杜善霄，張洪信，趙清海，姜曉天

（1.青島大學 機電工程學院，山東青島 266071；2.青島大學 動力集成及儲能系統(tǒng)工程技術中心，山東青島 266071）

0 引言

轉套式配流系統(tǒng)利用往復柱塞泵柱塞的固有往復運動驅動轉套單向運動，實現(xiàn)配流功能，結構緊湊，密封性好，克服了閥式配流系統(tǒng)的諸多弊端[1]。但柱塞往復移動時，液體壓力在某處會低于空氣分離壓或者飽和蒸汽壓，空氣或者蒸汽從油液中分離出來，出現(xiàn)的兩項共存的狀態(tài)，即空化[2-4]?？栈怯绊懺撆淞飨到y(tǒng)容積效率的重要因素，還會增加整個系統(tǒng)的振動和噪聲，造成空蝕破壞。

傳統(tǒng)的空化分析方法已有相當發(fā)展，但在工程實際應用方面有很大局限性[5]。本世紀初CFD空化模型發(fā)展迅速，其中最典型的是2001年Schnerr等、2002年 Singhal等、2004年 Zwart等提出的 3種模型，并受到廣泛關注[6-8]。黃彪等[9]編寫相關控制程序在仿真計算中嵌入Kubota、Singhal、Merkle和Kunz 4種空化模型，得到了繞Clark-y型水翼的空化流動形態(tài)并與試驗結果相對比，發(fā)現(xiàn)Singhal模型考慮因素最為全面。劉曉紅等[10]研究了軸向柱塞泵配流盤的氣蝕機理，表明配流盤附近速度的大小會對氣蝕現(xiàn)象產生影響。劉春節(jié)等[11]基于全空化模型，針對斜盤式軸向柱塞泵進行空化數(shù)值模擬，分析了不同轉速和壓差對空化存在的影響。Christian S等[12]在忽略流場泄漏的情況下，通過數(shù)值模擬方法對軸向柱塞泵流體域進行仿真，研究了不同轉速以及不同轉角下柱塞泵的空化情況。築地徹浩等[13]利用高速攝像機觀測到軸向柱塞泵的空化現(xiàn)象，并與不同轉速下空化仿真結果相比較，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的一致性。以上研究對轉套式配流系統(tǒng)空化研究具有重要的參考意義。

針對于轉套式配流系統(tǒng)，張延君利用空化模型模擬流體的壓力分布，初步分析了空化對系統(tǒng)的影響[14]。但該研究以水為流體介質進行空化分析，也未考慮轉套與泵體之間的徑向間隙，數(shù)值仿真是在恒定轉速條件下進行，未深入分析轉速對轉套式配流系統(tǒng)空化的影響。本文將基于含有轉套間隙的流體域仿真模型，以油液為工作介質研究轉速對空化特性和容積效率的影響，并試驗研究。

1 轉套式配流系統(tǒng)空化模型

轉套式配流系統(tǒng)結構原理如圖1所示，配流系統(tǒng)在工作時由曲柄連桿機構提供外部動力，通過傳動銷，帶動柱塞及其底部的擋銷和壓緊彈簧往復直線運動。轉套帶有周向封閉的內凸輪槽，擋銷在壓緊彈簧的作用下始終壓靠在凸輪槽內，驅動轉套轉動，凸輪槽徑向深度的變化及上下止點處的階躍確保轉套連續(xù)單向轉動。柱塞上行時，轉套上的配流口與進油腔連通吸油；柱塞下行時，配流口與出油腔連通排油，如此循環(huán)往復，實現(xiàn)流質輸運和泵送[15-16]。

圖1 轉套式配流系統(tǒng)結構原理

轉套式配流系統(tǒng)的流體域（如圖2所示）隨柱塞和轉套的運動進行周期性的變化，配流口跟隨轉套同步運動。柱塞上行時，系統(tǒng)在進流質階段，泵腔容積逐漸增大；柱塞下行時，系統(tǒng)在排流質階段，泵腔容積逐漸減小。

圖2 往復柱塞泵轉套式配流系統(tǒng)計算模型

因為Singhal空化模型考慮空化影響因素更加全面，因此選取Singhal空化模型對轉套式配流系統(tǒng)進行空化仿真。

忽略二階項、液體黏度及表面張力對球泡生長的影響，空泡動力學基本方程可簡化為：

其中 R——球泡表面半徑，m；

pb——泡表面壓力，Pa；

pc——局部遠場壓力。

氣液傳質的蒸發(fā)率se和冷凝率sc最終形式為：

式中 ρl——液相密度，kg/m3；

ρv——氣相密度，kg/m3；

fv——蒸汽質量分數(shù)；

fg——永久性氣體質量分數(shù)；

p——液體壓力，Pa；

σ——液體表面張力系數(shù)，N/m。

其中，ρv=0.476 9 kg/m3，ρl=865 kg/m3，fg=0.004%，pv=400 Pa，σ=0.03 N/m，推薦經驗系數(shù)值Ce=0.02，Cc=0.01。

仿真計算時利用FLUENT軟件中的UFD（用戶自定義函數(shù)）功能確保流體域運動的進行，應用RNG k-ε湍流模型和SIMPLE壓力速度耦合算法及一階迎風格式離散化處理方法進行迭代計算，進一步討論轉速對空化的影響[17-19]。

2 轉速對空化的影響

仿真計算時設定入口壓力為0.1 MPa，出口壓力為10 MPa，在不同的轉速下對轉套式配流系統(tǒng)空化性能進行研究，分析轉速與轉套式配流系統(tǒng)空化特性的關系，代表空化特性的量主要有最大氣體體積分數(shù)、空化占比、容積效率。

2.1 最大氣體體積分數(shù)

最大氣體體積分數(shù)表示為：

式中 Vgmax——最大瞬時氣體體積，m3；

V——系統(tǒng)總體積，m3。

最大氣體體積分數(shù)越大，空化的強度越大，系統(tǒng)受到的沖擊也就越大。轉套式配流系統(tǒng)的空化主要產生在配流口與泵腔內，不同轉速下，配流口與泵腔的最大氣體體積分數(shù)隨工作轉速的變化趨勢如圖3所示。

圖3 配流系統(tǒng)最大氣體體積分數(shù)與轉速關系

隨著轉速的增加，配流口與泵腔內的最大氣體體積分數(shù)均單調遞增，配流口內的增大趨勢較為平緩，轉速每增加100 r/min，配流口最大氣體體積分數(shù)的增長率維持在1%左右，總體看來最大氣體體積分數(shù)在10%以下；泵腔內的增大趨勢較為明顯，在較高轉速下最大氣體體積分數(shù)可達到40%以上，對配流系統(tǒng)的工作產生較大的影響。

2.2 空化占比

最大氣體體積分數(shù)只能表示空化的強度，要判斷配流系統(tǒng)空化的程度，還需考慮配流口與泵腔內部空化持續(xù)時間，引入空化占比τ來表示一個周期內空化持續(xù)的時間：

式中 tc——單個工作周期內空化持續(xù)時間，s；

T——工作周期，s。

空化占比越大表明空化持續(xù)的時間越長，對轉套式配流系統(tǒng)工作過程影響就越大，空化占比隨轉速的變化趨勢如圖4所示。

圖4 配流系統(tǒng)空化占比與轉速關系

配流口與泵腔對應的空化占比均隨工作轉速的升高而增加，整體曲線呈現(xiàn)中間部分上升趨勢較快，兩端上升趨勢較平緩。配流口處的空化占比基本在20%以下；當轉速大于600 r/min時，泵腔內的空化占比達到了20%以上，當轉速大于800 r/min時，泵腔內的空化占比更是達到了25%以上，空化時間持續(xù)較長?？梢娹D速對空化占比的影響較大，也對配流系統(tǒng)的工作過程干預較大。

2.3 容積效率

配流系統(tǒng)容積效率ηv的通式為：

式中 Qc——實際輸出流量，m3/min；

Qt——理論輸出流量，m3/min。

空化的產生會影響配流系統(tǒng)容積效率，容積效率隨轉速的變化趨勢如圖5所示。

圖5 轉速與容積效率關系

容積效率隨轉速的增加先增大再減小，在轉速為500 r/min處容積效率最大，達到了92.13%。轉速低于500 r/min時，容積效率隨轉速逐漸升高，轉速高于500 r/min后，容積效率隨轉速逐漸降低。容積效率的變化主要有兩方面原因，一方面是油液的泄漏，另一方面是空化的影響。轉速的提高會縮短工作周期，加快油液的流動，導致一個周期內的油液泄漏量降低，容積效率有增大的趨勢；隨著轉速越來越高，配流系統(tǒng)中的空化現(xiàn)象越來越明顯，阻礙油液的流入，導致容積效率下降?？梢?00r/min的轉速為臨界點，當?shù)陀谶@個轉速時油液泄露對容積效率的影響占主導地位，高于這個轉速時，空化現(xiàn)象對容積效率的影響占據(jù)主導地位。

3 空化特性試驗研究

試驗在YST380W型液壓綜合試驗臺上進行，轉套式配流系統(tǒng)的整體結構依據(jù)液壓綜合試驗臺進行設計，裝配到試驗臺上。

試驗工況設定為與仿真模擬時一致，入口壓力設定為0.1 MPa，出口壓力設定為10 MPa，不同轉速下實際容積效率與模擬仿真時的容積效率對比如圖6所示。

圖6 不同轉速下的容積效率

試驗結果與仿真時的容積效率變化趨勢基本一致，由于配流系統(tǒng)實際加工精度存在一定的誤差，導致油液的泄漏增加；同時，轉套與泵體之間存在的剪切作用，導致空化增加，使得試驗下的容積效率略低于仿真時的結果。試驗在轉速500 r/min附近容積效率達到最大值90.23%，誤差為2%?？梢娹D套式配流系統(tǒng)最佳工作轉速在500 r/min附近，與仿真結果基本一致。

4 結論

（1）轉套式配流系統(tǒng)的最大氣體體積分數(shù)均隨轉速的增加而單調遞增，配流口最大氣體體積分數(shù)增長緩慢，整個仿真過程都保持在10%以下；泵腔內最大氣體體積分數(shù)增加較大，在高轉速下達到了40%以上。

（2）空化占比隨轉速的增加也不斷增加，配流口處的空化占比基本在20%以下；泵腔內的空化占比增長較大，轉速大于800 r/min后，泵腔內的空化占比更是達到了25%以上，空化時間持續(xù)較長。

（3）容積效率隨轉速的增加先增大再減小，容積效率最大處的轉速為500 r/min，轉套式配流系統(tǒng)最大容積效率可達92.13%。

（4）試驗容積效率略低于仿真結果，最大誤差為2%。