孫澤剛，鐘宏民，李 濤

（四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000）

1 引言

軸向柱塞泵是液壓系統(tǒng)的動力源，是液壓系統(tǒng)的心臟，因此軸向柱塞泵的性能對整個(gè)液壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性有決定性作用。軸向柱塞泵主要性能指標(biāo)是出口流量的穩(wěn)定性、振動、噪聲、容積效率等，而空化是影響柱塞泵性能的主要因素之一。

針對軸向柱塞泵空化的研究已成為近年熱點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多相關(guān)的研究，并取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[1]仿真分析海水軸向柱塞泵柱塞腔的空化，發(fā)現(xiàn)泵的入口壓力對柱塞腔的空化影響明顯，研究結(jié)果表明增加軸向柱塞泵的入口壓力可在一定程度上降低柱塞腔的空化面積。文獻(xiàn)[2-4]分析了高壓軸向柱塞泵的空蝕特性，提出一種空蝕的評價(jià)方法。通過CFD 仿真分析，提出軸向柱塞泵空蝕的破壞不僅取決于配流盤減壓槽附件的結(jié)構(gòu)，還取決于進(jìn)入柱塞腔流體的速度方向，并指出可改變配流盤節(jié)流槽結(jié)構(gòu)，使得流體在節(jié)流槽出口的射流角在（35～65）°之間時(shí)，柱塞泵空蝕破壞減弱。后經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)配流盤減壓槽附近的阻尼孔對減壓槽出口的射流角大小沒有影響。文獻(xiàn)[5]研究了配流盤結(jié)構(gòu)對柱塞腔壓力影響，認(rèn)為配流盤節(jié)流槽及其過流面積對氣蝕影響較大，且可提高入口壓力來減少泵發(fā)生空化的程度。文獻(xiàn)[6]利用Pumplinx 泵用軟件仿真分析了多排式軸向柱塞泵的泵內(nèi)流體動力特性和空化預(yù)測，提出加大入口壓力、增大入口水力半徑及改善泵入口流道等能抑制柱塞泵空化的幾種方案，為以后柱塞泵抗空化研究奠定基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[7]為揭示軸向柱塞泵吸油時(shí)工作腔內(nèi)的氣穴現(xiàn)象，利用AMSim 建立柱塞腔吸油模型，以柱塞腔內(nèi)無氣泡析出為目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)用遺傳算法對吸油短板進(jìn)行優(yōu)化，獲得吸油短孔直徑的臨界值及腔內(nèi)壓力與空氣析出變化曲線，通過CFD仿真軟件對優(yōu)化后柱塞腔的動態(tài)流場進(jìn)行仿真計(jì)算，并驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。文獻(xiàn)[8-9]通過數(shù)值及實(shí)驗(yàn)研究的方法研究了柱塞泵空化對泵流量脈動的影響，對柱塞泵空化的形成原因進(jìn)行了說明，但沒有提出具體抑制空化的措施。文獻(xiàn)[10]在軸向柱塞泵缸體及配流盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮了空化的影響，沒有深入研究缸體及配流盤結(jié)構(gòu)參數(shù)對泵空化的影響。文獻(xiàn)[11]在考慮了柱塞泵各種泄漏量的前提下，建立了柱塞腔壓力與缸體轉(zhuǎn)角之間的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配流盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，防止柱塞腔壓力低于飽和蒸汽壓，從而增加柱塞泵的抗空化性能的目的。文獻(xiàn)[12-13]為減小斜盤式軸向柱塞泵的壓力脈動和空化的影響，考慮了流體可壓縮性及慣性的作用，對配流盤的腰形孔的開孔角度進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，提出了開孔角的最佳角度，但沒有從節(jié)流槽的結(jié)構(gòu)上分析節(jié)流槽對泵空化的影響。隨后N.P.Mandal 為進(jìn)一步減少軸向柱塞泵的壓力脈動及柱塞腔的空化，提出采用壓力補(bǔ)償器的方法。這種方式對減少泵的沖擊有很好的優(yōu)勢，但對減小整個(gè)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的脈動及空化作用不明顯，且泵的結(jié)構(gòu)會變得很復(fù)雜。文獻(xiàn)[14]對柱塞泵的柱塞腔、配流盤及缸體與配流盤接觸部分進(jìn)行空化仿真分析研究，發(fā)現(xiàn)缸體的轉(zhuǎn)速，泵的入口壓力及配流盤結(jié)構(gòu)對柱塞泵空化均有影響。關(guān)于柱塞本身的結(jié)構(gòu)對柱塞穩(wěn)定性及空化的影響的學(xué)者較少，很多學(xué)者對柱塞的研究主要是針對其受力的研究居多，而文獻(xiàn)[15]研究了柱塞泵柱塞上柱塞槽對泵穩(wěn)定性及柱塞腔空化的影響，研究結(jié)果表明帶有柱塞槽的柱塞泵有利于泵的穩(wěn)定，有利于抑制泵的空化。上述研究成果在抑制柱塞泵空化領(lǐng)域中已取得了突出的研究成果，在前人研究的基礎(chǔ)上，針對柱塞泵在預(yù)升（卸）壓階段配流盤三角形節(jié)流槽，進(jìn)行其抗空化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)研究。

2 配流盤三角形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)及空化機(jī)理

軸向柱塞泵三角形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。軸向柱塞泵運(yùn)行時(shí)，柱塞腔會經(jīng)過兩個(gè)特殊區(qū)域，吸-排油過渡區(qū)域（預(yù)升壓）及排-吸油過渡區(qū)域（預(yù)卸壓），此時(shí)節(jié)流槽兩端會出現(xiàn)高壓差，流體會高速通過節(jié)流槽，流體的壓力會急劇下降，發(fā)生空化。在預(yù)升壓、預(yù)卸壓階段，配流盤節(jié)流槽發(fā)生的空化程度是不相同的，這主要是由于當(dāng)柱塞腔通過預(yù)升壓時(shí)，此時(shí)配流盤出口流體壓力遠(yuǎn)高于柱塞腔內(nèi)部流體壓力，配流盤出口流體會高速倒灌入柱塞腔，但此時(shí)流體是向節(jié)流槽收縮方向流動。而柱塞腔通過預(yù)卸壓區(qū)時(shí)，流體是向節(jié)流槽漸擴(kuò)方向流動。由于收縮形節(jié)流槽的抗空化性能優(yōu)于漸擴(kuò)性節(jié)流槽，所以預(yù)升壓時(shí)節(jié)流槽的空化程度小于預(yù)卸壓時(shí)。

圖1 軸向柱塞泵配流盤節(jié)流槽Fig.1 Throttling Groove of Axial Piston Pump

3 配流盤節(jié)流槽空化仿真

3.1 配流盤節(jié)流槽空化仿真模型

為加快計(jì)算速度，需要簡化計(jì)算模型。由于研究對象是配流盤節(jié)流槽在預(yù)升（卸）壓瞬時(shí)的空化，因此只需要建立缸體腰形孔與配流盤三角形節(jié)流槽及配流盤腰形孔的流道幾何模型。軸向柱塞泵缸體腰形孔與配流盤節(jié)流槽接觸瞬時(shí)的流道幾何模型及網(wǎng)格劃分圖，如圖2 所示。仿真模型是在流體連續(xù)運(yùn)動的方程及雷諾方程基礎(chǔ)上，湍流模型采用RNG k-ε 模型，計(jì)算用Simple 算法。入口壓力設(shè)置為20MPa，出口為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。液壓油密度：870kg/m3，動力粘度：0.026Pa·S。

圖2 配流盤節(jié)流槽空化仿真模型Fig.2 Caviation Simulation Model of Valve Plate Throttling Groove

圖3 D=60°θ=5°不同入口壓力時(shí)三角形節(jié)流槽與配流盤腰形孔氣體體積分?jǐn)?shù)平均值變化線圖Fig 3 Change Curves of Mean Value of Gas Volume Fraction of Valve Plate Triangular Throttling Groove and its Kidney Shape Hole when D=60°，θ=5°， and Inlet Pressure is Different

3.2 入口壓力對節(jié)流槽空化影響

結(jié)構(gòu)參數(shù)為D=60°，θ=5°的配流盤節(jié)流槽與配流盤腰形孔流體氣體體積分?jǐn)?shù)平均值隨入口壓力的變化線圖，如圖3 所示。從圖中很清楚地顯示節(jié)流槽在高壓差時(shí)節(jié)流槽流體空化程度遠(yuǎn)高于低壓差時(shí)節(jié)流槽流體的空化，且高壓差時(shí)節(jié)流槽空化泡會脫離，進(jìn)入配流盤腰形孔，從而對配流盤腰形孔壁造成空蝕破壞，再有產(chǎn)生的氣泡又被吸入另一柱塞腔中，從而減小柱塞泵的容積效率。

3.3 配流盤三角形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對空化的影響

不同D 值及θ 值時(shí)，節(jié)流槽空化程度的曲線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 θ=4°不同D 值時(shí)三角形節(jié)流槽與配流盤腰形孔氣體體積分?jǐn)?shù)平均值變化線圖Fig.4 Change Curves of Mean Value of Gas Volume Fraction of Valve Plate Triangular Throttling Groove and its KidneyShape Hole when θ=4°，and Value of D is Different

圖5 D=55°不同θ 值時(shí)三角形節(jié)流槽與配流盤腰形孔氣體體積分?jǐn)?shù)平均值變化線圖Fig.5 Change Curves of Mean Value of Gas Volume Fraction of Valve Plate Triangular Throttling Groove and its KidneyShape Hole when D=55°， and Value of θ is Different

從線圖的變化趨勢可看出，隨著D 及θ 地增加配流盤節(jié)流槽及腰形孔流體氣體體積分?jǐn)?shù)平均值（αV）均有不同程度的增加，但增加的梯度不一樣。很明顯，θ 的變化對αV的影響比D 值的影響大，這是因?yàn)棣?值較小時(shí)節(jié)流槽的深度h 值就較小，流體的壓力恢復(fù)速度較快。但θ 值的微小變化會造成h 值呈較大梯度的增加，這樣節(jié)流槽的縱向空間增大迅速，流體壓力恢復(fù)速度減小促使了空化的發(fā)展。而D 值的變化只會造成節(jié)流槽橫向空間的增加，但增加空間的梯度較小，對流體的壓力恢復(fù)速度的影響較小。

4 配流盤節(jié)流槽抗空化結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

4.1 預(yù)卸壓配流盤節(jié)流槽抗空化結(jié)構(gòu)改進(jìn)

結(jié)構(gòu)改進(jìn)對象為D=60°，θ=6°的三角形節(jié)流槽。通過3.3 節(jié)的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)θ 值對節(jié)流槽空化的影響最敏感，并得到θ 值越小對三角形節(jié)流槽的空化越有抑制性的結(jié)論。提出對節(jié)流槽結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方案為：在不改變原有節(jié)流槽通流面積的條件下，盡量取小的θ 值。根據(jù)三角形節(jié)流槽過流面積的計(jì)算公式：

式中：b—節(jié)流槽寬度；x—節(jié)流槽開度；—節(jié)流槽高度；L—節(jié)流槽長度。

為保證在θ=4°時(shí)和參數(shù)為D=60°，θ=6°的節(jié)流槽具有相同的過流面積，此時(shí)的三角形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)為D=104.8°，θ=4°。

現(xiàn)對預(yù)卸壓三角形節(jié)流槽抗空化結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真驗(yàn)證的結(jié)果，如圖6 所示。圖中顯示，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)氣體體積分?jǐn)?shù)平均值減小了近0.02，具有明顯的空化抑制性能。由此，可以在保證節(jié)流槽通流面積的基礎(chǔ)上，通過減小楔形角θ 的辦法在一定程度上抑制配流盤空化。

圖6 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后預(yù)卸壓節(jié)流槽及腰形孔流體氣體體積分?jǐn)?shù)平均值變化線圖Fig.6 Change Diagram of Average of Gas Volume Fraction of Fluid of Improved Structure of Triangular Throttling Groove and Kidney Shape Hole

4.2 預(yù)升壓配流盤節(jié)流槽抗空化結(jié)構(gòu)改進(jìn)

當(dāng)軸向柱塞泵排油結(jié)束時(shí)，理論上柱塞腔應(yīng)和配流盤排油腰形孔相通并進(jìn)入排油階段，但由于泵排油孔壓力遠(yuǎn)高于柱塞腔油壓力，則配流盤排油腰形孔液壓油會倒灌入柱塞腔，造成強(qiáng)烈水擊。為了減小水擊，為此在配流盤腰形排油孔前增加了三角形節(jié)流槽，這樣雖然可以減小水擊程度，但流體會高速通過節(jié)流槽，流體壓力急劇降低，促使流體氣泡析出，產(chǎn)生空化。

預(yù)升壓與預(yù)卸壓流體的流動方向剛好相反，則其空化仿真計(jì)算模型可以采用預(yù)卸壓的計(jì)算模型，只不過把原有的計(jì)算模型的進(jìn)、出口進(jìn)行對調(diào)。具體的網(wǎng)格模型，如圖2 所示。

此時(shí)液壓油從配流盤腰形孔通過三角形節(jié)流槽進(jìn)入柱塞腔，液壓油反向流經(jīng)節(jié)流槽，從過流面積大的一端流向過流面積小的一端，這樣在節(jié)流槽內(nèi)流體不易發(fā)生空化，但當(dāng)液壓油流出節(jié)流槽時(shí)，此時(shí)的流速最大，壓力劇降，發(fā)生空化。所以，在預(yù)升壓時(shí)空化主要發(fā)生在節(jié)流槽的出口端。

根據(jù)液壓流體力學(xué)理論，如單位時(shí)間內(nèi)通過節(jié)流槽流體體積相同時(shí)，節(jié)流槽出口面積越大，則流體的出流速度就越低，流體壓降就會越小，流體產(chǎn)生的氣泡數(shù)量就越少。所以，在相同進(jìn)口過流面積的情況下，增大出口的過流面積可以降低流體在節(jié)流槽出口的速度大小，從而減小流體空化的程度。因此針對結(jié)構(gòu)參數(shù)D=60°，θ=6°的三角形節(jié)流槽，同樣可以用D=104.8°，θ=4°的三角形節(jié)流槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。通過仿真分析，設(shè)定入口壓力20MPa，缸體腰形孔壓力為一個(gè)大氣壓。仿真得到的缸體腰形孔流體氣體體積分?jǐn)?shù)平均值的迭代變化曲線，如圖7 所示。圖7 顯示D=104.8°，θ=4°的節(jié)流槽的抗空化性能優(yōu)于D=60°，θ=6°節(jié)流槽。

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后預(yù)升壓缸體腰形孔流體氣體體積分?jǐn)?shù)平均值變化線圖Fig.7 The Change Diagram of the Mean Value of Gas Volume Fraction of the Improved Structure of Cylinder Block Kidney Shape Hole

5 結(jié)論

（1）通過三角形節(jié)流槽分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對其空化影響，得到θ值對節(jié)流槽空化影響最為敏感的結(jié)論。

（2）提出了三角形節(jié)流槽抗空化結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案：對于預(yù)卸壓時(shí)，在不改變原有節(jié)流槽通流面積的條件下，盡量取小的θ 值；在預(yù)升壓時(shí)，相同進(jìn)口過流面積的情況下，增大出口的過流面積可有效抑制空化的產(chǎn)生。