往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

步天翔，張洪信，趙清海，程前昌

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

引言

柱塞泵具有體積小、功率大、容積效率高、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、車輛、石油開采等對(duì)液壓設(shè)備具有高壓、大流量需求的領(lǐng)域[1-4]。目前，往復(fù)柱塞泵多采用閥式配流，傳統(tǒng)閥式配流系統(tǒng)存在體積大、結(jié)構(gòu)松散、局部節(jié)流損失大、噪聲大等缺點(diǎn)。針對(duì)以上缺點(diǎn)，目前常見的優(yōu)化方法是改進(jìn)閥結(jié)構(gòu)，如三單向閥配流電磁式往復(fù)柱塞泵是通過采用電磁閥的方式來減小泵體振動(dòng)和噪聲[5]。轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)往復(fù)柱塞泵的新型配流系統(tǒng)，其利用柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)，在柱塞泵內(nèi)部直接配流。配流系統(tǒng)中去掉配流閥結(jié)構(gòu)后，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲小、容積效率高等優(yōu)點(diǎn)，克服了閥式配流系統(tǒng)的諸多弊端。

前期研究中，對(duì)轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]，分析了其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性[7]，并利用CFD技術(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的流場(chǎng)特性進(jìn)行了仿真分析[8]，但并未對(duì)其配流結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行系統(tǒng)性優(yōu)化。本研究考慮到不同尺寸變量間的相互影響，通過Isight集成多種軟件，找到不同變量在規(guī)定選取區(qū)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)性能的最優(yōu)解。

1 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)工作原理

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要運(yùn)動(dòng)件為柱塞、傳動(dòng)銷與轉(zhuǎn)套，柱塞下部制有徑向孔，內(nèi)裝壓緊彈簧和傳動(dòng)銷，傳動(dòng)銷另一端在凸輪槽內(nèi)。當(dāng)柱塞從下止點(diǎn)開始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞內(nèi)的傳動(dòng)銷在彈簧的作用下被壓緊在轉(zhuǎn)套的凸輪槽內(nèi)，并隨柱塞軸向直線運(yùn)動(dòng)，而轉(zhuǎn)套在傳動(dòng)銷的撥動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)套內(nèi)凸輪槽的深度在上下止點(diǎn)位置存在階躍，以保證轉(zhuǎn)套單向轉(zhuǎn)動(dòng)。柱塞運(yùn)行至上止點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)套對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，此時(shí)凸輪槽的深度由下止點(diǎn)位置的最深變?yōu)樯现裹c(diǎn)的最淺，而后出現(xiàn)階躍，傳動(dòng)銷在壓緊彈簧的作用下深入凸輪槽最深處。當(dāng)柱塞繼續(xù)下行時(shí)，由于凸輪槽階躍的存在，傳動(dòng)銷進(jìn)入另半周凸輪槽，轉(zhuǎn)套繼續(xù)單向轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪槽的深度由上止點(diǎn)的最深逐漸變?yōu)橄轮裹c(diǎn)的最淺，轉(zhuǎn)動(dòng)360°，再階躍到凸輪槽深處。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)套的連續(xù)單向轉(zhuǎn)動(dòng)，使配流口交替與進(jìn)、出油腔連通，完成系統(tǒng)配流工作[9]。

1.法蘭蓋 2.進(jìn)油腔 3.進(jìn)油口 4.配流口
5.減振槽 6.泵腔 7.柱塞 8.泵體 9.轉(zhuǎn)套
10.排油腔 11.出油口 12.凸輪槽 13.傳動(dòng)銷 14.壓緊彈簧
圖1 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 配流口與減振槽結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 配流口與減振槽對(duì)配流的影響分析

利用CFD技術(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的流場(chǎng)特性進(jìn)行仿真分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸油期和排油期轉(zhuǎn)換過渡瞬間會(huì)出現(xiàn)倒灌或閉死現(xiàn)象，導(dǎo)致容積效率降低或壓力超調(diào)[10]，壓力超調(diào)會(huì)造成系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)噪聲與沖擊，對(duì)系統(tǒng)本身以及工作環(huán)境都會(huì)造成破壞。當(dāng)配流口位置合適，柱塞下行過程中配流口與出油腔剛好接觸時(shí)泵腔內(nèi)的壓力增加至與出油腔壓力相同，可有效避免上述情況。

減振槽可有效降低配流系統(tǒng)在工作時(shí)出現(xiàn)的壓力超調(diào)問題，當(dāng)配流系統(tǒng)在進(jìn)行高低壓轉(zhuǎn)換時(shí)，減振槽比配流口更早與進(jìn)、出油腔接觸，若泵腔內(nèi)的油液壓力與進(jìn)、出油腔中油液的壓差過大，可通過減振槽過渡，以此平衡泵腔與進(jìn)、出油腔之間的壓力差，達(dá)到降低壓力超調(diào)的效果。因此，減振槽的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)作為優(yōu)化工作的關(guān)鍵尺寸[11-12]。本研究選取三角形減振槽轉(zhuǎn)套，對(duì)配流口和減振槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化平臺(tái)搭建

基于Isight集成CAD/CAE、Excel軟件搭建優(yōu)化平臺(tái)，該平臺(tái)包括三維建模模塊、網(wǎng)格劃分模塊、流體仿真模塊及后處理模塊，優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化流程圖

優(yōu)化流程簡(jiǎn)述如下：

(1) 在SolidWorks中完成轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的流體域模型，在優(yōu)化工程中用Isight軟件將模型中需要優(yōu)化的尺寸定義為設(shè)計(jì)變量，根據(jù)設(shè)計(jì)變量的取值范圍自動(dòng)改變相應(yīng)尺寸的值，并通過SolidWorks自動(dòng)更新流體域模型。

(2) 網(wǎng)格劃分軟件ICEM通過Isight平臺(tái)中的通用組件進(jìn)行集成。在結(jié)構(gòu)參數(shù)更新迭代過程中，每一次生成新的三維模型，都會(huì)通過ICEM對(duì)模型網(wǎng)格重新劃分。

(3) 流體仿真軟件Fluent采用通用組件進(jìn)行集成，ICEM輸出.msh文件可直接導(dǎo)入Fluent中，每一次生成新的網(wǎng)格，都會(huì)通過Fluent對(duì)新的網(wǎng)格運(yùn)算求解。

(4) 根據(jù)在Fluent中設(shè)置的監(jiān)控項(xiàng)目，在運(yùn)算結(jié)束后會(huì)生成包含進(jìn)、出口流量和泵腔壓力等數(shù)據(jù)的.out 文件，這些文件無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此首先借助通用組件集成Excel，利用Excel中的宏命令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)可直接導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行計(jì)算，MATLAB可用專用組件進(jìn)行集成。

Isight平臺(tái)的優(yōu)化算法為軟件內(nèi)嵌的DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)組件，不需要單獨(dú)進(jìn)行集成，選用下山單純形法。

2.3 優(yōu)化模型與結(jié)果

1) 優(yōu)化目標(biāo)

以轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的容積效率，即實(shí)際輸出流量與理論流量的比值為優(yōu)化目標(biāo)，并表示為：

maxηv(X)

(1)

式中，X為設(shè)計(jì)變量。

2) 設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量為：

X=[x1,x2,x3,x4]

(2)

其中，x1對(duì)應(yīng)配流口包角φ0，為配流口中心角，位置如圖3所示。圖3中的Δφ1，Δφ2分別為閉死壓縮角和閉死膨脹角。配流口結(jié)構(gòu)對(duì)吸排油的影響，往往通過閉死角反映，閉死角可在吸油期向排油期轉(zhuǎn)換或排油期向吸油期轉(zhuǎn)換時(shí)提前進(jìn)行預(yù)升壓與預(yù)降壓，有效降低配流過程中出現(xiàn)的流量倒灌現(xiàn)象，提升系統(tǒng)的容積效率。閉死角角度的選取非常關(guān)鍵，閉死角選取過小，不能充分進(jìn)行預(yù)升壓與預(yù)降壓，使流量倒灌現(xiàn)象不能得到完全解決；閉死角選取過大，會(huì)導(dǎo)致過度的預(yù)升壓與預(yù)降壓，使泵腔內(nèi)壓力超調(diào)，且閉死角較大時(shí)會(huì)使配流口通流面積減小。

圖3 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)閉死角

其中，x2為減振槽的包角φ3，x3為減振槽的高度h，x4為減振槽內(nèi)外徑與之差即厚度R(如圖4所示)。設(shè)置減振槽的目的是為了更好的解決系統(tǒng)在高低壓轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的壓力超調(diào)現(xiàn)象，有效降低壓力梯度、減小振動(dòng)噪聲。

圖4 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)減振槽

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的各設(shè)計(jì)變量與其取值范圍如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)變量及取值范圍

表2 優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

3) 約束條件

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)額定工況為轉(zhuǎn)速n=500 r/min、工作壓力p=10 MPa，假定壓力超調(diào)量為額定工作壓力的200%，則限定泵腔壓力最大值為：

pmax≤20 MPa

4) 優(yōu)化結(jié)果

采用下山單純形法進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)77步迭代收斂，結(jié)果如表2所示，優(yōu)化后容積效率為98.4%，提高了0.8個(gè)百分點(diǎn)。

3 優(yōu)化后配流系統(tǒng)的流體特性

利用Fluent仿真額定工況下通過參數(shù)優(yōu)化后的配流系統(tǒng)，對(duì)比系統(tǒng)優(yōu)化前的泵腔壓力p和進(jìn)出口流量q。

3.1 壓力特性對(duì)比

泵腔壓力對(duì)比曲線如圖5所示，優(yōu)化前后泵腔壓力變化較小，壓力極值相比優(yōu)化前增大了3.3%。減振槽和配流口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，為了達(dá)到容積效率最高的優(yōu)化目標(biāo)，造成泵腔壓力峰值的小幅度增高。

圖5 泵腔壓力對(duì)比

3.2 流量特性對(duì)比

系統(tǒng)入口流量對(duì)比曲線如圖6所示。優(yōu)化前后入口流量曲線大致相同，但優(yōu)化后的最大瞬時(shí)流量比優(yōu)化前有所提升，優(yōu)化后的最大瞬時(shí)流量提高了8.3%；柱塞上行初期流量有較大波動(dòng)，到上止點(diǎn)附近因減振槽與出油腔接通，泵腔內(nèi)壓力升高，導(dǎo)致入口有輕微回流，優(yōu)化后減小了31.1%。

圖6 入口流量對(duì)比

優(yōu)化后系統(tǒng)的入口最大瞬時(shí)流量得到提升，并且減小了吸油期向排油期轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)的流量倒灌現(xiàn)象，這些都有利于增加系統(tǒng)的吸油量。因此，對(duì)系統(tǒng)減振槽和配流口的尺寸優(yōu)化提升了系統(tǒng)的吸油能力，間接提高了系統(tǒng)的容積效率。

系統(tǒng)出口流量對(duì)比曲線如圖7所示。優(yōu)化前后出口流量曲線大致相同，因柱塞下行初期泵腔內(nèi)壓力超調(diào)較大，配流口與出油腔接通瞬間流量有劇烈波動(dòng)，優(yōu)化后瞬時(shí)流量提高了23.9%；在排油周期向吸油周期轉(zhuǎn)換時(shí)，因減振槽與入口接通，出口出現(xiàn)瞬時(shí)倒灌，優(yōu)化后的最大瞬時(shí)倒灌量減小了37.4%。

圖7 出口流量對(duì)比

優(yōu)化后系統(tǒng)在吸油期向排油期轉(zhuǎn)換時(shí)的最大瞬時(shí)流量得到提升，在排油期向吸油期轉(zhuǎn)換時(shí)的最大瞬時(shí)倒灌量得到減小，系統(tǒng)排油能力提高。對(duì)減振槽和配流口的尺寸優(yōu)化使出口流量特性得到提升，提高系統(tǒng)容積效率。

4 結(jié)論

(1) 利用Isight集成CAD/CAE、Excel軟件，搭建了配流系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。以壓力峰值為約束，以系統(tǒng)容積效率最高為目標(biāo)，建立了對(duì)核心結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化模型。在額定工況下，優(yōu)化后容積效率為98.4%，提高了0.8%；

(2) 優(yōu)化后泵腔壓力峰值為優(yōu)化設(shè)定約束值20 MPa，增大了3.3%；

(3) 優(yōu)化后系統(tǒng)的入口最大瞬時(shí)流量提高了8.3%，回流減小了31.1%；

(4) 優(yōu)化后系統(tǒng)的出口最大瞬時(shí)流量提高了23.9%，最大瞬時(shí)倒灌量減小了37.4%。