径向柱塞泵滑靴副的流场及泄漏量分析*

2018-10-10何杨博杨建鸣高立新

机械制造 2018年7期

□ 赵勇 □ 何杨博 □ 杨建鸣 □ 高立新

1.内蒙古科技大学机械工程学院内蒙古包头 014010

2.北京工业大学北京市先进制造技术重点实验室北京 100022

径向柱塞泵中的滑靴副，是泵中三个主要摩擦副之一，有非常重要的作用。径向柱塞泵在工作中，柱塞与定子之间的接触方式为面接触［1］。滑靴在工作时会受到多种力的作用，主要有柱塞对滑靴底部的力、滑靴与定子之间的滑动摩擦力、定子对滑靴的约束力等，此外还有离心力、往复运动的惯性力［2］。这些力的存在都导致了滑靴在工作时运动状态的复杂性。大部分滑靴副的设计采用静压支撑的方法，滑靴和定子之间形成油膜，利用油膜产生的反向压力对滑靴运动过程中的径向压力产生一定的抵消作用，减小滑靴与定子之间的压力，进而减小摩擦副之间的摩擦力［3］。同时，油膜本身在摩擦副中起到润滑作用，提高了机械效率，延长了摩擦副的工作寿命［4］。然而，在实际情况中，滑靴与定子这对摩擦副会出现两种状况：第一种情况是滑靴表面没有任何接触痕迹，即滑靴与定子之间没有形成合理的摩擦，使滑靴与定子之间的间隙过大，会造成大量泄漏；第二种情况是滑靴表面出现偏磨痕迹，即滑靴副之间的压紧力过大，虽然减少了泄漏，提高了效率，但长时间工作后，会出现间隙不均匀的情况，仍然会造成大量泄漏［5］。这两种情况的发生都会降低柱塞泵的容积效率。因此，对滑靴副流道进行流场分析，并对其泄漏量进行研究具有十分重要的意义［6］。

1 流体力学控制方程

流体运动一般要遵循三个最基本的守恒定律——质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，在流体运动中具体表现为连续性方程、动量守恒方程和能量方程［7］。

1.1 连续性方程

连续性方程是反映流体流动过程中质量守恒的方程，物理意义是在同一时间内，通过流场中任一封闭表面的体积流量等于0［8］。连续性方程在直角坐标系下的

式中：ρ为流体密度；t为时间；u、v、w依次为速度矢量在X轴、Y轴和Z轴方向上的分量。

1.2 动量守恒方程

动量守恒方程即纳维-斯托克斯方程，是流体流动必须遵守的最基本定律，反映黏性流体中各种作用力和流体运动参数之间的相互关系。动量守恒方程的意义是，任何微元中流体的动量随时间的变化率与外界作用在微元上的各种力之和是相等的［9］，其数学表达式为：微分形式为：

式中：h 为速度矢量；P 为流体微元体上的压力；τxx、τxy、τxz为因分子黏性作用而产生作用在微元体表面上的黏性应力分量；Fx、Fy、Fz依次为微元体上的体积力在X轴、Y轴和Z轴方向上的分量。

1.3 能量守恒方程

能量守恒定律是每一种流体流动都必须遵循的定律，其意义为微元体中能量的增加率与进入微元体的净热流量、体积力对微元体所做的功、表面力对微元体所做的功三者之和相等。

流体的能量E通常是内能i、动能K和势能P三者之和，针对总能量E建立能量守恒方程，同时考虑内能与温度T的关系i=cpT，cp为比热容，这样可以得到［10］：

可以展开为：

式中：kT为流体的导热系数；ST为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分，称为黏性耗散项。

2 仿真模型

笔者建立的仿真对象为某液压厂生产的排量为160 mL/r的径向柱塞泵滑靴副，使用Fluent软件来对其进行仿真。

2.1 若干假设

考虑到实际流道中流体流动的复杂性，为了满足滑靴副内部流场进行数值模拟的实际可行性，分析问题时在误差允许范围内只考虑主要因素的影响，对实际的物理模型进行一些简化，具体有六方面［11］：① 假设流体由连续分布的流体质点组成，属于连续介质模型；② 不考虑在工作过程中滑靴、定子的热变形情况；③假定滑靴与定子配合良好，形成的油膜稳定、均匀；④在滑靴副流场中，液压油可以看作不可压缩流体；⑤假定油液为牛顿流体，即液压油的动力黏度为常数；⑥假定柱塞泵正常运转时，滑靴副流道中的流体为定常流动。

2.2 建模

通过SolidWorks软件建立液体流动的滑靴流道模型，如图1所示。液体从入口流入，沿着阻尼管进入中心油腔，再从中心油腔通过油膜进入均压带，最后从出口流出。

▲图1 滑靴流道模型

2.3 网格划分

网格划分是进行数值模拟的一个关键步骤，网格的生成决定了物理求解区域和计算求解区域之间的转换关系，网格质量的好坏直接影响数值计算结果的最终精度及计算过程的效率［12-13］。

网格划分的工具有很多，笔者选用ICEM CFD软件作为Fluent的前处理工具。只有非结构化网格才能在Fluent中进行仿真，由于模型存在油膜，厚度只有零点几毫米，与其它部位尺寸相差很大，如果直接使用非结构化网格的划分方法，那么无法保证整体质量及长宽比等参数，可能使之后的仿真结果存在较大误差。基于此，采用结构化网格划分的方法进行划分，再将其转化为非结构化网格输出至Fluent。

具体划分步骤不再详细介绍，划分后的网格数量为325 026，网格质量在0.6以上，这一数值越接近1，表示网格质量越高。网格质量较优，对计算结构的影响比较小，保证了仿真结果的真实性。网格划分后的模型如图2所示。

将网格划分后的模型导入Fluent，进一步检查网格质量。当最小单元体积没有负值时，模型导入成功。Fluent有压力求解器和密度求解器，笔者选择的是压力求解器，采用定常计算。

▲图2 网格划分后模型

2.4 材料设置

模型为液体流道模型，材料为液压油，其具体参数据见表1。

表1 液压油参数

在Fluent中对已有的材料参数进行修改，并将其应用到整个模型中。

2.5 边界条件

滑靴副内部流道流体计算模型中需要定义的边界条件主要有进口条件、出口条件、壁面条件。

在实际工作状态下，滑靴阻尼孔的进口流场分布肯定是不均匀的，但考虑设计要求，一般进口的流动分布应该尽量均匀，且滑靴进口的实际工作状态应接近设计状态，因此在滑靴副流场数值计算开始前，将这些流场边界条件简化为均匀分布。

入口条件选择压力入口，其值为工作压力23.0 MPa。出口条件选择压力出口，由于无法得知出口压力大小，因此将其值定为标准大气压力。壁面条件选择为固定边界，边界上的各向压力均为0。

3 仿真结果分析

在算法的选择上，采用Fluent的默认算法SIMPLE，并对参数进行初始化，设置迭代步数，然后开始计算。

直至曲线参数小于标定残差，数据结果收敛，计算完成。

3.1 压力与速度

通过计算仿真，分析阻尼管的压力和速度特性。图3所示为阻尼管截面压力云图，液压油由上端入口进入管道，沿着阻尼管在到达中心油腔之前，由于沿程压力的损失和阻尼管管壁对液体的压迫作用，压力从流道入口开始逐渐减小，通过阻尼管后减小了压力对流道内部的冲击，起到了阻尼作用。由阻尼管入口的工作压力23.0 MPa到阻尼管出口的压力8.68 MPa，可以看出阻尼管对液压油压力的减小起到了很大的作用。图4所示为阻尼管截面速度矢量云图，可以看出液压油在阻尼管中流动速度比较平稳，由于液压油压力的减小，速度也逐渐降低。

▲图3 阻尼管截面压力云图

▲图4 阻尼管截面速度矢量云图

当油液到达中心油腔时，中心油腔截面压力云图如图5所示。压力在阻尼管和中心油腔接合处的顶端，有一个小范围的压力增大的区域。增压处截面速度矢量云图如图6所示，不难看出，油液到达中心油腔后，流动方向出现一个大约90°的改变，同时速度矢量也很密集，说明液压油在到达中心油腔顶部时，由于在流动方向上有阻碍，液压油急速转向产生压力突变，油液向四周流动，并在油腔中心周围产生漩涡。由此可知，由于中心油腔内的压力突变和涡流现象，中心油腔顶端会受到很大的冲击，在设备运转过程中，将产生附加的振动与噪声，同时对定子内表面也会造成一定的影响。

▲图5 中心油腔截面压力云图

▲图6 增压处截面速度矢量云图

整个模型的最窄处，也就是油膜，同样也起到降压减速的作用。油膜截面压力云图如图7所示，油膜右端为液压油入口，左端为液压油出口，压力从5.82 MPa降低到0.094 MPa，液压油在短短的几毫米过程中，压力下降非常大，带来的冲击势必也非常大。由于压力下降带来能量损失，油膜部分在工作过程中会产生大量热量，这就对滑靴及定子的材料与加工工艺提出了很高的要求。

▲图7 油膜截面压力云图

流道顶端压力云图如图8所示。液压油从阻尼管出来后进入中心油腔，流经油膜后进入均压带。从整体看，液体在中心油腔内仍然保持着一个较大的压力，在液体流经油膜的过程中，压力迅速下降，到达均压带后，压力达到最小值。从压力分布状态看，相同大小的压力呈环状分布，并且对称均匀，虽然在实际工作中几乎无法达到这样的理想状态，但从设计角度考虑，这样均匀的环状压力带在工作过程中受力均匀，减少偏磨情况，并且提高了滑靴的抗侧倾能力。