建其流域简化数值仿真模型,研究不同转速下柱塞腔压力脉动机制及演变规律。对比不同转速下柱塞泵压力脉动,探究转速变化对压力大小影响;结合柱塞泵旋转过程中柱塞腔和配流盘的位置和压力变化,研究运行过程中柱塞腔内部压力波动成因。结果表明:随着转速的增加,柱塞腔内部各点压力值提高,但整体压力波动趋势一致;柱塞腔内部压力波动受到与配流盘接触情况和柱塞泵活塞一侧往复运动的影响。

电液伺服控制柱塞泵转速干扰及控制策略研究

为克服电机转速对电液伺服控制变量轴向柱塞泵输出特性产生的干扰问题,建立电液伺服控制轴向柱塞泵系统的Simulink-AMESim仿真模型,以恒流量为评价指标研究电机转速干扰条件下电液伺服控制变量柱塞泵恒流量控制的输出特性,分别利用传统PID及模糊自适应PID控制策略对电液伺服控制变量柱塞泵进行抗干扰控制,获得不同类型干扰情况下电液伺服控制变量泵系统的输出特性曲线。仿真结果表明:恒流量控制下,电液伺服控制变量柱塞泵的流量波动为3.80 L/min,当电机转速分别存在正弦波、方波及三角波脉冲扰动工况时,流量波动分别上升至9.34 L/min、9.59 L/min、4.52 L/min。分别利用PID及模糊自适应PID对电液伺服控制变量柱塞泵进行抗干扰控制,流量波动分别降低了3.41 L/min和5.90 L/min。

高铁制动系统用活塞铸件工艺开发

高铁制动系统中的活塞,全身X射线探伤和MT/PT探伤,要求缺陷等级不超过2级,铸件加工后要求所有加工区域无可视缺陷。初始的铸造工艺主要在铸件精加工后的“碗底”区域出现可见的缩松缺陷。为了解决铸造缺陷,通过使用3D打印砂壳在铸件底部放置隔砂冷铁、使用MAGMASOFT铸造模拟软件的DOE分析功能布设冷筋等措施均无法根本解决“碗底”缩松问题,最终借助MAGMA软件在模拟分析后采用填平“碗底”的方案,通过粗加工去掉缺陷的方式,产品最终开发成功。

不同转速下轴向柱塞泵效率分析与研究

应用相似原理,推导出几何相似的轴向柱塞泵容积效率和机械效率的无因次变量表达式,根据已有参数计算出不同转速下泵的效率,为液压系统节能控制提供数据支持。

基于一维计算模型的斜盘式柱塞泵流动特性分析

斜盘式柱塞泵广泛应用在直升机疲劳试验的液压系统中,其流动特性对液压系统稳定性有着至关重要的作用。文中使用立体几何方法分析了斜盘式柱塞泵柱塞运动轨迹,基于图形解析法推导了过流面积公式,并编写相应Matlab程序实现吸排油过流面积自动化计算;构建了考虑流量倒灌及泄漏的单柱塞流动模型,结合AMESim软件实现柱塞泵三维计算模型向一维计算模型的转变;依据初始工况计算结果分析了柱塞泵的流动特性及其产生流量脉动的原因,并使用基于计算流体力学(CFD)方法的三维模型所获得的流量脉动计算结果验证了一维计算模型的准确性。在此基础上分析了不同运行工况(包含运行温度、工作压力及柱塞泵调节参数)对出口流量脉动率的影响,从降低流量脉动率进而提高直升机疲劳试验精度的角度分析了试验中柱塞泵调节控制要点。文中提出的一维计算模型可显著提高柱塞泵仿真计算速率,便于后续柱塞泵的改进设计以及将其作为子系统添加到虚拟数字试验平台中。

高铁地下车站隧道空间活塞风动态演化规律研究

利用隧道活塞风可以显著降低通风系统能耗,改善隧道内部环境.本文以粤东城际铁路项目中山路隧道时代广场站为工程背景,采用FLUENT动网格技术模拟列车进出站过程,分析站内隧道中活塞风量的纵向分布、活塞风量随列车运行状态的变化以及通风井风量的变化情况.研究结果表明,活塞风速在同一时间点随纵向距离变化不大,最大平均风速约为5.5 m/s;在匀速运动状态和早期减速运动状态下,活塞风量显著增大,最大活塞风量约为125 m3/s;在减速运动后期和静止状态下,活塞风量显著减小.在加速运动状态下,活塞风量增大,且增大速率逐渐加快.通风井风量的变化与活塞风量的变化相似,通风井在列车加速运动后期由排气变为吸气.研究结果可为高铁地下车站隧道空间活塞风的有效利用提供有益参考.

Research on Effect of Oil Film Inertia on Piston Skirt by Iteration Method

The influence of oil film inertia on piston skirt lubrication in a high speedengine is investigated by an iteration method that alternately solves the Navier-Stocks equationsand the Reynolds equa-tion by finite element method and difference method. The Reynolds lubricationequation including oil film inertia is developed, in which the inertia coefficient is introduced toinvestigate the effect of oil film inertia. The iteration procedure and finite formulation ofsolving the new Reynolds lubrication equation are given to analyze the effect of oil film on pistonskirt in this kind of engine. The calculation results show that the oil film inertia has someeffects on the friction force, pressure force and load capacity of oil film and its effect isobvious for the last. The Reynolds lubrication equation proposed can be also used to analyze thelubrication performance of the piston skirt in low or medium speed engine and some other lubricationproblems generally excluding oil film inertia with the inertia coefficient being set at zero.

自增压高速航空柱塞泵前置诱导轮及涡轮组件的设计与仿真

为减轻高速航空柱塞泵的空化现象,提出了一种带前置诱导轮及涡轮的自增压高速航空轴向柱塞泵结构。以0.3 MPa的增压值为目标,根据柱塞泵的工况参数以及边界条件确定了离心涡轮和诱导轮的参数,并通过流场数值仿真研究了有/无诱导轮以及不同诱导轮结构和参数对离心涡轮的水力性能和抗气蚀能力的影响。结果表明:增加诱导轮可使离心涡轮的抗气蚀能力增强48.5%,扬程提高3.4%;诱导轮几何参数的改变主要影响了离心涡轮的抗气蚀能力,三叶片诱导轮比四叶片诱导轮的抗气蚀能力强24.8%;圆锥形诱导轮比圆柱形诱导轮抗气蚀能力强14.7%;1 mm轮缘叶片厚度抗气蚀能力最强,比2 mm与3 mm分别增强了11.8%,31.1%。研究结果可为高速航空柱塞泵诱导轮涡轮组件的设计提供理论参考。

摩擦焊转速对锻钢活塞组织和性能的影响

采用摩擦焊接工艺研究了摩擦焊转速对焊接接头组织和性能的影响。研究结果表明:锻钢活塞焊接前焊接面存在较严重的带状铁素体。当转速较低(1 000 r/min)时,焊缝处的带状铁素体未完全发生相变;当转速较高(1 210 r/min)时,焊缝处形成针状马氏体。当转速较低或较高时,焊接试样在折弯试验中从焊缝中心处发生断裂;当转速适中(1 141 r/min)时,焊接试样在折弯试验中合格。在焊缝中心的断裂为脆性断裂,在热影响区外的断裂为韧性断裂。

基于空化特性的高速轴向柱塞泵配流盘优化设计

以某型号高速轴向柱塞泵为研究对象,搭建其带空化模块的CFD数值仿真模型,并以此为基础,对柱塞泵在旋转过程中的空化情况进行分析。结果表明:空化主要发生在柱塞腔内,充液率不足及射流角过大是发生空化的主要原因。针对空化的产生机制,利用仿真数据与理论数据相结合的方法,对配流盘开口角度进行优化。根据流场情况,提出一种两端具有一定斜度的配流盘结构,并对该结构进行优化。在配流盘开口角度和结构优化后,柱塞腔内的整体空化程度下降了74.2%,对空化具有明显的抑制效果。

高转速轴向柱塞泵斜盘力矩分析

以某型航空高转速轴向柱塞泵为研究对象,在考虑滑靴柱塞组件往复运动惯性效应下,分析转速对斜盘力矩及斜盘合力作用点轨迹的影响规律。结果发现:随转速增大,在绕斜盘变量方向,斜盘交变力矩使斜盘倾角向增大方向偏移,逐渐不再过零,且力矩峰值呈指数规律增大;转速对绕其他两坐标轴方向斜盘力矩的影响不大;斜盘合力作用点轨迹随转速升高向斜盘平面下死点区域移动,转速增大有助于斜盘向排量增大方向运动且有利于减小斜盘因力矩交变过零引起的振动。

微型高速轴向柱塞泵转子系统力矩损失仿真分析

微型高速轴向柱塞泵转子系统在充满油液的壳体内高速旋转时,产生较大的力矩损失,影响柱塞泵的效率。首先,建立了轴向柱塞泵转子系统力矩损失仿真模型。其次,分析了其力矩损失组成和柱塞泵转速与斜盘倾角对其力矩损失的影响。最后,通过不同切片位置下柱塞泵转子系统油液速度场和压力场分布特点,分析了其力矩损失。结果表明:转子系统压差力矩损失约为其黏性摩擦力矩损失的11倍,其中,柱塞-滑靴压差力矩损失约占70%;随着转角的变化,压差力矩损失波动较大,黏性摩擦力矩损失几乎保持稳定。油液压力呈梯形分布且51.4°周期性剧烈波动,由旋转中心到壳体内壁压力逐渐增大;同时,靠近出油口和下止点位置处,油液压力较小。

非惯性系下柱塞腔空化及腰形孔结构参数敏感性分析

为适应轴向柱塞泵高速化发展趋势,建立了非惯性系下腰形孔压降理论模型,依托柱塞泵CFD仿真模型,进行了柱塞腔压力分布、空化研究及腰形孔参数敏感性分析。研究结果表明:柱塞泵运行工况对柱塞腔空化程度有一定影响,气体体积分数随着转速的升高和入口压力的降低而增大。高转速下,柱塞腔内部流体出现较大的轴向和径向压力梯度,压力分布情况恶劣,部分低压区域出现空化现象。改变腰形孔径向倾角、高度、切向偏转角、入口倒角和出口倒角等结构参数,可有效降低柱塞腔空化程度。

活塞速度对液压缸缓冲特性的影响分析

液压缸在缓冲过程中,内部液压油受到挤压而形成非定常的流动,会对液压缸的工作性能及液压系统的稳定性造成影响。采用数值模拟方法对某三级液压缸在收回过程中的缓冲特性进行数值模拟分析,分析活塞以不同速度进入缓冲区后液压缸内油液的流动情况。结果表明:活塞端面进入缓冲套后,从缓冲腔中挤出的油液的压力及速度都增大,并在缸底的缓冲腔内形成较大的漩涡,阻碍活塞的运动;当活塞收回速度较大时,活塞端面靠近缓冲套时,受到挤压而从缓冲区内挤出的流体会在与出油口相连的油腔内形成两个较大的漩涡,大漩涡的破裂会引起缓冲间隙内油液的速度及压力波动。计算结果能够为液压缸缓冲结构的设计及优化运行提供指导。