滑靴副阻尼孔的研究與設(shè)計(jì)

王海吉，施光林

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，上海 200240)

引言

阻尼孔多用于閥、泵等液壓元件中，主要起減壓、減振等作用。常用阻尼孔分為薄壁短孔、厚壁短孔和長(zhǎng)阻尼孔，對(duì)不同種類(lèi)阻尼孔的流量特性的分析是極其重要[1]。高殿榮等[2]進(jìn)行了管道節(jié)流孔口流場(chǎng)的有限元數(shù)值模擬，得到了管道內(nèi)銳緣薄壁孔口的速度矢量圖、流線圖譜和等渦量線圖。劉歡等[3]和劉志政等[4]分別設(shè)計(jì)了薄壁小孔節(jié)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)和水介質(zhì)阻尼孔流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證阻尼孔的流量特性。

合理的阻尼孔設(shè)計(jì)有助于減小液壓回路里的振動(dòng)和壓力沖擊。劉虎云[5]以溢流閥阻尼器為對(duì)象，研究溢流閥中的氣穴與噪聲。艾超等[6]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)阻尼孔可以通過(guò)延長(zhǎng)閥開(kāi)口開(kāi)啟時(shí)間，從而減小主閥口開(kāi)啟時(shí)的壓力超調(diào)。陳超等[7]研究發(fā)現(xiàn)閥芯的阻尼孔變化對(duì)閥芯速度和開(kāi)啟時(shí)間有很大的影響。儲(chǔ)景瑞等[8]建立了氣動(dòng)比例液壓閥阻尼孔耦合特性仿真模型，分析阻尼孔的參數(shù)對(duì)減壓閥壓力輸出的影響。羅艷蕾等[9]研究阻尼孔對(duì)負(fù)載敏感系統(tǒng)的影響，為山地液壓割草機(jī)提供理論支撐。王成龍等[10]基于模擬退火法優(yōu)化液壓緩沖器的阻尼孔，使得緩沖器緩沖過(guò)程變得更為平緩。柱塞泵滑靴副和配流副多是用阻尼孔來(lái)減壓減振。KOC等[11]研究柱塞滑靴阻尼孔的尺寸，發(fā)現(xiàn)阻尼孔有助于防止滑靴傾斜。NIE等[12]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)阻尼小孔口有助于油膜的穩(wěn)定。鄒藝等[13]分析了滑靴阻尼孔與泄漏和柱塞泵容積效率的關(guān)系。于蘭英等[14]研究滑靴中的短阻尼效應(yīng)，提高油膜支承剛度。胡繼斌等[15]研究配流副中的短阻尼孔效應(yīng)，使得配流副靜壓支承有較好的動(dòng)態(tài)特性。張軍輝等[16]通過(guò)阻尼孔減少配流副的振動(dòng)，探討了阻尼孔與三角槽結(jié)構(gòu)對(duì)配流副減振特性的優(yōu)缺點(diǎn)。

本研究針對(duì)阻尼孔的特性，著重研究柱塞泵滑靴副阻尼孔的壓降原理；分析不同類(lèi)型的阻尼孔對(duì)壓降的影響，發(fā)現(xiàn)阻尼長(zhǎng)孔有助于壓降；分析阻尼長(zhǎng)孔的長(zhǎng)度和直徑與壓降的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)阻尼長(zhǎng)孔的直徑小于1 mm 時(shí)壓降效應(yīng)顯著，同時(shí)得出在確定壓降系數(shù)下，阻尼長(zhǎng)孔的直徑與長(zhǎng)度的關(guān)系。因?yàn)榇祟?lèi)細(xì)長(zhǎng)孔較難加工，提出了多段阻尼長(zhǎng)孔的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)尺寸。針對(duì)多段阻尼長(zhǎng)孔的結(jié)構(gòu)，計(jì)算確定其阻尼孔內(nèi)油液的流態(tài)為層流，且建立其CFD模型。通過(guò)仿真確定此結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)尺寸滿足所需要的壓降系數(shù)。

1 滑靴副分析

滑靴設(shè)計(jì)主要有剩余壓緊力法和靜壓支承法。靜壓支承法需要滑靴與柱塞內(nèi)部設(shè)有阻尼孔，使得滑靴底面的油液壓力小于柱塞處的壓力。當(dāng)壓緊力小于反推力時(shí)，滑靴被推開(kāi)，油膜厚度增大，滑靴底部壓力減小，滑靴反推力隨之減小直至與壓緊力相等，反之亦然。所以滑靴副內(nèi)部的阻尼孔與滑靴副的油膜形成固定-可變阻尼結(jié)構(gòu)，使得滑靴副的反推力與壓緊力平衡，滑靴副的主要尺寸與受力如圖1所示。

圖1 滑靴副的主要尺寸和受力

柱塞腔產(chǎn)生的軸向力F的分力F1推動(dòng)滑靴靠向斜盤(pán)，同時(shí)，柱塞腔的高壓油通過(guò)柱塞中心的阻尼長(zhǎng)孔和滑靴中心的阻尼短孔流入滑靴底部的容腔，產(chǎn)生反推力F2。推力F1和反推力F2可以表示為：

(1)

(2)

其中，ps是柱塞腔中的壓力；pr1是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)孔阻尼的壓降后產(chǎn)生的壓力，pr2是經(jīng)過(guò)短孔阻尼的壓降后產(chǎn)生的壓力，兩者的關(guān)系可以通過(guò)聯(lián)立阻尼孔與平面間隙的流量方程獲得。流經(jīng)阻尼長(zhǎng)孔、阻尼短孔及平面間隙的流量方程可以表示為：

(3)

(4)

(5)

其中，Cm和CF分別為長(zhǎng)孔阻尼和短孔阻尼的阻尼系數(shù)；ρ,μ分別為油液的密度和動(dòng)力黏度；hc為油膜厚度。

當(dāng)滑靴尺寸和工況都確定后，通過(guò)求解式(1)～式(5)，即可得出在特定工況下滑靴副的油膜厚度。計(jì)算出油膜厚度后，滑靴副通過(guò)阻尼孔所產(chǎn)生的壓降系數(shù)可以表達(dá)為：

(6)

當(dāng)油膜厚度為20 μm，柱塞腔壓力為 5 MPa時(shí)，壓降系數(shù)與滑靴各阻尼孔的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可以看出，壓降系數(shù)主要受長(zhǎng)孔阻尼的影響，當(dāng)直徑大于1 mm時(shí)，壓降效應(yīng)基本不變。所以之后的阻尼孔優(yōu)化設(shè)計(jì)只考慮長(zhǎng)孔阻尼，忽略薄壁孔阻尼。

圖2 滑靴副壓降系數(shù)與阻尼孔尺寸的關(guān)系

2 阻尼孔尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

長(zhǎng)孔阻尼有較好的壓降效果，且長(zhǎng)孔阻尼的直徑小于1 mm時(shí)壓降效果明顯。當(dāng)所需壓降系數(shù)為0.95時(shí)，表1顯示了所需的長(zhǎng)孔阻尼的直徑與長(zhǎng)度的關(guān)系。阻尼孔越小，所需的阻尼長(zhǎng)度也就越短。當(dāng)阻尼孔的直徑為0.5 mm時(shí)，所需的阻尼孔長(zhǎng)度為10.9 mm。所以阻尼孔的直徑越小越好，但是這種細(xì)長(zhǎng)孔較難加工，為了方便加工，此類(lèi)細(xì)長(zhǎng)孔的長(zhǎng)度直徑比需不大于10。為了解決這個(gè)問(wèn)題，阻尼孔可設(shè)計(jì)為3段長(zhǎng)孔阻尼，且每段阻尼孔的長(zhǎng)度直徑比為10。

表1 壓降系數(shù)為0.95時(shí)的長(zhǎng)孔阻尼直徑與長(zhǎng)度的關(guān)系 mm

3段阻尼長(zhǎng)孔的液阻Rf如式(7)所示，其中各阻尼孔的長(zhǎng)度直徑比固定為10。假設(shè)所需壓降系數(shù)為0.95，通過(guò)計(jì)算，3段阻尼長(zhǎng)孔的尺寸為：l3=5 mm,d3=0.5 mm;l4=6 mm,d4=0.6 mm;l5=7 mm,d5=0.7 mm。

(7)

3 阻尼孔的CFD仿真

滑靴副的流場(chǎng)比較復(fù)雜，在CFD仿真前，需要對(duì)滑靴副阻尼孔處及滑靴油膜處的雷諾系數(shù)進(jìn)行分析，以此來(lái)決定兩處的流態(tài)是層流還是紊流。雷諾系數(shù)由式(8)所示：

(8)

式中，ν—— 油液的運(yùn)動(dòng)黏度

v—— 流速

根據(jù)式(5)和式(8)，可以推導(dǎo)出滑靴副油膜處的雷諾系數(shù)Re1與長(zhǎng)孔阻尼處的雷諾系數(shù)Re2[17]：

(9)

(10)

可以看出雷諾系數(shù)與壓力、油膜厚度的三次方成正比；與黏度的平方成反比。通過(guò)之前的研究，泵工作油液的溫度會(huì)很快達(dá)到40 ℃，最高也會(huì)達(dá)到60 ℃[18]。所以在研究流態(tài)時(shí)需考慮高溫下低黏度狀態(tài)下的雷諾系數(shù)。圖3展示了在不同黏度和壓力下滑靴副油膜處和阻尼孔處的雷諾系數(shù)。從圖中可得知，在長(zhǎng)阻尼孔直徑d1=0.5 mm時(shí)，雷諾系數(shù)均小于2320，即油液油膜處流態(tài)和阻尼孔處流態(tài)均為層流，所以在CFD仿真中，滑靴副的模型均設(shè)為層流狀態(tài)。

圖3 滑靴副油膜處和阻尼孔處的雷諾系數(shù)

圖4展示了3段阻尼孔的3D模型和網(wǎng)格。網(wǎng)格主要由結(jié)構(gòu)網(wǎng)格形成，油膜處的厚度分為6層網(wǎng)格。流體模型都為層流。阻尼孔上端面為壓力入口，壓力設(shè)定為5 MPa;油膜側(cè)面設(shè)定為壓力出口，壓力設(shè)定為0。油液特性為40 ℃時(shí)的油液，即油液的密度為870 kg/m3，黏度為0.046 Pa·s。

圖4 3段阻尼孔的3D模型和網(wǎng)格

通過(guò)圖5的壓力云圖和速度云圖可以看到，阻尼孔內(nèi)的壓力連續(xù)降低，速度增大。圖6顯示了阻尼孔內(nèi)的壓力和速度沿著阻尼孔軸向的分布。通過(guò)圖6a可以看出，壓力降低的速率成3段，阻尼孔直徑越小，壓力下降的速率越大。通過(guò)圖6b可以看出，阻尼孔直徑越小，壓降的速率增大，阻尼孔內(nèi)的流速也越快，符合連續(xù)流量方程。最終當(dāng)入口壓力為5 MPa時(shí)，油液通過(guò)阻尼長(zhǎng)孔，油液降低至4.75 MPa，壓降系數(shù)為0.95，符合設(shè)計(jì)需求。

圖5 阻尼孔壓力和速度云圖

圖6 阻尼孔內(nèi)的壓力和速度沿軸向的分布

4 結(jié)論

本研究分析了柱塞泵滑靴副阻尼孔的流量和壓力，研究了阻尼長(zhǎng)孔和阻尼短孔的尺寸與壓降的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)阻尼長(zhǎng)孔比阻尼短孔更有助于降低壓力。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)壓降系數(shù)主要取決于阻尼長(zhǎng)孔的直徑。阻尼長(zhǎng)孔的直徑小于1 mm時(shí)，壓降效應(yīng)顯著。

根據(jù)以上結(jié)論，本研究分析了在確定壓降系數(shù)的情況下，所需阻尼長(zhǎng)孔的直徑與長(zhǎng)度的關(guān)系。結(jié)合實(shí)際加工難度，提出了多段阻尼長(zhǎng)孔的結(jié)構(gòu)使得細(xì)長(zhǎng)孔易于加工。

研究了滑靴副阻尼長(zhǎng)孔和油膜的雷諾系數(shù)，確定兩者的流態(tài)均為層流。建立滑靴副的CFD模型，分析多段阻尼長(zhǎng)孔的壓降。研究發(fā)現(xiàn)多段阻尼長(zhǎng)孔內(nèi)壓降和流速與阻尼長(zhǎng)孔直徑的關(guān)系符合連續(xù)流量方程。最終CFD模型的結(jié)果符合數(shù)值的計(jì)算，確定多段阻尼長(zhǎng)孔的尺寸設(shè)計(jì)滿足壓降的需要。