馬炳然 孫浩洋 鄭璐穎 張洪信

摘要：針對閥式配流系統(tǒng)存在噪音大、成本高、結(jié)構(gòu)松散等缺點，本文耦合了Fluent軟件和Fortran編程的方法，對往復柱塞泵中轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)潤滑性能進行研究。將該配流副視為特殊的滑動軸承，討論在不同時刻下，半徑間隙對潤滑膜最小膜厚的影響和寬徑比對潤滑膜承載能力的影響。研究結(jié)果表明，在3個時刻下，最小膜厚隨半徑間隙的增大而減小;承載能力隨寬徑比的增大而增大，當寬徑比從0.75增加到1.4時，潤滑膜的承載能力顯著增加，但當從1.4增加到1.5時，承載能力增加不顯著，因此，求得給定工況下半徑間隙和寬徑比的最佳取值區(qū)間為1.25～1.4。該研究為往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的配流副潤滑設計提供了方法。

關(guān)鍵詞：往復柱塞泵; 配流副; 水潤滑; 最小膜厚

經(jīng)濟發(fā)展推動了液壓技術(shù)的飛速進步[1]，帶動了高性能液壓元件的需求。我國的液壓技術(shù)與國外相比起步較晚，在高性能的柱塞泵、馬達、閥等關(guān)鍵元件上，大量依賴國外進口，在一定程度上制約了我國現(xiàn)階段工程機械的發(fā)展[2]。液壓泵主要分為齒輪泵、柱塞泵、葉片泵種[3]，其中，柱塞泵在液壓系統(tǒng)中應用廣泛，其具有密封性好、容積效率高、配合精度高、可在高壓條件下工作等優(yōu)點，在許多液壓元件發(fā)展相對緩慢的情況下，柱塞泵的材料、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)展勢頭良好[4]。同時，往復柱塞泵在汽車、工程機械、原油運輸、船舶、泵站、移動機械及礦山開采上應用廣泛[5]，一般由發(fā)動機或電動機驅(qū)動，如果其高速高頻、高效、高輸出壓力、大流量開關(guān)配流問題得到解決，對形成新型油液、電液車輛動力傳動系統(tǒng)意義重大[6]。而潤滑膜的存在，不僅使接觸表面不會造成磨損，而且通過潤滑液持續(xù)流動，帶走摩擦副工作過程中產(chǎn)生的大量熱量[7-9]。目前，常用的閥式配流系統(tǒng)存在噪音大、成本高、結(jié)構(gòu)松散、節(jié)流損失大、容積效率受工作頻率影響大等缺點[10-11]，而轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)可有效克服上述缺點，利用柱塞的往復直線運動驅(qū)動轉(zhuǎn)套單向旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)高效配流。配流副可實現(xiàn)柱塞泵的吸液和排液分配，在承受載荷的同時，還具有密封和潤滑作用[12]。袁柳櫻等人[13]對柱塞副的膜厚進行理論計算和分析，得到了柱塞的偏角、偏心距、自轉(zhuǎn)角速度等因素對油膜壓力分布的影響，并根據(jù)分析從潤滑角度給出了減小磨損、延長使用壽命的建議;楊華勇等人[14]針對往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)中配流副潤滑膜膜厚極薄，與泵的流場尺度相差若干數(shù)量級，難以直接應用Fluent求解的問題，通過耦合Fluent軟件和Fortran編程的方法，建立了該摩擦副的潤滑分析算法;鄭璐穎[15]進行了水潤滑柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的潤滑研究，耦合了商用CFD計算軟件和自行建模編程求解的方法，研究表明該方法是可行的;徐威[16]對往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)性能仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了研究。在此基礎上，水作為潤滑介質(zhì)，具有來源廣泛、安全、無污染等優(yōu)點，可有效減少磨損，提高機械效率[17]。基于此，本文以水作為潤滑介質(zhì)，耦合了Fluent軟件和Fortran編程方法，對往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的潤滑性能進行研究，重點討論了配流副結(jié)構(gòu)參數(shù)的潤滑設計。該研究為往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的配流副潤滑設計提供了理論依據(jù)。

1 往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)配流副潤滑分析原理

1.1 計算方法

往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)截面圖如圖1所示。該摩擦副可視為一個特殊的滑動軸承，轉(zhuǎn)套相當于旋轉(zhuǎn)軸，泵體相當于軸承座，潤滑膜支撐的外載荷W是泵腔內(nèi)的流體對轉(zhuǎn)套壓力和轉(zhuǎn)套與柱塞之間彈簧壓力的矢量之和，記偏位角為φ，泵體軸向長度為L。半徑間隙δ為泵體內(nèi)徑R與轉(zhuǎn)套半徑r之差。

轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)1周為1個運動周期，為簡化模型，對轉(zhuǎn)套與泵體間進行準穩(wěn)態(tài)潤滑分析。即針對某一特定瞬時，先預設轉(zhuǎn)套與泵體的初始偏心率，利用流體計算軟件Fluent，完成往復柱塞泵流場的非定常運動流場數(shù)值模擬，得到柱塞泵的整體流場;將得到的泵腔內(nèi)流體對轉(zhuǎn)套的壓力和轉(zhuǎn)套與柱塞間彈簧壓力的矢量和作為轉(zhuǎn)套與泵體間潤滑膜的外載荷W，針對此瞬時的轉(zhuǎn)套與泵體間的潤滑膜建模，利用Fortran語言編程，求得對應于該外加載荷的偏心率，并對求得的偏心率與預設值之間的誤差進行對比，松弛迭代偏心率，直至達到收斂精度，進而求得潤滑膜厚及壓力分布。在整個周期內(nèi)逐一瞬時計算，可以得到1個周期內(nèi)轉(zhuǎn)套與泵體間任意時刻的潤滑膜膜厚和壓力分布。本研究選取3個時刻進行配流副間的潤滑分析，以說明設計方法。

1.2 網(wǎng)格劃分

建立往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的流場模型并劃分網(wǎng)格，流體域整體網(wǎng)格如圖2所示。針對潤滑膜部分加密邊界層，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，總節(jié)點數(shù)約為50萬。

1.3 Fluent計算

運用Fluent求解，計算參數(shù)如表1所示。對于運動過程泵腔中的柱塞和轉(zhuǎn)套運動，通過自定義函數(shù)（user define function，UDF）定義，運用網(wǎng)格光順和O1動態(tài)層結(jié)合的方法設置為動網(wǎng)格[18]。泵腔與配流口、配流口與潤滑膜內(nèi)表面、配流口與潤滑膜外表面均與接觸面設置為INTERFACE滑移關(guān)聯(lián)邊界條件，其余為壁面邊界條件。

根據(jù)求得的泵腔流場，對其流場壓力積分可得泵腔內(nèi)的流體對轉(zhuǎn)套的壓力隨時間的變化規(guī)律，泵腔內(nèi)流體對潤滑膜壓力瞬變過程如圖3所示。取圖中的3個時刻（t1=0.30 s，t2=0.33 s，t3=0.35 s）進行潤滑分析，討論結(jié)構(gòu)參數(shù)對配流副潤滑性能的影響。

1.4 數(shù)學模型與量綱一化

4 結(jié)束語

本文在應用Fluent模擬往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)整體流場的基礎上，耦合Fortran編程對其配流副的潤滑問題進行建模分析，計算3個時刻下配流副結(jié)構(gòu)參數(shù)對往復柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)水潤滑性能的影響。研究結(jié)果表明，在當前工況下，半徑間隙δ的最佳取值區(qū)間為10 μm≤δ≤20 μm;寬徑比K的最佳取值區(qū)間為1.25～1.4，既滿足全膜潤滑，又能保證容積效率和承載能力。采用本方法逐一瞬時對配流副潤滑性能進行計算，即可完成配流副整個運動周期的潤滑設計。該研究對形成新型油液、電液車輛動力傳動等系統(tǒng)具有重要意義。

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