轉(zhuǎn)套式配流系統(tǒng)配流口與泵腔壓力特性對比分析

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. 動力集成及儲能系統(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)動驅(qū)動配流套單向轉(zhuǎn)動,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)計和虛擬樣機(jī)設(shè)計，并探討了轉(zhuǎn)套的3種凸輪槽型線與轉(zhuǎn)套運(yùn)動的關(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)計框架搭建了系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化平臺，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)、壓力脈動和容積效率3個方面進(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)化時出現(xiàn)的壓力超調(diào)及流量脈動。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?。浑S著轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動配流口逐步接通進(jìn)油腔，通流面積逐步增大，直到整個配流口全部參與吸油；吸油結(jié)束時配流口逐漸與進(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，直到整個配流口全部進(jìn)行排油。排油結(jié)束時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，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，油液中會有氣體析出，壓力不再降低，理論上不會出現(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，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時配流口壓力分布變化云圖

圖7 0.015 s時泵腔壓力分布變化云圖

圖8 0.021 s時配流口壓力分布變化云圖

圖9 0.024 s時泵腔壓力分布變化云圖

3 平均壓力特性比較

整個配流系統(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，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態(tài)變化中?？栈瘹馀莸臐鐣尫啪薮竽芰坎⒁饓毫Φ牟▌印Ｓ蓤D10可以看出工作時間為0.022 s時，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，氣泡潰滅時復(fù)雜的周期性衰減過程及油液湍流流動的影響，造成壓力下降后出現(xiàn)小范圍波動。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，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，同時柱塞運(yùn)動接近上止點(diǎn)附近，泵腔容積基本恒定，不會再產(chǎn)生較大的真空度。此時配流口和泵腔內(nèi)壓力略有下降，但仍高于油液的空化壓力，因而不會再出現(xiàn)空化氣體。當(dāng)工作時間為0.06 s時，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會出現(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，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，柱塞運(yùn)動接近于下止點(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)換時配流口壓力略有上升，但無明顯壓力超調(diào)。當(dāng)工作時間為0.12 s時，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帶來壓力波動，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。