孫澤豪，張洪信，趙清海，姜曉天，王新亮

(1. 青島大學(xué) a. 機(jī)電工程學(xué)院； b. 動(dòng)力集成及儲(chǔ)能系統(tǒng)工程技術(shù)中心，山東 青島 266071；2. 山東凱馬汽車制造有限公司，山東 濰坊 262700)

0 引言

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)利用往復(fù)柱塞泵柱塞的固有往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)配流套單向轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)配流,克服了閥式配流系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、壓力損失、成本、容積效率等方面的弊端[1]。配流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，具體工作過程在此不再贅述。徐威等[2-3]進(jìn)一步完成了轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)和虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，并探討了轉(zhuǎn)套的3種凸輪槽型線與轉(zhuǎn)套運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；張延君等[4-8]以水為工作流質(zhì)對往復(fù)柱塞泵轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)泵內(nèi)的非定常流動(dòng)進(jìn)行了仿真,確定了配流口、減振槽結(jié)構(gòu)及最佳閉死角；姜曉天等[9]以isight優(yōu)化設(shè)計(jì)框架搭建了系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)，完成了對U型減振槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；程前昌等[10-11]將轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)與閥式配流系統(tǒng)在體積結(jié)構(gòu)、壓力脈動(dòng)和容積效率3個(gè)方面進(jìn)行對比研究，并確定線性凸輪槽型線性能最優(yōu)。 但還沒有關(guān)于配流口和泵腔兩位置的壓力對比分析，本文在已有研究的基礎(chǔ)上探究配流口和泵腔的壓力特性區(qū)別及原因，分析結(jié)果可為后續(xù)研究提供支持。

前期工作對轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和壓力特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究，基本奠定了配流系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析的理論基礎(chǔ)，但要深入、全面地優(yōu)化配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，配流口與泵腔壓力特性必須重點(diǎn)把握，當(dāng)然這也是了解配流系統(tǒng)工作特性的需要。

圖1 轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

1 泵腔與減振槽結(jié)構(gòu)原理

低壓環(huán)境是流場內(nèi)部空化產(chǎn)生的直接原因[12-13]。轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)進(jìn)油腔與油箱相連，出油腔接通外部負(fù)載，兩部分流體域壓力可認(rèn)為分別等于入口壓力與出口壓力。而泵腔作為工作腔，其容積大小隨著柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期性變化，并通過轉(zhuǎn)套上的配流口與進(jìn)出油腔接通，實(shí)現(xiàn)吸排油過程。整個(gè)工作循環(huán)中配流口和泵腔流體域壓力頻繁變化，與配流系統(tǒng)的空化特性之間存在著緊密聯(lián)系，且直接影響著系統(tǒng)的容積效率。

減振槽位于配流口的左下角，其作用在于降低流場內(nèi)高低壓轉(zhuǎn)化時(shí)出現(xiàn)的壓力超調(diào)及流量脈動(dòng)。減振槽內(nèi)壓力與泵腔內(nèi)壓力如差別太大或沒有差別都將起不到減振作用。

減振槽主要有V型和U型兩種，V型減振槽亦可稱三角減振槽，其結(jié)構(gòu)形狀如圖2所示。

圖2 三角減振槽結(jié)構(gòu)形狀

三角減振槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 減振槽結(jié)構(gòu)參數(shù)表

U型減振槽的結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為等截面弧狀，二維結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 U型減振槽結(jié)構(gòu)模型

圖4 U型減振槽二維結(jié)構(gòu)圖

U型減振槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 U型等截面減振槽相關(guān)參數(shù)

青島大學(xué)研制的轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)采用了U型減振槽，本文也針對U型減振槽和泵腔進(jìn)行比較。

2 分布壓力變化過程比較

仿真過程針對線性凸輪槽型線轉(zhuǎn)套并在標(biāo)定轉(zhuǎn)速、入口壓力下進(jìn)行，其標(biāo)定工況為：轉(zhuǎn)速500 r/min、入口壓力0.1 MPa，負(fù)載壓力10 MPa。

轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)工作時(shí)內(nèi)部流場壓力與配流口的通流面積密切相關(guān)[14-16]，整個(gè)工作過程中配流口通流面積變化如圖5所示。吸油起始階段減振槽先與進(jìn)油腔接通，通流面積較??；隨著轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)配流口逐步接通進(jìn)油腔，通流面積逐步增大，直到整個(gè)配流口全部參與吸油；吸油結(jié)束時(shí)配流口逐漸與進(jìn)油腔分離，通流面積越來越小，最終兩部分完全分離，開始進(jìn)行排油過程。排油階段配流口通流面積變化情況與吸油過程類似，先由減振槽與排油腔接通，隨后配流口主體部分逐步接通，通流面積不斷增大，直到整個(gè)配流口全部進(jìn)行排油。排油結(jié)束時(shí)配流口逐步與排油腔分離，通流面積不斷減小，最終完全分離，開始進(jìn)入下一周期吸油過程。

圖5 配流口通流面積變化過程

當(dāng)曲軸工作在500 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)流場仿真中引入空化模型后，流場內(nèi)壓力降低到臨界空化壓力時(shí)，油液中會(huì)有氣體析出，壓力不再降低，理論上不會(huì)出現(xiàn)絕對負(fù)壓。參考圖6-圖9發(fā)現(xiàn)，仿真過程中在同一時(shí)間段內(nèi)配流口最高壓始終高于泵腔最高壓，泵腔最高壓會(huì)逐漸接近配流口最高壓。但是，配流口各處壓力并非絕對高于泵腔各處壓力，甚至配流口某些地方最低壓力還會(huì)低于泵腔中的最低壓力，這樣使得泵腔中的高壓流體向配流口低壓處流動(dòng)，容易引發(fā)渦流現(xiàn)象。對比圖6和圖8，在配流口通流面積較小的情況下其整體的壓力值比較低，而且壓力分布比較均勻，通流面積增大后壓力值有明顯增高，而且壓力分布出現(xiàn)明顯的分層；泵腔中的壓力分布也有類似情況，配流口通流面積較小時(shí)泵腔壓力普遍比較低，而且分布比較均勻，通流面積增大后泵腔壓力明顯增加。

圖6 0.012 s時(shí)配流口壓力分布變化云圖

圖7 0.015 s時(shí)泵腔壓力分布變化云圖

圖8 0.021 s時(shí)配流口壓力分布變化云圖

圖9 0.024 s時(shí)泵腔壓力分布變化云圖

3 平均壓力特性比較

整個(gè)配流系統(tǒng)在工作過程中，配流口和泵腔內(nèi)的工作壓力隨著柱塞上下往復(fù)移動(dòng)而出現(xiàn)周期性變化，配流口內(nèi)油液的平均壓力變化曲線如圖10所示，泵腔內(nèi)平均壓力的變化如圖11所示。吸油起始階段，柱塞上行泵腔容積迅速變大，泵腔連同配流口產(chǎn)生較大真空度，配流口首先通過減振槽與進(jìn)油腔接通，但通流面積較小，油液吸入量較少，不能迅速充滿空腔區(qū)域，導(dǎo)致配流口和泵腔內(nèi)壓力持續(xù)降低，并逼近油液在常溫下的空化壓力。仿真過程中發(fā)現(xiàn)流體域油液平均壓力降低至800 Pa左右時(shí)，配流口和泵腔內(nèi)開始產(chǎn)生空化氣體，隨著轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)動(dòng)通流面積增大，大量油液流入空腔中，導(dǎo)致真空度降低、壓力逐步升高，空化氣泡開始潰滅，而壓力較低區(qū)域則繼續(xù)產(chǎn)生氣泡，使氣泡的產(chǎn)生和潰滅始終處于動(dòng)態(tài)變化中。空化氣泡的潰滅會(huì)釋放巨大能量并引起壓力的波動(dòng)。由圖10可以看出工作時(shí)間為0.022 s時(shí)，配流口內(nèi)壓力急劇增大，出現(xiàn)小壓力尖角，同樣由圖11可以看到0.024 s時(shí)泵腔內(nèi)也出現(xiàn)壓力尖角。這表示空化氣泡群體性潰滅釋放了巨大能量，氣泡潰滅時(shí)復(fù)雜的周期性衰減過程及油液湍流流動(dòng)的影響，造成壓力下降后出現(xiàn)小范圍波動(dòng)。隨著配流口整體與進(jìn)油腔接通，通流面積大大提高，配流口和泵腔內(nèi)壓力高于油液的空化壓力，不再出現(xiàn)空化氣體，但整體壓力依然低于吸油口大氣壓，配流系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行吸油過程。

圖10 配流口平均壓力曲線圖

圖11 泵腔平均壓力曲線圖

吸油接近尾聲時(shí)，配流口與進(jìn)油腔逐漸分離，通流面積開始減小，但遠(yuǎn)大于減振槽處的通流面積，同時(shí)柱塞運(yùn)動(dòng)接近上止點(diǎn)附近，泵腔容積基本恒定，不會(huì)再產(chǎn)生較大的真空度。此時(shí)配流口和泵腔內(nèi)壓力略有下降，但仍高于油液的空化壓力，因而不會(huì)再出現(xiàn)空化氣體。當(dāng)工作時(shí)間為0.06 s時(shí)，轉(zhuǎn)套相對于吸油起始位置轉(zhuǎn)過180°，柱塞越過上止點(diǎn)開始向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行排油。由于吸油過程中配流口和泵腔內(nèi)存在空化現(xiàn)象，導(dǎo)致部分容積被空化氣體所占據(jù)，當(dāng)配流口與排油腔接通時(shí)會(huì)出現(xiàn)油液的倒灌，高壓油由排油腔回流至配流口和泵腔中引起壓力上升；此外減振槽處通流面積較小，柱塞下移起始階段配流口排油困難，使得配流口連同泵腔內(nèi)壓力上升，在兩方面共同作用下導(dǎo)致吸油向排油過渡階段配流口和泵腔壓力均高于出口負(fù)載出現(xiàn)壓力超調(diào)。配流口中最大壓力為12.87 MPa，泵腔中最大值為13.02 MPa。隨著轉(zhuǎn)套繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，通流面積逐漸增大，配流口和泵腔內(nèi)壓力降低并趨于外部負(fù)載，配流口連續(xù)穩(wěn)定輸出高壓油液。

排油接近尾聲時(shí)，柱塞運(yùn)動(dòng)接近于下止點(diǎn)，泵腔與配流口之間通流面積很小，泵腔中殘存的少量高壓油液幾乎不流入配流口中，泵腔出現(xiàn)排油困難，造成泵腔內(nèi)壓力突然上升，出現(xiàn)瞬間的壓力尖角，最大壓力為13.26 MPa；而配流口直接與排油腔負(fù)載壓力接通，使其幾乎不受泵腔高壓油流入的影響，基本與負(fù)載壓力相一致。因而在排油向吸油過程轉(zhuǎn)換時(shí)配流口壓力略有上升，但無明顯壓力超調(diào)。當(dāng)工作時(shí)間為0.12 s時(shí)，轉(zhuǎn)套相對于吸油起始位置轉(zhuǎn)過360°，柱塞通過下止點(diǎn)，泵腔重新開始吸油，配流口和泵腔內(nèi)壓力迅速降低，進(jìn)入新的工作循環(huán)。

4 結(jié)語

1)空化氣泡的群體性潰滅釋放出巨大能量給泵腔和配流口同時(shí)帶來壓力波動(dòng)，使二者內(nèi)部出現(xiàn)壓力尖角。

2)配流口直接與進(jìn)排油腔接通，且本身容積不發(fā)生變化，所以其壓力尖角的峰值與泵腔壓力尖角的峰值相比之下較低。

3)配流口由于連通進(jìn)出油腔，相對壓力能保持得更平穩(wěn)，所以出現(xiàn)壓力變化后能夠比泵腔更快平復(fù)波動(dòng)。