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        基于Fluent流場分析的拖拉機(jī)齒輪泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

        2019-12-22 02:31:16賈大明徐文靜王俊卿
        農(nóng)機(jī)化研究 2019年6期
        關(guān)鍵詞:模型設(shè)計

        賈大明,徐文靜,王俊卿

        (洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 洛陽 471000)

        0 引言

        在拖拉機(jī)液壓傳動系統(tǒng)中,齒輪泵的主要作用是輸送液壓油,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能或者將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,其性能主要和齒輪泵內(nèi)部的流動有關(guān)。在設(shè)計齒輪泵的初期,必須考慮齒輪泵的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流動情況,以設(shè)計出符合要求的泵。拖拉機(jī)齒輪泵的動態(tài)仿真可以為其設(shè)計提供大量的數(shù)據(jù)參考,是一種非常有效的計算機(jī)輔助設(shè)計手段;但是,由于其三維模型較為復(fù)雜,數(shù)值模擬工作較難進(jìn)行,目前對于齒輪泵的仿真模擬工作往往局限在對其流量的模擬,對齒輪的運(yùn)動和流場的分析較少。為了反映出齒輪泵作業(yè)過程中內(nèi)部齒輪和流體的動態(tài)變化,必須借助于現(xiàn)代仿真模擬手段,對其動態(tài)過程展開研究。Fluent動網(wǎng)格技術(shù)是當(dāng)前計算流體仿真模擬常用的軟件,而其UDF動網(wǎng)格編程模塊可以有效地實(shí)現(xiàn)裝置流場的動態(tài)分析,對于拖拉機(jī)新型齒輪泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要的意義。

        1 拖拉機(jī)齒輪泵工作原理

        在拖拉機(jī)動力元件中,液壓控制元件是較為常用的動力執(zhí)行元件,其工作時必不可少的元件是齒輪泵。拖拉機(jī)齒輪泵也叫液壓泵,其作用是在電機(jī)的驅(qū)動下將能量進(jìn)行變換,如將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能,將壓力能輸入到控制系統(tǒng)后,再從系統(tǒng)中傳送到執(zhí)行末端,在執(zhí)行末端將壓力能再轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)各零部件的控制。工作原理如圖1所示。

        拖拉機(jī)齒輪泵在工作時,主要依據(jù)腔體內(nèi)部容積的變化來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。在電機(jī)的帶動下,齒輪泵通過旋轉(zhuǎn)形成真空區(qū)或者壓力區(qū),使液壓油被吸入或者排出,其原型如圖2所示。

        圖2 拖拉機(jī)齒輪泵外觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The appearance structure of the tractor gear pump

        拖拉機(jī)齒輪泵主要由6部分組成,包括主動和從動齒輪、泵殼、泵體、軸承和密封圈。在實(shí)際仿真模擬時,需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,簡化過程主要依據(jù)齒輪泵的傳動原理來實(shí)現(xiàn),如圖3所示。

        1.殼體 2.前端蓋 3.傳動軸

        圖3中,通過前端蓋和后端蓋對齒輪進(jìn)行密封,齒輪在傳動軸的帶動下開始運(yùn)動,運(yùn)動過程中會形成真空區(qū)域和壓力區(qū)域,實(shí)現(xiàn)吸油和排油過程。在仿真模擬時,可以將其簡化為泵體和齒輪兩部分,利用三維建模軟件建立泵體和齒輪后,利用Fluent的動網(wǎng)格技術(shù)對齒輪賦予一定的速度,便可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)齒輪泵的動態(tài)仿真模擬。

        2 基于計算流體和動網(wǎng)格的仿真數(shù)學(xué)模型

        為了模擬出拖拉機(jī)齒輪泵運(yùn)行的動態(tài)過程,需要采用Fluent的動網(wǎng)格技術(shù),主要通過UDF編譯來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際仿真時,齒輪泵主要沉浸在液體中,因此還需要對液體流場進(jìn)行仿真。Fluent對流場進(jìn)行計算主要是依賴于3個方程,包括流體連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。其中,流體連續(xù)性方程可以寫作

        (1)

        其中,x為軸向坐標(biāo);u為軸向的流體速度。

        同理,動量方程為

        (2)

        其中,P為靜壓;τij為應(yīng)力張量。

        (3)

        其中,δij表示粘性項。

        Fluent對于流場能量方程的求解為

        (4)

        其中,keff=kt+k表示有效導(dǎo)熱系數(shù);Jj′是組分j′的擴(kuò)散通量;方程右邊前3項為導(dǎo)熱項、組分?jǐn)U散項和粘性耗散項;Sh為包括其它體積熱源和化學(xué)反應(yīng)熱的源項。

        (5)

        對于理想流體,焓定義為

        h=mj′hj′

        (6)

        對于不可壓縮氣體,焓定義為

        (7)

        其中,mj′是組分j′的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

        組分j′的定義為

        (8)

        其中,Tref=298.15K。

        這些方程都屬于FLUENT的內(nèi)置方程,在實(shí)際仿真過程中,只需要對參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,但是在動網(wǎng)格的UDF編程過程中需要考慮這些方程。基于UDF動網(wǎng)格的拖拉機(jī)齒輪泵Fluent仿真流程如圖4所示。

        圖4 拖拉機(jī)齒輪泵動態(tài)仿真模擬流程Fig.4 Dynamic simulation process of tractor gear pump

        在仿真過程中,首先需要對泵內(nèi)部的流場進(jìn)行仿真,利用UDF編程使固體齒輪部分進(jìn)行運(yùn)動;然后采用流固耦合仿真分析,對動網(wǎng)格進(jìn)行更新。在計算過程中,需要保證計算的收斂性。如果計算不收斂,還需要對網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整,直到計算收斂精度達(dá)到設(shè)計要求為止。在Fluent中,動網(wǎng)格主要涉及到以下兩方面的內(nèi)容:

        1)運(yùn)動的定義。需要采用UDF編程中的宏命令對運(yùn)動進(jìn)行定義。

        2)網(wǎng)格更新。Fluent針對網(wǎng)格更新主要有3種方法,包括網(wǎng)格光順、動態(tài)層及網(wǎng)格重構(gòu)。

        在Fluent中,對動網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行設(shè)計主要是通過Dynamic Mesh面板進(jìn)行設(shè)置,具體如圖5所示。

        圖5中,拖拉機(jī)動網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置主要包括兩方面的內(nèi)容:一是Mesh Methods;二是Dynamic Mesh Zones。另外,還包括網(wǎng)格域運(yùn)動預(yù)覽及網(wǎng)格運(yùn)動預(yù)覽。

        圖5 拖拉機(jī)動網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置Fig.5 Parameter setting of dragging mobile grid

        編程和設(shè)置完成后,可以將UDF編程代碼導(dǎo)入到Fluent進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程中,主要參考網(wǎng)格更新和計算的收斂性,當(dāng)網(wǎng)格更新效果和收斂性較好時,便可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)齒輪泵的動態(tài)仿真。

        3 基于FLUENT的拖拉機(jī)齒輪泵仿真模擬

        為了驗(yàn)證FLUENT軟件對拖拉機(jī)齒輪泵進(jìn)行動態(tài)仿真的可行性,本次研究以東方紅重型拖拉機(jī)的齒輪泵為模型,對其進(jìn)行了建模和仿真。該齒輪泵主要是由兩個相互嚙合的齒輪構(gòu)成,由于齒輪端面被前后蓋密封,因此形成了一個密閉的容腔室,如圖6所示。

        圖6 拖拉機(jī)齒輪泵原型圖Fig.6 The prototype of tractor gear pump

        拖拉機(jī)齒輪泵在工作時,齒輪脫開側(cè)的空間體積從小變大,形成局部真空,這時候外部的液壓油會被吸入;同理,液壓油也可以被擠出。根據(jù)這個模型原理,建立了三維仿真模型,如圖7所示。

        圖7 拖拉機(jī)齒輪泵三維仿真模型Fig.7 Three dimensional simulation model of tractor gear pump

        根據(jù)拖拉機(jī)齒輪泵的原型和工作原理,建立了三維仿真模型。將三維模型導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件,對網(wǎng)格劃分后,將網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent軟件中,采用UDF編程賦予齒輪一定的速度,便可以實(shí)現(xiàn)齒輪的動態(tài)仿真。

        單齒輪動態(tài)仿真速度云圖如圖8所示。由于兩個齒輪模型是對稱的,為了簡化計算,可以先對1個齒輪進(jìn)行仿真,然后采用鏡像技術(shù)得到雙齒輪同時運(yùn)行時的動態(tài)分布圖。仿真結(jié)果表明:采用Fluent動網(wǎng)格技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)齒輪泵的動態(tài)仿真。

        鏡像后的雙齒動態(tài)仿真速度云圖如圖9所示?;趧泳W(wǎng)格的齒輪泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬能較真實(shí)地模擬泵內(nèi)油液流動隨齒輪轉(zhuǎn)動的瞬態(tài),能為齒輪泵的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供很多有價值的參考數(shù)據(jù)。

        圖8 單齒輪動態(tài)仿真速度云圖Fig.8 Dynamic simulation speed cloud diagram of single gear

        圖9 鏡像后的雙齒動態(tài)仿真速度云圖Fig.9 Dynamic simulation speed cloud diagram of of double teeth after mirror image

        4 結(jié)論

        為了實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)齒輪泵的動態(tài)仿真模擬過程,采用三維建模和Fluent軟件設(shè)計了齒輪泵的三維仿真模型,并采用UDF動態(tài)編程技術(shù)對齒輪泵作業(yè)過程進(jìn)行了動態(tài)仿真模擬,成功地捕捉到了拖拉機(jī)齒輪泵內(nèi)流場的變化。為了提高計算效率和計算精度,采用了Fluent軟件的鏡像技術(shù),將兩個齒輪的仿真轉(zhuǎn)換為了1個齒輪的計算。結(jié)果表明,該方法是可行的。采用仿真模擬技術(shù)可以為齒輪泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供較為可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用,縮短設(shè)計周期,提高設(shè)計效率,特別是對于新型齒輪泵的設(shè)計具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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