本文主要介绍了CFD技术的实际应用原理,并且根据计算流体力学相关数据,综合分析了轴向柱塞泵和马达进行开发和研究过程中,结构内部油液流动问题和空化问题,并且以某企业工业生产结构中,轴向柱塞泵和马达的模型试验以及数值检测。

针对轴向柱塞泵结构复杂、制造工艺和使用维护水平要求高、对油液污染敏感等问题,在介绍轴向柱塞泵工作原理与结构特点的基础上,详细分析柱塞的位移、速度、加速度,柱塞和缸体孔之间的受力。基于AMESim平台,建立柱塞运动单元模型,通过参数设置,进行仿真得到柱塞的位移和在缸体孔内的行程变化图线。发现柱塞的位移、速度、加速度正比于斜盘倾角的正切值、正弦值、余弦值,为轴向柱塞泵的进一步设计研究提供了依据。

轴向柱塞泵的回油流量是进行泵剩余使用寿命预测的重要数据。本文使用时间序列方法,建立了柱塞泵回油流量的ARIMA模型,使用所建立的ARIMA模型进行了泵回油流量的预测研究。研究结果为使用时间序列方法预测泵的剩余使用寿命提供了有益借鉴。

柱塞副是斜盘式轴向柱塞泵最重要的摩擦副之一,对柱塞泵的机械效率、温升、容积效率、工作寿命和工作可靠性有着重要的影响。以斜盘式轴向柱塞泵为研究对象,通过对柱塞副进行运动学分析,建立柱塞副的三维几何模型,对三维模型施加运动和力学关系约束,建立ADAMS虚拟样机的物理模型,获得了柱塞的位移、速度和加速度曲线。通过AMESim建立柱塞副液压模型,对柱塞泵的动力学模型和液压模型进行联合仿真,得到了液压模型计算的柱塞腔内压力分布,为柱塞腔设计及油膜特性研究奠定了基础。

提出了一种具有三个配流窗口的轴向柱塞泵,用来补偿单出杆液压缸两腔面积差引起的流量不平衡,同时减小了液压缸在换向时的压力冲击,使液压泵与液压缸的流量完全匹配,实现泵控单出杆液压缸系统。

针对轴向柱塞泵脉动特性分析问题,建立了其数学及仿真模型,并根据仿真结果对脉动特性进行分析。首先建立缸体惯量、柱塞运动、柱塞腔及配油盘面积子模型,组合形成柱塞泵整体数学模型。其次考虑流体属性变化及漏油因素,通过AMESim的HCD库构建超级元件形成柱塞泵仿真模型;考虑流体属性中体积模量与流量系数随压力变化,利用MATLAB代码将数学模型转换为仿真模型。仿真结果基本一致,说明漏油及其他因素对仿真结果影响较小。此外,仿真结果表明,泵压力与流量脉动振型相位一致,泵出口压力大小与脉动幅值随转速与斜盘倾角增加而增加,脉动频率只随转速增加,不受斜盘倾角影响。通过仿真与试验数据对比,两者脉动幅值包络误差2.1%,验证了模型的正确性,两种仿真方式为柱塞泵的建模提供不同途径。

轴向柱塞泵配流盘三角形节流槽主要是减小柱塞腔及泵出口压力的波动。由于节流槽过流面积小,且槽两端压差大,流体高速流过节流槽的同时压力急剧减小,从而产生空化。为减小配流盘三角形节流槽的空化,提出对配流盘三角形节流槽抗空化的结构改进方案:预卸压阶段,在不改变节流槽通流面积的条件下,减小三角形节流槽倾角可提高其空化抑制性;预升压阶段,在保证三角形节流槽进口过流面积不变时,增大出口的过流面积可有效抑制三角形节流槽的空化。通过仿真分析发现三角形节流槽结构改进后轴向柱塞泵的抗空化性能提高,泵空化程度降低。

针对轴向柱塞泵中滑靴副的倾覆和偏磨问题,建立了一种滑靴副润滑数值模型和耦合求解器.在此基础上探究了滑靴产生倾覆的原因,并提出了一种微台阶来改进滑靴结构.通过仿真计算,进一步对比了不同微台阶结构参数对滑靴副姿态和油膜润滑的影响.结果表明:微台阶有助于滑靴副油膜的形成,改善油膜润滑性能;微台阶深度对滑靴微运动姿态、油膜压力和油膜厚度的影响比宽度大;所提出的数值模型和微台阶结构有助于轴向柱塞泵的优化设计,并能有效防止滑靴产生偏磨来提高柱塞泵的可靠性和寿命.

为优化轴向柱塞泵的输出动态特性,提出了一种基于支持向量回归机(SVR)的柱塞泵配流盘三角槽结构优化方法。首先,根据轴向柱塞泵的工作原理对其输出特性进行建模,并通过试验对仿真模型的准确性和可行性进行验证,试验与仿真结果误差约为0.31%,理论模型与试验具有较好的一致性。然后,通过计算获取不同配流盘三角槽结构条件下的样本数据,基于SVR模型找出柱塞泵出口流量脉动与三角槽的深度角、宽度角间的对应关系,计算得到深度角与宽度角的最优解分别为11.2°和51.7°。最后,在相同工况条件下,将三角槽结构优化前和优化后计算结果进行对比分析,结果显示,柱塞泵优化后的流量脉动相比优化前降低了1.87%,为制作新产品缩短了研发周期和成本。

针对轴向柱塞泵效率特性模型难以保证全工况下模型预测精度的问题,提出利用定常能量损失因子对现有的轴向柱塞泵总效率计算模型进行优化.首先,利用能量守恒定律对轴向柱塞泵的能量损失构成进行了研究,分析了轴向柱塞泵总效率计算模型误差产生的原因;其次,建立了全工况下轴向柱塞泵效率特性模型,并验证了其有效性;最后,对变排量工况下轴向柱塞泵的效率特性进行仿真分析与试验验证.研究结果表明:在变转速、变压力与变排量工况下,考虑定常能量损失因子的效率特性模型均可准确预测轴向柱塞泵的总效率,且在全工况范围内,模型的效率预测最大相对误差仅为4.8%;考虑定常能量损失因子的柱塞泵总效率模型能够完成全工况范围内轴向柱塞泵总效率的精确预测,这为柱塞泵的节能优化设计与节能控制提供了基础.