景 玲,單凱凌，黃 煜

(重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402760)

0 引 言

對(duì)于雙作用葉片泵油道的研究，吸油口的角度位置是葉片泵的重中之重，會(huì)直接影響脈動(dòng)率的大小，氣蝕以及泄漏現(xiàn)象，且相關(guān)文獻(xiàn)無(wú)從查詢，在實(shí)際的臺(tái)架試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律，不同吸油口角度出現(xiàn)了的噪音及磨損有明顯不同，所以此項(xiàng)研究對(duì)葉片泵的正向設(shè)計(jì)及優(yōu)化有重要意義。

1 吸、排油角度分析

1.1 雙作用葉片泵工作原理

雙作用葉片泵由配油盤(pán)、轉(zhuǎn)子、定子、軸、殼體組成，如圖1所示，雙作用葉片泵的定子與轉(zhuǎn)子同心，定子內(nèi)表面是由兩段大徑R，兩端小徑r的工作曲線以及四段過(guò)渡曲線而組成，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片會(huì)隨著離心力和葉片底部的高壓油(葉片泵建立液壓后)甩出，緊貼定子內(nèi)表面，并在葉片槽內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)葉片由小徑r處向大徑R運(yùn)動(dòng)時(shí)，則兩葉片間的容積逐漸增大，形成局部真空而吸油，當(dāng)葉片由大徑R向小徑r運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩葉片間的容積逐漸減小而排油，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈，葉片在槽內(nèi)往復(fù)兩次，形成兩次吸排油，這便是雙作用葉片泵的工作原理[1]。

1.2 排油角度分析

當(dāng)兩葉片間的容腔正好落在小徑r處時(shí)，容腔最小，葉片隨著轉(zhuǎn)子從小徑r部分開(kāi)始向大徑R部分運(yùn)動(dòng)時(shí)，容腔開(kāi)始變大，會(huì)形成真空，開(kāi)始吸油[2]。下面以12個(gè)葉片的葉片泵為例，以驅(qū)動(dòng)軸中心為圓心，如圖2所示，當(dāng)葉片之間的區(qū)域在小徑r范圍內(nèi)，即從X軸轉(zhuǎn)過(guò)15°時(shí)，容腔開(kāi)始變大形成真空腔，即理論的吸油腔位置這個(gè)角度開(kāi)始，當(dāng)兩葉片與Y軸夾角為15°，容腔落在大徑R范圍內(nèi)時(shí)，形成最大容腔，吸油結(jié)束，理論吸油腔也在此終止。

圖1 雙作用葉片泵結(jié)構(gòu) 圖2 理論吸、排油油腔設(shè)計(jì)

當(dāng)兩葉片間的容腔正好落在大徑R處時(shí)，容腔最大，葉片隨著轉(zhuǎn)子從大徑R開(kāi)始向小徑r運(yùn)動(dòng)時(shí)，容腔開(kāi)始變小，對(duì)油液擠壓，此時(shí)開(kāi)始排油，如圖2所示，當(dāng)葉片之間的區(qū)域在大徑r范圍內(nèi)，即從Y軸轉(zhuǎn)過(guò)15°時(shí)，容腔開(kāi)始變小準(zhǔn)備排油，當(dāng)兩葉片旋轉(zhuǎn)至與X軸夾角為15°時(shí)，容腔落在小徑r范圍內(nèi)時(shí)，形成最小容腔，排油結(jié)束，理論排油腔也在此終止。

理論中的吸、排油腔夾角為30°，但在實(shí)際應(yīng)用中，理論夾角往往容易產(chǎn)生高壓腔向低壓腔迸發(fā)泄漏，使油泵的流量脈動(dòng)率加大，所以高低壓腔的夾角應(yīng)大于30°，而高壓腔(排油腔)需滿足完全卸油，否則到達(dá)吸油腔時(shí)，高壓油沖出，影響吸油，且使油泵扭矩增加，故排油腔角度不可改變；吸油腔油壓低，可適當(dāng)縮短吸油腔角度，現(xiàn)通過(guò)仿真的方法，優(yōu)化吸油角度，達(dá)到降低油泵脈動(dòng)率的結(jié)果。

2 吸油腔位置角度優(yōu)化計(jì)算

油泵出口處的流量脈動(dòng)率是評(píng)價(jià)油泵性能好壞的最重要指標(biāo)，油泵在工作時(shí)，一對(duì)葉片之間的容腔隨著定子曲線的而變化的過(guò)程中，完成吸油和排油的過(guò)程，但由于油腔的急劇變小使得油品被急速 “擠出”，整個(gè)過(guò)程是不連續(xù)的，這便是造成油泵流量呈脈動(dòng)的原因。葉片泵工作時(shí)，轉(zhuǎn)子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，且各個(gè)葉片均勻的分布在轉(zhuǎn)子上，故產(chǎn)生的流量脈動(dòng)呈周期性變化，通常，評(píng)價(jià)油泵的性能用脈動(dòng)率σ(流量不均勻性)來(lái)評(píng)價(jià)。當(dāng)吸油腔角度為最優(yōu)時(shí)，油泵流量脈動(dòng)率一定為最小，現(xiàn)以12葉片的葉片泵為例，葉片夾角為30°，理論吸油腔與X軸夾角α=15°，結(jié)束部分與Y軸夾角為β=15°(如圖3)。

圖3 吸油腔位置角度

2.1 數(shù)模建立與網(wǎng)格劃分

數(shù)模通過(guò)UG軟件進(jìn)行建立，將葉片泵內(nèi)的有效油腔提取出，包括兩個(gè)出口區(qū)、吸油區(qū)域及旋轉(zhuǎn)區(qū)域三部分(如圖4)，并將其轉(zhuǎn)換為面文件STL導(dǎo)入到CFD軟件中。

對(duì)于油泵旋轉(zhuǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)形式，用結(jié)構(gòu)化動(dòng)網(wǎng)格劃分，其他兩部分采用二叉樹(shù)方法快速生成笛卡爾網(wǎng)格，共201865單元，495286個(gè)節(jié)點(diǎn) 。

2.2 邊界條件

(1) 計(jì)算模型選擇目前工程中較為廣泛的湍流模型；

(2) 計(jì)算三周，第一周計(jì)算收斂精度為0.1，第二周加嚴(yán)到0.01，第三周收斂精度0.001；

(3) 計(jì)算模型使用Vane模型；

(4) 入口邊界和出口邊界均設(shè)為一個(gè)大氣壓，溫度為90 ℃；

(5) 模型中，轉(zhuǎn)子部分設(shè)為結(jié)構(gòu)化動(dòng)網(wǎng)格，其他設(shè)為普通笛卡爾網(wǎng)格；

(6) 如圖4所示，設(shè)置吸油口，出油口，旋轉(zhuǎn)區(qū)域，其他設(shè)為壁面邊界條件。

圖4 數(shù)模建立及網(wǎng)格劃分

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1脈動(dòng)率計(jì)算

基于pumplinx專業(yè)的泵閥軟件，通過(guò)對(duì)比油泵最主要的性能指標(biāo)脈動(dòng)率σ來(lái)判斷優(yōu)化過(guò)程。[3]

脈動(dòng)率計(jì)算公式：

式中：Qmax為流量最大值；Qmin為流量最小值。

仿真設(shè)計(jì)中，將吸油腔位置角度α和β在理論范圍內(nèi)組合并分別計(jì)算出兩個(gè)出口的流量脈動(dòng)率σ1、σ2(如表1)，吸油腔位置角度α和β分組如下：理論值為α=15°，β=15°如圖5(a)；將開(kāi)始吸油延遲，形成短時(shí)間的真空即α=15°～19°，β=15°如圖5(b)；結(jié)束吸油提前，即α=15°，β=15°～21°如圖5(c)；將開(kāi)始吸油延遲，結(jié)束吸油提前α>15°,β>15°(如圖5(d)、5(e)。

由結(jié)果可知，α=15°，β=15°；α=19°，β=21°；α=21°，β=23°三組角度的脈動(dòng)率較小，油泵性能比較好。

表1 各個(gè)角度的流量脈動(dòng)率的計(jì)算結(jié)果

2.3.2氣蝕計(jì)算

油泵氣蝕過(guò)程就是流動(dòng)的液體產(chǎn)生氣泡并隨后發(fā)生破裂的過(guò)程，當(dāng)流體的絕對(duì)速度增加，由于流體的靜壓力下降，對(duì)于一定溫度下流體的某些特定的質(zhì)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，雖然無(wú)熱量自外部輸入，但他們已經(jīng)達(dá)到了氣化壓力，氣泡就會(huì)迅速破裂，產(chǎn)生巨大的屬于內(nèi)向爆炸性值得冷凝沖擊，導(dǎo)致避免材料受損。

經(jīng)計(jì)算得出氣蝕能量云圖，如圖6所示，當(dāng)α=15°、β=15°，α=15°、β=21°，α=19°、β=21°時(shí)，氣蝕能量相對(duì)小，油泵性能相對(duì)優(yōu)化。

圖5 各吸油口角度脈動(dòng)率

2.3.3泄漏計(jì)算

經(jīng)過(guò)脈動(dòng)率及氣蝕的計(jì)算對(duì)比，得出當(dāng)α=15°、β=15°，α=19°、β=21°性能較好，但從泄漏計(jì)算(如圖7)結(jié)果得知，α=15°，β=15°時(shí)，泄漏量均值為0.22 L/min，當(dāng)α=19°、β=21°時(shí)，泄漏量均值為0.17 L/min，故α=19°、β=21°更優(yōu)化。

圖6 各角度的油泵氣蝕情況

圖7 泄漏曲線

3 結(jié) 論

雙作用葉片泵吸油口的位置角度和開(kāi)口角度在很大程度上影響油泵性能，利用Pumplinx分析軟件，對(duì)吸油角度在理論范圍內(nèi)分組，通過(guò)評(píng)價(jià)脈動(dòng)率、氣蝕和泄漏量等參數(shù)，對(duì)油泵性能進(jìn)行較全面的評(píng)價(jià)，當(dāng)吸油口角度開(kāi)始時(shí)延遲，結(jié)束時(shí)提前，會(huì)使油泵性能更優(yōu)化，但延遲不得超過(guò)4°左右，結(jié)束提前不得超過(guò)6°左右。