转套式配流系统闭死角对工作脉动的影响研究

张延君 张洪信 赵清海 王新亮 程前昌

摘要： 为了降低转套式配流系统在转换过程中出现的冲击现象和噪声，本文根据配流系统配流特征，分析了泵腔在两个阶段中闭死升压和降压的数学模型。同时，为改善配流系统工作中液压冲击现象，选取最佳闭死角，并利用仿真软件Fluent，对配流系统工作循环中流量和压力变化进行数值模拟。仿真结果表明，当闭死压缩角为3°时，对流量特性及泵腔压力脉动的影响最小，且最接近理论分析；在任意膨胀阶段，泵腔内部都出现了不同程度的空化现象，且膨胀角越小，流量脉动越大，综合考虑膨胀角选取2°最合适。该研究为转套式配流系统确定闭死角的大小提供了理论依据。

关键词： 转套式配流系统； 闭死阶段； 压缩角； 膨胀角； 仿真分析

中图分类号： TH137.51文献标识码： A

收稿日期： 20170509； 修回日期： 20170826

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

作者简介： 张延君（1992），女，山东济南人，硕士研究生，主要研究方向为泵的结构设计及流体仿真。

通讯作者： 张洪信（1969），男，山东潍坊人，博士，教授，主要研究方向为车辆新型动力传动及其电子化。Email： qduzhx@126.com往复柱塞泵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[15]。而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[67]，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[811]。为优化整个系统的结构性能，需研究往复柱塞泵转套式配流系统闭死角大小对流量特性的影响。目前，传统柱塞泵配流系统对流量特性的影响已有许多研究成果。尹方龙等人[12]研究了水压轴向柱塞泵配流盘预升压角的改变对流量特性的影响，发现预升压角为20°时，泵的流量特性最佳，但该研究未涉及预卸压对流量特性的影响；徐兵等人[13]考虑柱塞移动、流体特性及泄露问题的影响，对不同预压缩量进行研究，通过在不同工作条件下，分析预压缩量对流量脉动的影响，但该项研究忽略了空化效应对柱塞泵流量特性的影响；阮俊等人[14]考虑封闭加压角对纯水轴向柱塞泵封闭加压型配流盘高压范围角的影响，但没有研究泵的流量特性与高压范围角的关系。基于此，本文考虑空化效应和水介质的属性对流体特性的影响[12]，研究转套式配流系统闭死角对工作脉动的影响，从而确定闭死角的大小。该研究在一定程度上降低了流体振动，减小了系统噪声，提高了工作性能。

1配流系统的配流过程

当泵腔由进油腔转换至排油腔瞬间，低压油送入排油腔，瞬间便会被压缩，高压腔中的油液瞬间向工作腔倒流，通常称为液压回冲，形成油击。同样，泵腔由排油腔转换至进流油腔瞬间，处于闭死容积中的高压油无法排净，瞬间和进油腔接通，同时也会瞬时膨胀，形成噪声[1517]，为了降低这种有害现象，必须降低液压回冲，利用闭死角的大小可使泵腔压力在排流质腔与进流质腔之间平稳过渡，尽量不产生压力冲击，而且封闭加压设计可避免油液倒灌现象[1819]。传统的轴向柱塞泵配流盘结构如图1所示，具体特征为非对称正遮盖度无减振槽的配流盘。图1中，θ0为斜盘上下死点连线OY与配流盘两配流腰糙之间的过渡区中心线ON的夹角，成为错配角[16]。一般情况下，配流盘安装时向转子旋转方向偏转一个角度，这个角度就是上述所说的错配角，但转套式配流系统并无安装时的偏转角度，所以该角度在配流系统中不会出现；而Δθ1和Δθ2分别为闭死压缩角和闭死膨胀角。

将轴向柱塞泵角度分析运用到配流系统中，带减振槽的转套式配流系统配流结构如图2所示。图2中，进流质腔与排流质腔为非对称分布，但安装时配流无偏转角度；φ0為配流口对应的中心角；Δφ1和Δφ2分别为闭死压缩角和闭死膨胀角。

配流系统在柱塞上止点位置进入闭死压缩阶段，转套在Δφ1中完成闭死压缩阶段后接着与排流质腔接通，在柱塞下止点位置进入闭死膨胀阶段后接着与进流质腔接通。

2配流系统泵腔闭死升压和释压计算

柱塞在上止点位置泵腔内流质体积为

V=πd24h+h0（1）

式中，d为柱塞直径，mm；h为除余隙容积外泵腔高度，mm；h0为余隙容积的高度，mm。

柱塞在上止点位置时泵腔压缩过程处于下行阶段，在Δφ1角度内泵腔压缩体积为

ΔV=πd24x（2）

其中

x=S2（1-cos φ）（3）

式中，x为柱塞的轴向位移，mm；S为柱塞行程，mm；φ为转套转角，rad。流质被封闭压缩时，泵腔内压力升高为

ΔP=EΔVV（4）

式中，E为流质的弹性模数，MPa。

将式（1）和式（2）代入式（4），得柱塞泵腔内闭死压为

ΔP=ES（1-cos φ）/2（h+h0）（5）

同理，柱塞在下止点位置时泵腔膨胀过程处于上行阶段，进入闭死膨胀阶段时流质体积为

V=πd24h0（6）

在Δφ2角度内，柱塞泵腔压缩体积为

ΔV=πd24x（7）

将式（5）和式（6）代入式（4），得柱塞泵腔内闭死压为

ΔP=ES（1-cos φ）/2h0（8）

Δφ1和Δφ2的角度随进、出流质口压差大小的改变而设计，具体角度大小还需进行流体仿真验证。

柱塞的闭死升压和闭死释压过程是将泵腔内低压流质预升到高压流质或将高压流质预降到低压流质，这样保证接通时无压差或压差较小的存在，极大地降低液压冲击和噪声。但这种方法只用于泵在排量和工作压力确定时，一旦工作压力改变，预升压力和预释压力无法随之改变，将会因压差而引起脉动和冲击。

3配流系统预升压和释压仿真分析

为改善配流系统工作中液压冲击现象，利用闭死角的压力压缩和膨胀作用，将流质联通时的压差减小，但配流过程需进行流体仿真才能具体分析流场内部压力、流量与闭死角大小的关系，所以利用仿真软件Fluent，进行流动模拟[20]配流系统工作循环中流量和压力的变化。

3.1理论分析

仿真前，利用泵腔闭死升压、降压公式计算闭死角与压力的关系，不同闭死角的压力变化如表1所示。根据不同压缩角、膨胀角大小，计算出升压、降压的变化，再结合仿真结果分析工作脉动最佳的闭死角大小。由表1可表1不同闭死角的压力变

压缩角

/（°）升压/MPa膨胀角

/（°）降压/MPa30.461.00.6440.811.51.4451.272.02.5661.832.54.0072.483.05.70以看出，升压与降压值根据进、出口压差的不同要求随之变化，理论上若压差偏大，则应选取较大压缩角和膨胀角；若压差偏小，则应选取较小压缩角和膨胀角，尽量减小压差。另外，压缩角和膨胀角的大小会影响流量倒灌现象，由于减振槽的原因，配流口会将进出流质口接通，降低一定的容积效率，但持续时间极短，影响较小。

3.2仿真分析

在取值范围内，分别选取不同Δφ1和Δφ2，计算不同角度与进口流量、出口流量、泵腔压力的关系，配流系统不同闭死角工作脉动特性如图3所示。分别根据膨胀角、压缩角与工作脉动的关系具体分析，仿真过程选取的进口压力为01 MPa，出口压力为2 MPa，则进出口最大压差为19 MPa。

图3配流系统不同闭死角工作脉动特性3.2.1压缩角仿真分析

不同压缩角在闭死压缩阶段中，不同闭死压缩角工作脉动特性如图4所示。由图4a可以看出，当压缩角为7°时，有明显的流量冲击，最高可达25×10-3 m3/s，其余角度无明显冲击；由图4b可以看出，出口流量脉动冲击最大的压缩角同样是7°，且出现持续时间约为005 s的流量倒灌，虽然时间较短，但仍然能对配流系统的工作产生一定影响；由图4c可以看出，压缩角为7°时，泵腔压力冲击最明显；且除了角度7°压力冲击最明显，其余角度随度数减小，压力冲击依次减小。

图4不同闭死压缩角工作脉动特性综上所述，配流系统在压缩阶段压缩角为7°时，对流量和压力均有较大影响；压缩角为5°和6°时，只对泵腔压力有部分影响；3°和4°时，压缩角对流量和压力无明显影响。根据表1的理论分析，压缩角为4°时更接近理想压差，另考虑泄露因素的影响，压缩角选取3°最合适。

3.2.2膨胀角仿真分析

不同闭死膨胀角工作脉动特性如图5所示。由图5a可以看出，不同膨胀角所对应的进口流量均有明显冲击现象，说明压力瞬间降低可能发生空化现象；压力降至饱和蒸气压以下（水的饱和蒸气压为2 339 Pa），表示有空化现象发生，且25°膨胀角空化现象最明显，15°和3°膨胀角空化现象最弱。出口压力作为配流系统的工作压力，其压力冲击和脉动大小对配流系统的稳定性影响尤为重要；由图5b可知，膨胀角为3°时，流量脉动最小，所以变化规律应为膨胀角越小流量脉动越大；由图5c可以看出，泵腔压力变化过程整体冲击不大，压力脉动较小，但压力在某一时间段内都出现将至饱和蒸汽压以下的情况，所以所有膨胀阶段都出现不同程度的空化现象。

总之，配流系统在膨胀阶段所有膨胀角都出现不同程度的空化现象，25°膨胀角出现的空化最明显，而且膨胀角越小对出口流量脉动影响越严重，所以在压力选取为本文所述的情况下，膨胀角选取3°最合适，但根据表1的理论分析，压缩角为2°或15°时，更接近理想压差，另考虑泄露因素的影响，压缩角选取2°较为合适。

图5不同闭死膨胀角工作脉动特性4结束语

根据斜盘式轴向柱塞泵的配流角度分析方法，研究转套式配流系统配流过程中闭死阶段的角度分布，分析出配流系統存在闭死压缩阶段和闭死膨胀阶段，根据两个闭死阶段的压力瞬变过程，推导出泵腔内部压力变化的数学模型；结合数学模型理论分析，运用流体仿真技术对配流系统进、出口流量、泵腔压力的工作脉动特性数值模拟分析，根据分析结果推导并选取最佳闭死压缩角和闭死膨胀角。仿真结果表明，当压差为19 MPa、闭死压缩角为3°时，对流量特性及泵腔压力脉动的影响最小，且最接近理论分析，膨胀角在压缩阶段都出现了不同程度的空化现象，且膨胀角越小，流量脉动越大，膨胀角选取2°较为合适。该研究对减少流质内部泄露、降低配流噪声和振动具有重要意义，为配流系统日后结构优化提供了理论依据。

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