CFD技術在軸向柱塞泵和馬達開發(fā)中的應用分析

楊豪虎 張嫻

摘要：本文主要介紹了CFD技術的實際應用原理，并且根據計算流體力學相關數據，綜合分析了軸向柱塞泵和馬達進行開發(fā)和研究過程中，結構內部油液流動問題和空化問題，并且以某企業(yè)工業(yè)生產結構中，軸向柱塞泵和馬達的模型試驗以及數值檢測。

Abstract： This paper mainly introduces the practical application principle of CFD technology， and based on the relevant data of computational fluid dynamics， analyzes synthetically the development and research process of axial piston pump and motor， the model test and numerical test of the Axial Piston pump and motor in an industrial production structure were carried out.

關鍵詞：CFD技術;軸向柱塞泵;馬達;動態(tài)網格;數學模型

Key words： CFD technology;axial piston pump;motor;dynamic grid;mathematical model

中圖分類號：TH137.51? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0081-02

0? 引言

近幾年來，我國經濟實力和科學技術層次不斷有所提升，而隨著科學技術的發(fā)展，流體力學的數據應用和模型計算被廣泛的運用在航空航天、自然能源的開發(fā)、建筑行業(yè)的技術提升以及船舶船只的運行系統(tǒng)優(yōu)化等方面上，其技術功能和適用范圍對相關行業(yè)有所提高，起到了重要的作用。

1? CFD技術在軸向柱塞泵和馬達開發(fā)中的應用原理

在軸向柱塞泵和馬達的設備運轉作業(yè)過程中，由于缸體進行高速的旋轉，導致軸向柱塞進行反復的技術運動，最終使軸向柱塞泵中的油液的流動范圍不斷進行形態(tài)變化。而柱塞內部結構腔中的壓力被不斷擠壓、變換，因此除了設備運轉產生摩擦型態(tài)，被認為是層流狀態(tài)以外，大部分的流動區(qū)域皆呈現油液的湍流型態(tài)，最終導致內部結構的局部區(qū)域產生空化現象。為此技術人員可以使用CFD技術，針對軸向柱塞泵和馬達的結構狀態(tài)和油液流動模式進行數據模擬，以此探索其結構的流動特性和壓力特性，從而從根本上優(yōu)化結構配流的整體形態(tài)模式，以此實現在相同工作狀況下盡可能的降低壓力沖擊和氣流侵蝕現象[1]。在實際試驗時，技術人員首先需要忽視軸向柱塞泵和馬達結構中的滑靴副、柱塞副等位置的油液測漏問題，其中油液在軸向柱塞泵和馬達結構內部形成固定的流動區(qū)域，其中流動區(qū)域的確定主要由區(qū)域內部固定的低壓區(qū)域、固定的高壓區(qū)域、固定的配油流副油區(qū)域以及設備運轉時，軸向柱塞泵內部的塞腔區(qū)域等組成。比如：油液自身結構、內腔空氣以及油液產生的油蒸汽等，因此進行數據分析和模型試驗過程中，通常會使用流動范圍比較均勻，自身結構型態(tài)比較復雜的混合型態(tài)進行試驗分析。所以，想要針對軸向柱塞泵和馬達內部油液流動特性進行理論性描述，除了需要結合多項流動的連續(xù)方程式以外，還需要根據結構數據進行湍流模型和空化模型的建立。

由于軸向柱塞泵和馬達結構中，油液流動區(qū)域范圍的進口和出口，其結構邊界通常會設置為壓力的總相出口，以此實現油液湍流現象充分的發(fā)展，但是并不出現空化現象。其中在進行油液流動區(qū)域中，柱塞腔內油液反復運動的端面數據，需要按照油液運動的規(guī)律確定運動壁面系數，保證其他邊界認為其運動模式屬于無滑移模式[2]。為了有效的針對軸向柱塞泵和馬達進行應用開發(fā)，技術人員可以使用通用類型的CFD技術軟件，并且根據兩者數據試驗和模型進行結果計算，然而常見的通用類型一般是在物理模式下，有限體積探索方式和有限單元探索方式作為基礎，其中包括：油液的湍流數據模型與多相流等多重豐富的流體力學模型，而軟件結構中的離散方程模式，由于其數據的計算方式和方法十分豐富，多種多樣，且數據的計算準確度和精準程度較高，因此非常適合專業(yè)人士進行系統(tǒng)操作和技術使用。

為此，經過技術人員和研發(fā)人員的不懈努力，CFD技術對于常見模式下，斜盤模式、斜軸模式的軸向柱塞泵與馬達，可以有效的針對內部結構平面內，配流副流膜流動區(qū)域數據進行相關計算，極大的減少了開發(fā)的失誤率，但是依靠目前的科學技術，還未能把球面配流副油膜、柱塞孔洞以及軸向柱塞泵結構中的主軸夾角問題進行解決[3]。

2? CFD技術的應用特點

CFD技術由于自身的技術結構特點和應用范圍，自身具備較強的技術適應性、應用范圍較廣。

第一，因此在設備與機械馬達結構的開發(fā)中，通常軸向柱塞泵和馬達兩者結構問題的系數方程通常是非線性的，因此公式系數中，自變量與計算領域產生的幾何形狀以及其邊界構成條件比較復雜，如果不經過嚴謹的計算，很難進行數據的解析。但是使用CFD技術可以有效的利用系數公式，尋找到滿足軸向柱塞泵和馬達開發(fā)過程中，所需要的數值解。第二，對于軸向柱塞泵和馬達的開發(fā)工程過程中，還可以利用計算機作基本的數據支持，從而進行各種相關的技術試驗。比如：在兩者進行開發(fā)時，技術人員可以根據馬達的實際需要，進而選擇不同流動數據以及相關參數，進行各項數值的相關試驗。在實際進行方案開發(fā)時，需要選擇不同數據參數，有利于物理方程系數結構中，各項有效性數據的建立和開發(fā)公式數據敏感性的試驗，從而進行開發(fā)和建造方案的比較[4]。第三，在軸向柱塞泵和馬達開發(fā)的過程中，使用CFD技術，可以不受物理數據模型和試驗模型的條件限制，盡可能的減少研究經費和研究實踐，同時利用CFD技術，一定程度上具備較強的數據靈活性，并且通過技術人員的數據探索和試驗，可以第一時間總結出詳細且完整資料，比如：在實際開發(fā)試驗中，技術人員通過模擬軸向柱塞泵和馬達的特殊尺寸、溫度、是否具備毒性、材料是否易燃燒等真實條件，以及在實際環(huán)境實驗中，只能無限接近但是無法達到的理想試驗環(huán)境條件。

但是在軸向柱塞泵和馬達開發(fā)中使用CFD技術，其自身也存在一定的發(fā)展和試驗局限性。

第一，對于CFD技術來說，數值解算法其自身是一種計算出近似數據，并且數據整體模式接近于離散的計算方法。在實際的開發(fā)試驗過程中，過度的依賴于物理結構上的合理性和科學性，同時CFD技術在進行數據試驗和探索時，需要首先依靠計算機進行數值的計算和確定，隨后以此作為基礎，建立離散的數學模型，并且最終過的試驗結果并不能利用任何模式的數字解析或者公式進行表法，唯一可以作為體現的是公式結構，離散點上的數值解，并經常出現數據上的計算誤差。第二，由于CFD技術在整體實驗過程中，不像物理模型實驗，在試驗的初期就可以詳細的制定出數據的流動現象，并且根據數據走向進行理論定性的信息描述，往往需要技術人員根據軸向柱塞泵和馬達的實際開發(fā)需要，針對原體進行數據觀測，或者建立相關的物理模型，為實驗提供某些流動數據參數，同時以此作為信息基礎，建立相應的數學模型進行相關理論驗證。第三，在使用CFD技術進行軸向柱塞泵和馬達開發(fā)過程中，技術人員需要根據開發(fā)的具體程序，以及程序編寫所需要的實際運行數據和信息材料的采集、分析與合理使用，然而這樣操作一定程度上依賴技術人員自身的工作經驗和開發(fā)試驗技巧[5]。

3? CFD技術在軸向柱塞泵和馬達開發(fā)中的實際應用

針對生產廠家，針對軸向柱塞泵結構產品中，出現的噪聲和氣體腐蝕問題，技術人員針對軸向柱塞泵結構中的配流盤結構進行相關調整，并且利用CFD技術進行功能和結構改良，同時根據改良前和改良后，機械運轉情況進行詳細的數據分析。其中軸向柱塞泵在正常運轉過程中，自身轉速為2200轉每分鐘，其進口壓力值為0.1帕，出口壓力數值為28帕，而配流副油膜自身的結構厚度達到了20UM，斜盤傾斜角度數值為16度，軸向柱塞泵內部結構油液的密度為800千克每立方米，結構內的飽和型態(tài)蒸汽利壓力數值為400帕，導致結構中，空氣平均所含分子數量為28，油液結構中分子量為300，如果單位之間內轉子轉動的度數1度，那么運行期間，轉子需要轉動1080度，其中每個時間段所產生的迭代進行數據計算，其收斂數值殘缺和誤差需要控制在0.1左右。根據軸向柱塞泵和馬達運行后，產生的相關數據可以得知，當所產生的數據和信息進行第二周期的計算流程時，柱塞腔內部的壓力數值變化基本區(qū)域穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是當軸向柱塞泵內部結構中，柱塞腔從吸油區(qū)域進入到排油區(qū)域后，所測試的兩種配流模式均出現了較大浮動的壓力變化，其沖擊數據產生的曲線波形，型態(tài)基本一致，并且設備進行快速運行且時間較長時，內部峰值壓力遠遠超過了軸向柱塞泵出口壓力的額定數值，由此可以得知，在實際的軸向柱塞泵功能數據試驗時，可以觀察到產生的壓力數值想要進行平緩過渡，以上兩種高壓類型的減震區(qū)域方案設計皆不甚理想[6]。

軸向柱塞泵和馬達在運轉過程中，所產生的氣體腐蝕問題，主要形成原因是由于空氣在空化過程中，會產生大量的空氣氣泡，導致油液流動區(qū)域產生的蒸汽泡流動到高壓區(qū)域的零件表面附近，并且一旦產生破裂會產生大量的沖擊力，因此通常根據這樣的油液流動環(huán)境和實際情況，技術人員會認為一旦沖擊力數值所產生功率超過5*108瓦時，市面上常見的且沒有經過表面強化技術處理的材料，表面會存在大量氣體腐蝕的風險。根據實驗測試產生的相關信息數據可以得知，當軸向柱塞泵結構中的缸體角度轉動了13度時，采用的常見測試方式需要根據泵內油液流動區(qū)域，產生空化破壞性功率的實際分布情況，并且根據相關數據可以得到相關結論：由于缸內結構的特殊性，通常易腐蝕區(qū)域會出現在柱塞體內部腔的錐形表面，并且一般產生在缸體流配窗結構附近，以及低壓力區(qū)域的減震槽附近。同時為了有效的檢測出設備空化情況，技術人員應該使用至少兩種測試結構，針對配流盤內部空化的強弱程度進行對比，并且以此作為基礎，對油液主要流動區(qū)域產生的氣體體積總含量，進行相關分析。

4? 結束語

由此可見，通過使用CFD技術針對軸向柱塞泵和馬達在實際運轉和使用過程中，產生的內部油液異常流動和空化等相關問題，進行數據分析和模型建立，以此實現為我國工業(yè)生產的新紀元。

參考文獻：

[1]肖剛，李正祥.軸向柱塞泵配流副壓緊系數技術及試驗研究[J].液壓氣動與密封，2019，039（009）：15-19.

[2]張晉，龔學知，胡建軍，等.軸向柱塞泵配流分析用湍流模型探析[J].機械工程學報，2018，054（018）：204-211.

[3]衛(wèi)昌辰，王凱麗，趙帥貴.軸向柱塞泵配流副潤滑特性分析[J].現代機械，2019（006）：25-27.

[4]毛飛宇，何士舉，王雷，等.雙側驅動軸向柱塞泵/馬達配流副摩擦轉矩影響因數分析[J].科學技術與工程，2019，019（034）：157-162.

[5]張鑫杰，諶炎輝，周知進.虛擬樣機技術在軸向柱塞泵仿真分析中的應用[J].機床與液壓，2019，47（09）：151-155.

[6]鄧海順，許攀，黃然，等.軸向柱塞泵/馬達磁性滑靴副電磁特性分析[J].系統(tǒng)仿真學報，2018，30（10）：284-291.