基于CFD的柱塞泵动态性能仿真分析

尹锦锋,杨宏斌（河南科技大学机电工程学院,河南洛阳47003；2平顶山工业职业技术学院化工学院,河南平顶山467000）

基于CFD的柱塞泵动态性能仿真分析

尹锦锋1,2,杨宏斌1
（1河南科技大学机电工程学院,河南洛阳471003；2平顶山工业职业技术学院化工学院,河南平顶山467000）

该文以轴向柱塞泵的配流盘为研究对象，运用CFD技术对配流盘结构和尺寸参数对泵内部液体的动力学特性以及泵的输出性能的影响进行研究，得到配流盘阻尼槽结构与柱塞泵流量脉动及压力冲击的参数化关系，仿真模拟证明了计算流体力学进行轴向柱塞泵动态性能仿真的有效性。

柱塞泵，配流盘，CFD技术，三角槽

0　前言

轴向柱塞泵具有体积小、传递功率大(高压力和高转速)、变量控制方便、效率高、寿命长等优点，因此在现代工程机械液压系统中，几乎都采用轴向柱塞泵作为油源[1]。该文运用CFD技术成功地搭建了基于计算流体力学的轴向柱塞泵动态性能仿真模型。分析了配流盘卸荷槽尺寸对柱塞泵性能的影响，对其结构的优化设计有重要意义。

1轴向柱塞泵的结构特点

伴随着液压系统对齿轮泵高效率、高可靠性、高功率密度(高压、大排量)的发展要求，柱塞泵额定工作压力不断提高，高压或超高压柱塞泵配流过程中的油击和噪声问题已经严重限制了柱塞泵的发展[2]。

解决斜盘式轴向柱塞泵配流过程中的油击和噪声问题的主要解决方案为：在高、低压腔间隔的闭死密封区开卸荷槽，使得转子上吸满低压油的工作腔在进入高压排油区的过程中，油液压力均匀升高至排油压力，同等油液压力的液压油接触即不会产生油击现象；同理，转子上的工作腔完成排油历程后，使得工作腔内的油液压力均匀下降至吸油口油液压力。

因此，为解决斜盘式轴向柱塞泵配流过程中的油击和噪声问题，需研究配流盘的工作原理及其卸荷槽结构的设计方法。

2　建立轴向柱塞泵配流动态模型

本模型的主要研究对象为轴向柱塞泵的配流盘结构和尺寸参数对泵内部液体的动力学特性以及泵的输出性能的影响，因此建模的重心放在配流盘的配流作用上[3]。配流整体几何结构用UG建立，图1为轴向柱塞泵配流3D模型，模型设计为9柱塞式轴向柱塞泵。

3　基于Fluent的轴向柱塞泵配流性能分析

运用网格划分软件对三角形卸荷槽区域的网格进行局部细化，以提高计算精度。为方便在Fluent中的边界条件设置，将柱塞腔内的油液和高、低压腔内的油液设置为两种液体。内部流体设置为液压油，密度为889kg/m3。高压腔排油出口压力设为10MPa，低压腔进油口压力设为1MPa。将柱塞腔下表面和高、低压腔上端面设置为Interface，并进行关联。这样就可以实现柱塞腔和高、低压腔的压力、流量及温度的数据交流。

在柱塞腔液体本身绕Z轴的圆周运动的带动下，柱塞腔间逐渐地与高压腔脱离，此时柱塞腔顶部的运动开始使柱塞腔容积扩大，而柱塞腔底部开始与低压腔连通，借此实现吸油过程。两种运动的叠加，实现了柱塞腔间断地与高、低压腔连通，与轴向柱塞泵本身的工作原理一致。

卸荷槽的设置是为了缓冲柱塞腔在连通高、低压腔之间转换时所产生的冲击，因此对配流效果有重要影响。为研究不同尺寸卸荷槽缓解冲击的能力，设计模拟仿真实验如下：

配流盘三角形卸荷槽的几何尺寸如图2所示，其中槽宽3mm，槽深2mm，卸荷槽对应的圆心角为α，分别研究无三角形卸荷槽、三角形卸荷槽α=10°、α=20°时，轴向柱塞泵的配流特性。

配流盘的相位设置为偏置型，保证吸、排油的流畅。模型其他设置与前面所述一致。模型设置完成后划分网格，然后导入Fluent进行运算。由于完全接通高、低压腔后的压力和流量很稳定，因此重点观察高、低压切换时，柱塞腔的压力和流量特性。结果如图3、图4所示。

观察图3和图4可以发现：当α=20°时，柱塞腔的压力特性较差：低压腔换至高压腔时压力升高较多，超过了高压腔油压10MPa，最大值为11.7MPa，造成较大冲击；而高压腔换至低压腔时压力下降太多，出现负压，压力最小值为-0.39MPa，会使油液中的空气析出，出现气泡，产生气穴现象。

当不存在三角形卸荷槽时，柱塞腔的流速特性较差：低压换至高压、高压换低至压时流速均出现较大的波动，并且伴随回流，回流瞬间值达到0.35L/s和0.85L/s左右。而当α=10°时，相较另外两个模型，柱塞腔的压力和流量曲线均比较平滑，性能稳定。

分析原因如下：

柱塞腔从低压的油箱吸到液压油接高压负载时，柱塞腔内油压为1MPa，突然与高压负载10MPa相接，必然会引起负载的高压油倒流进柱塞腔。同理，柱塞腔从高压负载排完油接低压油箱时，柱塞腔内油压达到10MPa，与1MPa的油箱相接瞬间，势必会引起柱塞腔内高压油倒流回低压油箱，从而造成流量的不稳定。

分析表明，仿真模拟数据基本符合理论推测和实际情况。

4　结论

通过对斜盘式轴向柱塞泵配流过程的动态模拟发现，三角槽尺寸参数对于柱塞泵整个配流过程中产生的流量脉动与压力冲击具有较明显的影响，且如果三角槽跨度尺寸与深度尺寸设计不当，会导致柱塞腔预压缩和预膨胀量过大，引起柱塞腔内压力冲击，对进一步研究柱塞泵的结构优化有重要参考意义。

[1]徐绳武.轴向柱塞泵和马达的发展动向[M].液压气动与密封,2003(04):10-15.

[2]王彬.轴向柱塞泵平面配流副润滑特性及其参数优化[M].浙江大学,2013:11-12.

[3]俞云飞.液压泵的发展展望[M].液压气动与密封,2012(1):2-6.

导师：杨宏斌，男，河南科技大学，教授，研究方向：主要从事弧齿锥齿轮与准双曲面齿轮的设计与制造技术研究，齿轮数控加工技术、测量及计算机仿真等研究。

尹锦锋（1982—），男，讲师，从事机械方面的教学和研究工作。