轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)配流口結(jié)構(gòu)及對工作脈動的影響

張延君，張洪信，趙清海，王新亮，程前昌

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)配流口結(jié)構(gòu)及對工作脈動的影響

張延君1，張洪信1，趙清海2，王新亮1，程前昌1

（1.青島大學(xué)，山東青島 266071；2.青島大學(xué)動力集成及儲能系統(tǒng)工程技術(shù)中心，山東青島 266071）

轉(zhuǎn)套作為配流系統(tǒng)的核心零件之一，其配流口的結(jié)構(gòu)形狀對整個配流系統(tǒng)的工作脈動影響較大。以配流系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計方形配流口、圓形配流口、雙配流口3種不同配流口結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)套。首先建立了3種配流口過流面積的數(shù)學(xué)建模，分析過流面積的變化特點(diǎn)與規(guī)律。為了研究不同配流口對配流系統(tǒng)的流量特性與壓力特性的影響，利用流體仿真分析軟件Fluent，對3種配流口結(jié)構(gòu)的流體模型進(jìn)行流體動力學(xué)仿真。結(jié)果表明方形配流口配流面積最大，配流曲線較平穩(wěn)，圓形配流口對流量脈動和壓力脈動影響最小，所以可根據(jù)對配流系統(tǒng)的不同要求選用不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)套。

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)；配流口；結(jié)構(gòu)設(shè)計；流量脈動；壓力脈動

1 前言

往復(fù)柱塞泵因?yàn)榫哂写蠊β拭芏群透邩O限壓力的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于移動機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)中，而且結(jié)構(gòu)簡單，配流過程受泵的轉(zhuǎn)速影響較小，因此在汽車、工程機(jī)械、原油運(yùn)輸、氣站、泵站、移動機(jī)械及固定機(jī)械上應(yīng)用也非常普遍［1～5］。但常用的電磁開關(guān)閥配流系統(tǒng)和單向閥配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)松散、壓力損失大、成本高、容積效率受工作頻率影響大，而往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好的新型配流系統(tǒng)，其原理是利用柱塞的往復(fù)運(yùn)動驅(qū)動轉(zhuǎn)套單向轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)配流功能，克服了閥式配流系統(tǒng)的諸多弊端［6～10］。

轉(zhuǎn)套作為往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的核心元件之一，其配流口的尺寸形狀直接影響著整個配流系統(tǒng)的容積效率，流量倒灌和壓力脈動問題，尤其是在高低壓轉(zhuǎn)換過程中，流量倒灌和壓力沖擊更為嚴(yán)重，因此研究配流口結(jié)構(gòu)對整個配流系統(tǒng)的流量脈動和壓力脈動有著重要意義。為此，本文提出3種不同配流口結(jié)構(gòu)，對其建立過流面積數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真對比分析。

2 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

傳統(tǒng)的直動從動桿圓柱導(dǎo)槽凸輪機(jī)構(gòu)可將連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運(yùn)動，轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)正是將直動主動桿圓柱導(dǎo)槽凸輪機(jī)構(gòu)原理應(yīng)用到往復(fù)柱塞泵中即形成轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)利用外部驅(qū)動力帶動柱塞往復(fù)直線運(yùn)動，柱塞再利用傳動銷將力傳至轉(zhuǎn)套上帶動其沿凸輪槽作連續(xù)單向圓周運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)配流口與進(jìn)出口的接通，實(shí)現(xiàn)配流功能［12～14］。

3 配流口結(jié)構(gòu)形式與過流面積模型

3.1 配流口結(jié)構(gòu)形式

轉(zhuǎn)套是配流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配流的樞紐部件，配流口又是轉(zhuǎn)套用來連通進(jìn)油口與出油口的通道，所以配流口的形狀直接影響流量脈動、壓力和氣穴大小，由此針對上述問題提出如圖2所示的3種不同配流口結(jié)構(gòu)形式：方形配流口、圓形配流口、雙配流口。

圖2 不同配流口結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)套

3.2 配流口過流面積

配流口過流面積隨著柱塞行程變化，是泵腔吸排流質(zhì)的通道，其變化規(guī)律影響吸排油階段柱塞腔內(nèi)的預(yù)升壓力和預(yù)卸壓力的變化，進(jìn)而影響柱塞腔的油液泄漏、泵本身的噪聲和振動［15，16］。下面研究過流面積隨轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律并加以比較。

圖3所示為轉(zhuǎn)套在配流過程中流體域的配流面積變化過程。進(jìn)流質(zhì)階段，柱塞上行，流質(zhì)由入口到進(jìn)流質(zhì)腔，再經(jīng)配流口到泵腔；出流質(zhì)階段，柱塞下行，流質(zhì)由泵腔到出流質(zhì)腔，再經(jīng)出口對外輸出動力。吸入或排出流質(zhì)過程中，3種配流口的外圓面與內(nèi)圓面分別與流質(zhì)腔、泵腔的接觸面各不相同，過流面積隨柱塞行程和轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律也存在差異。以曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動柱塞往復(fù)移動，柱塞行程與轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系方程：

圖3 配流面積變化過程

式中x ——柱塞行程，m

r ——曲軸半徑，m

φ ——曲軸轉(zhuǎn)角，rad

λ ——曲軸連桿比

假定分析配流系統(tǒng)過流面積的初始位置如圖4所示，轉(zhuǎn)套按順時針轉(zhuǎn)動，配流口外圓面對應(yīng)中心角θo=45°，內(nèi)圓面對應(yīng)中心角θi=79.26°，減振槽（用于接通出流質(zhì)腔前的壓力緩沖減振）中心角θu=5°，密封段中心角θw=50°，轉(zhuǎn)套外圓面半徑ro=30mm，轉(zhuǎn)套內(nèi)圓面半徑ri=18mm。圖示位置為柱塞在下止點(diǎn)時，柱塞上行時轉(zhuǎn)套按順時針旋轉(zhuǎn)。

圖4 配流面積仿真分析初始位置

3.2.1 方形配流口通流面積

方形配流口結(jié)構(gòu)較為簡單，配流過程分為11個階段，過流面積隨著柱塞行程和轉(zhuǎn)套角度變化規(guī)律為：

其中

式中hp——配流口高度，mm

φ——減振槽截面頂角，°

h——泵腔內(nèi)余隙容積高度，mm

C1——減振槽在外圓面上面積，mm，C1=5π/6

3.2.2 圓形配流口通流面積

對圓形配流口數(shù)學(xué)建模過程中將配流口分為3部分：上部圓弧區(qū)域、中部方形區(qū)域、下部圓弧區(qū)域，分析過程中根據(jù)柱塞位移的變化規(guī)律計算過流面積，配流過程分為15個階段，通流面積計算參照方形配流口通流面積計算方法。

3.2.3 雙配流口通流面積

雙配流口是轉(zhuǎn)套根據(jù)凸輪槽軌道特點(diǎn)將其切分為上下兩個主體配流口，上下主體若重合其體積與方形配流口相同，但雙配流口的整體高度發(fā)生變化，所以其配流面積根據(jù)高度的變化而變化，配流過程分為14個階段，通流面積計算方法同上文。

根據(jù)設(shè)計的3種轉(zhuǎn)套結(jié)構(gòu)，分別將3種配流口隨轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)角變化的配流面積仿真，整個配流過程分進(jìn)流質(zhì)和排流質(zhì)2個配流過程，仿真結(jié)果如5所示。由圖5可知3種配流口中方形配流口配流面積最大，其次是圓形配流口，面積最小的是雙配流口，在每個工作周期內(nèi)3種配流口的進(jìn)流質(zhì)過流面積與排油流質(zhì)過流面積對稱。

圖5 配流口配流面積變化仿真結(jié)果

4 仿真分析結(jié)果

往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)全流場采用子空化模型與基于應(yīng)用雷諾時均方程（RANS）模擬的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。應(yīng)用雷諾時均方程的模擬方法是把所有的湍流因素模型化，將非穩(wěn)態(tài)的方程對時間作平均，在所得出的關(guān)于時均物理量的控制方程中包含了所謂雷諾應(yīng)力等未知量，于是所得方程的個數(shù)就少于未知量的個數(shù)，而且不可能依靠進(jìn)一步的時均處理來使控制方程組封閉，其中在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，湍流黏度，μi=ρCμk2/ε對不可壓縮流體湍動能k和耗散率ε的方程分別定義為［17，18］：

其中，

式中r ——流體密度，kg/m3

u，v，w——x，y，z 3個方向的速度分量，m/s常數(shù)C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

4.1 分析域

流體域是進(jìn)行仿真分析的控制體，針對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮不同配流口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提取出整個配流系統(tǒng)的流體域、計算域，主要包括進(jìn)流質(zhì)口、進(jìn)流質(zhì)腔、出流質(zhì)腔和出流質(zhì)口，以方形配流口為例柱塞在下止點(diǎn)時的流體域如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)計算模型

4.2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真過程中根據(jù)配流系統(tǒng)的運(yùn)動特點(diǎn)，以曲柄連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動往復(fù)柱塞移動，同時考慮空化作用設(shè)置如表1所示的仿真參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

計算模型的網(wǎng)格質(zhì)量對仿真結(jié)果的誤差大小及收斂快慢等影響較大，所以選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時為了提高仿真精度將重要區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，得到的網(wǎng)格如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)流體域網(wǎng)格

4.3 不同配流口對流量脈動的影響

流量脈動作為優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的重要參數(shù)，是柱塞泵產(chǎn)生噪聲的根源，還會引起壓力脈動和管道振動［19，20］，而且會使泵的輸出流量不穩(wěn)定，影響工作部件的運(yùn)動平穩(wěn)性，尤其是對精密的液壓傳動系統(tǒng)更為不利，所以我們做了多組周期的流量脈動仿真，如圖8所示，3種配流口在進(jìn)流質(zhì)與排流質(zhì)互相轉(zhuǎn)換過程中都有不同程度的流量倒灌，而且根據(jù)圖9所示在進(jìn)流質(zhì)向排流質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中雙配流口流量倒灌時間持續(xù)最長，流量最大，其次是方形配流口，圓形配流口的脈動最小，如圖10所示，在排流質(zhì)向進(jìn)流質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中3種配流口倒灌時間基本相同，方形配流口倒灌流量最大，其次是圓形配流口，雙配流口最小。

圖8 不同配流口流量脈動對比分析

圖9 進(jìn)流質(zhì)向排流質(zhì)轉(zhuǎn)換過程的流量脈動

圖10 排流質(zhì)向進(jìn)流質(zhì)轉(zhuǎn)換過程的流量脈動

4.4 不同配流口對壓力脈動的影響

配流系統(tǒng)工作過程中泵腔內(nèi)壓力在非定常時序干擾、局部空化和氣蝕等因素的干擾下會導(dǎo)致泵內(nèi)部流動出現(xiàn)不連續(xù)性，進(jìn)而引起流場內(nèi)流體壓力隨時間快速脈動，壓力脈動嚴(yán)重時會導(dǎo)致泵體振動加劇，同時還可引發(fā)進(jìn)一步的局部空化，甚至在某些情況下會引起機(jī)器共振，產(chǎn)生危害［22，23］。因此研究泵腔內(nèi)部壓力脈動對配流系統(tǒng)減小振動和降低噪聲有著重要意義。

圖11所示為泵腔壓力脈動局部放大，3種配流口都有不同程度壓力超調(diào)和氣穴產(chǎn)生，從圖中可看出方形配流口壓力超調(diào)最大，其次是雙配流口，超調(diào)最小的為圓形配流口；排流質(zhì)向進(jìn)流質(zhì)轉(zhuǎn)換瞬間圓形配流口空化現(xiàn)象持續(xù)時間最長，圓形配流比雙配流空化時間稍長，但三者空化現(xiàn)象較總體來說都較?。贿M(jìn)流質(zhì)向排流質(zhì)轉(zhuǎn)換瞬間，雙配流出現(xiàn)時間較長空化現(xiàn)象，方形和圓形配流基本沒有空化現(xiàn)象。從圖12不同配流口泵腔壓力脈動對比分析多個工作周期來看泵腔的壓力脈動，圓形配流更適合配流系統(tǒng)工作。

圖11 泵腔壓力脈動局部對比分析

圖12 不同配流口泵腔壓力脈動對比分析

5 結(jié)論

（1）針對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)提出了3種不同配流口結(jié)構(gòu)：方形配流口、圓形配流口、雙配流口，并建立了過流面積隨轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)角和柱塞行程變化的數(shù)學(xué)模型。通過仿真對比分析可知，3種配流口過流面積曲線在出流與進(jìn)流階段均呈對稱分布，方形配流過流面積最大，配流較平穩(wěn)，圓形配流過流面積近似于方形配流，但配流面積相比減小一部分，雙配流過流面積最小且配流時波動較大，說明以過流面積大小為目的時方形配流口最適合配流系統(tǒng)工作。

（2）根據(jù)仿真結(jié)果分析進(jìn)流質(zhì)向排流質(zhì)轉(zhuǎn)換瞬間圓形配流口的流量倒灌時間最短范圍最小，排流質(zhì)向進(jìn)流質(zhì)轉(zhuǎn)換瞬間雙配流口流量倒灌時間最短范圍最小，說明以降低流量倒灌為目的時圓形配流口最適合配流系統(tǒng)工作。

（3）配流系統(tǒng)泵腔壓力脈動仿真過程中3種配流口結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)套都使配流系統(tǒng)工作中產(chǎn)生了空化現(xiàn)象，其中在進(jìn)流質(zhì)向排流質(zhì)轉(zhuǎn)換瞬間雙配流口產(chǎn)生的空化現(xiàn)象最明顯，方形配流有較大壓力尖角（沖擊），圓形配流口壓力尖角和空化現(xiàn)象較小，工作較為穩(wěn)定，說明以減小空化和壓力尖角為目的時圓形配流口最適合配流系統(tǒng)工作。

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Structure and Influence on Working Pulsation of Distributing Slot of Rotating-sleeve Distributingflow System

ZHANG Yan-jun1，ZHANG Hong-xin1，ZHAO Qing-hai2，WANG Xin-liang1，CHENG Qian-chang1
（1.Qingdao University，Qingdao 266071，China；2. Power Integration and Energy Storage Systems Engineering Technology Center，Qingdao University，Qingdao 266071，China）

As one of the key component in distributing-flow system，its structure of the distributing slot influences the working pulsation of the whole distributing system greatly. We design three types of distributing-flow port of rotating sleeve based on the whole distributing-flow system，respectively there are the square port、the round port and the double port. First of all，we built mathematical model for three types flow area of rotating sleeve and analysed its characteristic and law of changes. Then in order to study the influence of different distributing slot on flow ripple and pressure fluctuation，we simulated different fluid model of distributing slot about fluid dynamics by software Fluent. By comparing results，we summarized that the flow area of square port is the maximum and its flow curve is more smooth and steady than others；the round slot has the less influence on flow ripple and pressure fluctuation，so different rotating sleeve apply to different distributing-flow system based on varied requirements.

rotating-sleeve distributing-flow system；distributing slot；structure design；flow ripple；pressure fluctuation

TH137.51

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.010

1005-0329（2017）11-0052-06

2016-12-27

2017-02-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51575286）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014ZRB01503）

張延君（1992-），女，碩士研究生，主要從事電動汽車智能化動力集成技術(shù)，E-m ail：ytdxzyj@163.com。

張洪信（1969-），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)檐囕v新型動力傳動及其電子化，通訊地址：266071山東青島市寧夏路308號青島大學(xué)，E-m ail：qduzhx@126.com。