王官洪,周釗強(qiáng),曹學(xué)鵬
(長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院,陜西 西安710064)
滑靴副作為柱塞泵最重要的摩擦副之一,其潤(rùn)滑特性對(duì)泵的效率和使用壽命有重要影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)柱塞泵滑靴副潤(rùn)滑特性已做了大量研究工作,并取得了巨大成就。德國(guó)的Kumar S J將三維Navier-Stokes應(yīng)用在滑靴斜盤之間的微小間隙進(jìn)行數(shù)值求解,得到了泄漏流量隨滑靴副結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系;英國(guó)的John WATTON研究了泵的流量和壓力增大時(shí)來研究靜壓支承室結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滑靴底部壓力和提升力的影響;德國(guó)的UweWieczorek通過開發(fā)模擬斜盤式軸向柱塞泵滑靴和斜盤間隙的仿真工具CASPAR,得到密封帶處的壓力、速度和溫度場(chǎng)分布規(guī)律[1]。這對(duì)分析滑靴副油膜厚度和油膜承載能力提供理論基礎(chǔ)和依據(jù),也為設(shè)計(jì)摩擦副提供新思路。
在工業(yè)生產(chǎn)中,柱塞泵滑靴副大多采用靜壓支承方式來實(shí)現(xiàn)其流體潤(rùn)滑,這有利于降低材料磨損,提高元件使用壽命。
進(jìn)口壓力P油通過阻尼孔時(shí)產(chǎn)生壓降Ps,在Ps的作用下,液流通過密封帶時(shí)產(chǎn)生泄漏流量,并在密封帶內(nèi)形成具有一定變化規(guī)律的壓力場(chǎng),這個(gè)壓力場(chǎng)和油腔壓力Ps共同抵抗外負(fù)載W.當(dāng)外負(fù)載變化時(shí),Ps也隨之改變,使油腔壓力與外負(fù)載達(dá)到一個(gè)動(dòng)平衡狀態(tài)[2]?;ジ钡撵o壓支承如圖1所示。
圖1 軸向柱塞泵滑靴靜壓支承示意圖
式中:P為負(fù)載壓力;P0為環(huán)境壓力;l和d為阻尼孔長(zhǎng)度和直徑;h為油膜厚度;r0、R0分別為滑靴底面內(nèi)、外半徑。
根據(jù)微小間隙的流動(dòng)方程得到滑靴與斜盤之間的流量連續(xù)性方程為:
式中,μ 為油液的動(dòng)力粘度。由(1)、(2)兩式可知,當(dāng)滑靴結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境壓力一定時(shí),油室壓力不僅與柱塞腔壓力有關(guān),還與油膜厚度有關(guān)。油膜太厚或者太薄會(huì)引起效率降低或“燒盤”現(xiàn)象。因此,研究滑靴副的油膜厚度極其重要。
油膜厚度是評(píng)價(jià)滑靴副潤(rùn)滑特性最重要的指標(biāo)
根據(jù)滑靴阻尼孔壓力流量特性及流量連續(xù)性原理得滑靴副靜壓支承油室壓力為:之一,為此,需要求出使滑靴副獲得最佳性能的油膜厚度。
當(dāng)油膜處于一定厚度時(shí),就必然有功率損失。而功率損失是由兩部分組成,一部分泄漏產(chǎn)生的功率損失N1,另一部分是粘性摩擦引起的功率損失N2[3]。聯(lián)立(1)、(2)式,求得泄漏損失功率為:
其中,DP為柱塞直徑;γ為斜盤傾角。
油液具有的粘度而產(chǎn)生粘性摩擦力矩N2:
式中:n為泵的轉(zhuǎn)速;D為柱塞分布圓直徑。
對(duì)N1和N2求和之后再對(duì)油膜厚度h求偏導(dǎo),令偏導(dǎo)等于零,求得最佳油膜厚度為:
由(5)可知,滑靴副最佳油膜厚度取決于滑靴和柱塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)及泵的工作參數(shù)。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)負(fù)載壓力為24 MPa時(shí),最佳油膜厚度為16.08μm,負(fù)載壓力為16 MPa時(shí),為19.69μm,沿滑靴底面半徑方向壓力分布如圖2所示。根據(jù)最佳油膜厚度計(jì)算滑靴副密封帶處壓力隨半徑的變化關(guān)系如下:
圖2 滑靴底面沿半徑方向壓力分布圖
采用CFD對(duì)滑靴副進(jìn)行流場(chǎng)仿真,對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[4]:滑靴與斜盤之間的間隙非常小,介質(zhì)是牛頓液體,且為層流,不存在渦流。
根據(jù)(5)式計(jì)算的最佳油膜厚度和表1中的參數(shù),建立不同負(fù)載壓力下的滑靴副流道模型,其主要包括阻尼孔流道、滑靴靜壓支承室內(nèi)流體和滑靴密封帶處油膜三部分?;サ酌嬗湍ひ蚓哂泻穸刃 ⒅睆酱蟮奶攸c(diǎn)而網(wǎng)格劃分較難。首先構(gòu)建虛擬直線將油膜厚度方向上圓柱面進(jìn)行分割,再沿厚度方向上進(jìn)行線網(wǎng)格劃分,然后以Quad和Map方式對(duì)側(cè)面進(jìn)行面網(wǎng)格劃分,最后以Hex/Wedge和Cooper進(jìn)行體網(wǎng)格自動(dòng)劃分。將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLUENT進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。選擇基于壓力求解的3D求解器和k-ε二階精度模型;定義邊界條件,設(shè)置精度流場(chǎng)仿真迭代。
表1 滑靴副主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
最佳油膜厚度為16.08μm,工作壓力為24 MPa時(shí)的滑靴副油膜壓力分布如圖3所示。
圖3 工作壓力為24MPa時(shí)的壓力云圖
由圖3可知,滑靴副密封帶處油膜壓力中心為油室圓形壓力場(chǎng),接近于柱塞腔壓力,周圍為環(huán)形密封帶油膜壓力場(chǎng),且隨底面半徑的增大而逐漸減小。與圖2中滑靴底面壓力分布相吻合,當(dāng)負(fù)載壓力增大時(shí),滑靴油膜壓力場(chǎng)也隨之提高,承載能力提高以適應(yīng)外負(fù)載的變化。
根據(jù)滑靴副損失功率最小求出最佳油膜厚度,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,并通過流體仿真驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性,得出了一致結(jié)論:滑靴油室中心圓形壓力接近負(fù)載壓力,密封帶處油膜壓力呈環(huán)形分布,并隨半徑的增大逐漸減小,當(dāng)負(fù)載壓力增大時(shí),密封帶處壓力也隨之增大,油膜承載力提高。流體仿真模型驗(yàn)證了數(shù)值求解模型的準(zhǔn)確性與合理性。
[1]Kumar S J,Bergada M,Watton J.Axial piston pump grooved slipper analysis by CFD simulation of three-dimensional NVS equation in cylindrical coordinates[J].Computer&Fluids,2009(38):648-663.
[2]Uwe Wieczorek,Monika Ivantysynova.Computer Aided Optimization of Bearing and Sealing Gaps Hydrostatic Machines-The Simulation Tool Caspar[J].International Journal of Fluid Power,2002(3):33-40.
[3]許耀銘.油膜理論與液壓泵和液壓馬達(dá)的摩擦副設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1984.
[4]張 靜,馬慶偉.基于CFD的軸向柱塞泵滑靴副的流場(chǎng)仿真[J].機(jī)械工程,2012(2):1-3.