二维活塞式动态流量计,其主要特点在于采用具有旋转和往复直动双运动自由度的二维活塞作为流量计量单元。介绍该流量计机械结构和工作原理后,建立了相关动态模型,并研究了该流量计自身的计量特性以及各个结构参数对该流量计动态性能的影响,包括二维活塞直径、二维活塞质量以及计量单元内计量腔体积等。结果表明,采用两个计量单元并联连接结构的该流量计流量脉动极小,减小二维活塞质量以及减小工作腔中的死腔体积可以提升流量计的动态性能,而二维活塞直径对流量计动态性能的影响是随数值先增大后减小,这为二维活塞式动态流量计提供了优化方向。

在研究二维活塞与缸体配合微间隙中纯剪切空化的过程中,发现该空化现象在外界条件一定的情况下不仅会随着时间发展壮大,也会随着时间的延长萎缩消失。为探究该空化消失现象的可能成因,利用自制的外筒旋转同心圆筒装置在纯剪切流场中构建充分发展的空化气泡分布场,并分别就不同温度、流场压强、油液上方空气占比以及定子外表面结构等因素进行可视化实验研究。实验结果表明:所涉的空化空泡消失现象不同于空化溃灭现象,其开始消失的时间与油液温升和流体压强都具有正相关性,且后者作用更为显著。空泡消失的时间与流场初始压强呈指数下降的关系,压强越高流场的剪切空化现象消失时间越短且温升值越小。

二维液压元件能充分利用二维活塞的面密封以及周向旋转配流等特点以获得更好的工作性能,但面临二维活塞与缸体配合微间隙中油液强剪切可能诱发空化的问题。为探究该处微间隙内油液的一维运动工况,利用自制的外筒旋转同心圆筒装置开展纯剪切流动实验研究,分别就不同转速、流场压力、油液上方空气占比、内筒外壁面配流槽结构以及微间隙厚度进行可视化研究。实验结果表明:流场压力与发生剪切空化的临界剪切应力成线性增大关系,压力越大油液空化所需剪切应力越大;若油液上方空间内留有空气,则上方空气含量越高对剪切空化的抑制作用越强;而二维活塞的配流槽结构一方面会减小油液的剪切扭矩,另一方面会改变纯剪切流场,从而抑制剪切空化的发生;微间隙厚度的减小将使发生剪切空化的临界剪切应力减小,从而降低剪切空化发生的难度。

提出一种二维活塞式动态流量计,其计量单元二维活塞具有两个运动自由度,包括直线往复运动和转动。因此该流量计兼顾无负载动态缸测量流量的高动态特性和转子式流量计连续测量流量的能力。阐述该流量计的机械结构和工作原理,通过建立动力学方程和流量连续性方程获得对应的数学模型来研究流量计的动态特性。设计样机并搭建动态性能测试试验台进行试验研究。试验结果表明,二维活塞式动态流量计有较好的动态特性,当被测正弦流量振荡频率达5 Hz,二维活塞式流量计测得流量的频率仍与无负载动态缸测得的基本一致,两者相位差接近于零。流量计输出信号的幅值衰减较为严重,原因为流量计样机内存在空气所致。