入口壓力對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)空化的影響

劉瑞璟，張鐵柱，張洪信，趙清海，杜善霄

(1.青島大學(xué)動(dòng)力集成及儲能系統(tǒng)工程技術(shù)中心，山東青島 266071; 2.青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266071)

引言

往復(fù)柱塞泵作為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)常用的動(dòng)力來源，在車輛、工程設(shè)備、油氣輸運(yùn)及氣泵站等場合廣泛應(yīng)用[1-3]。目前往復(fù)柱塞泵大多采用單向閥或者電磁閥進(jìn)行配流，單向閥借助泵腔真空度開啟，存在明顯節(jié)流損失和滯后，降低了往復(fù)泵的容積效率；電磁閥式配流必須加裝額外的測控裝置，以保證閥芯與柱塞運(yùn)動(dòng)同步，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高；另外閥式配流系統(tǒng)的工作頻率對容積效率影響較大[4-7]。轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)利用柱塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)套單向轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)配流，各種工作頻率下轉(zhuǎn)套配流口接通泵腔的時(shí)刻與柱塞的往復(fù)移動(dòng)完全同步，且結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)流損失小[8-9]。液壓系統(tǒng)在吸油起始階段存在較大負(fù)壓，空氣或蒸汽從油液中分離出來，出現(xiàn)兩相共存的狀態(tài)，產(chǎn)生空化[10-12]?？栈F(xiàn)象會降低系統(tǒng)的容積效率，引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作[13-14]。張延君、姜曉天等以水為工作介質(zhì)，分析了配流口結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)套凸輪槽型線等對控制容積流場分布的影響[15-17]，也對轉(zhuǎn)套式內(nèi)部的空化進(jìn)行了系統(tǒng)研究[18]，并基于上述研究成果對U形減振槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[19]。

上述研究未涉及入口壓力對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)空化的影響。入口壓力經(jīng)常隨工作場合和運(yùn)行過程波動(dòng)而變化，是往復(fù)柱塞泵的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，其變化會改變轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)內(nèi)部流場的壓力分布，影響系統(tǒng)空化性能。本研究以46#液壓油為工作流質(zhì)，對配備線性型線內(nèi)凸輪槽、U形減振槽結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的空化特性隨入口壓力的變化進(jìn)行針對性深入研究，以把握轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的工作特性，為轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)空化模型

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示，流體域仿真模型如圖2所示。轉(zhuǎn)套內(nèi)側(cè)配備環(huán)形封閉的線性型線凸輪槽，柱塞、擋銷置于轉(zhuǎn)套內(nèi)，同時(shí)擋銷在壓緊彈簧作用下與凸輪槽保持配合；配流系統(tǒng)由外部動(dòng)力通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，使柱塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，并通過擋銷驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)套作周向轉(zhuǎn)動(dòng)；凸輪槽徑向深度隨型線沿程變化，并且上下止點(diǎn)處設(shè)置階躍，以保證轉(zhuǎn)套連續(xù)單向轉(zhuǎn)動(dòng)，柱塞上行時(shí)轉(zhuǎn)套上的配流口與進(jìn)油腔接通吸油，柱塞下行時(shí)配流口與排油腔接通排油，實(shí)現(xiàn)連續(xù)配流功能。

1.導(dǎo)套 2.蓋板 3.進(jìn)油腔 4.內(nèi)凸輪槽 5.進(jìn)油口6.配流口 7.減振槽 8.泵腔 9.柱塞 10.轉(zhuǎn)套 11.出油腔12.出油口 13.擋銷 14.壓緊彈簧 15.泵體 16.曲軸17.連桿 18.傳動(dòng)銷 19.轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)圖1 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1.油膜間隙 2.進(jìn)油腔 3.進(jìn)油口 4.泵腔5.排油腔 6.排油口 7.配流口 8.減振槽圖2 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)流體域仿真模型

利用Fluent軟件中的UFD(用戶自定義函數(shù))定義柱塞與轉(zhuǎn)套的運(yùn)動(dòng)特性，應(yīng)用Mixture(混合模型)、RNGk-ε湍流模型和SIMPLE壓力速度耦合，設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

液壓系統(tǒng)中的空化過程如下：液壓油在進(jìn)入轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)前，即溶解有約40 ppm的空氣。液壓油流經(jīng)系統(tǒng)低壓位置時(shí)，如壓力低于油液的空氣分離壓，則空氣析出并合并為大氣泡，產(chǎn)生空化現(xiàn)象；壓力如進(jìn)一步降低到油液的飽和蒸氣壓，則油液相變蒸發(fā)為油蒸汽，空化現(xiàn)象加劇。油氣混合物流經(jīng)系統(tǒng)高壓位置時(shí)，部分油蒸汽相變凝結(jié)為油液，部分空氣溶解到油液中，過程伴隨氣泡壓縮甚至潰滅，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

目前常用的空化模型均由空泡動(dòng)力學(xué)(Rayleigh-Plesset)方程推導(dǎo)而得。考查無界液體中的一個(gè)球形空泡，泡內(nèi)均勻充滿不凝性氣體和液體蒸汽，泡外為均質(zhì)液體，對Rayleigh-Plesset方程進(jìn)行簡化，忽略二階項(xiàng)、液體黏度及表面張力對球泡生長的影響，Rayleigh-Plesset方程可簡化為：

(1)

式中，R—— 球泡表面半徑

pb—— 泡表面壓力

pc—— 局部遠(yuǎn)場壓力

ρ—— 混合氣體密度

21世紀(jì)初CFD空化模型發(fā)展迅速，其中最典型的是2001年SCHNERR、2002年SINGHAL、2004年ZWART提出的3種模型，并受到廣泛關(guān)注[20-22]。Singhal空化模型考慮全面，涉及湍流壓力波動(dòng)、氣泡運(yùn)動(dòng)、液體表面張力及不可凝氣體含量等對氣相變化的影響，因此選取Singhal空化模型對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)進(jìn)行空化仿真。仿真相關(guān)計(jì)算如下：

工作介質(zhì)為液體、液體蒸汽和不凝性氣體的混合物，則混合物密度ρm表達(dá)式為：

(2)

液體和不凝性氣體的體積分?jǐn)?shù)可分別表示為：

(3)

αl=1-αv-αg

(4)

氣液傳質(zhì)的蒸發(fā)率和冷凝率為：

(5)

(6)

式中，ρg—— 永久性氣體密度

ρv—— 氣相密度

ρl—— 液相密度

fg—— 永久性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

fv—— 蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

p—— 液體壓力

σ—— 液體表面張力系數(shù)

k—— 局部湍動(dòng)能

Ce，Cc—— 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Ce=0.02，Cc=0.01

2 入口壓力對空化的影響

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的空化現(xiàn)象主要發(fā)生在進(jìn)油初始階段，對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)進(jìn)油階段的空化現(xiàn)象進(jìn)行仿真計(jì)算，并考察最大氣體體積分?jǐn)?shù)、空化占比隨入口壓力變化的規(guī)律。

最大氣體體積分?jǐn)?shù)體現(xiàn)空化的強(qiáng)度，最大氣體體積分?jǐn)?shù)越大，空化強(qiáng)度就越大。定義為一個(gè)工作周期內(nèi)空化產(chǎn)生氣體的最大體積與流體域體積之比：

(7)

式中，Vgmax—— 最大瞬時(shí)氣體體積，m3

V—— 系統(tǒng)總體積，m3

最大氣體體積分?jǐn)?shù)隨入口壓力的變化如圖3所示。隨入口壓力增大，配流口與泵腔內(nèi)的最大氣體體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)減小趨勢。配流口處在入口壓力為0.1 MPa時(shí)最大氣體體積分?jǐn)?shù)為8%，入口壓力高于0.4 MPa后，最大氣體體積分?jǐn)?shù)減小至5%以下；進(jìn)油時(shí)，因泵腔處于系統(tǒng)中壓力最低處，泵腔內(nèi)的空化程度較配流口大，入口壓力為0.1 MPa時(shí)其最大氣體體積分?jǐn)?shù)高于27%，入口壓力增至0.8 MPa后，最大氣體體積分?jǐn)?shù)小于15%，空化強(qiáng)度下降明顯。

圖3 最大氣體體積分?jǐn)?shù)與入口壓力的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的空化特性，引入空化占比的概念?？栈急仍酱?，空化現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間越長，空化影響就越大。定義為空化持續(xù)的時(shí)間與系統(tǒng)周期之比：

(8)

式中，tc—— 單個(gè)工作周期內(nèi)空化持續(xù)時(shí)間，s

T—— 工作周期，s

空化占比隨入口壓力的變化趨勢如圖4所示。配流口與泵腔內(nèi)的空化占比隨入口壓力的增大而減小，當(dāng)入口壓力大于0.7 MPa時(shí)，兩流體域的空化占比均下降到10%以下，因此提高入口壓力能夠減少空化在系統(tǒng)中持續(xù)的時(shí)間。

圖4 空化占比與入口壓力的關(guān)系

仿真計(jì)算結(jié)果表明，適當(dāng)提高入口壓力能夠降低空化強(qiáng)度，延遲產(chǎn)生空化或提前結(jié)束空化現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)試驗(yàn)在YST380W型液壓綜合試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)平臺由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)2個(gè)部分組成，系統(tǒng)試驗(yàn)平臺如圖5所示。試驗(yàn)臺最大供油壓力為3 MPa，負(fù)載壓力可在工作范圍內(nèi)進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，工作介質(zhì)為ISOVG46抗磨液壓油。轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)實(shí)體樣機(jī)如圖6所示。

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.數(shù)字顯示區(qū) 3.電腦顯示區(qū) 4.控制面板 圖5 液壓試驗(yàn)平臺

1.曲軸 2.連接軸 3.連桿 4.柱塞 5.導(dǎo)套6.蓋板 7.進(jìn)油口夾板 8.進(jìn)油口 9.軸承座10.底座 11.轉(zhuǎn)套 12.出油口夾板 13.出油口 14.泵體圖6 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)實(shí)體樣機(jī)

實(shí)體樣機(jī)的泵體采用透明光敏樹脂材料，轉(zhuǎn)套采用高強(qiáng)度尼龍材料?？紤]到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)定出口壓力為2 MPa，設(shè)定轉(zhuǎn)速不高于500 r/min，調(diào)節(jié)入口壓力進(jìn)行試驗(yàn)。最低入口壓力設(shè)定為0.1 MPa，以0.3 MPa為壓力間隔逐步增大入口壓力至1 MPa，對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的容積效率進(jìn)行測定。

容積效率是衡量轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)工作效率的重要指標(biāo)?？栈a(chǎn)生的氣體會阻礙液體的進(jìn)入，減小有效容積。容積效率表示為：

(9)

式中，Qc—— 實(shí)際輸出流量

Qt—— 理論輸出流量，m3/min

容積效率隨入口壓力的變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7中“試驗(yàn)監(jiān)測”曲線所示，各工況的容積效率均在89%以上。隨入口壓力升高，系統(tǒng)容積效率單調(diào)遞增，入口壓力大于0.7 MPa時(shí)，容積效率高于92%。

圖7 容積效率試驗(yàn)與仿真結(jié)果比較

試驗(yàn)值與仿真分析容積效率對比如圖7所示。試驗(yàn)測得容積效率變化趨勢與仿真結(jié)果基本一致，但試驗(yàn)值低于仿真模擬值，最大誤差為3.2%。誤差原因是在仿真分析時(shí)，未考慮剪切作用對空化特性的影響；液壓油不可避免的溶有一定氣體，實(shí)際氣體既能溶解也能夠混入液體中，而Fluent仿真中油液不溶有空氣，是純粹的液壓油，現(xiàn)有的空化模型可以模擬空氣的混入，但缺少氣體在液體中溶解的機(jī)制，所以無法準(zhǔn)確模擬空氣在油液中的溶解與析出，導(dǎo)致模擬空化現(xiàn)象與試驗(yàn)情況略有不同。

仿真值與實(shí)測值有所偏差，但整體趨勢基本一致，通過空化特性試驗(yàn)驗(yàn)證了配流系統(tǒng)空化現(xiàn)象的存在，且證實(shí)了入口壓力對系統(tǒng)空化性能的影響。現(xiàn)有的空化模型僅在一定程度上適用于配流系統(tǒng)空化的仿真研究，為匹配實(shí)際油液中不凝性氣體溶解與析出的性質(zhì)，開發(fā)適配轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的新型空化模型是未來研究工作的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，入口壓力的增大能夠降低轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)內(nèi)部流場的空化程度。隨著入口壓力的增大，轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的最大氣體體積分?jǐn)?shù)和空化占比逐漸降低，容積效率提高。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證了在適當(dāng)入口壓力下，轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)容積效率較高，系統(tǒng)的容積效率變化趨勢與仿真變化趨勢基本一致。由于轉(zhuǎn)套與泵體之間存在的剪切作用和空化模型適應(yīng)性等原因，試驗(yàn)容積效率略低于仿真數(shù)據(jù)，最大誤差為3.2%。

進(jìn)一步分析了配流系統(tǒng)內(nèi)部流場，對抑制空化的相關(guān)參數(shù)提供了研究方向，為轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。為匹配不凝性氣體溶解與析出的性質(zhì)，開發(fā)符合實(shí)際油液特性的新空化模型是未來研究工作的重點(diǎn)。