转套式配流系统配流口结构及对工作脉动的影响

张延君，张洪信，赵清海，王新亮，程前昌

转套式配流系统配流口结构及对工作脉动的影响

张延君1，张洪信1，赵清海2，王新亮1，程前昌1

（1.青岛大学，山东青岛 266071；2.青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心，山东青岛 266071）

转套作为配流系统的核心零件之一，其配流口的结构形状对整个配流系统的工作脉动影响较大。以配流系统为研究对象，设计方形配流口、圆形配流口、双配流口3种不同配流口结构转套。首先建立了3种配流口过流面积的数学建模，分析过流面积的变化特点与规律。为了研究不同配流口对配流系统的流量特性与压力特性的影响，利用流体仿真分析软件Fluent，对3种配流口结构的流体模型进行流体动力学仿真。结果表明方形配流口配流面积最大，配流曲线较平稳，圆形配流口对流量脉动和压力脉动影响最小，所以可根据对配流系统的不同要求选用不同结构的转套。

转套式配流系统；配流口；结构设计；流量脉动；压力脉动

1 前言

往复柱塞泵因为具有大功率密度和高极限压力的特点广泛应用于移动机构和液压系统中，而且结构简单，配流过程受泵的转速影响较小，因此在汽车、工程机械、原油运输、气站、泵站、移动机械及固定机械上应用也非常普遍［1～5］。但常用的电磁开关阀配流系统和单向阀配流系统结构松散、压力损失大、成本高、容积效率受工作频率影响大，而往复柱塞泵转套式配流系统是一种结构紧凑、密封性好的新型配流系统，其原理是利用柱塞的往复运动驱动转套单向转动，实现配流功能，克服了阀式配流系统的诸多弊端［6～10］。

转套作为往复柱塞泵转套式配流系统的核心元件之一，其配流口的尺寸形状直接影响着整个配流系统的容积效率，流量倒灌和压力脉动问题，尤其是在高低压转换过程中，流量倒灌和压力冲击更为严重，因此研究配流口结构对整个配流系统的流量脉动和压力脉动有着重要意义。为此，本文提出3种不同配流口结构，对其建立过流面积数学模型，并进行仿真对比分析。

2 转套式配流系统结构原理

转套式配流系统结构如图1所示。

图1 配流系统结构示意

传统的直动从动杆圆柱导槽凸轮机构可将连续转动转化为往复直线运动，转套式配流系统正是将直动主动杆圆柱导槽凸轮机构原理应用到往复柱塞泵中即形成转套式配流系统。

转套式配流系统利用外部驱动力带动柱塞往复直线运动，柱塞再利用传动销将力传至转套上带动其沿凸轮槽作连续单向圆周运动，从而实现配流口与进出口的接通，实现配流功能［12～14］。

3 配流口结构形式与过流面积模型

3.1 配流口结构形式

转套是配流系统实现配流的枢纽部件，配流口又是转套用来连通进油口与出油口的通道，所以配流口的形状直接影响流量脉动、压力和气穴大小，由此针对上述问题提出如图2所示的3种不同配流口结构形式：方形配流口、圆形配流口、双配流口。

图2 不同配流口结构的转套

3.2 配流口过流面积

配流口过流面积随着柱塞行程变化，是泵腔吸排流质的通道，其变化规律影响吸排油阶段柱塞腔内的预升压力和预卸压力的变化，进而影响柱塞腔的油液泄漏、泵本身的噪声和振动［15，16］。下面研究过流面积随转套旋转角度的变化规律并加以比较。

图3所示为转套在配流过程中流体域的配流面积变化过程。进流质阶段，柱塞上行，流质由入口到进流质腔，再经配流口到泵腔；出流质阶段，柱塞下行，流质由泵腔到出流质腔，再经出口对外输出动力。吸入或排出流质过程中，3种配流口的外圆面与内圆面分别与流质腔、泵腔的接触面各不相同，过流面积随柱塞行程和转套转角的变化规律也存在差异。以曲柄连杆机构驱动柱塞往复移动，柱塞行程与转套转角之间的关系方程：

图3 配流面积变化过程

式中x ——柱塞行程，m

r ——曲轴半径，m

φ ——曲轴转角，rad

λ ——曲轴连杆比

假定分析配流系统过流面积的初始位置如图4所示，转套按顺时针转动，配流口外圆面对应中心角θo=45°，内圆面对应中心角θi=79.26°，减振槽（用于接通出流质腔前的压力缓冲减振）中心角θu=5°，密封段中心角θw=50°，转套外圆面半径ro=30mm，转套内圆面半径ri=18mm。图示位置为柱塞在下止点时，柱塞上行时转套按顺时针旋转。

图4 配流面积仿真分析初始位置

3.2.1 方形配流口通流面积

方形配流口结构较为简单，配流过程分为11个阶段，过流面积随着柱塞行程和转套角度变化规律为：

其中

式中hp——配流口高度，mm

φ——减振槽截面顶角，°

h——泵腔内余隙容积高度，mm

C1——减振槽在外圆面上面积，mm，C1=5π/6

3.2.2 圆形配流口通流面积

对圆形配流口数学建模过程中将配流口分为3部分：上部圆弧区域、中部方形区域、下部圆弧区域，分析过程中根据柱塞位移的变化规律计算过流面积，配流过程分为15个阶段，通流面积计算参照方形配流口通流面积计算方法。

3.2.3 双配流口通流面积

双配流口是转套根据凸轮槽轨道特点将其切分为上下两个主体配流口，上下主体若重合其体积与方形配流口相同，但双配流口的整体高度发生变化，所以其配流面积根据高度的变化而变化，配流过程分为14个阶段，通流面积计算方法同上文。

根据设计的3种转套结构，分别将3种配流口随转套转角变化的配流面积仿真，整个配流过程分进流质和排流质2个配流过程，仿真结果如5所示。由图5可知3种配流口中方形配流口配流面积最大，其次是圆形配流口，面积最小的是双配流口，在每个工作周期内3种配流口的进流质过流面积与排油流质过流面积对称。

图5 配流口配流面积变化仿真结果

4 仿真分析结果

往复柱塞泵转套式配流系统全流场采用子空化模型与基于应用雷诺时均方程（RANS）模拟的标准k-ε湍流模型。应用雷诺时均方程的模拟方法是把所有的湍流因素模型化，将非稳态的方程对时间作平均，在所得出的关于时均物理量的控制方程中包含了所谓雷诺应力等未知量，于是所得方程的个数就少于未知量的个数，而且不可能依靠进一步的时均处理来使控制方程组封闭，其中在标准k-ε模型中，湍流黏度，μi=ρCμk2/ε对不可压缩流体湍动能k和耗散率ε的方程分别定义为［17，18］：

其中，

式中r ——流体密度，kg/m3

u，v，w——x，y，z 3个方向的速度分量，m/s常数C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

4.1 分析域

流体域是进行仿真分析的控制体，针对转套式配流系统的结构特点，考虑不同配流口结构特点，提取出整个配流系统的流体域、计算域，主要包括进流质口、进流质腔、出流质腔和出流质口，以方形配流口为例柱塞在下止点时的流体域如图6所示。

图6 转套式配流系统计算模型

4.2 仿真参数设置

仿真过程中根据配流系统的运动特点，以曲柄连杆机构驱动往复柱塞移动，同时考虑空化作用设置如表1所示的仿真参数。

表1 仿真参数

计算模型的网格质量对仿真结果的误差大小及收敛快慢等影响较大，所以选择结构化网格，同时为了提高仿真精度将重要区域进行网格加密，得到的网格如图7所示。

图7 转套式配流系统流体域网格

4.3 不同配流口对流量脉动的影响

流量脉动作为优化结构中的重要参数，是柱塞泵产生噪声的根源，还会引起压力脉动和管道振动［19，20］，而且会使泵的输出流量不稳定，影响工作部件的运动平稳性，尤其是对精密的液压传动系统更为不利，所以我们做了多组周期的流量脉动仿真，如图8所示，3种配流口在进流质与排流质互相转换过程中都有不同程度的流量倒灌，而且根据图9所示在进流质向排流质转换过程中双配流口流量倒灌时间持续最长，流量最大，其次是方形配流口，圆形配流口的脉动最小，如图10所示，在排流质向进流质转换过程中3种配流口倒灌时间基本相同，方形配流口倒灌流量最大，其次是圆形配流口，双配流口最小。

图8 不同配流口流量脉动对比分析

图9 进流质向排流质转换过程的流量脉动

图10 排流质向进流质转换过程的流量脉动

4.4 不同配流口对压力脉动的影响

配流系统工作过程中泵腔内压力在非定常时序干扰、局部空化和气蚀等因素的干扰下会导致泵内部流动出现不连续性，进而引起流场内流体压力随时间快速脉动，压力脉动严重时会导致泵体振动加剧，同时还可引发进一步的局部空化，甚至在某些情况下会引起机器共振，产生危害［22，23］。因此研究泵腔内部压力脉动对配流系统减小振动和降低噪声有着重要意义。

图11所示为泵腔压力脉动局部放大，3种配流口都有不同程度压力超调和气穴产生，从图中可看出方形配流口压力超调最大，其次是双配流口，超调最小的为圆形配流口；排流质向进流质转换瞬间圆形配流口空化现象持续时间最长，圆形配流比双配流空化时间稍长，但三者空化现象较总体来说都较小；进流质向排流质转换瞬间，双配流出现时间较长空化现象，方形和圆形配流基本没有空化现象。从图12不同配流口泵腔压力脉动对比分析多个工作周期来看泵腔的压力脉动，圆形配流更适合配流系统工作。

图11 泵腔压力脉动局部对比分析

图12 不同配流口泵腔压力脉动对比分析

5 结论

（1）针对转套式配流系统提出了3种不同配流口结构：方形配流口、圆形配流口、双配流口，并建立了过流面积随转套转角和柱塞行程变化的数学模型。通过仿真对比分析可知，3种配流口过流面积曲线在出流与进流阶段均呈对称分布，方形配流过流面积最大，配流较平稳，圆形配流过流面积近似于方形配流，但配流面积相比减小一部分，双配流过流面积最小且配流时波动较大，说明以过流面积大小为目的时方形配流口最适合配流系统工作。

（2）根据仿真结果分析进流质向排流质转换瞬间圆形配流口的流量倒灌时间最短范围最小，排流质向进流质转换瞬间双配流口流量倒灌时间最短范围最小，说明以降低流量倒灌为目的时圆形配流口最适合配流系统工作。

（3）配流系统泵腔压力脉动仿真过程中3种配流口结构的转套都使配流系统工作中产生了空化现象，其中在进流质向排流质转换瞬间双配流口产生的空化现象最明显，方形配流有较大压力尖角（冲击），圆形配流口压力尖角和空化现象较小，工作较为稳定，说明以减小空化和压力尖角为目的时圆形配流口最适合配流系统工作。

［1］ XU Bing，ZHANG Junhui，YANG Huayong.Investigation on structural optimization of antioverturning slipper of axial piston pump［J］．Science China Technological Sciences，2012，55（11）：3010-3018．

［2］ HANG Bin，XU Bing，XIA Chunlin，et al. Modeling and simulation on axial piston pump based on virtual prototype technology［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2009，22（1）：84-90．

［3］ 张洪信，张铁柱，赵红，等.单缸轴向内燃泵工作过程与性能模拟研究［J］.流体机械，2007，35（3）：1-5.

［4］ Zhang Hongxin，Zhang Tiezhu，Wang Yushun，et al.Dynamic model and simulation offlat valve system of internal combustion water pump［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2005，18（3）：411-414.

［5］ 徐威，张洪信，舒培，等．缸间齿轮联动液压发动机柱塞泵运动学研究［J］．机械传动，2016，40（5）：5-9.

［6］赵胜，赵振东，叶长根，等 .往复泵设计［M］.北京：机械工业出版社，1983.

［7］王震，聂松林，尹方龙，等.基于Pum p Linx纯水轴向柱塞泵配流盘卸荷槽结构的仿真分析［J］.液压与气动，2016，（2）：11-16．

［8］尹方龙，聂松林．水压轴向柱塞泵配流盘预升压角［J］.北京工业大学学报，2015,41（9）：1281-1288.

［9］马吉恩，徐兵，杨华勇.轴向柱塞泵流量特性理论建模与试验分析［J］.农业机械学报，2010，41（1）：188-194．

［10］于立娟，王小东，张学成，等．轴向柱塞泵流量脉动主动控制方法及仿真研究［J］．西安交通大学学报，2013，47（11）：43-47．

［11］ Alves C，Jr R，Prata T.Analytical and CFD modeling of the fluid flow in an eccentric-tube centrifugal oil pump for hermetic compressors［J］.International Journal of Refrigeration-revue Internationale Du Froid，2013，36（7）：1905-1915．

［12］潘阳，李毅波，黄明辉，等.双联轴向柱塞泵配流盘优化与流量脉动特性分析［J］.农业机械学报，2016，47（4）：391-398．

［13］吴金星，李俊超，王力，等.基于正交试验的等弦波形管热工性能分析［J］.压力容器，2014，31（4）：36-40，53.

［14］张洪信，程联军，张铁柱，等.往复柱塞泵转套式配流系统的结构原理［J］.流体机械，2015，43（8）：48-51．

［15］那成烈.轴向柱塞泵可压缩流体配流原理［M］.北京：兵器工业出版社，2003．

［16］徐礼林．轴向柱塞泵配流机构过流面积分析及计算［J］.机床与液压，2011，39（24）：54-56．

［17］王雄．圆孔射流近场湍流特性DNS与RANS、LES的对比研究［D］.杭州：浙江大学，2010．

［18］王智勇.基于FLUENT软件的水力空化数值模拟［D］.大连：大连理工大学，2006．

［19］ MA Ji’en，XU Bing，ZHANG Bin，et al.Flow ripple of axial piston pump with computational fluid dynamic simulation using compressible hydraulic oil［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，23（1）：45-52．

［20］ GUAN Changbin，JIAO Zongxia，HE Shouzhan．Theoretical study ofow ripple for anaviation axialpiston pump with damping ho-les in the valve plate［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2014，27（1）：169-181．

［21］ KIM Jin-Hyuk，AHN Hyung-Jin，KIM Kwang-Yong.High-efficiency design of a mixed-flow pump［J］.Science China Technological Sciences，2010，53（1）：24-27．

［22］ Masahiro Miyabe，Hideaki Maeda，Isamu Umeki，et al.Unstable head-flow characteristic generation mechanism of a low specific speed mixed flow pump［J］.Journal of Thermal Science，2006，15（2）：115-120．

［23］王福军，张玲，张志民.轴流泵不稳定流场的压力脉动特性研究［J］.水利学报，2007，38（8）：1003-100．

Structure and Influence on Working Pulsation of Distributing Slot of Rotating-sleeve Distributingflow System

ZHANG Yan-jun1，ZHANG Hong-xin1，ZHAO Qing-hai2，WANG Xin-liang1，CHENG Qian-chang1
（1.Qingdao University，Qingdao 266071，China；2. Power Integration and Energy Storage Systems Engineering Technology Center，Qingdao University，Qingdao 266071，China）

As one of the key component in distributing-flow system，its structure of the distributing slot influences the working pulsation of the whole distributing system greatly. We design three types of distributing-flow port of rotating sleeve based on the whole distributing-flow system，respectively there are the square port、the round port and the double port. First of all，we built mathematical model for three types flow area of rotating sleeve and analysed its characteristic and law of changes. Then in order to study the influence of different distributing slot on flow ripple and pressure fluctuation，we simulated different fluid model of distributing slot about fluid dynamics by software Fluent. By comparing results，we summarized that the flow area of square port is the maximum and its flow curve is more smooth and steady than others；the round slot has the less influence on flow ripple and pressure fluctuation，so different rotating sleeve apply to different distributing-flow system based on varied requirements.

rotating-sleeve distributing-flow system；distributing slot；structure design；flow ripple；pressure fluctuation

TH137.51

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.010

1005-0329（2017）11-0052-06

2016-12-27

2017-02-20

国家自然科学基金项目（51575286）；山东省自然科学基金项目（2014ZRB01503）

张延君（1992-），女，硕士研究生，主要从事电动汽车智能化动力集成技术，E-m ail：ytdxzyj@163.com。

张洪信（1969-），男，博士，教授，主要研究方向为车辆新型动力传动及其电子化，通讯地址：266071山东青岛市宁夏路308号青岛大学，E-m ail：qduzhx@126.com。