轉套式配流系統(tǒng)閉死角對工作脈動的影響研究

張延君 張洪信 趙清海 王新亮 程前昌

摘要： 為了降低轉套式配流系統(tǒng)在轉換過程中出現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象和噪聲，本文根據(jù)配流系統(tǒng)配流特征，分析了泵腔在兩個階段中閉死升壓和降壓的數(shù)學模型。同時，為改善配流系統(tǒng)工作中液壓沖擊現(xiàn)象，選取最佳閉死角，并利用仿真軟件Fluent，對配流系統(tǒng)工作循環(huán)中流量和壓力變化進行數(shù)值模擬。仿真結果表明，當閉死壓縮角為3°時，對流量特性及泵腔壓力脈動的影響最小，且最接近理論分析；在任意膨脹階段，泵腔內部都出現(xiàn)了不同程度的空化現(xiàn)象，且膨脹角越小，流量脈動越大，綜合考慮膨脹角選取2°最合適。該研究為轉套式配流系統(tǒng)確定閉死角的大小提供了理論依據(jù)。

關鍵詞： 轉套式配流系統(tǒng)； 閉死階段； 壓縮角； 膨脹角； 仿真分析

中圖分類號： TH137.51文獻標識碼： A

收稿日期： 20170509； 修回日期： 20170826

基金項目： 國家自然科學基金資助項目（51575286）；山東省自然科學基金資助項目（2014ZRB01503）

作者簡介： 張延君（1992），女，山東濟南人，碩士研究生，主要研究方向為泵的結構設計及流體仿真。

通訊作者： 張洪信（1969），男，山東濰坊人，博士，教授，主要研究方向為車輛新型動力傳動及其電子化。Email： qduzhx@126.com往復柱塞泵具有大功率密度和高極限壓力的特點，廣泛應用于移動機構和液壓系統(tǒng)中[15]。而轉套式配流系統(tǒng)是一種結構緊湊、密封性好的新型配流系統(tǒng)[67]，其原理是利用柱塞的往復運動，驅動轉套單向轉動，實現(xiàn)配流功能[811]。為優(yōu)化整個系統(tǒng)的結構性能，需研究往復柱塞泵轉套式配流系統(tǒng)閉死角大小對流量特性的影響。目前，傳統(tǒng)柱塞泵配流系統(tǒng)對流量特性的影響已有許多研究成果。尹方龍等人[12]研究了水壓軸向柱塞泵配流盤預升壓角的改變對流量特性的影響，發(fā)現(xiàn)預升壓角為20°時，泵的流量特性最佳，但該研究未涉及預卸壓對流量特性的影響；徐兵等人[13]考慮柱塞移動、流體特性及泄露問題的影響，對不同預壓縮量進行研究，通過在不同工作條件下，分析預壓縮量對流量脈動的影響，但該項研究忽略了空化效應對柱塞泵流量特性的影響；阮俊等人[14]考慮封閉加壓角對純水軸向柱塞泵封閉加壓型配流盤高壓范圍角的影響，但沒有研究泵的流量特性與高壓范圍角的關系?；诖?，本文考慮空化效應和水介質的屬性對流體特性的影響[12]，研究轉套式配流系統(tǒng)閉死角對工作脈動的影響，從而確定閉死角的大小。該研究在一定程度上降低了流體振動，減小了系統(tǒng)噪聲，提高了工作性能。

1配流系統(tǒng)的配流過程

當泵腔由進油腔轉換至排油腔瞬間，低壓油送入排油腔，瞬間便會被壓縮，高壓腔中的油液瞬間向工作腔倒流，通常稱為液壓回沖，形成油擊。同樣，泵腔由排油腔轉換至進流油腔瞬間，處于閉死容積中的高壓油無法排凈，瞬間和進油腔接通，同時也會瞬時膨脹，形成噪聲[1517]，為了降低這種有害現(xiàn)象，必須降低液壓回沖，利用閉死角的大小可使泵腔壓力在排流質腔與進流質腔之間平穩(wěn)過渡，盡量不產生壓力沖擊，而且封閉加壓設計可避免油液倒灌現(xiàn)象[1819]。傳統(tǒng)的軸向柱塞泵配流盤結構如圖1所示，具體特征為非對稱正遮蓋度無減振槽的配流盤。圖1中，θ0為斜盤上下死點連線OY與配流盤兩配流腰糙之間的過渡區(qū)中心線ON的夾角，成為錯配角[16]。一般情況下，配流盤安裝時向轉子旋轉方向偏轉一個角度，這個角度就是上述所說的錯配角，但轉套式配流系統(tǒng)并無安裝時的偏轉角度，所以該角度在配流系統(tǒng)中不會出現(xiàn)；而Δθ1和Δθ2分別為閉死壓縮角和閉死膨脹角。

將軸向柱塞泵角度分析運用到配流系統(tǒng)中，帶減振槽的轉套式配流系統(tǒng)配流結構如圖2所示。圖2中，進流質腔與排流質腔為非對稱分布，但安裝時配流無偏轉角度；φ0為配流口對應的中心角；Δφ1和Δφ2分別為閉死壓縮角和閉死膨脹角。

配流系統(tǒng)在柱塞上止點位置進入閉死壓縮階段，轉套在Δφ1中完成閉死壓縮階段后接著與排流質腔接通，在柱塞下止點位置進入閉死膨脹階段后接著與進流質腔接通。

2配流系統(tǒng)泵腔閉死升壓和釋壓計算

柱塞在上止點位置泵腔內流質體積為

V=πd24h+h0（1）

式中，d為柱塞直徑，mm；h為除余隙容積外泵腔高度，mm；h0為余隙容積的高度，mm。

柱塞在上止點位置時泵腔壓縮過程處于下行階段，在Δφ1角度內泵腔壓縮體積為

ΔV=πd24x（2）

其中

x=S2（1-cos φ）（3）

式中，x為柱塞的軸向位移，mm；S為柱塞行程，mm；φ為轉套轉角，rad。流質被封閉壓縮時，泵腔內壓力升高為

ΔP=EΔVV（4）

式中，E為流質的彈性模數(shù)，MPa。

將式（1）和式（2）代入式（4），得柱塞泵腔內閉死壓為

ΔP=ES（1-cos φ）/2（h+h0）（5）

同理，柱塞在下止點位置時泵腔膨脹過程處于上行階段，進入閉死膨脹階段時流質體積為

V=πd24h0（6）

在Δφ2角度內，柱塞泵腔壓縮體積為

ΔV=πd24x（7）

將式（5）和式（6）代入式（4），得柱塞泵腔內閉死壓為

ΔP=ES（1-cos φ）/2h0（8）

Δφ1和Δφ2的角度隨進、出流質口壓差大小的改變而設計，具體角度大小還需進行流體仿真驗證。

柱塞的閉死升壓和閉死釋壓過程是將泵腔內低壓流質預升到高壓流質或將高壓流質預降到低壓流質，這樣保證接通時無壓差或壓差較小的存在，極大地降低液壓沖擊和噪聲。但這種方法只用于泵在排量和工作壓力確定時，一旦工作壓力改變，預升壓力和預釋壓力無法隨之改變，將會因壓差而引起脈動和沖擊。

3配流系統(tǒng)預升壓和釋壓仿真分析

為改善配流系統(tǒng)工作中液壓沖擊現(xiàn)象，利用閉死角的壓力壓縮和膨脹作用，將流質聯(lián)通時的壓差減小，但配流過程需進行流體仿真才能具體分析流場內部壓力、流量與閉死角大小的關系，所以利用仿真軟件Fluent，進行流動模擬[20]配流系統(tǒng)工作循環(huán)中流量和壓力的變化。

3.1理論分析

仿真前，利用泵腔閉死升壓、降壓公式計算閉死角與壓力的關系，不同閉死角的壓力變化如表1所示。根據(jù)不同壓縮角、膨脹角大小，計算出升壓、降壓的變化，再結合仿真結果分析工作脈動最佳的閉死角大小。由表1可表1不同閉死角的壓力變

壓縮角

/（°）升壓/MPa膨脹角

/（°）降壓/MPa30.461.00.6440.811.51.4451.272.02.5661.832.54.0072.483.05.70以看出，升壓與降壓值根據(jù)進、出口壓差的不同要求隨之變化，理論上若壓差偏大，則應選取較大壓縮角和膨脹角；若壓差偏小，則應選取較小壓縮角和膨脹角，盡量減小壓差。另外，壓縮角和膨脹角的大小會影響流量倒灌現(xiàn)象，由于減振槽的原因，配流口會將進出流質口接通，降低一定的容積效率，但持續(xù)時間極短，影響較小。

3.2仿真分析

在取值范圍內，分別選取不同Δφ1和Δφ2，計算不同角度與進口流量、出口流量、泵腔壓力的關系，配流系統(tǒng)不同閉死角工作脈動特性如圖3所示。分別根據(jù)膨脹角、壓縮角與工作脈動的關系具體分析，仿真過程選取的進口壓力為01 MPa，出口壓力為2 MPa，則進出口最大壓差為19 MPa。

圖3配流系統(tǒng)不同閉死角工作脈動特性3.2.1壓縮角仿真分析

不同壓縮角在閉死壓縮階段中，不同閉死壓縮角工作脈動特性如圖4所示。由圖4a可以看出，當壓縮角為7°時，有明顯的流量沖擊，最高可達25×10-3 m3/s，其余角度無明顯沖擊；由圖4b可以看出，出口流量脈動沖擊最大的壓縮角同樣是7°，且出現(xiàn)持續(xù)時間約為005 s的流量倒灌，雖然時間較短，但仍然能對配流系統(tǒng)的工作產生一定影響；由圖4c可以看出，壓縮角為7°時，泵腔壓力沖擊最明顯；且除了角度7°壓力沖擊最明顯，其余角度隨度數(shù)減小，壓力沖擊依次減小。

圖4不同閉死壓縮角工作脈動特性綜上所述，配流系統(tǒng)在壓縮階段壓縮角為7°時，對流量和壓力均有較大影響；壓縮角為5°和6°時，只對泵腔壓力有部分影響；3°和4°時，壓縮角對流量和壓力無明顯影響。根據(jù)表1的理論分析，壓縮角為4°時更接近理想壓差，另考慮泄露因素的影響，壓縮角選取3°最合適。

3.2.2膨脹角仿真分析

不同閉死膨脹角工作脈動特性如圖5所示。由圖5a可以看出，不同膨脹角所對應的進口流量均有明顯沖擊現(xiàn)象，說明壓力瞬間降低可能發(fā)生空化現(xiàn)象；壓力降至飽和蒸氣壓以下（水的飽和蒸氣壓為2 339 Pa），表示有空化現(xiàn)象發(fā)生，且25°膨脹角空化現(xiàn)象最明顯，15°和3°膨脹角空化現(xiàn)象最弱。出口壓力作為配流系統(tǒng)的工作壓力，其壓力沖擊和脈動大小對配流系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響尤為重要；由圖5b可知，膨脹角為3°時，流量脈動最小，所以變化規(guī)律應為膨脹角越小流量脈動越大；由圖5c可以看出，泵腔壓力變化過程整體沖擊不大，壓力脈動較小，但壓力在某一時間段內都出現(xiàn)將至飽和蒸汽壓以下的情況，所以所有膨脹階段都出現(xiàn)不同程度的空化現(xiàn)象。

總之，配流系統(tǒng)在膨脹階段所有膨脹角都出現(xiàn)不同程度的空化現(xiàn)象，25°膨脹角出現(xiàn)的空化最明顯，而且膨脹角越小對出口流量脈動影響越嚴重，所以在壓力選取為本文所述的情況下，膨脹角選取3°最合適，但根據(jù)表1的理論分析，壓縮角為2°或15°時，更接近理想壓差，另考慮泄露因素的影響，壓縮角選取2°較為合適。

圖5不同閉死膨脹角工作脈動特性4結束語

根據(jù)斜盤式軸向柱塞泵的配流角度分析方法，研究轉套式配流系統(tǒng)配流過程中閉死階段的角度分布，分析出配流系統(tǒng)存在閉死壓縮階段和閉死膨脹階段，根據(jù)兩個閉死階段的壓力瞬變過程，推導出泵腔內部壓力變化的數(shù)學模型；結合數(shù)學模型理論分析，運用流體仿真技術對配流系統(tǒng)進、出口流量、泵腔壓力的工作脈動特性數(shù)值模擬分析，根據(jù)分析結果推導并選取最佳閉死壓縮角和閉死膨脹角。仿真結果表明，當壓差為19 MPa、閉死壓縮角為3°時，對流量特性及泵腔壓力脈動的影響最小，且最接近理論分析，膨脹角在壓縮階段都出現(xiàn)了不同程度的空化現(xiàn)象，且膨脹角越小，流量脈動越大，膨脹角選取2°較為合適。該研究對減少流質內部泄露、降低配流噪聲和振動具有重要意義，為配流系統(tǒng)日后結構優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

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