雙排葉片泵配流盤(pán)三角槽結(jié)構(gòu)的仿真分析*

李凌輝，孟利民，陳錫平

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

液壓泵是液壓系統(tǒng)的核心元件，為液壓系統(tǒng)工作提供動(dòng)力，液壓泵性能的好壞直接影響整個(gè)液壓系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行[1]。液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的速度與液壓泵的流量緊密相關(guān)，執(zhí)行元件的速度由流量決定，所以流量的穩(wěn)定性對(duì)于執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。配流盤(pán)是液壓泵中重要的零件之一，是液壓泵工作過(guò)程中的配流通道，對(duì)泵工作時(shí)產(chǎn)生的流量、壓力脈動(dòng)有著重要影響，進(jìn)而影響流體噪聲的大小[2]。Edge K A等[3]通過(guò)對(duì)有三角槽結(jié)構(gòu)的配流盤(pán)進(jìn)行深入的研究，發(fā)現(xiàn)三角槽深度開(kāi)口角的大小可以影響液壓泵壓力脈動(dòng)的情況。凌鵬等[4]通過(guò)研究三角槽的過(guò)流面積，建立了理想狀態(tài)下的三角槽過(guò)流面積模型。馬吉恩[5]對(duì)配流盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，包括配流盤(pán)進(jìn)出口三角阻尼槽寬度角、深度角對(duì)泵內(nèi)噪聲的影響，提出了如何對(duì)配流盤(pán)進(jìn)行降噪的建議。

液壓泵結(jié)構(gòu)不同，配流盤(pán)結(jié)構(gòu)對(duì)其流量、壓力特性影響也不同。本文針對(duì)所設(shè)計(jì)的雙排定量葉片泵，基于PumpLinx軟件對(duì)配流盤(pán)三角槽進(jìn)行研究分析，仿真時(shí)考慮葉片泵泄漏造成的影響，分析三角槽深度角和寬度角對(duì)葉片泵流量特性和壓力特性的影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 雙排定量葉片泵及配流盤(pán)結(jié)構(gòu)

在液壓系統(tǒng)中,葉片泵因?yàn)榫哂型庑纬叽缧?、結(jié)構(gòu)緊湊、流量均勻、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，能夠滿足中、低壓力系統(tǒng)的需求。為提高葉片泵流量，設(shè)計(jì)了雙排定量葉片泵，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)由一個(gè)出油口排油，通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)子流量的耦合來(lái)提升雙排定量葉片泵的流量。

1-傳動(dòng)軸；2-左泵體；3-左配流盤(pán)a；4-定子a；5-轉(zhuǎn)子a；6-右配流盤(pán)a；7-雙聯(lián)出口；8-左配流盤(pán)b；9-轉(zhuǎn)子b；10-定子b；11-右配流盤(pán)b；12-右泵體

三角阻尼槽因?yàn)榧庸し椒ê?jiǎn)單，工作時(shí)其節(jié)流面積可以逐漸變化，能適應(yīng)配流過(guò)程中不同情形下的節(jié)流需求。三角阻尼槽在配流盤(pán)上的位置及其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。本文分別對(duì)三角阻尼槽的深度夾角(θ1)和寬度夾角(θ2)進(jìn)行分析研究。通過(guò)改變一個(gè)參數(shù)進(jìn)行多次仿真，分析三角槽不同參數(shù)變化對(duì)雙排葉片泵的流量脈動(dòng)、壓力脈動(dòng)的影響，從仿真結(jié)果找出最合適的三角槽參數(shù)。

圖2 三角阻尼槽在配流盤(pán)上的位置

圖3 三角阻尼槽的結(jié)構(gòu)

2 基于PumpLinx的仿真

2.1 流體域模型

通過(guò)SolidWorks軟件分別對(duì)不同參數(shù)的配流盤(pán)阻尼槽進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件進(jìn)行流體域的提取，將流體域保存為STL格式，導(dǎo)入到PumpLinx進(jìn)行流體仿真，提取的流體域模型如圖4所示。

圖4 流體域模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)葉片泵的工作原理，假設(shè)工作時(shí)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為湍流，設(shè)置仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

PumpLinx軟件內(nèi)置了液壓泵的網(wǎng)格模板，對(duì)于葉片泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域，采用PumpLinx自帶網(wǎng)格模板可生成高質(zhì)量六面體動(dòng)網(wǎng)格。對(duì)于除轉(zhuǎn)子部分的其他區(qū)域，采用通用網(wǎng)格劃分模板快速生成六面體的笛卡爾網(wǎng)格。按上述對(duì)雙排葉片泵模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終生成的網(wǎng)格總數(shù)為716 871個(gè)，如圖5所示。

圖5 雙排葉片泵流體域網(wǎng)格劃分

3 仿真結(jié)果分析

3.1 三角阻尼槽的深度夾角θ1對(duì)壓力脈動(dòng)性能的影響

三角阻尼槽通流能力的強(qiáng)弱與阻尼槽的深度夾角有關(guān)，取寬度角為80°，然后分別對(duì)取深度夾角為9°、11°和13°的三角阻尼槽進(jìn)行模擬計(jì)算。三角阻尼槽深度夾角取不同值時(shí)雙排葉片泵出口壓力的變化曲線如圖6所示。

由圖6可知：當(dāng)三角槽的深度角為11°時(shí)，葉片泵的出口壓力值最大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這會(huì)在葉片泵內(nèi)部產(chǎn)生大的液壓沖擊，引起機(jī)械噪聲；當(dāng)三角槽的深度角為13°時(shí)，壓力值最小，引起的液壓沖擊小，效果最好。

圖6 不同深度夾角θ1時(shí)三角阻尼槽出口壓力變化曲線

3.2 三角阻尼槽寬度夾角θ2對(duì)流量脈動(dòng)的影響

流量脈動(dòng)率是反映流量波動(dòng)大小的主要參數(shù)之一，其計(jì)算公式為:

其中：Qmax為流量最大值；Qmin為流量最小值；Qavg為流量平均值。

為研究配流盤(pán)三角阻尼槽的寬度夾角對(duì)葉片泵流量脈動(dòng)的影響，在深度角為11°的情況下對(duì)寬度角分別為60°、80°和100°的三角槽進(jìn)行模擬計(jì)算，分析配流盤(pán)寬度角大小對(duì)流量脈動(dòng)的影響，得到的雙排葉片泵出口流量變化曲線如圖7所示，相關(guān)參數(shù)如表2所示。表2中，流量的最大值為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)7個(gè)波峰值的平均值，最小值為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)7個(gè)波谷值的平均值[6-8]。

圖7 不同寬度夾角三角θ2時(shí)阻尼槽出口流量變化曲線

表2 雙排葉片泵出口流量參數(shù)

由圖7和表2可以看出：葉片泵在工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)子在高低壓過(guò)渡區(qū)域都會(huì)出現(xiàn)明顯的流量脈動(dòng)，當(dāng)三角阻尼槽寬度夾角為80°時(shí)，出口流量曲線的峰谷值最小，這會(huì)引起嚴(yán)重的液壓油倒灌，且流量的脈動(dòng)率最大；當(dāng)寬度夾角為100°時(shí)，流量的波動(dòng)較為平緩，且流量的脈動(dòng)率也最小。

4 結(jié)論

本文針對(duì)所設(shè)計(jì)的雙排葉片泵的流量與出口壓力特性進(jìn)行研究?；赑umpLinx對(duì)配流盤(pán)三角槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，研究配流盤(pán)上的三角槽結(jié)構(gòu)的深度夾角和寬度夾角對(duì)泵出口壓力以及流量脈動(dòng)性的影響。仿真結(jié)果表明:

(1) 配流盤(pán)三角阻尼槽的深度夾角對(duì)葉片泵的壓力脈動(dòng)性能有著較大影響，當(dāng)深度夾角為13°時(shí)，葉片泵的壓力脈動(dòng)最小，引起的液壓沖擊較小。

(2) 配流盤(pán)三角阻尼槽的寬度夾角影響葉片泵的流量脈動(dòng)性能，當(dāng)寬度夾角為100°時(shí)，葉片泵的流量波動(dòng)較為平緩，流量脈動(dòng)最小。

綜上所述，當(dāng)配流盤(pán)三角槽的深度夾角為13°、寬度夾角為100°時(shí)，雙排葉片泵整體的流量和壓力脈動(dòng)較小，且配流過(guò)程中油液產(chǎn)生的液壓沖擊也較小。