李少年，張 磊，常露丹，王 煜，代鵬云

固體顆粒對(duì)高壓葉片泵配流副油膜特性影響的數(shù)值模擬

李少年，張 磊，常露丹，王 煜，代鵬云

（蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730050）

葉片泵對(duì)油液的清潔度要求較高，油液中混入的少量固體顆粒會(huì)引起泵內(nèi)部摩擦副磨損而使其間隙增大，影響葉片泵的容積效率。為了探明顆粒在葉片泵配流副油膜內(nèi)部的分布狀態(tài)及其對(duì)配流副損壞機(jī)制，該研究使用理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)測試的方法，研究油液中的固體顆粒對(duì)高壓葉片泵配流副油膜特性的影響。應(yīng)用Fluent內(nèi)置的兩相流模型，分別改變固體顆粒直徑（0.5～13m）和固相體積分?jǐn)?shù)（0.2%～1%）、泵的工作壓力和轉(zhuǎn)速，開展子母葉片泵配流副油膜內(nèi)部的固相體積分?jǐn)?shù)分布與溫度分布的數(shù)值模擬，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，油液中的固體顆粒基本不影響配流副油膜的壓力數(shù)值及其分布，但會(huì)引起排油區(qū)的油膜溫度降低。隨著顆粒直徑的增大，吸油區(qū)油膜固相體積分?jǐn)?shù)減小，最大變化量為0.25%，排油區(qū)油膜固相體積分?jǐn)?shù)增大，最大變化量為0.35%，油膜固相體積分?jǐn)?shù)整體上呈增大趨勢變化。葉片泵容積效率隨著固體顆粒直徑的增大而下降，二者近似線性關(guān)系。隨著顆粒固相體積分?jǐn)?shù)的增加，油膜固相體積分?jǐn)?shù)整體呈增大的趨勢變化，最大變化量為0.72%，引起葉片泵容積效率下降，且顆粒固相體積分?jǐn)?shù)與容積效率之間呈非線性關(guān)系。油膜表面的溫度隨顆粒固相體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，吸油區(qū)各區(qū)域油膜溫度變化較小，排油區(qū)油膜溫度最大變化量為2 K。配流副油膜受壓差流影響較大的區(qū)域內(nèi)固相體積分?jǐn)?shù)隨工作壓力升高而減小，最大變化量為0.3%，油膜表面各區(qū)域的溫度有所上升，核心區(qū)域溫度變化量為4 K。油膜大部分區(qū)域的油膜固相體積分?jǐn)?shù)和溫度都隨著泵轉(zhuǎn)速的增大而增大，影響較大的區(qū)域中固相體積分?jǐn)?shù)最大變化量為0.2%，溫度最大變化量為3 K。研究結(jié)果可為高壓葉片泵配流副的設(shè)計(jì)提供參考。

泵；壓力；溫度；數(shù)值模擬；油膜；固體顆粒

0 引 言

高壓葉片泵因噪聲小、體積小以及流量均勻等優(yōu)點(diǎn)在流體傳動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。但泵內(nèi)的摩擦磨損會(huì)嚴(yán)重影響泵的工作壽命，這主要是由泵內(nèi)摩擦副的運(yùn)行狀況決定的，尤其是配流副建立的潤滑油膜特性[3]。高壓葉片泵的配流副是軸向處于轉(zhuǎn)子、定子與配流盤之間的密封間隙部分，徑向處于軸孔邊緣至定子內(nèi)環(huán)的區(qū)域，油膜遍及吸油區(qū)和排油區(qū)。葉片泵工作時(shí)，需要配流副滑動(dòng)面間形成適當(dāng)?shù)臐櫥ぃ@層潤滑膜能夠起到潤滑劑的作用。油膜太薄，會(huì)使配流盤磨損甚至燒盤，油膜太厚，起不到密封作用，且加劇油液的泄漏，因此通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化得到合理的配流副結(jié)構(gòu)，對(duì)提高泵的工作效率和工作壽命有重要作用[4]。葉片泵在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)油液清潔度的要求較高，在環(huán)境較為惡劣情況下工作時(shí)，由于液壓系統(tǒng)自身的振動(dòng)或外界環(huán)境的影響，依然會(huì)使油液中混有少量金屬顆粒隨液壓油流動(dòng)。固體顆粒對(duì)泵內(nèi)的配流副運(yùn)行狀況有較大影響，不僅會(huì)影響其內(nèi)部油液的換熱效率，還會(huì)對(duì)配流盤產(chǎn)生一定的磨損[5-8]。在高壓葉片泵中液壓油不僅是傳送能量的介質(zhì)，更是配流副兩金屬表面之間良好的潤滑劑，所以在對(duì)配流副設(shè)計(jì)優(yōu)化之前必須對(duì)其流場特性有一定程度的了解，特別是對(duì)在惡劣工況下油液含固體顆粒物對(duì)配流副油膜特性影響的研究則顯得非常重要。

目前含固體顆粒油液摩擦副的摩擦磨損及流場仿真有如下研究成果：馬硯英等[9]針對(duì)大流量高性能柱塞泵常出現(xiàn)的“燒盤”和“咬死”問題，從磨損機(jī)理和原因等方面探討，提出配流盤的磨損除了與配流副及其油膜設(shè)計(jì)的合理性有關(guān)外，油液中的污染顆粒物是造成配流盤磨損的主要原因。晏小偉[10]采用幾種海水泵的污染磨損機(jī)理研究方法，將海水中雜質(zhì)的磨損尺寸、特征參數(shù)、海水泵關(guān)鍵摩擦副的尺寸以及對(duì)污染磨損的控制進(jìn)行了有效結(jié)合。鄧耀初等[11]根據(jù)污染敏感度進(jìn)行理論分析，開展不同工況下齒輪泵污染敏感度的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，與實(shí)際情況相結(jié)合得到了不同壓力和溫度下齒輪泵污染壽命影響的機(jī)理模型。劉勇等[12]建立了污染顆粒與磨損參數(shù)的線性關(guān)系，分析了污染顆粒濃度、齒輪泵結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)齒輪泵流量的影響，從理論上提出了齒輪泵污染耐受度的估算方法。除此之外，還有一些針對(duì)油液含顆粒情況下液壓閥流場仿真方面的研究[13-15]，為含固體顆粒油液葉片泵配流副油膜的流場仿真提供了一定借鑒。

為了探明油液中固體顆粒對(duì)高壓葉片泵配流副油膜特性及泵的容積效率影響，改進(jìn)高壓葉片泵配流副設(shè)計(jì)方法，改善葉片泵對(duì)油液清潔度要求較高現(xiàn)狀。本文通過理論分析和數(shù)值模擬方法得到不同顆粒參數(shù)和工況參數(shù)下，配流副中顆粒的分布以及油液含顆粒時(shí)的油膜溫度分布情況，試驗(yàn)測試得到顆粒參數(shù)對(duì)葉片泵容積效率影響規(guī)律，以期為后續(xù)的潤滑參數(shù)建模奠定基礎(chǔ)，為惡劣工況條件下高壓葉片泵配流副的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 高壓葉片泵配流副結(jié)構(gòu)

本文研究對(duì)象為25VQ-21A型雙作用子母葉片泵，額定壓力為21 MPa，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，排量為67.5 mL/min。額定工況下，流量為101.25 L/min，容積效率為88.58%。其泵芯結(jié)構(gòu)如圖1a所示，轉(zhuǎn)子兩側(cè)各安裝一塊配流盤，轉(zhuǎn)子上面沿徑向放置10個(gè)葉片。轉(zhuǎn)子在主軸的驅(qū)動(dòng)作用下旋轉(zhuǎn)，某一組前后葉片、轉(zhuǎn)子外圓表面和定子內(nèi)表面之間空間形成密閉容腔，即工作腔。葉片頂部沿定子內(nèi)表面滑動(dòng)，在定子內(nèi)曲線矢徑增大時(shí)，容腔油液體積增大，此時(shí)工作腔和吸油口接通，實(shí)現(xiàn)泵的吸油過程；反之，葉片頂部運(yùn)動(dòng)處定子矢徑減小時(shí)，密閉容腔體積受壓減小，此時(shí)和排油口連通，實(shí)現(xiàn)泵的排油過程[16]。

1.吸油口 2.吸油區(qū)均壓槽 3.吸油區(qū)葉片底腔引油槽 4.排油口 5.排油區(qū)均壓槽 6.排油區(qū)葉片底腔阻尼槽

A.吸油口與吸油區(qū)均壓槽過渡區(qū)域 B.吸油區(qū)均壓槽與葉片底腔引油槽過渡區(qū)域 C.排油口與排油區(qū)均壓槽過渡區(qū)域 D.排油區(qū)均壓槽與葉片底腔阻尼槽過渡區(qū)域 E.吸油區(qū)葉片底腔引油槽與軸孔過渡區(qū)域 F. 排油區(qū)葉片底腔阻尼槽與軸孔過渡區(qū)域 G.排油口外側(cè)區(qū)域 下同。

1.Oil suction port 2.Pressure-equalizing groove in oil suction area 3.Oil groove for bottom of vane in oil suction area 4.Oil discharge port 5.Pressure-equalizing groove in oil discharge area 6.Oil groove for bottom of vane in oil discharge area

A. Transition area between oil suction port and pressure-equalizing groove in oil suction area B. Transition area between pressure-equalizing groove and oil groove for bottom of vane in suction area C. Transition area between oil discharge port and pressure-equalizing groove in oil discharge area D. Transition area between pressure-equalizing groove and oil groove for bottom of vane in oil discharge area E. Transition area between oil groove for bottom of vane in oil suction area and shaft hole F. Transition area between oil groove for bottom of vane in oil discharge area and shaft hole G. Out area of oil discharge port The same below.

圖1 配流副結(jié)構(gòu)與油膜分布示意圖

Fig.1 Schematic diagram of flow distribution pair structure and oil film distribution

子母葉片泵油膜為配流盤與轉(zhuǎn)子的配合間隙部分，雙作用葉片泵配流副油膜遍及吸油區(qū)和排油區(qū)，且關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，配流盤上加工多個(gè)不同功能的油口和油槽，為了描述方便，對(duì)配流盤各部分油槽和油膜分布位置進(jìn)行命名，文中涉及到的油膜區(qū)域分別定義為A、B、C、D、E、F和G區(qū)域，其中A～F區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)子與配流盤相對(duì)滑動(dòng)的核心區(qū)域，具體位置如圖1b所示[17]。

根據(jù)雙作用葉片泵的工作原理和結(jié)構(gòu)可知，配流盤上有2個(gè)吸油口和2個(gè)排油口，則轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)1周，相鄰兩葉片形成的工作腔完成吸油和排油各2次，吸油區(qū)和排油區(qū)之間的區(qū)域?qū)儆谶^渡區(qū)域[18]。

2 含固體顆粒油液配流副油膜流場計(jì)算方法

2.1 油液中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)方程

在對(duì)油液含固體顆粒時(shí)的流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，除了要考慮質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律外，還要考慮其他相關(guān)方程[19]。當(dāng)油液中含有固體顆粒時(shí)，顆粒和油液之間也必然會(huì)產(chǎn)生相互作用，在這種相互作用的過程中，流體和顆粒之間同樣會(huì)發(fā)生動(dòng)量轉(zhuǎn)換和能量轉(zhuǎn)換。在油液中運(yùn)動(dòng)的固體顆粒會(huì)受到多種力的作用，由于雙作用葉片泵所要求的工作環(huán)境清潔度較高，固體顆粒在油液中的固相體積分?jǐn)?shù)較低，故其主要受液體的阻力和其自身的重力作用[20-21]。

固體顆粒所受的重力是由于地球的吸引而使顆粒所受的力，顆粒重力F的計(jì)算公式如下：

式中為顆粒直徑，m；ρ為顆粒的密度，kg/m3；為重力加速度。

只要固體顆粒與流體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，便有黏性阻力作用在顆粒上。實(shí)際上，顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)阻力受很多因素影響[22]，包括阻力系數(shù)、顆粒形狀及濃度等，運(yùn)動(dòng)阻力F計(jì)算公式如下：

式中C為阻力系數(shù)；u為流體速度的張量分量，m/s；u為顆粒速度的張量分量，m/s；為流體的密度，kg/m3。

阻力系數(shù)C的取值需要結(jié)合顆粒的雷諾數(shù)Re的數(shù)值范圍來確定[23]。

Re<1時(shí)：

此時(shí)顆粒在流場中所受的運(yùn)動(dòng)阻力主要是顆粒與流體接觸產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的黏性阻力。

1<Re<1 000時(shí)：

此時(shí)顆粒在流場中的運(yùn)動(dòng)阻力不僅有顆粒和流體側(cè)邊由于相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的黏性阻力，還存在形體阻力。

Re>1 000時(shí)：

C=0.44 （5）

此時(shí)顆粒的阻力系數(shù)為常數(shù)，即不再受到雷諾數(shù)Re數(shù)值的影響，運(yùn)動(dòng)阻力的大小主要受到形體阻力影響。

2.2 配流副流體域計(jì)算模型的建立

使用Fluent軟件對(duì)配流副流體域進(jìn)行三維流場仿真，配流副的流體域包含油槽和油膜2部分。各油槽的功能、形狀各異，所以油槽流體域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，配流副油膜流體域采用六面體網(wǎng)格[24]。將2部分流體域的有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入ICEM軟件進(jìn)行合并，得到用于配流副油膜CFD解析的有限元模型。為了減少網(wǎng)格數(shù)目帶來的誤差，采用5種方案的不同密度網(wǎng)格對(duì)葉片泵的輸出流量進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證[25]，結(jié)果如表1所示。

表1 油膜流場仿真的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

由表1可以看出，葉片泵輸出流量隨著網(wǎng)格數(shù)的增加而不斷變化。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到2 667 000以上時(shí)，輸出流量與泵額定流量的相對(duì)誤差在0.1%以內(nèi)，考慮到計(jì)算的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，選擇網(wǎng)格數(shù)為2 884 200的第4種方案進(jìn)行模擬計(jì)算。

根據(jù)油槽在子母葉片泵工作時(shí)所起的作用進(jìn)行邊界設(shè)置。將吸油口和吸油區(qū)葉片底腔引油槽表面設(shè)置為壓力進(jìn)口，油膜外環(huán)和內(nèi)環(huán)屬于泄漏面，設(shè)置為低壓出口。吸油區(qū)和排油區(qū)均壓槽所處的表面設(shè)置為高壓進(jìn)口，排油口和排油區(qū)葉片底腔阻尼槽表面設(shè)置為高壓出口。油膜與阻尼槽和均壓槽相接觸的面設(shè)置為數(shù)據(jù)交換面。

2.3 配流副油膜流場數(shù)值計(jì)算的參數(shù)設(shè)置

葉片泵配流副密封區(qū)內(nèi)部的油膜較薄，通常認(rèn)為這部分流體區(qū)域?yàn)閷恿鳡顟B(tài)[26]，因?yàn)槭丘ば粤鲃?dòng)，所以還需考慮油液的熱交換，在能量方程中包含了黏性產(chǎn)生的熱量。葉片泵工作傳動(dòng)介質(zhì)選為工程機(jī)械液壓系統(tǒng)常用的46號(hào)抗磨液壓油，具體特性參數(shù)如表2所示。

表2 流體傳動(dòng)介質(zhì)參數(shù)

液壓油中通常存在的污染物為鐵質(zhì)顆粒物，具體參數(shù)如表3所示。對(duì)顆粒在黏性流體中的流動(dòng)進(jìn)行分析時(shí)，必須考慮油液的表面張力作用[27]，針對(duì)本文研究對(duì)象特點(diǎn)，設(shè)置其值為0.023 N/m[28]。在葉片泵工作時(shí)，配流副油膜內(nèi)部油液會(huì)對(duì)顆粒產(chǎn)生曳力作用，作用在顆粒上的力與流體的滑移速度成正比，在層流狀態(tài)下的阻力系數(shù)約為0.3[29]。

表3 固相介質(zhì)主要參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

液壓油顆粒度設(shè)置參考NAS1638-2011[30]和ISO4406-2017[31]，將顆粒度等級(jí)按照顆粒最小尺寸段是5～10或者5～15m的間隔劃分。正常摩擦副磨損顆粒為0.5～15m[32]，結(jié)合高壓子母葉片泵對(duì)油液清潔度要求，本研究選取的固體顆粒直徑分別為0.005、0.010和0.013 mm，油液中顆粒的固相體積分?jǐn)?shù)為0.2%、0.6%和1%。

3.1 顆粒直徑對(duì)子母葉片泵配流副油膜流場特性的影響

3.1.1 不同顆粒直徑下油膜的壓力分布

子母葉片泵工況參數(shù)取額定工作壓力為21 MPa，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min；為了具有代表性，固相體積分?jǐn)?shù)取中間值＝0.6%；為了便于仿真結(jié)果的比較，顆粒直徑取2個(gè)邊界值=0.005 mm和=0.013 mm進(jìn)行計(jì)算，得到配流副油膜壓力分布如圖2所示。

注：額定工作壓力21 MPa；額定轉(zhuǎn)速1 500 r·min-1；顆粒固相體積分?jǐn)?shù)0.6%。下同。

可以看出，圖2所示的2種顆粒直徑下，配流副油膜表面不同區(qū)域的壓力和總體的壓力分布規(guī)律基本相同。說明顆粒直徑的變化對(duì)配流副油膜壓力值及其分布影響較小，當(dāng)油液中顆粒含量較小時(shí)，基本不會(huì)影響子母葉片泵配流副油膜表面的壓力分布，所以本文不對(duì)配流副油膜的壓力分布進(jìn)行討論。

3.1.2 不同顆粒直徑下油膜的固相體積分?jǐn)?shù)及溫度分布

在子母葉片泵在工作壓力21 MPa，轉(zhuǎn)速1 500 r/min條件下，按照27 ℃實(shí)驗(yàn)室室溫設(shè)置油液初始溫度為300 K，顆粒固相體積分?jǐn)?shù)=0.6%時(shí)，顆粒直徑分別為0.005、0.01和0.013 mm的配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)分布如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著顆粒直徑的增大，配流副油膜固相體積分?jǐn)?shù)多數(shù)區(qū)域呈增大趨勢變化。但是也有幾個(gè)區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)有一定的下降。顆粒直徑=0.005 mm時(shí)，油膜表面的固相體積分?jǐn)?shù)分布較均勻。隨著顆粒直徑的緩慢增大，在吸油區(qū)均壓槽兩側(cè)（A和B區(qū)域）、排油口外側(cè)（G區(qū)域）和排油區(qū)軸孔附近區(qū)域（F區(qū)域）油膜的固相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，前兩區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)減小幅度約為0.25%，排油區(qū)軸孔附近區(qū)域（F區(qū)域）固相體積分?jǐn)?shù)減小幅度最大，約為0.35%。在排油區(qū)均壓槽與排油區(qū)葉片底腔阻尼槽過渡區(qū)域油膜的固相體積分?jǐn)?shù)則稍有增大。

圖3 不同顆粒直徑d下配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)分布

在壓差作用下，吸油區(qū)均壓槽內(nèi)油液分別通過吸油口與吸油區(qū)均壓槽過渡區(qū)域（A區(qū)域）、吸油區(qū)均壓槽與葉片底腔引油槽過渡區(qū)域（B區(qū)域）向吸油口和吸油區(qū)葉片底腔引油槽流動(dòng)。當(dāng)顆粒直徑增大后，顆粒受到的慣性力隨之增強(qiáng)，從而使顆粒流速增大，導(dǎo)致這2個(gè)區(qū)域內(nèi)更多顆粒物流入吸油口和吸油區(qū)葉片底腔引油槽，引起附近區(qū)域的固相體積分?jǐn)?shù)下降，如圖3c中A、B和D所示。排油區(qū)葉片底腔阻尼槽和排油口的油液分別向軸孔和殼體方向泄漏，當(dāng)顆粒直徑增大后，顆粒流速的增加會(huì)加速顆粒的泄漏，導(dǎo)致這2個(gè)區(qū)域（F和G區(qū)域）的固相體積分?jǐn)?shù)變低，如圖3c所示。排油區(qū)均壓槽與葉片底腔阻尼槽過渡區(qū)域（D區(qū)域）只受到剪切流的作用，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)前面高壓區(qū)域油膜的油液流速加快，當(dāng)顆粒直徑增大后，該區(qū)域的顆粒加速沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向堆積的顆粒增多，固相體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)增大，如圖3c中D所示。

結(jié)合圖1b知道，G區(qū)域不是滑動(dòng)摩擦區(qū)域，F(xiàn)區(qū)域徑向尺寸較小，對(duì)配流盤摩擦狀況影響較小。隨著顆粒直徑的增大，雖然A、B區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)有一定減小，而其他區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)在增加，固相體積分?jǐn)?shù)減小的區(qū)域小于增加的區(qū)域，增體上看配流副油膜固相體積分?jǐn)?shù)呈增大趨勢變化，增幅約為0.3%，油膜固相體積分?jǐn)?shù)的增加，會(huì)加劇配流盤表面的摩擦，增大配流副間隙，引起泵的容積效率下降。

同樣條件下，顆粒直徑分別為0.005、0.01和0.013 mm時(shí)，配流副油膜的溫度分布如圖4所示。

圖4 不同顆粒直徑d下配流副油膜的溫度分布

配流副油膜內(nèi)部細(xì)小而密集的顆粒對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的阻力，導(dǎo)致流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)有很大的能量損失。從圖4可見，在排油區(qū)均壓槽徑向向外和向內(nèi)區(qū)域（C和D區(qū)域），由于不存在壓差作用，油膜油液流速較慢，使顆粒在此區(qū)域堆積，導(dǎo)致兩區(qū)域的油膜溫度相比油液中不含顆粒時(shí)要小3 K。當(dāng)顆粒直徑增加后，雖然顆粒的速度有所增加，但由于油液帶動(dòng)大顆粒運(yùn)動(dòng)而消耗更多的能量，反而使這兩區(qū)域的油液溫度有所減小，在顆粒直徑從0.005 mm增大到0.013 mm時(shí)，溫度降低約2 K，如圖4c中A、B、G和F所示。油膜其他區(qū)域溫度變化與油液不含顆粒較為接近，存在顆粒直徑增大引起油液流動(dòng)消耗能量增加導(dǎo)致溫度略有減小的現(xiàn)象。

3.2 固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)葉片泵配流副油膜流場特性的影響

在葉片泵工作壓力21 MPa，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，油液初始溫度為300 K，顆粒直徑0.01 mm時(shí)，顆粒固相體積分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.6%和1%條件下，配流副油膜表面不同位置的固相體積分?jǐn)?shù)如圖5所示。

圖5 不同固相體積分?jǐn)?shù)φ下配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)分布

從圖5可以看到，顆粒固相體積分?jǐn)?shù)增加后，油膜表面的多數(shù)區(qū)域的固相體積分?jǐn)?shù)相應(yīng)增加，增加幅度達(dá)到0.72%。但也有幾個(gè)區(qū)域變化較小，排油區(qū)均壓槽兩側(cè)區(qū)域（C和D區(qū)域）油膜剪切力的作用較弱，有大部分顆粒堆積，固相體積分?jǐn)?shù)的改變并沒有改變其分布規(guī)律。油液流動(dòng)受壓差流影響較大油膜區(qū)域的顆粒大部分流出，使得這些區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)較低，當(dāng)顆粒固相體積分?jǐn)?shù)增大后，這些油膜區(qū)域的固相體積分?jǐn)?shù)依舊較低，固相體積分?jǐn)?shù)改變沒有對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響，如圖5c中A、B、G和F所示。

顆粒所受的慣性力隨著半徑的增大而增大，顆粒在不發(fā)生碰撞和破碎的情況下，也存在顆粒之間的相互作用。當(dāng)顆粒固相體積分?jǐn)?shù)增加后，一個(gè)顆粒與另一個(gè)顆粒的尾跡相遇時(shí)，后面的顆粒會(huì)拖拽前面的顆粒。在流化床中，這種相互作用結(jié)果會(huì)形成一個(gè)固相體積分?jǐn)?shù)較低的區(qū)域橫向帶來分割固相體積分?jǐn)?shù)高的區(qū)域[33]，這同樣出現(xiàn)在配流副油膜表面的吸油口至排油口過渡區(qū)域，如圖5c所示。

所以整體來看，隨著顆粒固相體積分?jǐn)?shù)的增加，配流副油膜固相體積分?jǐn)?shù)也在增加，這會(huì)加劇配流盤表面的磨損，引起配流副間隙增大，泵的容積效率下降。

圖6為不同顆粒固相體積分?jǐn)?shù)條件下配流副油膜的溫度分布圖。

圖6 不同顆粒固相體積分?jǐn)?shù)φ下配流副油膜的溫度分布

從圖6可以看出，排油區(qū)油膜的溫度隨著顆粒固相體積分?jǐn)?shù)的上升逐漸下降，溫度降低最大值約為2 K，主要是A區(qū)域、B區(qū)域和D區(qū)域，如圖6c所示。因?yàn)轭w粒增多后，油液運(yùn)動(dòng)所受的阻力加大，會(huì)消耗更多的能量，從而使油膜溫度在高固相體積分?jǐn)?shù)區(qū)域較低。受壓差流影響較大的吸油區(qū)均壓槽兩側(cè)（A和B區(qū)域）、排油口外側(cè)（G區(qū)域）、排油區(qū)軸孔附近區(qū)域（F區(qū)域）的油膜，在固相分?jǐn)?shù)增加后，壓差流帶動(dòng)顆粒運(yùn)動(dòng)需要耗費(fèi)更多能量，使其溫度等值區(qū)域減小，4個(gè)區(qū)域的溫度值也略有減小，如圖6c中的A、B、G和F所示，其中軸孔附近區(qū)域溫度變化最小，不到1 K。

3.3 工況參數(shù)對(duì)含顆粒油液配流副油膜流場特性影響

3.3.1 不同工作壓力下配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)和溫度分布

在葉片泵的轉(zhuǎn)速1 500 r/min，油液初始溫度300 K，固相體積分?jǐn)?shù)0.6%，顆粒直徑0.01 mm時(shí)，得到的不同工作壓力條件下配流副油膜表面的固相體積分?jǐn)?shù)分布如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著工作壓力的增大，壓差流影響較大的區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)變化較大，即吸油區(qū)均壓槽的兩側(cè)區(qū)域（A和B區(qū)域）、排油口外側(cè)區(qū)域（G區(qū)域）和排油區(qū)軸孔附近區(qū)域（F區(qū)域），壓差流對(duì)這4個(gè)區(qū)域顆粒的作用逐漸增強(qiáng)，顆粒運(yùn)動(dòng)量增大，顆粒多數(shù)流入吸油口和吸油區(qū)葉片底腔引油槽內(nèi)，導(dǎo)致這四個(gè)區(qū)域配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)隨著工作壓力的增大逐漸減小，固相體積分?jǐn)?shù)降低最大的區(qū)域?yàn)镕區(qū)域，如圖7c中的A、B、G和F所示。

圖7 不同工作壓力Ps下配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)分布

4個(gè)區(qū)域油膜固相體積分?jǐn)?shù)受工作壓力具體影響情況也不一樣。在工作壓力較高時(shí)，剪切力對(duì)排油口外側(cè)區(qū)域（G區(qū)域）顆粒運(yùn)動(dòng)的干擾要大于其它區(qū)域，導(dǎo)致在工作壓力較高時(shí)其固相體積分?jǐn)?shù)要高于吸油區(qū)均壓槽兩側(cè)區(qū)域（A和B區(qū)域）?？拷庞蛥^(qū)軸孔區(qū)域（F區(qū)域）徑向?qū)挾容^小，工作壓力較大時(shí)，壓差流的作用增強(qiáng)，使得顆粒通過該區(qū)域向軸孔運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)值最低。

從圖7還可以看出，吸油區(qū)葉片底腔引油槽與吸油區(qū)軸孔過渡區(qū)域（E區(qū)域）的固相體積分?jǐn)?shù)隨工作壓力升高而降低，這是由于該區(qū)域受到的剪切力隨著工作壓力的增大而減小，流向該區(qū)域的顆粒減少所致。在排油區(qū)均壓槽兩側(cè)區(qū)域（C和D區(qū)域），存在的固體顆粒較少，其固相體積分?jǐn)?shù)值基本不隨工作壓力的變化而變化。吸油口和排油口沿著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向一側(cè)，如圖7a所示，低壓時(shí)固相體積分?jǐn)?shù)較大，壓力升高后固相體積分?jǐn)?shù)降低。

在葉片泵工作壓力從小到大變化時(shí)，分別監(jiān)測圖1b中A～G區(qū)域的油膜固相體積分?jǐn)?shù)變化情況，結(jié)果如圖8所示。

可以看出，配流副7個(gè)區(qū)域油膜的固相體積分?jǐn)?shù)中，吸油區(qū)均壓槽與吸油口過渡區(qū)域（A區(qū)域）固相體積分?jǐn)?shù)最大，排油區(qū)葉片底腔阻尼槽與軸孔過渡區(qū)域（F區(qū)域）固相體積分?jǐn)?shù)最小。

隨著工作壓力的增大，除排油口與排油區(qū)均壓槽過渡區(qū)域（C區(qū)域）基本不變外，其他區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)都在下降。排油區(qū)均壓槽與葉片底腔阻尼槽過渡區(qū)域（D區(qū)域）、吸油區(qū)葉片底腔引油槽與軸孔過渡區(qū)域（E區(qū)域）變化較小，排油區(qū)葉片底腔阻尼槽與軸孔過渡區(qū)域（F區(qū)域）變化最大，變化值達(dá)到0.3%。排油區(qū)均壓槽兩側(cè)區(qū)域（C和D區(qū)域）和吸油區(qū)葉片底腔引油槽至軸孔區(qū)域（E區(qū)域）固相體積分?jǐn)?shù)變化最小，這與圖7的結(jié)果相一致。

圖8 油膜A至G區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)隨工作壓力的變化曲線

由此可見，增大工作壓力能夠減小配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)，提升配流副耐摩性能，減小配流盤機(jī)械磨損，提高葉片泵的容積效率。

相同參數(shù)條件下，仿真得到的不同工作壓力條件下配流副油膜表面溫度分布如圖9所示。

圖9 不同工作壓力Ps下配流副油膜的溫度分布

可以看出，配流副油膜大部分區(qū)域溫度有隨著工作壓力的升高而升高的趨勢。工作壓力從3 MPa升高到21 MPa時(shí)，受到壓差流影響較大的區(qū)域（A和B區(qū)域）溫度升高了4 K。排油口外側(cè)區(qū)域（G區(qū)域）和排油區(qū)葉片底腔阻尼槽與軸孔過渡區(qū)域（F區(qū)域）溫度變化幅度較大，G區(qū)域最大變化量也為4 K，而F區(qū)域局部最大變化量超過10 K，如圖9c所示。在排油口外側(cè)區(qū)域（G區(qū)域），工作壓力較低時(shí)，該區(qū)域向吸油口運(yùn)動(dòng)的顆粒較多，溫度的等值區(qū)域較大，當(dāng)工作壓力升高后，該區(qū)域的顆粒在較大壓差流的作用下沿徑向向殼體方向運(yùn)動(dòng)，其溫度等值區(qū)域面積變小，但油液和顆粒高速運(yùn)動(dòng)的共同作用使得該區(qū)域的溫度值有一定的增加。

工作壓力為21 MPa時(shí)，排油口與排油區(qū)均壓槽過渡區(qū)域（C區(qū)域）的溫度與油液初始溫度較接近。造成這種現(xiàn)象的原因是在工作壓力較低時(shí)，顆粒在剪切力的作用下沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的能量使油膜表面溫度有所升高。工作壓力升高后，剪切流作用被壓差流削弱，排油區(qū)的大部分顆粒沿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)變?nèi)?，顆粒的堆積對(duì)流體的流動(dòng)造成一定的能量損失，使得該區(qū)域溫度有較小幅度的下降。

同樣從圖1b可以看出，G區(qū)域和對(duì)油膜運(yùn)動(dòng)影響較小，F(xiàn)區(qū)域徑向尺寸較小。整體上看，隨著工作壓力的升高，配流副油膜溫度呈上升趨勢。

3.3.2 不同轉(zhuǎn)速下配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)和溫度分布

圖10為工作壓力21 MPa，油液初始溫度300 K，顆粒固相體積分?jǐn)?shù)0.6%，顆粒直徑0.01 mm時(shí)，不同轉(zhuǎn)速條件下配流副油膜表面的固相體積分?jǐn)?shù)分布圖。

圖10 不同轉(zhuǎn)速n下配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)分布

從圖10中可以看出，油膜固相體積分?jǐn)?shù)受到轉(zhuǎn)速影響主要是吸油區(qū)均壓槽內(nèi)外側(cè)（A和B區(qū)域）和排油口外側(cè)區(qū)域（G區(qū)域），如圖10a中A、B、G所示，而其它區(qū)域影響較小。當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，上述區(qū)域的固相體積分?jǐn)?shù)都較低，因?yàn)檫@3個(gè)區(qū)域顆粒運(yùn)動(dòng)受到壓差流的影響較大，壓差作用使大量的顆粒分別向吸油口、吸油區(qū)葉片底腔引油槽、軸孔和殼體方向流動(dòng)，導(dǎo)致這3個(gè)區(qū)域的固相體積分?jǐn)?shù)較低。轉(zhuǎn)速升高后，油液和顆粒受到剪切流的作用加強(qiáng)，三個(gè)區(qū)域的顆粒因壓差造成的泄漏減少，固相體積分?jǐn)?shù)增大。

從圖中還可看出，隨著轉(zhuǎn)速升高，排油區(qū)均壓槽與葉片底腔阻尼槽過渡區(qū)域（D區(qū)域）油膜固相體積分?jǐn)?shù)變化也較大。因?yàn)樵搮^(qū)域顆粒的運(yùn)動(dòng)主要受剪切流的影響，轉(zhuǎn)速增加使排油區(qū)均壓槽附近的顆粒向該區(qū)域堆積，導(dǎo)致該區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)較高的等值區(qū)域面積增大，且固相體積分?jǐn)?shù)也隨之增大，如圖10c中D所示。另外排油區(qū)葉片底腔阻尼槽與軸孔過渡區(qū)域（F區(qū)域）固相體積分?jǐn)?shù)較低，但是受轉(zhuǎn)速變化的影響不大，這是因?yàn)樵搮^(qū)域顆粒受到的慣性力較小，顆粒主要受壓差流的作用而向軸孔方向泄漏。吸油口前側(cè)固相體積分?jǐn)?shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，主要是由于剪切流強(qiáng)度增加所致，如圖10c所示。

在葉片泵轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從小到大變化時(shí)，分別監(jiān)測圖1b中A-G區(qū)域的油膜固相體積分?jǐn)?shù)變化情況，得到如圖11所示的固相體積分?jǐn)?shù)隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。

從圖11可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，配流副7個(gè)區(qū)域油膜的固相體積分?jǐn)?shù)變化中，只有排油區(qū)葉片底腔阻尼槽與軸孔過渡區(qū)域（F區(qū)域）、吸油區(qū)葉片底腔引油槽與軸孔過渡區(qū)域（E區(qū)域）基本不變，其余區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)都是隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。核心區(qū)域A、B、C和D區(qū)域中，排油區(qū)均壓槽與葉片底腔阻尼槽過渡區(qū)域（D區(qū)域）固相體積分?jǐn)?shù)變化最大，變化值達(dá)到0.2％，這與圖10的結(jié)果相一致。由此可見，配流副油膜固相體積分?jǐn)?shù)整體上是隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，葉片泵低轉(zhuǎn)速工作對(duì)減小葉片泵配流副油膜固相體積分?jǐn)?shù)、提升摩擦特性有利。

圖12為不同轉(zhuǎn)速條件下配流副油膜溫度分布圖。可以看出，排油區(qū)葉片底腔阻尼槽與軸孔過渡區(qū)域油膜溫度主要受壓差流的影響，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)其影響不大。受壓差流動(dòng)影響較大的吸油區(qū)均壓槽兩側(cè)區(qū)域（A和B區(qū)域），溫度等值區(qū)域面積隨著轉(zhuǎn)速的增大而不斷向左右兩側(cè)擴(kuò)張，在轉(zhuǎn)速從700 r/min升高到2 300 r/min時(shí)，溫度值也有一定的增加，溫度變化約為2 K，如圖12c中的A、B所示。排油區(qū)均壓槽兩側(cè)（C和D區(qū)域）主要受油液剪切流動(dòng)影響，轉(zhuǎn)速升高使得油液和顆粒受到的剪切力增大而引起溫度升高，出現(xiàn)了由內(nèi)向外沿半徑方向擴(kuò)散的扇形等值區(qū)域，如圖12c中的C、D所示。轉(zhuǎn)速增加后，排油口外側(cè)區(qū)域（G區(qū)域）油膜的顆粒和油液受到的剪切力隨之增強(qiáng)，導(dǎo)致其溫度值也相應(yīng)增加，在轉(zhuǎn)速從700 r/min升高到2 300 r/min時(shí)，溫度變?yōu)榧s為3 K，如圖12c中G所示。

所以隨著轉(zhuǎn)速的增加，配流副油膜溫度呈升高趨勢變化，變化幅度超過2 K。轉(zhuǎn)速對(duì)于油膜固相體積分?jǐn)?shù)和溫度變化的影響規(guī)律正好相反。

圖12 不同轉(zhuǎn)速n下配流副油膜的溫度分布

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證不同直徑和固相體積分?jǐn)?shù)的顆粒對(duì)高壓葉片泵配流盤摩擦磨損及容積效率影響，進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)和流量測試試驗(yàn)。因?yàn)楦邏喝~片泵對(duì)油液清潔度要求非常高，不能將固體顆粒物直接加入油箱，因此采取間接方法進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)分為2步進(jìn)行：

1）在摩擦試驗(yàn)機(jī)上安裝葉片泵試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)由摩擦試驗(yàn)機(jī)、液壓站、葉片泵試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀?jì)算機(jī)組成。葉片泵試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部尺寸和結(jié)構(gòu)與仿真泵模型相同，液壓站上安裝有耐污的齒輪泵。葉片泵模型在試驗(yàn)機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)，含顆粒油液通過齒輪泵以一定壓力注入葉片泵試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀］斎雺毫?1 MPa，葉片泵轉(zhuǎn)速1 500 r/min，油液中添加的顆粒直徑分別為0.005、0.010和0.013 mm，固相體積分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.6%和1%。每次試驗(yàn)1 h，試驗(yàn)機(jī)給配流副加載力為200 N，同時(shí)由摩擦試驗(yàn)機(jī)測試系統(tǒng)測試出摩擦系數(shù)，每組試驗(yàn)參數(shù)更換一對(duì)配流盤。摩擦試驗(yàn)前后用電子微精天平分別測出的配流盤質(zhì)量得到其質(zhì)量變化，通過下式得到配流盤的磨損率大小[34]：

式中w為磨損率，10-8mm3/Nm；Δ為磨損質(zhì)量，kg；為加載力，N；為轉(zhuǎn)子沿配流盤表面的滑動(dòng)距離，m。

2）將摩擦磨損試驗(yàn)后的配流盤安裝在液壓泵流量測試系統(tǒng)的葉片泵上，加入清潔油液開展流量測試試驗(yàn)。系統(tǒng)工作壓力21 MPa，轉(zhuǎn)速1 500 r/min。葉片泵正常工作后，通過流量表讀出安裝有不同配流盤的葉片泵的輸出流量，根據(jù)容積效率與流量之間的關(guān)系式計(jì)算得到葉片泵容積效率[35-36]。

葉片泵配流盤摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)和流量測試系統(tǒng)如圖13所示。

圖13 葉片泵配流盤摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)和流量測試系統(tǒng)

為了與上文仿真分析相一致，摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)的葉片泵試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼斎雺毫?1 MPa，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，所加入的顆粒物直徑分別為0.005、0.01和0.013 mm，顆粒固相體積分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.6%和1%。分2組進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。

第1組試驗(yàn)：顆粒固相體積分?jǐn)?shù)為0.6%，顆粒直徑分別取0.005、0.01和0.013 mm。

第2組試驗(yàn)：顆粒直徑為0.01mm，顆粒固相體積分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.6%和1%。

2組摩擦磨損試驗(yàn)得到配流盤的摩擦系數(shù)和磨損率結(jié)果如表4所示。

從表4可看出，配流盤摩擦系數(shù)和磨損率隨著顆粒直徑和固相體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。在固相體積分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，顆粒直徑從0.005增加到0.013 mm，摩擦系數(shù)增加了0.012，磨損率增大了2.73×10-8mm3/N·m。在顆粒直徑0.01 mm時(shí)，固相體積分?jǐn)?shù)從0.2％增加到1.0%，摩擦系數(shù)增加了0.088，磨損率則增加了9.881×10-8mm3/N·m。

表4 配流盤摩擦系數(shù)和磨損率測試結(jié)果

將經(jīng)過摩擦磨損試驗(yàn)的配流盤分別安裝到本文研究的葉片泵上，進(jìn)行流量測試試驗(yàn)，葉片泵的工作壓力和轉(zhuǎn)速按照額定參數(shù)設(shè)定，根據(jù)測得的輸出流量計(jì)算得到高壓葉片泵的容積效率，容積效率隨顆粒直徑和固相體積分?jǐn)?shù)的變化曲線如圖14所示。其中第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為葉片泵在額定工況下使用清潔油液工作時(shí)的容積效率。

圖14 葉片泵容積效率隨顆粒直徑和固相體積分?jǐn)?shù)的變化

從圖14可以看出，與清潔油液相比，油液中固體顆粒的存在引起葉片泵容積效率的下降，主要原因是油液中固體顆粒使得高壓葉片泵配流盤產(chǎn)生輕微的機(jī)械磨損，導(dǎo)致葉片泵的容積效率降低。油液中顆粒直徑從0.005 mm增加到0.013 mm，容積效率從88.58%下降到84.95%，容積效率與顆粒直徑之間近似呈線性關(guān)系。當(dāng)油液固相體積分?jǐn)?shù)從0增加到0.1%時(shí)，容積效率則從88.58%下降到85.05%，容積效率與固相體積分?jǐn)?shù)之間呈非線性關(guān)系變化?？梢娙~片泵油液中含有固體顆粒時(shí)，隨著顆粒直徑和顆粒固相體積分?jǐn)?shù)的增加，配流副油膜不同區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)增加，加劇了配流盤表面的機(jī)械磨損，導(dǎo)致其容積效率下降。

油液中的顆粒直徑和固相體積分?jǐn)?shù)、泵的工作壓力和轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)配流副油膜固相體積分?jǐn)?shù)及溫度變化的影響不同，工作壓力和轉(zhuǎn)速的增大引起油膜溫度上升，而固體顆粒直徑和固相體積分?jǐn)?shù)增大則引起油膜溫度的下降。除了顆粒直徑增大引起油膜固相體積分?jǐn)?shù)減小外，泵的工作壓力、轉(zhuǎn)速和油液中顆粒的固相體積分?jǐn)?shù)增大均引起油膜固相體積分?jǐn)?shù)增大，特別是受剪切流動(dòng)影響的區(qū)域變化較大。

為了降低配流副摩擦系數(shù)、減少摩擦生熱，在葉片泵運(yùn)行中，應(yīng)該盡量保持額定工作壓力和轉(zhuǎn)速工況。但葉片泵工作在低壓或者高轉(zhuǎn)速工況能夠得到較優(yōu)的配流副油膜特性，因此，在配流盤設(shè)計(jì)中，應(yīng)重點(diǎn)應(yīng)關(guān)注油膜固相體積分?jǐn)?shù)分布較大的區(qū)域，即固體顆粒堆積位置，特別是排油區(qū)均壓槽與葉片底腔阻尼槽過渡區(qū)域（D區(qū)域），在不改變?nèi)~片泵容積效率的前提下，可以采用減小排油區(qū)葉片底腔阻尼槽尺寸，將配流盤D區(qū)域形狀調(diào)整為雙圓弧扇形，深度約為0～0.01 mm的凹槽，一方面便于油液中固體顆粒的堆積，減小配流副摩擦，另一方面在葉片泵預(yù)升壓區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)從高壓排油口向低壓工作腔內(nèi)的阻尼引油作用。

5 結(jié) 論

本文在不同的顆粒固相參數(shù)、泵工作壓力和轉(zhuǎn)速條件下，對(duì)含顆粒油液的高壓葉片泵配流副油膜內(nèi)部的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同條件下的油膜固相體積分?jǐn)?shù)和溫度分布及固體顆粒對(duì)葉片泵容積效率的影響情況，主要結(jié)論如下：

1）油液中顆粒直徑變化對(duì)配流副油膜固相體積分?jǐn)?shù)和溫度分布有一定的影響，而對(duì)壓力大小及分布幾乎不影響。吸油區(qū)固相體積分?jǐn)?shù)減小，最大變化量為0.25%，排油區(qū)固相體積分?jǐn)?shù)增大，最大變化量為0.35%，整體上油膜固相體積分?jǐn)?shù)呈增大趨勢。葉片泵容積效率隨著顆粒直徑的增大而下降，二者近似線性關(guān)系。顆粒直徑增加導(dǎo)致排油區(qū)油膜溫度降低，最大溫度變化量為2 K。

2）隨著顆粒固相體積分?jǐn)?shù)的增加，配流副油膜固相體積分?jǐn)?shù)整體呈增大趨勢，最大變化量為0.72％，導(dǎo)致配流盤磨損加劇，引起葉片泵容積效率下降。油膜表面溫度隨著固相體積分?jǐn)?shù)的增大而減小。吸油區(qū)各區(qū)域油膜溫度變化較小，排油區(qū)油膜溫度最大變化量為2 K。

3）隨著葉片泵工作壓力的升高，配流副油膜以壓差流為主的區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)減小，且變化幅度較大，最大變化量為0.3%；剪切流為主的區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)變化較小。油膜所有區(qū)域溫度都隨著工作壓力的升高而升高，核心區(qū)域溫度變化量為4 K。

4）配流副油膜的固相體積分?jǐn)?shù)整體上隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。其中核心區(qū)域的吸油口與吸油區(qū)均壓槽過渡區(qū)域（A區(qū)域）、吸油區(qū)均壓槽與葉片底腔引油槽過渡區(qū)域（B區(qū)域）、排油口與排油區(qū)均壓槽過渡區(qū)域（C區(qū)域）和排油區(qū)均壓槽與葉片底腔阻尼槽過渡區(qū)域（D區(qū)域）中，D區(qū)域的油膜固相體積分?jǐn)?shù)受泵轉(zhuǎn)速的影響最大，最大變化量為0.2%。油膜大部分區(qū)域的溫度值隨轉(zhuǎn)速增大而增大，溫度最大變化量為3 K。

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Numerical simulation of effects of solid particles on oil film characteristics of port pair of high-pressure vane pump

Li Shaonian, Zhang Lei, Chang Ludan, Wang Yu, Dai Pengyun

(730050,)

In order to improve the friction characteristics of the friction pair, find the flow state of particles in the oil film and the temperature distribution of oil film in flow distribution pair, the effects of solid particles in the oil on the oil film characteristics and volumetric efficiency of high-pressure vane pump were studied by means of theoretical analysis, numerical simulation and experimental test in this paper. Firstly, the two-phase flow calculation model was established, and the particle gravity equation and motion resistance equation were established also. Then, the passage model of flow distribution pair was set. The fluid domain of flow distribution pair included the oil port, groove and oil film. The passage model was meshed and the boundary conditions were set. According to the relevant standard of cleanliness requirement of hydraulic fluid system, the solid particle diameter was selected as 0.005, 0.010 and 0.013 mm, and the solid-phase volume fraction was selected as 0.2%, 0.6% and 1% for calculation. Finally, the influnce of solid particle diameter, solid-phase volume fraction and operating parameters on the flow field characteristics of oil film were analysed by FLUENT software. By changing the diameter and solid-phase volume fraction of solid particles, the working pressure and rotating speed of the pump, the nephogram of solid-phase volume fraction distribution and temperature distribution of the oil film in the flow distribution pair were obtained by numerical simulation and verified by test. The result showed the addition of solid particles in the oil had no effect on the pressure value and distribution of the oil film, but it leaded to the decrease of the oil film temperature in the oil discharge area, and the maximum change of oil film temperaturewas 2 K. The solid-phase volume fraction of oil film in the oil suction area decreased with the increase of particle diameter with the maximum change of 0.25%, while it increased in the oil discharge area with the maximum change of 0.35%. On the whole, the solid-phase volume fraction of oil film changed in the increasing trend, and the maximum change was 0.72%. The volumetric efficiency of vane pump decreased with the increase of solid particle diameter, and the relationship between them was approximately linear. With the increase of the solid-phase volume fraction of solid particles, the solid-phase volume fraction of oil film increased, which resulted in the decrease of volumetric efficiency of vane pump. The relationship between solid-phase volume fraction and volumetric efficiency was nonlinear. The surface temperature of oil film decreased with the increase of solid-phase volume fraction. The position of maximum change of oil film temperature was oil discharge area, and the maximum change was 2 K. The solid-phase volume fraction of oil film decreased with the increase of working pressure, and the maximum change was 0.3%. The temperature of all areas on the surface of the oil film was increased, and the temperature change of the core area was 4 K.The solid-phase volume fraction and temperature in most areas of oil film increased with the increase of rotating speed. The maximum change of solid-phase volume fraction and temperature of oil film was 0.2% and 3 K respectively in the areas with great effect. This research provides a reference for the flow distribution pair design of the port pair of high-pressure vane pump when the oil contains solid particles.

pump; pressure; temperature; numerical simulation; oil film; solid particle

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Li Shaonian, Zhang Lei, Chang Ludan, et al. Numerical simulation of effects of solid particles on oil film characteristics of port pair of high-pressure vane pump[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(19): 38-49. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.005 http://www.tcsae.org

2020-06-29

2020-08-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51565026）

李少年，副教授，主要從事流體傳動(dòng)與流體測控技術(shù)方面的教學(xué)與科研工作。Email：lsn19@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.19.005

TH137

A

1002-6819(2020)-19-0038-12