高云鵬， 程 凱＊， 徐天翀

（1.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.松原市江心島石油開發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 松原 138000）

0 引 言

在前期研制的轉(zhuǎn)向器抽油機(jī)的基礎(chǔ)上，我們將要研制應(yīng)用“充氣排油法”的轉(zhuǎn)向器排油機(jī)。所謂充氣排油就是以高壓氣體從進(jìn)油口注入充滿油液的轉(zhuǎn)向器，將其內(nèi)部油液吹出［1］。因而在實(shí)驗(yàn)前對轉(zhuǎn)向器內(nèi)流道模型運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行仿真，可以為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。

1 模型的建立

1.1 三維幾何模型的建立

汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器斷面圖如圖1所示。

轉(zhuǎn)向器內(nèi)腔主要由A、B兩個(gè)大腔和一些細(xì)小流道構(gòu)成，流道走向錯(cuò)綜復(fù)雜，尤其是A腔部分。當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器活塞處于中間位置，此時(shí)A腔、B腔以及回油口都是相通的，且A、B兩腔的壓力相等［2］。在此種狀態(tài)下，進(jìn)油口接高壓氣體，高壓氣體首先進(jìn)入控制閥，由于此時(shí)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器處于中位，高壓氣體一部分進(jìn)入回油口，但此時(shí)回油口在外部設(shè)備的控制下有可能閉合。另一部分將進(jìn)入A、B兩個(gè)腔室，由于出油口并不常開，中位時(shí)A、B兩腔連通，高壓氣體將使兩個(gè)腔室處于高壓狀態(tài)。一旦出油口開啟，則液壓油在高壓的推動(dòng)下將隨著氣體從出油口排出；當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器活塞向左移動(dòng)，進(jìn)油口接高壓氣體，高壓氣體進(jìn)入控制閥，由于此時(shí)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器處于右轉(zhuǎn)彎狀態(tài)，高壓氣體將只進(jìn)入B腔而不能進(jìn)入A腔，但此時(shí)B腔與回油口隔離，所以當(dāng)出油口接通時(shí)，A、B腔的油液均不能順利排出。動(dòng)力轉(zhuǎn)向器左轉(zhuǎn)彎的時(shí)候與右轉(zhuǎn)彎時(shí)原理基本相似，其結(jié)果也不能排出轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的油液。

圖1 汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器斷面圖

通過以上分析我們將選擇動(dòng)力轉(zhuǎn)向器處于中位時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)流道三維模型

需要特殊說明的是：在真實(shí)的流動(dòng)過程中，A腔的進(jìn)油和排油均從那一個(gè)流道中經(jīng)過，但為了用FLUENT軟件進(jìn)行仿真，人為的做了一個(gè)等大的流道直接接到了模型的出油口。同時(shí)省略了某些小流道，但是不會(huì)影響整體的效果；液壓油為粘性流體不隨速度梯度的變化而變化；假定系統(tǒng)內(nèi)部流體沒有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象且流道中的機(jī)械部件在工作過程中沒有壓力變形［3］。

1.2 計(jì)算模型的選擇

流體的流動(dòng)分為層流和湍流，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橥牧髂Ｐ停?］。斷流體的流態(tài)時(shí)我們一般要依據(jù)雷諾數(shù)Re這一標(biāo)準(zhǔn)，為無量綱參數(shù)。對于圓形管內(nèi)流動(dòng)，一般認(rèn)為臨界雷諾數(shù)為2 000，即當(dāng)Re＜2 000時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)是層流，否則為湍流［5］。表達(dá)式為：

式中：V——截面的平均速度，m／s；

L——特征長度，m；

ν——流體的運(yùn)動(dòng)粘度，m2／s。

動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的流道近似認(rèn)為是管狀的流動(dòng)，流量值按照推薦的較大流量30L／min，式中特征長度L取為管道直徑d，流體的運(yùn)動(dòng)粘度與動(dòng)力粘度的關(guān)系可表示為：

式中：μ——流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；

ρ——液壓油的密度，其國際制單位是kg／m3。

本次仿真汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)液體的流型為湍流模型，湍流計(jì)算選擇Standard k－ε模型［6］。

2 仿真相關(guān)參數(shù)條件設(shè)定

數(shù)值計(jì)算選擇有限元體積法中經(jīng)常用的SIMPLE算法來求解離散方程組，進(jìn)油口采用壓力進(jìn)口條件，而出油口采用壓力出口條件。采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，其公式為：

式中：ui，uj——時(shí)均速度，即考慮到脈動(dòng)因素的影響，采用的方法是時(shí)間平均法；

k——由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能［7］。

在標(biāo)準(zhǔn)的k－ε模型中，ε表示湍動(dòng)能耗散率，定義為：

湍動(dòng)粘度可以表示成k和ε的函數(shù)：

式中：Cμ——經(jīng)驗(yàn)值常數(shù)。

3 模型的仿真結(jié)果及其分析

根據(jù)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器排油的實(shí)際情況以及我們采用的充氣排油方法的基本原理，首先以時(shí)間為變量，時(shí)間步長為0.01s，以動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部基本相體積分?jǐn)?shù)的變化為觀測量，對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行模擬仿真分析。

我們可以明顯的看到，隨著時(shí)間的變化，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部初始時(shí)刻油的體積分?jǐn)?shù)為1，也就是說開始的時(shí)候動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部是注滿液壓油的。觀察時(shí)間進(jìn)行0.5s時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器入口處的液壓油在氣體的推動(dòng)下剛剛開始被排出，由于進(jìn)行時(shí)間較短，在這一瞬時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器其他位置的油液并沒有減少。

觀察時(shí)間進(jìn)行0、0.5s時(shí)油液位置如圖3所示。

圖3 觀察時(shí)間進(jìn)行0、0.5s時(shí)油液位置

當(dāng)時(shí)間進(jìn)行1s時(shí)，油管中被排出的油液有所增加，B腔油液開始有所減少，A腔變化不明顯；時(shí)間進(jìn)行2s時(shí)，B腔油液所占體積分?jǐn)?shù)為50%，扇形齒輪軸腔油液變化明顯，A腔油液有所減少。

觀察時(shí)間進(jìn)行1、2s時(shí)油液位置如圖4所示。

圖4 觀察時(shí)間進(jìn)行1、2s時(shí)油液位置

當(dāng)時(shí)間進(jìn)行5s時(shí)，B腔油液還剩25%，A腔油液50%，剩余油液主要集中在滾珠絲杠內(nèi)腔和出油口處；當(dāng)時(shí)間進(jìn)行10s時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部油液基本不足20%。

觀察時(shí)間進(jìn)行5、10s時(shí)油液位置如圖5所示。

圖5 觀察時(shí)間進(jìn)行5、10s時(shí)油液位置

當(dāng)時(shí)間進(jìn)行30s時(shí)，滾珠絲杠的內(nèi)腔頂端處還有一定量的油液難以排除，轉(zhuǎn)向器內(nèi)部油液已基本排出干凈。并且綜合以上其它各圖可以看到，該處的油液一直是難以排除的。這是因?yàn)楦邏簹怏w進(jìn)入轉(zhuǎn)向器后，由于絲杠內(nèi)腔的存在，高壓氣體很容易將油液封堵在腔室內(nèi)難以排除，但隨著時(shí)間的延續(xù)，以及高壓氣體間斷性的關(guān)停動(dòng)作，使得該腔內(nèi)的油液雖也能夠排除［8］，但是這是很耗費(fèi)時(shí)間的。這也是動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)油液難以排除干凈的原因之一。

觀察時(shí)間進(jìn)行30、50s時(shí)油液位置如圖6所示。

圖6 觀察時(shí)間進(jìn)行30、50s時(shí)油液位置

由于實(shí)驗(yàn)方法采用的是充氣排油，即以高壓空氣將轉(zhuǎn)向器內(nèi)部的油液排出。所以對動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部兩相混合時(shí)的壓力分布以及壓力變化的分析對于排油過程來講特別的重要，下面分析一下排油過程中的兩相混合的壓力分布情況。觀察時(shí)間進(jìn)行0.5、10s時(shí)油液位置如圖7所示。

圖7給出了動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部考慮氣液兩相混合后不同時(shí)間的總體壓力分布情況。在時(shí)間進(jìn)行0.5s的時(shí)候，從圖中可以明顯看到，入口分別接A、B兩腔的油道也保持了較高的壓力，這是由于此時(shí)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)大部分還都充滿著油液，而出口相對而言較小，入口壓力氣體進(jìn)入轉(zhuǎn)向器內(nèi)腔的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油液排出的速度，所以氣體不斷進(jìn)入轉(zhuǎn)向器內(nèi)腔而壓縮產(chǎn)生高壓，接近于我們設(shè)定的工作壓力。此時(shí)，A、B兩腔是充滿油液的，在高壓氣體的作用下兩腔的油液迅速排出，從而吸收了一部分能量，這導(dǎo)致了兩腔的壓力相對連接入口的管路而言要小一些的；而在此同時(shí)，接近接出口的B腔內(nèi)的油液在高壓氣體推動(dòng)下排出的速度明顯要比A快，所以我們從圖中可以看到這一時(shí)刻B腔壓力明顯低于A腔。也就是說一定的時(shí)間內(nèi)B腔的油液是先排完的。

圖7 觀察時(shí)間進(jìn)行0.5、10s時(shí)油液位置

當(dāng)時(shí)間進(jìn)行10s時(shí)，對比油液t＝10s時(shí)的體積分?jǐn)?shù)圖知道，此時(shí)轉(zhuǎn)向器內(nèi)的油液已經(jīng)基本排出，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)充滿了空氣而只有少量的油。所以，此時(shí)由于液壓油的排出，轉(zhuǎn)向器內(nèi)腔基本形成了一個(gè)空氣進(jìn)入排出通路，這就減少了空氣排出時(shí)的阻力，從而管路中的壓力明顯降低了。與此同時(shí)，由于液壓油的排出，整個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)腔的壓力趨于平衡。

4 結(jié) 語

1）動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部油液的排油效率隨著動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部殘留液壓油含量的降低而降低，在仿真的前10s內(nèi)排油效率較高，并且排油時(shí)間越長，排油效率越低。

2）動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)部油液難以排除干凈和它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜有著直接的關(guān)系，絲杠內(nèi)腔處的油液不能順利排出是一個(gè)主要原因。A、B兩腔產(chǎn)生的漩渦流現(xiàn)象也是油液難以排出的另外一個(gè)原因。

3）齒條活塞處于中間位置時(shí)，A、B兩腔是同時(shí)排油的，但是B腔比A腔排油更快。

4）雖然入口提供的工作壓力為600 000Pa，但是在排油過程中，尤其是排油過程的后期階段動(dòng)力轉(zhuǎn)向器內(nèi)腔是達(dá)不到我們提供的工作壓力的，或者和入口壓力相差很大。

5）出口處的流場速度很大，并且在高壓作用下，出口很可能出現(xiàn)噴射或者油霧現(xiàn)象。

［1］ 閆麗.動(dòng)力轉(zhuǎn)向器總成的流體力學(xué)分析及其排油裝置的研究［D］.長春：長春工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］ 程凱，周香，李廣明.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的流場分析［J］.機(jī)械工程師，2010（1）：50－52.

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［8］ 周香.汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的流體力學(xué)特性及其吸油裝置的研究［D］.長春：長春工業(yè)大學(xué)，2010.