轴向柱塞泵柱塞副微运动及润滑油膜的特性研究

发布时间：2020-07-09 23:29

【摘要】：轴向柱塞泵作为高性能容积式液压泵的代表,广泛应用于工程机械、航空液压系统和伺服液压系统中。随着液压系统向着高压高速化方向发展,对于轴向柱塞泵其内部摩擦副的性能、寿命要求越来越高。各摩擦副内流场、结构场和热场等物理场之间的耦合关系也越来越重要,传统的基于经验公式和反复试验的柱塞泵设计方法已经不再适用于高性能轴向柱塞泵的设计和开发。柱塞副作为柱塞泵内传递动力、密封的关键摩擦副,处于复杂的受力和运动状态。研究柱塞副油膜的润滑机理,分析柱塞副各结构参数对柱塞副性能影响,是柱塞副优化设计的基础,具有重要的学术研究价值和工程应用背景。本文提出了轴向柱塞泵柱塞副油膜流固热耦合模型的算法,从柱塞副微动状态的数学描述出发,推导出适用于柱塞副的油膜雷诺方程。通过柱塞内外截面中心的偏心量来定义柱塞微运动。在数值模型中加入了柱塞力平衡分析,并通过柱塞微运动的挤压速度迭代求解来达成力平衡。计算柱塞和缸体孔表面的变形影响矩阵,建立柱塞副油膜流体网格和柱塞、缸体表面结构场网格的动态链接,实现流场和结构场数据传递。研究了缸体和柱塞在温度稳定状态下的热变形量,并将变形量输入到数值模型中。在此基础上,提出了柱塞副油膜流固热耦合模型,介绍了模型的算法流程。对柱塞副受力和油膜状态影响较大的柱塞腔内动态压力进行了研究,基于柱塞泵配流原理建立流量压力仿真模型并求解了柱塞腔内动态压力。通过三角缓冲槽流场分析获得了流量压力特性,用最小二乘法处理数据修正了三角槽的节流系数。搭建实验台获取了三角槽流量压力特性的实验数据,验证了流场仿真结果的正确性。在此基础上得到了修正的柱塞腔内油液动态压力,通过对比发现采用节流系数经验值会给配流过渡区的压力变化以及流动状态带来计算误差。在建立柱塞副油膜数值模型和获得柱塞副油膜边界条件后,分析了柱塞副的若干结构参数对柱塞微动特性及油膜润滑性能的影响,得到不同结构参数对柱塞副油膜压力分布、泄漏量、粘性摩擦功率损失等性能的影响。具体为:柱塞一端的微深度倒角有利于降低柱塞与缸体的接触,但倒角长度的增加会增加接触发生的可能性。微倒角在降低接触的同时,会增加柱塞微运动的幅度,最终增加柱塞副油膜的压力峰值。缸体孔衬套的加入可以通过软材料的变形降低柱塞副油膜的局部峰值压力,油膜粘性摩擦功率损失也会降低,但随着衬套厚度的增加,油膜泄漏量会出现一定程度的增加。离柱塞腔近的内置环形槽有利于改善柱塞微运动的轨迹,但会增加柱塞副油膜局部的压力峰值。离柱塞腔远的外置环形槽有利于消除由于柱塞腔压力陡增引起的泄漏峰值,起到一定的储存油液的功能。柱塞副泄漏流量随着间隙值的增加而增加,粘性摩擦功率损失随着间隙的增加而减小。柱塞副的总功率损失随着柱塞副间隙值的增加先减小后增加,存在使柱塞副总功率损失最小的间隙最优值。设计并搭建了柱塞副油膜实验系统,采用柱塞泵运动反转的形式,让斜盘主动旋转,柱塞在高压油的作用下只进行往复运动。设计了双柱塞对称布置的柱塞副模拟装置,双柱塞互相平衡对斜盘转动的阻力矩,保证斜盘能稳定旋转的同时便于测量柱塞副的粘性摩擦功率损失。采用微型电涡流位移传感器对柱塞副油膜进行非接触式测量,对柱塞套上三个测点的油膜厚度测量与仿真结果具有相同的变化趋势,验证了柱塞副油膜数值仿真模型的正确性。实验测量的不同柱塞腔压力和衬套厚度下的柱塞副油膜粘性摩擦功率损失与仿真值基本一致。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH137.51
【图文】：

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【参考文献】