王一博,王安迪,任中永,許順海,張 斌

(1.中鐵工程裝備集團有限公司,河南 鄭州 450016;2.浙江大學 流體動力基礎(chǔ)件與機電系統(tǒng)全國重點實驗室,浙江 杭州 310058)

引言

針對于掘進機、混凝土泵車等裝備的閉式液壓作動系統(tǒng),其主泵采用雙向泵構(gòu)成的閉式系統(tǒng),在使用過程中需要通過改變驅(qū)動端的旋轉(zhuǎn)方向,使得柱塞泵能夠反向運轉(zhuǎn)。因此,泵的雙向構(gòu)型對其配流盤緩沖槽的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單向泵緩沖槽設(shè)計通常為中心對稱分布結(jié)構(gòu),但是對于雙向泵結(jié)構(gòu),其無法實現(xiàn)反轉(zhuǎn)工況的有效預(yù)壓縮,導致脈動增大。因此,針對于雙向柱塞泵正反轉(zhuǎn)切換過程的脈動抑制問題,需要對緩沖槽的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。柱塞泵配流盤緩沖槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化長期以來一直是學術(shù)界與工業(yè)界的研究重點,PALMBERG J O等[1]對柱塞泵高低壓切換過程中產(chǎn)生壓力沖擊與配流環(huán)節(jié)產(chǎn)生的流量倒灌問題進行了分析,通過優(yōu)化設(shè)計緩沖槽結(jié)構(gòu)參數(shù)降低了出口的壓力沖擊。徐兵等[2]分析了典型結(jié)構(gòu)的緩沖槽關(guān)鍵參數(shù)與輸出壓力-流量特性的影響規(guī)律,對輸出流量特性的變化趨勢進行分析,得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)。洪昊岑等[3]提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的緩沖槽結(jié)構(gòu)多參數(shù)優(yōu)化方法,通過對仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)分析,計算基于流量脈動最優(yōu)目標的緩沖槽結(jié)構(gòu)最優(yōu)解。ERICSON L[4]通過對緩沖槽接觸容腔的分析,提出了一種基于預(yù)壓縮容腔法的多參數(shù)優(yōu)化算法,得到的優(yōu)化緩沖槽結(jié)構(gòu)能夠有效降低柱塞泵流量脈動與壓力沖擊。馬吉恩[5]采用集中參數(shù)法對柱塞泵流量脈動和壓力沖擊進行了數(shù)學建模,并對柱塞泵的配流盤結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。梁德棟等[6]采用多目標遺傳算法對配流盤緩沖槽的深度角和寬度角進行了優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)構(gòu)有效的降低了柱塞泵的流體噪聲。單樂等[7]對柱塞泵中球面配流盤上的3種典型緩沖槽過流面積進行數(shù)值解析,對不同的緩沖槽過流面積對柱塞泵出口的流量脈動的影響規(guī)律進行了分析。楊漫[8]通過使用群智能算法來實現(xiàn)柱塞泵的降噪優(yōu)化,建立了包含緩沖槽寬度角、深度角、開口角以及配流盤的錯配角4個參數(shù)的多參數(shù)優(yōu)化模型,求解最優(yōu)緩沖槽結(jié)構(gòu)參數(shù)。一些研究人員,采用CFD仿真的方法對雙V形卸荷槽的流量特性進行了優(yōu)化設(shè)計,仿真結(jié)果有效的降低了泵出口的流量脈動[9-11];還有采用PumpLinx對某型軸向柱塞泵和某型靜壓傳動裝置的軸向柱塞馬達進行了CFD數(shù)值模擬并對結(jié)果進行了實驗驗證,結(jié)果表明若內(nèi)部流動域網(wǎng)格劃分、數(shù)值方法和計算精度合理,CFD技術(shù)能夠有效對其內(nèi)部流動特性進行預(yù)測,可在一定程度上代替試驗[12-13]。

本研究針對于雙向柱塞泵的緩沖槽的優(yōu)化設(shè)計方法進行研究,針對緩沖槽結(jié)構(gòu)參數(shù)與柱塞泵壓力-流量特性的強耦合關(guān)系,采用CFD仿真的方法對多組不同組合構(gòu)型的配流盤結(jié)構(gòu)進行CFD仿真,并對仿真結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析,提出采用多目標遺傳算法對最優(yōu)結(jié)構(gòu)進行求解計算,降低轉(zhuǎn)向切換后泵出口的流量脈動和壓力沖擊。

1 緩沖槽配流機理模型

研究對象為某閉式軸向柱塞泵,額定壓力25 MPa,額定排量750 mL/r,轉(zhuǎn)速1000 r/min。其配流盤緩沖槽采用三角形構(gòu)型,如圖1所示。柱塞泵的配流流量與緩沖槽過流截面兩端壓差與過流面積有關(guān),配流流量為:

(1)

圖1 緩沖槽結(jié)構(gòu)模型

式中,qi——節(jié)流流量

Cr——流量系數(shù)

A——過流面積

pf——柱塞腔內(nèi)油液壓力

pi——配流腔油液壓力

ρ——油液密度

當柱塞腔與緩沖槽初連通時,過流面積以一定的變化梯度增大,其變化梯度對于流量脈動的影響很大。三角形緩沖槽是目前應(yīng)用最廣泛的構(gòu)型,緩沖槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

結(jié)合緩沖槽的結(jié)構(gòu)模型分析其過流面積,圖1中ef為柱塞腔出口槽與緩沖槽頂端接觸點連線,gh垂直于ef,φ為ah在出口槽分布圓上的包角,即ah兩點與分度圓圓心弧度?！鱡fg為緩沖槽垂直于面abc的截面,其面積為:

(2)

實際的過流面積為流體流過的最小截面,即為過邊線ad的△efg投影面積△efi,其面積為:

(3)

(4)

由于ah=Rfφ,因此過流面積為:

(5)

另一方面,由于在接觸過程中,ef是與柱塞腔出口槽的寬半徑r有關(guān)的弧線,且:

(6)

因此需要對過流面積進行修正,修正系數(shù)Ks為:

(7)

因此得到緩沖槽過流面積修正公式為:

(8)

根據(jù)該公式,可知緩沖槽的過流面積大小與其深度角θ1、寬度角θ2、長度L、分布圓半徑Rf等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)[14-16]。

2 單向緩沖槽仿真分析

本研究通過CFD仿真分析的方法對配流盤緩沖槽對出口壓力-流量特性的影響規(guī)律進行分析,柱塞泵內(nèi)流場的瞬時壓力分布如圖2所示。通過對軸系進行布爾運算得到柱塞泵的內(nèi)流場模型。為了更真實的模擬柱塞泵配流盤摩擦副的壓力分布特性,在配流盤與缸體間構(gòu)造配流副油膜流域,模擬配流副的支撐油膜結(jié)構(gòu)。仿真模型入口采用壓力邊界,邊界設(shè)置pi=0.35 MPa,出口采用壓力邊界,邊界設(shè)置pO=25 MPa,轉(zhuǎn)速為1000 r/min,配流副油膜厚度為20 μm。

圖2 柱塞泵流場模型

本研究針對某型雙向柱塞泵的配流特性和采用單向緩沖槽的配流盤模型進行分析,分別對70°,90°,110°寬度角的模型進行計算。

提取不同緩沖槽結(jié)構(gòu)下柱塞泵出口的流量信息,由圖3可知,寬度角選取為70°時,流量脈動的幅值最小,脈動率為11.82%,但是在升壓階段存在較大的流量倒灌,導致其輸出流量存在較大的沖擊[17]。

圖3 緩沖槽寬度角對于泵出口流量的影響

同樣,對不同深度角的緩沖槽結(jié)構(gòu)進行仿真分析,并保持邊界條件不變,提取泵出口流量信息,如圖4所示?？梢钥闯?深度角為8°時,泵的輸出流量脈動最小,脈動率為12.08%。

圖4 緩沖槽深度角對于泵出口流量的影響

進一步對不同緩沖槽長度的緩沖槽結(jié)構(gòu)進行仿真分析,保持邊界條件不變,提取泵出口流量信息,如圖5所示?？梢钥闯?緩沖槽長度為23 mm時,泵的輸出流量脈動最小,脈動率為12.71%。

圖5 緩沖槽長度對于泵出口流量的影響

通過上述分析可以看出,緩沖槽的寬度角、深度角、長度均會對其輸出壓力-流量特性產(chǎn)生影響,另一方面,由于在流道腰型配流窗的后端,并未加工緩沖槽結(jié)構(gòu),在進行旋轉(zhuǎn)方向切換時,緩沖槽結(jié)構(gòu)將不會進行預(yù)壓縮作用,對寬度角70°、深度角8°、長度23 mm的緩沖槽結(jié)構(gòu)進行仿真計算,求解反轉(zhuǎn)1000 r/min工況下柱塞泵的輸出流量特性,如圖6所示。

圖6 單向緩沖槽流量脈動計算(正反轉(zhuǎn)工況)

由圖6所示,反轉(zhuǎn)工況的流量脈動幅值達到160 L/min,遠高于正轉(zhuǎn)工況,會對整泵的輸出產(chǎn)生極大的沖擊。因此,本研究提出雙向緩沖槽的構(gòu)型方案,并針對于緩沖槽的構(gòu)型進行優(yōu)化計算。

3 雙向緩沖槽仿真分析

當采用雙向的緩沖槽構(gòu)型時,如圖7所示。由于腰型配流窗的前后端均加工有緩沖槽結(jié)構(gòu),因此導致柱塞腔會同時連通高低壓容腔,增加泵的內(nèi)泄漏。

圖7 雙向緩沖槽配流盤結(jié)構(gòu)

對單向緩沖槽與雙向緩沖槽的壓力-流量特性進行分析,如圖8所示?？梢钥闯?雙向緩沖槽構(gòu)型存在更大的流量倒灌問題,同時在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下,雙向緩沖槽構(gòu)型的配流盤的流量脈動較大,同時由于雙向緩沖槽連通了柱塞腔增大了泵的回流泄漏,導致流量的峰值小于單向結(jié)構(gòu)。但是在反轉(zhuǎn)工況下,雙向緩沖槽結(jié)構(gòu)顯著優(yōu)化了柱塞泵的出口流量脈動。

圖8 單向緩沖槽與雙向緩沖槽的壓力-流量特性對比

4 雙向緩沖槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

以優(yōu)化出口的壓力沖擊與流量脈動為目標,對雙向緩沖槽構(gòu)型進行多參數(shù)的優(yōu)化求解。配流盤的緩沖槽構(gòu)型采用中心對稱設(shè)計,采用NSGA-Ⅱ算法進行緩沖槽的多目標優(yōu)化[18],優(yōu)化變量如表1所示。

表1 緩沖槽的多目標優(yōu)化變量表

對雙向的緩沖槽進行獨立優(yōu)化,優(yōu)化目標為降低柱塞泵出口流量脈動,基于前期對柱塞泵壓力-流量特性的分析[18],即增加雙向構(gòu)型后,主要影響輸出流量的倒灌特性和泄漏特性。因此優(yōu)化策略的目標設(shè)置為流量脈動幅值、流量最大值、流量曲線的局部最小值、流量曲線的上升梯度、流量倒灌曲線的下降梯度。NSGA-Ⅱ算法的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:種群數(shù)S=100;最大迭代次數(shù)N=500;交叉概率pc=0.35;變異概率pb=0.15。

流量脈動幅值計算公式:

Dfr=max(qout)-min (qout)

(9)

流量最大值計算公式:

Dqmax=max(qout)

(10)

流量曲線的局部最小值計算公式:

Dqmin′=min′(qout)

(11)

流量曲線的上升梯度計算公式:

(12)

流量倒灌曲線的下降梯度計算公式:

(13)

式中,Dfr——流量脈動幅值

Dqmax——流量最大值

Dqmin′——流量曲線的局部最小值

Ddq1——流量曲線的上升梯度

Ddq2——流量倒灌曲線的下降梯度

優(yōu)化的目標函數(shù)為:

f(x)=min(a1Dfr,a2Dqmax,a3Dqmin′,a4Ddq1,a5Ddq2)

(14)

計算結(jié)果收斂在最優(yōu)脈動率的全局最優(yōu)點(取值范圍內(nèi)),優(yōu)化后的結(jié)果與原始結(jié)構(gòu)的壓力特性與流量特性的對比曲線,如圖9、圖10所示。

圖9 出口壓力特性

圖10 出口流量特性

優(yōu)化結(jié)果顯示,對于需要進行正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的二象限柱塞泵結(jié)構(gòu),配流盤緩沖槽的構(gòu)型需要采用中心對稱式構(gòu)型,且緩沖槽的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時具有更好的壓力-流量特性。優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果為前/后緩沖槽寬度角82.3°,前/后緩沖槽深度角12.7°,前緩沖槽與后緩沖槽采用相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)型可以保證正反轉(zhuǎn)時具有相同的壓力-流量特性。與原始結(jié)構(gòu)的壓力-流量特性的對比結(jié)果表明,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu),流量脈動率為13.7%,相比于優(yōu)化前(流量脈動率為14.2%)降低了0.5%;壓力脈動為0.3 %,相比于優(yōu)化前(0.4%)降低了0.1%,脈動幅值為20.09 MPa。

5 結(jié)論

本研究針對于雙向大排量軸向柱塞泵的配流盤設(shè)計展開研究,分析在柱塞泵轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)時單向緩沖槽與雙向緩沖槽結(jié)構(gòu)對柱塞泵壓力-流量脈動的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 緩沖槽的寬度角、深度角、長度均會對其輸出壓力-流量特性產(chǎn)生影響。當柱塞泵進行反轉(zhuǎn)時,單向緩沖槽構(gòu)型會導致柱塞泵配流過程的預(yù)升壓不充分,導致流量倒灌顯著增加;

(2) 通過采用多目標優(yōu)化方法對配流盤緩沖槽的構(gòu)型進行優(yōu)化,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu):前/后緩沖槽寬度角82.3°,前/后緩沖槽深度角12.7°,能夠減少配流環(huán)節(jié)的流量倒灌現(xiàn)象,同時可以降低出口的壓力-流量脈動。

后續(xù)將重點針對于優(yōu)化模型的試驗驗證展開研究,探究不同結(jié)構(gòu)類型的緩沖槽的卸荷特性。