斜盤式軸向柱塞泵缸體及配流盤抗空化研究.docx

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1、斜盤式軸向柱塞泵缸體及配流盤抗空化研究軸向柱塞泵及液壓節(jié)流槽是液壓系統(tǒng)的重要元件,廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,以液壓油為介質(zhì)的液壓傳動(dòng)技術(shù)得到發(fā)展。為適應(yīng)近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代液壓系統(tǒng)的工作壓力越來(lái)越高。隨著液壓系統(tǒng)向高速、高壓方向發(fā)展,液壓元件的空化現(xiàn)象成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)軸向柱塞泵柱塞腔及液壓節(jié)流槽的空化現(xiàn)象開(kāi)展研究。主要包括:軸向柱塞泵缸體腰形孔結(jié)構(gòu)與配流盤節(jié)流槽結(jié)構(gòu)對(duì)柱塞腔空化的影響;缸體腰形孔水力直徑與柱塞腔直徑匹配關(guān)系對(duì)柱塞腔空化影響的理論研究;軸向柱塞泵缸體腰形孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與柱塞腔氣體體

2、積分?jǐn)?shù)平均值的函數(shù)關(guān)系的建立;軸向柱塞泵缸體腰形孔及節(jié)流槽抗空化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。具體而言:1)軸向柱塞泵柱塞腔空化仿真分析利用Fluent軟件的動(dòng)網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格、Cavitation模型、Mixture混合模型及RNGk-ε湍流模型建立軸向柱塞泵空化流有限元仿真計(jì)算模型。通過(guò)柱塞腔氣體體積分?jǐn)?shù)平均值的變化來(lái)定量監(jiān)測(cè)柱塞泵工作時(shí)每一階段柱塞腔空化的變化。研究柱塞泵在不同的入口壓力、不同斜盤傾斜角及不同柱塞泵缸體轉(zhuǎn)速對(duì)軸向柱塞泵柱塞腔空化的影響。2)缸體腰形孔水力直徑與柱塞腔直徑配比關(guān)系對(duì)柱塞腔空化影響研究在軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)方面,重點(diǎn)研

3、究了缸體腰形孔結(jié)構(gòu)對(duì)柱塞腔空化的影響,提出了缸體腰形孔水力直徑與柱塞腔直徑的配比關(guān)系對(duì)柱塞腔空化具有較大影響。根據(jù)假設(shè)通過(guò)缸體腰形孔的流體體積剛好填滿柱塞移動(dòng)時(shí)柱塞腔多出的空間的條件,建立了理想情況下柱塞腔不發(fā)生空化時(shí)缸體腰形孔水力直徑與柱塞腔直徑臨界比值mc的數(shù)學(xué)模型,分析了交錯(cuò)角α、斜盤傾角β、缸體角速度ω對(duì)臨界比值mc的影響,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,提出合理的配比關(guān)系建議。3)傾斜式缸體腰形孔結(jié)構(gòu)對(duì)柱塞腔空化影響理論分析軸向柱塞泵缸體腰形孔結(jié)構(gòu)主要有直型及傾斜式兩種。工程中將缸體腰形孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為傾斜式,主要是考慮缸體高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)缸體

4、腰形孔中流體的離心力有助于流體流入柱塞腔,從而提高柱塞腔的自吸能力,可在一定程度降低柱塞腔的空化,提高其容積效率。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)沒(méi)有更深入分析缸體腰形孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柱塞腔自吸力的影響。本文從腰形孔參數(shù)h、δxy、δxz入手,從理論上分析了其對(duì)柱塞腔自吸性能的影響,并通過(guò)仿真柱塞腔空化進(jìn)行了驗(yàn)證。4)軸向柱塞泵預(yù)升(卸)壓階段配流盤節(jié)流槽空化研究軸向柱塞泵配流盤設(shè)計(jì)有三角形節(jié)流槽,設(shè)計(jì)節(jié)流槽的目的是讓柱塞腔通過(guò)上、下死點(diǎn)后,利用節(jié)流槽的調(diào)節(jié)功能使柱塞腔的壓力與柱塞泵的進(jìn)油、出油口的壓力接近,減小水擊。但當(dāng)柱塞腔通過(guò)死點(diǎn)后,柱塞腔液壓油

5、與柱塞泵進(jìn)、出油口會(huì)出現(xiàn)很高的壓差,液壓油會(huì)高速通過(guò)節(jié)流槽,從而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的空化,柱塞泵伴隨產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲、減小容積效率。本文借助Fluent軟件仿真分析了三角形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)節(jié)流槽空化的影響,并提出在不改變節(jié)流槽通流面積前提下的節(jié)流槽抗空化結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。通過(guò)仿真對(duì)比結(jié)構(gòu)改進(jìn)前及改進(jìn)后的節(jié)流槽空化情況,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的節(jié)流槽結(jié)構(gòu)的抗空化性能優(yōu)于改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)。5)基于Kriging代理模型的軸向柱塞泵缸體腰形孔及節(jié)流槽抗空化結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。由于空化理論的不成熟性及液壓元件結(jié)構(gòu)參數(shù)的強(qiáng)耦合性,因此,建立結(jié)構(gòu)參數(shù)與流體氣體體積參數(shù)值之間精

6、確的空化數(shù)學(xué)模型較為困難。本文選擇了Kriging代理模型的方法來(lái)近似替代空化數(shù)學(xué)模型,并詳細(xì)介紹了Kriging代理模型的原理及模型建立的原則,對(duì)模型的代理精度進(jìn)行了驗(yàn)證,說(shuō)明該模型能夠滿足工程需要。利用Kriging代理模型原理建立軸向柱塞泵缸體腰形孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與柱塞腔流體氣體體積分?jǐn)?shù)平均值的函數(shù)關(guān)系;V形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與節(jié)流槽流體氣體體積分?jǐn)?shù)最大值的函數(shù)關(guān)系;U形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與節(jié)流槽流體氣體體積分?jǐn)?shù)最大值的函數(shù)關(guān)系。在已建立的Kriging代理模型的基礎(chǔ)上,采用遺傳算法優(yōu)化訓(xùn)練該代理模型。優(yōu)化的目標(biāo)值為氣體體積分?jǐn)?shù)值的最小值

7、。分別得到軸向柱塞泵、V形節(jié)流槽、U形節(jié)流槽抗空化的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。本文的研究表明,采用Fluent的mixture模型、動(dòng)網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格,可更真實(shí)地仿真液壓軸向柱塞泵柱塞腔及節(jié)流槽的空化流。采用Kriging代理模型,不僅避免建立復(fù)雜的空化數(shù)學(xué)模型,而且可通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提高代理模型精度,方便采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算。本課題的研究結(jié)果為液壓元件抗空化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),具有良好的工程實(shí)用性。