雙作用葉片泵吸油口角度的優(yōu)化方法

景 玲,單凱凌，黃 煜

(重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402760)

0 引 言

對(duì)于雙作用葉片泵油道的研究，吸油口的角度位置是葉片泵的重中之重，會(huì)直接影響脈動(dòng)率的大小，氣蝕以及泄漏現(xiàn)象，且相關(guān)文獻(xiàn)無從查詢，在實(shí)際的臺(tái)架試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，不同吸油口角度出現(xiàn)了的噪音及磨損有明顯不同，所以此項(xiàng)研究對(duì)葉片泵的正向設(shè)計(jì)及優(yōu)化有重要意義。

1 吸、排油角度分析

1.1 雙作用葉片泵工作原理

雙作用葉片泵由配油盤、轉(zhuǎn)子、定子、軸、殼體組成，如圖1所示，雙作用葉片泵的定子與轉(zhuǎn)子同心，定子內(nèi)表面是由兩段大徑R，兩端小徑r的工作曲線以及四段過渡曲線而組成，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片會(huì)隨著離心力和葉片底部的高壓油(葉片泵建立液壓后)甩出，緊貼定子內(nèi)表面，并在葉片槽內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)葉片由小徑r處向大徑R運(yùn)動(dòng)時(shí)，則兩葉片間的容積逐漸增大，形成局部真空而吸油，當(dāng)葉片由大徑R向小徑r運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩葉片間的容積逐漸減小而排油，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈，葉片在槽內(nèi)往復(fù)兩次，形成兩次吸排油，這便是雙作用葉片泵的工作原理[1]。

1.2 排油角度分析

當(dāng)兩葉片間的容腔正好落在小徑r處時(shí)，容腔最小，葉片隨著轉(zhuǎn)子從小徑r部分開始向大徑R部分運(yùn)動(dòng)時(shí)，容腔開始變大，會(huì)形成真空，開始吸油[2]。下面以12個(gè)葉片的葉片泵為例，以驅(qū)動(dòng)軸中心為圓心，如圖2所示，當(dāng)葉片之間的區(qū)域在小徑r范圍內(nèi)，即從X軸轉(zhuǎn)過15°時(shí)，容腔開始變大形成真空腔，即理論的吸油腔位置這個(gè)角度開始，當(dāng)兩葉片與Y軸夾角為15°，容腔落在大徑R范圍內(nèi)時(shí)，形成最大容腔，吸油結(jié)束，理論吸油腔也在此終止。

圖1 雙作用葉片泵結(jié)構(gòu) 圖2 理論吸、排油油腔設(shè)計(jì)

當(dāng)兩葉片間的容腔正好落在大徑R處時(shí)，容腔最大，葉片隨著轉(zhuǎn)子從大徑R開始向小徑r運(yùn)動(dòng)時(shí)，容腔開始變小，對(duì)油液擠壓，此時(shí)開始排油，如圖2所示，當(dāng)葉片之間的區(qū)域在大徑r范圍內(nèi)，即從Y軸轉(zhuǎn)過15°時(shí)，容腔開始變小準(zhǔn)備排油，當(dāng)兩葉片旋轉(zhuǎn)至與X軸夾角為15°時(shí)，容腔落在小徑r范圍內(nèi)時(shí)，形成最小容腔，排油結(jié)束，理論排油腔也在此終止。

理論中的吸、排油腔夾角為30°，但在實(shí)際應(yīng)用中，理論夾角往往容易產(chǎn)生高壓腔向低壓腔迸發(fā)泄漏，使油泵的流量脈動(dòng)率加大，所以高低壓腔的夾角應(yīng)大于30°，而高壓腔(排油腔)需滿足完全卸油，否則到達(dá)吸油腔時(shí)，高壓油沖出，影響吸油，且使油泵扭矩增加，故排油腔角度不可改變；吸油腔油壓低，可適當(dāng)縮短吸油腔角度，現(xiàn)通過仿真的方法，優(yōu)化吸油角度，達(dá)到降低油泵脈動(dòng)率的結(jié)果。

2 吸油腔位置角度優(yōu)化計(jì)算

油泵出口處的流量脈動(dòng)率是評(píng)價(jià)油泵性能好壞的最重要指標(biāo)，油泵在工作時(shí)，一對(duì)葉片之間的容腔隨著定子曲線的而變化的過程中，完成吸油和排油的過程，但由于油腔的急劇變小使得油品被急速 “擠出”，整個(gè)過程是不連續(xù)的，這便是造成油泵流量呈脈動(dòng)的原因。葉片泵工作時(shí)，轉(zhuǎn)子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且各個(gè)葉片均勻的分布在轉(zhuǎn)子上，故產(chǎn)生的流量脈動(dòng)呈周期性變化，通常，評(píng)價(jià)油泵的性能用脈動(dòng)率σ(流量不均勻性)來評(píng)價(jià)。當(dāng)吸油腔角度為最優(yōu)時(shí)，油泵流量脈動(dòng)率一定為最小，現(xiàn)以12葉片的葉片泵為例，葉片夾角為30°，理論吸油腔與X軸夾角α=15°，結(jié)束部分與Y軸夾角為β=15°(如圖3)。

圖3 吸油腔位置角度

2.1 數(shù)模建立與網(wǎng)格劃分

數(shù)模通過UG軟件進(jìn)行建立，將葉片泵內(nèi)的有效油腔提取出，包括兩個(gè)出口區(qū)、吸油區(qū)域及旋轉(zhuǎn)區(qū)域三部分(如圖4)，并將其轉(zhuǎn)換為面文件STL導(dǎo)入到CFD軟件中。

對(duì)于油泵旋轉(zhuǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)形式，用結(jié)構(gòu)化動(dòng)網(wǎng)格劃分，其他兩部分采用二叉樹方法快速生成笛卡爾網(wǎng)格，共201865單元，495286個(gè)節(jié)點(diǎn) 。

2.2 邊界條件

(1) 計(jì)算模型選擇目前工程中較為廣泛的湍流模型；

(2) 計(jì)算三周，第一周計(jì)算收斂精度為0.1，第二周加嚴(yán)到0.01，第三周收斂精度0.001；

(3) 計(jì)算模型使用Vane模型；

(4) 入口邊界和出口邊界均設(shè)為一個(gè)大氣壓，溫度為90 ℃；

(5) 模型中，轉(zhuǎn)子部分設(shè)為結(jié)構(gòu)化動(dòng)網(wǎng)格，其他設(shè)為普通笛卡爾網(wǎng)格；

(6) 如圖4所示，設(shè)置吸油口，出油口，旋轉(zhuǎn)區(qū)域，其他設(shè)為壁面邊界條件。

圖4 數(shù)模建立及網(wǎng)格劃分

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1脈動(dòng)率計(jì)算

基于pumplinx專業(yè)的泵閥軟件，通過對(duì)比油泵最主要的性能指標(biāo)脈動(dòng)率σ來判斷優(yōu)化過程。[3]

脈動(dòng)率計(jì)算公式：

式中：Qmax為流量最大值；Qmin為流量最小值。

仿真設(shè)計(jì)中，將吸油腔位置角度α和β在理論范圍內(nèi)組合并分別計(jì)算出兩個(gè)出口的流量脈動(dòng)率σ1、σ2(如表1)，吸油腔位置角度α和β分組如下：理論值為α=15°，β=15°如圖5(a)；將開始吸油延遲，形成短時(shí)間的真空即α=15°～19°，β=15°如圖5(b)；結(jié)束吸油提前，即α=15°，β=15°～21°如圖5(c)；將開始吸油延遲，結(jié)束吸油提前α>15°,β>15°(如圖5(d)、5(e)。

由結(jié)果可知，α=15°，β=15°；α=19°，β=21°；α=21°，β=23°三組角度的脈動(dòng)率較小，油泵性能比較好。

表1 各個(gè)角度的流量脈動(dòng)率的計(jì)算結(jié)果

2.3.2氣蝕計(jì)算

油泵氣蝕過程就是流動(dòng)的液體產(chǎn)生氣泡并隨后發(fā)生破裂的過程，當(dāng)流體的絕對(duì)速度增加，由于流體的靜壓力下降，對(duì)于一定溫度下流體的某些特定的質(zhì)點(diǎn)來說，雖然無熱量自外部輸入，但他們已經(jīng)達(dá)到了氣化壓力，氣泡就會(huì)迅速破裂，產(chǎn)生巨大的屬于內(nèi)向爆炸性值得冷凝沖擊，導(dǎo)致避免材料受損。

經(jīng)計(jì)算得出氣蝕能量云圖，如圖6所示，當(dāng)α=15°、β=15°，α=15°、β=21°，α=19°、β=21°時(shí)，氣蝕能量相對(duì)小，油泵性能相對(duì)優(yōu)化。

圖5 各吸油口角度脈動(dòng)率

2.3.3泄漏計(jì)算

經(jīng)過脈動(dòng)率及氣蝕的計(jì)算對(duì)比，得出當(dāng)α=15°、β=15°，α=19°、β=21°性能較好，但從泄漏計(jì)算(如圖7)結(jié)果得知，α=15°，β=15°時(shí)，泄漏量均值為0.22 L/min，當(dāng)α=19°、β=21°時(shí)，泄漏量均值為0.17 L/min，故α=19°、β=21°更優(yōu)化。

圖6 各角度的油泵氣蝕情況

圖7 泄漏曲線

3 結(jié) 論

雙作用葉片泵吸油口的位置角度和開口角度在很大程度上影響油泵性能，利用Pumplinx分析軟件，對(duì)吸油角度在理論范圍內(nèi)分組，通過評(píng)價(jià)脈動(dòng)率、氣蝕和泄漏量等參數(shù)，對(duì)油泵性能進(jìn)行較全面的評(píng)價(jià)，當(dāng)吸油口角度開始時(shí)延遲，結(jié)束時(shí)提前，會(huì)使油泵性能更優(yōu)化，但延遲不得超過4°左右，結(jié)束提前不得超過6°左右。