陶嗣巍， 劉顯雙， 趙 東

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.貴陽市航空研究院，貴州 貴陽 550000；3.北京林業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 海淀 100083)

在軸向柱塞泵中，滑靴摩擦副要有良好的流體潤(rùn)滑效果.已有研究表明，當(dāng)滑靴、柱塞和斜盤等結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理，潤(rùn)滑油供應(yīng)充分時(shí)，在滑靴與斜盤之間能夠形成一定厚度的油膜，避免兩者發(fā)生劇烈摩擦和碰撞.

關(guān)于滑靴和斜盤間油膜的承載能力和潤(rùn)滑效果的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)做了許多探索.伯明翰大學(xué)的Hooke等[1-3]研究了低速時(shí)滑靴和斜盤間的壓緊效果及孔口大小對(duì)滑靴靜壓支撐能力的影響，并搭建了潤(rùn)滑特性檢測(cè)平臺(tái)，用來測(cè)量油膜厚度的變化以及高壓工作區(qū)壓力損失和油液泄漏.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的翟文杰等[4]研究了滑靴底面油膜的壓力分布規(guī)律以及負(fù)載能力，并提出了高壓軸向柱塞泵設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方式.Tsuta等[5]分析了滑靴副關(guān)鍵部件之間的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，建立了多體動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)滑靴與斜盤的作用機(jī)理及底面液壓油的動(dòng)態(tài)變化特性進(jìn)行了研究.在此基礎(chǔ)上給出了滑靴副的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，構(gòu)建了液壓油流體動(dòng)力學(xué)模型，并利用Newmark-beta方法求解出了理論解.Tanaka[6]采用電渦流位移傳感器，測(cè)量滑靴底面在靜壓支撐時(shí)的波動(dòng)曲線，并在考慮底面粗糙度的條件下，給出了滑靴副的數(shù)學(xué)模型.劉洪[7]根據(jù)彈流潤(rùn)滑理論，對(duì)滑靴油膜的動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并用于研究油膜特性的變化.湯何勝[8]采用有限單元法計(jì)算滑靴表面變形，應(yīng)用能量方程和熱傳導(dǎo)方程計(jì)算油膜溫度，疊加兩者效果分析油膜的熱耦效果.

以上方法多從理論模型的角度出發(fā).為對(duì)滑靴油膜的微觀變化規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的研究，本文以九孔斜盤式軸向柱塞泵的滑靴副為研究對(duì)象，將流固耦合理論和靜壓支撐原理相結(jié)合，建立20 mm級(jí)別的滑靴油膜有限元模型，對(duì)柱塞在高低壓區(qū)之間變化時(shí)滑靴油膜的變化情況進(jìn)行模擬，進(jìn)而得到其油膜變化云圖，提高對(duì)油膜變化情況的捕捉能力.

1 滑靴副作用機(jī)理及數(shù)學(xué)模型

1.1 滑靴副作用機(jī)理及受力分析

目前市面上的軸向柱塞泵內(nèi)的滑靴副結(jié)構(gòu)多如圖1所示.高壓油通過腔內(nèi)流道，經(jīng)滑靴內(nèi)部阻尼小孔進(jìn)入底部油室內(nèi)，使得油室內(nèi)壁和密封帶底面上產(chǎn)生反推力.在高低壓區(qū)之間交替變化時(shí)，油液壓力會(huì)急劇變化.一旦油膜的反推力明顯小于其所受的壓緊力時(shí)，剩余壓緊力就會(huì)壓縮油膜，從而使油膜楔形支撐力增大，此時(shí)油膜的厚度和分布情況會(huì)出現(xiàn)短暫的劇烈變化.穩(wěn)定下來后，新構(gòu)建油膜的厚度有所減少，但仍然能夠減少磨損.

1.2 流固耦合原理

當(dāng)柱塞腔內(nèi)油液壓力劇烈變化，油膜同滑靴底面相互作用承受油壓沖擊，油膜厚度變化及滑靴底面的形變同兩者間的相互作用緊密聯(lián)系.上述問題是典型的流固耦合問題.

如圖2所示，油膜厚度h的變化量主要由兩部分組成，其中△h1是滑靴底面在油膜壓力作用下產(chǎn)生的形變，而△h2是滑靴在其所受壓緊力同油膜反推力的合力作用下所產(chǎn)生的位移，兩者之和即滑靴油膜的變化量△h.

表1 滑靴副主要參數(shù)

2 數(shù)值模擬

本研究應(yīng)用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)模塊Fluent和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊Transient structural油膜與滑靴間的雙向流固耦合計(jì)算，模擬了滑靴油膜特性.利用ICEM CFD模塊劃分流體網(wǎng)格，如圖3所示.其中流道采用四面體網(wǎng)格，而油膜采用六面體網(wǎng)格.

將潤(rùn)滑油看作不可壓縮的、恒定的牛頓流體，其參數(shù)如表1所示.在求解流體的離散方程組時(shí)，應(yīng)用有限體積法中常用的SIMPLE算法.在本力學(xué)模型中，流體域模型包括4類邊界條件：①入口邊界條件；②出口邊界條件；③壁面邊界條件；④流固耦合面.入口處用壓力入口邊界(pressure-inlet)來表示；出口處用壓力出口邊界(pressure-outlet)來表示，其絕對(duì)壓力為一個(gè)大氣壓強(qiáng)(1.01×105Pa)；流固耦合面為油膜同滑靴底部相接觸的兩個(gè)階梯面.將其他所有和油液接觸的油道外壁設(shè)置為固定邊界(wall)，并將流體在固體邊界點(diǎn)上的各向速度均設(shè)為零(即無滑移壁面邊界條件).

利用ADAMS和AMESIM軟件聯(lián)合仿真斜盤式柱塞泵，得到柱塞腔內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì).如圖4所示，是柱塞泵9個(gè)柱塞中某一個(gè)在0.12 s時(shí)間內(nèi)，油液對(duì)柱塞的壓力隨時(shí)間的變化曲線.取其中一個(gè)周期，即柱塞從低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)到高壓區(qū)再回到低壓區(qū)，將這一壓力施加于柱塞流道進(jìn)口，如圖3所示.由于本研究基于靜壓支撐研究油膜特性，不強(qiáng)調(diào)柱塞泵的旋轉(zhuǎn)速度，因此在模擬仿真中將這一壓力變化過程的時(shí)間周期增加為2 s.

3 結(jié)果與討論

當(dāng)柱塞從低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)到高壓區(qū)時(shí)，油液通過阻尼孔進(jìn)入滑靴油室，使油壓迅速升高，同時(shí)油膜對(duì)滑靴底面的支撐力也迅速上升，由圖5可以發(fā)現(xiàn)這兩條上升曲線趨勢(shì)較為吻合.

當(dāng)柱塞從高壓區(qū)向低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，油壓下降，由于阻尼孔的存在，導(dǎo)致油膜壓力并沒有同步下降，滑靴所受合力迅速增大，使得油膜厚度增大，油液泄漏量增大，合力減小，反而使油膜厚度再次減小，油室內(nèi)壓力再度上升，如此反復(fù)，最終使油膜支撐力和滑靴所受合力重新達(dá)到平衡.由圖5可見，從低壓區(qū)到高壓區(qū)與從高壓區(qū)到低壓區(qū)相比，油膜支撐力和滑靴所受合力隨時(shí)間變化規(guī)律有明顯不同.

在上述兩個(gè)壓力變化過程中，油膜厚度的變化規(guī)律也有不同.如圖6所示，當(dāng)柱塞由低壓區(qū)向高壓區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，油膜厚度顯著減小，但隨著泄漏量的減小，滑靴油室內(nèi)的壓力也迅速上升，從而使油膜重新達(dá)到平衡.從整體來看，油膜厚度的劇烈變化集中在0～0.5 s階段，之后油膜厚度的變化幅度并不大.當(dāng)柱塞從高壓區(qū)運(yùn)動(dòng)到低壓區(qū)時(shí)，柱塞腔內(nèi)壓力減小，滑靴油腔內(nèi)壓力在阻尼孔的作用下大于滑靴所受合力，因而油膜厚度增大，同時(shí)泄漏量增大，使得滑靴底面油膜壓力減小，如此反復(fù)，最終油膜厚度重新回到20 mm左右.在這一過程中，油膜厚度的振動(dòng)幅度大體保持穩(wěn)定，只有在0.8 s左右有一個(gè)明顯的上升.

圖7為滑靴底面在滑靴油室內(nèi)壓力和油膜作用下的應(yīng)變?cè)茍D.可以發(fā)現(xiàn)滑靴底面應(yīng)變由中心向外圍逐漸減小，而中心偏左側(cè)處的應(yīng)變較右側(cè)大，說明滑靴油膜厚度為左高右低，一定程度上形成了楔形油膜.

4 結(jié) 論

(1) 本文應(yīng)用流固耦合和靜壓支撐理論，研究滑靴內(nèi)腔以及底面同油液之間的相互作用，應(yīng)用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)了滑靴與油液的流固耦合計(jì)算，并分析了滑靴位移、應(yīng)變和油膜厚度變化情況.發(fā)現(xiàn)引入流固耦合原理有助于分析油膜動(dòng)態(tài)變化情況.(2) 分析了柱塞在高低壓區(qū)之間變換時(shí)滑靴油膜厚度的變化規(guī)律.當(dāng)柱塞從低壓區(qū)向高壓區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑靴油膜在開始階段有較大幅度減小，之后逐漸趨于穩(wěn)定.而柱塞從高壓區(qū)向低壓區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，油膜厚度在初始階段保持一定幅度的振動(dòng)，在后半段有一次顯著增大.(3) 在滑靴油室內(nèi)油液和底面油膜作用下，滑靴底面產(chǎn)生楔形應(yīng)變，進(jìn)而出現(xiàn)楔形油膜.(4) 利用流固耦合原理分析高速高壓情況下的滑靴油膜底面運(yùn)動(dòng)情況，有助于分析高速?zèng)_擊對(duì)滑靴底面平衡情況的影響.

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