轴向柱塞泵配流副间隙的实验研究

一、前言由缸体和配油盘组成的配流副是轴向柱塞泵的关键部件之一。轴向柱塞泵的故障有相当一部分是由于配流副的磨损失效引起的。为了弄清配流副油膜厚度及其变化规律,笔者实测了B_1-725型斜轴式轴向柱塞泵配流副的油膜厚度,考察了油泵压力、转速、油温及缸体摆角的变化对油膜厚度的影响。     

轴向柱塞泵织构化配流副的动态特性分析

以织构化配流副为研究对象,分析了织构化配流副的稳态受力和瞬态受力情况,建立了织构化配流副的数学模型和基于Simulink的仿真模型,并以配流副间油膜厚度为考察对象进行研究。结果表明:相对于普通配流副,压力突变时,织构化配流副的油膜厚度变化更小,油膜厚度的动态性能参数均有一定程度的提高。动态特性与油膜刚度相关,油膜刚度越大越有利于配流副的动态特性的提高。油膜厚度近似为零时,织构化配流副的压缩效应有利于配流副避免固体接触。     

斜盘轴向柱塞泵配流副流固耦合润滑机理研究

当斜盘轴向柱塞泵处于高压工况时，其配流盘会产生翘曲变形。基于弹性流体动力润滑理论，建立斜盘轴向柱塞泵配流副流固耦合模型，求解配流副润滑控制方程，分析了斜盘轴向柱塞泵缸体转速、缸体倾角、液压油黏度、配流副油膜厚度、配流副密封带宽度等工况与结构参数对其配流盘发生翘曲变形的影响。研究显示：斜盘轴向柱塞泵配流盘变形云图以腰形槽中心连线为轴线呈现一定的对称分布；配流盘高压侧外密封带区域变形最大，配流盘低压侧外密封带区域变形最小；在相同工况下，配流盘的材料与结构影响配流副油膜厚度与形状。     

微观织构配流副热-流-固耦合润滑特性

通过建立轴向柱塞泵配流副的几何模型,利用雷诺方程推导了配流副的油膜压力方程,采用有限差分法和松弛迭代法求解雷诺方程。利用FORTRAN语言编程求解,利用MATLAB语言对油膜厚度、压力、温度分布进行了仿真研究。结合油膜厚度方程、雷诺方程、能量方程、弹性变形方程、黏温黏压方程和密度温压方程,仿真微观织构配流副的热弹流润滑特性。研究表明：配流副油膜厚度增大,最大油膜压力减小,最高温度值减小;配流副的热-流-固耦合效果随油膜间隙收敛逐渐明显,在最小油膜厚度处达到最大,并且,油膜压力值达到最大;加工微观织构可以显著改变配流副的油膜压力和温度分布。     

锥形缸体球面配流副润滑特性建模及试验验证

配流副油膜的润滑特性对轴向柱塞泵的可靠运行有重要影响。建立了锥形缸体球面配流副油膜润滑特性仿真模型,并通过试验验证了模型的有效性。对锥形缸体进行受力分析,通过对柱塞滑靴组件运动学和受力的分析,求解得到柱塞滑靴组件对锥形缸体的作用力;通过对球面配流副油膜厚度分布和压力分布的分析,求解得到球面配流副对锥形缸体的油膜支承力;采用有限容积法对油膜进行离散化处理,通过牛顿迭代法数值求解球面配流副油膜润滑特性和锥形缸体运动方程;开展轴向柱塞泵高压稳态试验和轮廓扫描试验,获得不同稳态试验时长的球面配流盘磨损形貌,对比球面配流盘磨损轮廓与仿真得到的油膜厚度分布和压力分布。研究结果表明,仿真得到的油膜厚度较小区域与配流盘主要磨损区域相近,验证了锥形缸体球面配流副油膜润滑模型的有效性。     

球面配流副油膜的几何成型计算

以球面配流副为研究对象,通过引入欧拉角来表征缸体位姿,建立起球面配流副油膜分布的数学模型,从而获得油膜二维厚度值分布图以及三维球面分布图;进一步,在考虑实际配流副几何空间限制的约束下,建立基于球面油膜厚度空间的优化模型,通过GAS算法获得了油膜空间最小和最大油膜厚度以及所在位置.研究表明,缸体姿态对油膜几何场分布影响显著,为进一步研究油膜流场分布奠定了基础.     

表面粗糙度对配流副润滑特性的影响

为研究表面粗糙度对轴向液压柱塞泵马达配流副润滑特性的影响,引入Weierstrass-Mandelbort分形函数,对不同幅值的表面粗糙度的表面形貌进行二维和三维模拟,建立考虑表面粗糙度的流固热耦合下的配流副油膜润滑模型,采用中差分形式的有限差分法和松弛迭代法对其进行数值求解,并分析油膜厚度、油膜压力、油膜承载力、摩擦因数等性能参数随着表面粗糙度幅值变化的规律。通过盘-盘形式的配流盘-缸体摩擦磨损试验,得到不同幅值的表面粗糙度下配流副摩擦因数,对所建立的数学模型进行验证。数值计算结果表明,表面粗糙度幅值的增大会引起油膜承载力增大,但也会引起最大油膜压力和摩擦因数的增大,导致摩擦性能下降。摩擦磨损试验发现,表面粗糙度增大,配流盘表面摩擦磨损情况加剧,配流副润滑性能和耐磨性能整体降低。因此在配流盘表面加工处理中,应适当降低其表面粗糙度。     

柱销式叶片泵配流副功率损失和最佳轴向间隙研究

根据柱销式叶片泵配流副几何特征和运动特性,从油液泄漏和黏性摩擦两个方面分析,建立了柱销式叶片泵配流副功率损失计算模型。在泵结构参数和工况参数一定情况下,通过最小功率损失计算,得到配流副最佳油膜厚度计算公式,并结合实际加工可操作性给出配流副最佳轴向间隙选择方法。分析了变工况下动力黏度、负载压力和转速对最佳油膜厚度的影响,发现低压时油液动力黏度对最佳油膜厚度分布影响最为明显。研究结论对柱销式叶片泵配流副轴向间隙尺寸设计有一定指导意义。     

热流固耦合下柱塞泵配流副参数对摩擦性能的影响

为探讨热流固耦合下柱塞泵配流副参数对摩擦性能的影响,建立配流副的润滑模型,采用有限差分法对雷诺方程、能量方程和弹性变形方程进行求解,考虑黏度-温度、黏度-压力的关系,利用松弛迭代法求得热流固耦合下油膜压力、弹性变形与油膜温度分布的数值解,并运用MATLAB得到油膜压力、弹性变形、油膜温度分布云图;分析配流副参数对油膜承载力、摩擦力、摩擦转矩和摩擦因数的影响。结果表明：缸体倾斜角度和初始油膜厚度对油膜承载力的影响较大,增大缸体倾斜角度和减小初始油膜厚度,可提高油膜承载能力;减小润滑油黏度、增大初始油膜厚度能有效降低润滑摩擦过程中的摩擦力和摩擦因数。     

考虑弹性变形的柱塞泵配流副温度特性研究

针对柱塞泵配流副的温度特性问题,建立了柱塞泵配流副的数学模型,在考虑弹性变形情况下,对柱塞泵配流副温度特性进行了研究。运用Fortran和MATLAB软件对数学模型进行了计算仿真,在油膜压力作用下,计算了配流副的弹性变形分布形态,得到了配流副的热弹流分布;对比了不同工况参数下的油膜温度最高值,分析得出了油膜的油液黏度、缸体转速、缸体倾角、初始油膜厚度、密封带宽度等单一参数对油膜温度特性的影响,并与未加入弹性变形的配流副的温度特性进行了比较;最后通过温度测试的实验,验证了该计算结果的正确性。研究结果表明:在两种不同情况下,油液黏度不同时各工况参数对温度的影响趋势保持一致;在考虑弹性变形的情况下,各工况参数对温度的影响程度不同;该结果可对后续柱塞泵配流副热流固耦合这一研究方向提供理论基础和计算依据。     

球面配流对轴向柱塞泵性能影响的研究

为了对比分析球面配流与传统平面配流对轴向柱塞泵性能的影响,运用曲面造型技术建立基于球面配流的柱塞泵整体流域几何模型。在此基础上,采用动网格模拟缸体柱塞腔的轴向往复运动及旋转运动,利用计算流体动力学技术基于全空化模型对柱塞泵整体流域进行分析,分析了球面配流与平面配流对柱塞泵的压力流量脉动、空化现象等方面的影响。分析结果得出:在柱塞泵空化程度的影响方面二者差异很小,在配流过程中球面配流更加稳定,其压力、流量脉动率均优于平面配流。     

水压马达非光滑表面配流副承载特性的数值模拟

为提高低速大扭矩水压马达配流副的承载能力,进而降低摩擦减少磨损,延长其使用寿命,构思了具有6种不同凹坑形状的非光滑表面配流盘。运用数值模拟的方法,对非光滑表面配流盘与马达转子端面组成的配流副间的液膜压力分布和承载能力进行了数值计算,分析了非光滑表面凹坑深度、形状以及转子转速对承载力的影响。结果表明：具有相同凹坑深度的非光滑表面配流副间液膜承载力随转子转速的增加而增大;相同转速下,圆形锥坑、方形锥坑、圆形半球坑所组成的非光滑表面,其承载力随凹坑深度的增加近似呈线性减小,但减小的缓慢,其中圆形锥坑的非光滑表面配流副承载力对凹坑深度的变化最不敏感,且承载力较高;相同转速下,圆形柱坑、方形柱坑、三角形柱坑所组成的非光滑表面配流副液膜承载力随凹坑深度的增加近似呈双曲线规律减小,且承载力在凹坑深度不小于0.5 mm后基本相同,但比圆形锥坑、方形锥坑、圆形半球坑所组成的非光滑表面承载力小很多。该研究工作对于低速大扭矩海水液压马达非光滑表面配流副的设计及工程应用具有借鉴意义。     

基于分形理论的柱塞泵/马达配流副润滑特性研究

为研究配流盘表面形貌对配流副润滑特性的影响,采用分形理论模拟配流盘表面形貌,建立轴向柱塞泵配流副润滑模型,使用有限差分法对模型进行求解,探讨分形参数对表面轮廓的影响,并进一步分析分形参数和配流副工况参数对油膜承载力、摩擦力、摩擦转矩和摩擦因数的影响。结果表明：分形维数越大,表面轮廓形貌复杂度越高,且粗糙表面高度随尺度系数减小而降低;随着缸体倾角和转速的增大,油膜承载力提升,但摩擦力、摩擦转矩和摩擦因数也随之升高;配流副润滑性能与分形维数呈现正相关的关系,选取较大的分形维数有利于提升配流副的润滑性能;尺度系数越小其摩擦力越小,但承载力也减小,因此需选择适中的尺度系数。     

旋转配流盘型变量柱塞泵研究

建立旋转配流盘型变量柱塞泵排量的数学模型，对其工作原理进行了论述；剖析了其结构上存在的缺陷，提出一种拓宽变量调节范围的新方法；对旋转配流盘型变量泵的瞬时流量特性进行仿真研究，并与倾角调整型变量泵的瞬时流量进行了对比分析，指出采用旋转配流盘型变量泵需进一步克服的缺陷。     

液压轴向柱塞泵配流盘气蚀机理

对轴向柱塞泵配流盘进行气蚀试验。在试验条件相同的情况下,根据减压槽处结构不同的配流盘,得到两种截然不同的气蚀破坏结果。针对试验中两种配流盘的配流过程进行计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)解析,得到了配流盘不同位置的速度分布,以及压力、速度随缸体转角的变化曲线;得出配流盘发生气蚀的机理,即气蚀不仅取决于配流盘附近的速度和压力大小,还取决于速度的方向——射流角;提出通过改变配流盘结构,将油液回冲阶段初期的射流角控制在30°～60°内来减少配流盘上气蚀的方法。根据配流盘气蚀产生的机理将油液回冲阶段初期的射流角控制在30°～48°,经过试验,就气蚀破坏来讲配流盘的寿命延长到了原来的4倍多。     

轴向柱塞泵配流副润滑特性的研究进展

介绍了国内外有关轴向柱塞泵配流副润滑特性方面的研究成果，并进行了综合分析和比较。指出需借鉴国外现有的关于轴向柱塞泵配流副压力分布规律的理论，确定最佳剩余压紧系数，现有的配流副结构设计方法和理论依据需进一步完善。建立了轴向柱塞泵配流副润滑特性试验平台，可在不同压力、温度、转速、结构下测试配流副间隙并得出配流副润滑膜的形成及变化规律。通过润滑特性测试平台还可以确定最佳水液压柱塞泵配流副润滑结构和材料配对，为研制出性能良好的轴向柱塞式水液压泵奠定实验基础。     

仿生非光滑表面在高压海水轴向柱塞泵配流副中CFD研究

采用半球凹坑单元构思光滑-非光滑交错分布的非光滑表面配流盘,通过CFD研究凹坑等分数(Nf)、直径(d)以及坑径比(З)对配流盘的水膜压力场、凹坑中速度场及举升力的影响。研究结果显示,非光滑表面可以产生动压效应,从而改善配流盘的润滑性能。当Nf=12,d=0.5 mm,З=0.7时,配流盘的润滑水膜所产生的举升力最大,效果最优。为高压海水轴向柱塞泵配流盘的非光滑表面设计提供了理论参考。     

新型双作用式叶片泵的理论研究

双作用式叶片泵的几何排量一般难以改变,导致运用受到限制。提出了一种双作用式变流量叶片泵结构原理,它不像传统的变量泵那样通过改变有效密封容积而改变泵的输出流量,而是通过改变可旋转的配流盘与固定配流盘的重叠窗口角的大小,进而改变配流盘口液阻大小和改变吸液管中流速大小来改变输出流量。通过对伯努利方程的分析,证明了上述原理的正确性,可供进一步研究作参考。     

球面配流副的泄漏分析与研究

论文通过对球面配流副的轴向柱塞泵的泄漏的分析和研究，对球面配流副的泄漏进行分类，建立了球面配流副的泄漏模型，列出球面配流副的泄漏公式，在根据球面配流副的功率损失最小的原则，首次提出球面配流副的最佳平均间隙的概念，得出其计算公式emin0，并进行了仿真分析，得出了相关结论，进一步完善了球面配流副的理论，有一定的理论参考价值。