纯水液压泵配流盘的仿真研究

　　1 前言

　　随着新技术、新材料的日益发展,纯水液压传动技术越来越受到人们的重视。纯水液压元件的研制是纯水液压传动技术开发的首要课题,而纯水液压泵的研制则是纯水液压传动系统成功应用的关键。

　　在纯水液压泵配流副的设计中,常需要了解配流盘受到外力负载后所出现的反应,例如应力、位移、形变等,根据该反应可知道配流盘的工作状态,进而判断设计是否符合要求。配流盘的几何结构一般比较复杂,受的负载也相当大,理论分析往往无法进行。想要解答,必须先简化结构,采用数值模拟方法分析。使用通用的工程软件,能够降低设计成本,缩短设计时间。本文采用某通用的有限元分析软件分析了纯水液压轴向柱塞泵的配流盘,并对其应力和变形情况进行了讨论。

　　2 配流盘受力分析及模型简化

　　如图1a所示为配流盘模型正面即配流面图。由于缸体和配流盘之间存在一层液膜,因此可以认为缸体和配流盘没有直接接触,所以配流盘只受到液膜压力。液膜压力包括3部分:第1部分是在配流盘上下过渡区配流盘受到的压力,它等于对应柱塞孔中密闭体积的压力。在柱塞孔从低压区转动到高压区的过程中,密闭体积越来越小,压力逐渐提高;在柱塞孔从高压区转动到低压区的过程中,密闭体积越来越大,压力逐渐降低。该压力的具体数值和分布区域可视为仅与缸体转角有关;第2部分是高压腰形槽周围的密封带压力。内密封带的压力[1]为:

　　式中pS为泵出口压力,R1、R2为内密封带半径。外密封带的压力[1]为:

　　式中R3、R4为外密封带半径。由于设计的配流盘为带密封,密封带尺寸较窄,所以可以在整个密封带上取密封带压力平均值pS/2来计算;第3部分是高压腰形槽内水对腰形槽侧壁的压力,它等于泵出口压力pS。由于柱塞泵的压力流量都是脉动的,所以泵出口压力pS随缸体转动而不断变化。假设压力脉动与流量脉动同步,则可得泵出口瞬时压力值为:

　　其中,pm为泵的额定出口压力=14 MPa=P/Z=20^o,为缸体转角。

　　如图1b为配流盘背面即朝向后端盖的一面,8个配流套管连接了配流盘和后端盖进出水口。配流盘在这一面只受到8只弹簧的作用力,为简化计算,将弹簧作用力简化为作用在面上的集中力,如图中箭头所示。

　　配流盘所受的约束简化后集中作用在8个配流孔的圆柱面上。质量力及水对配流盘的剪切力等可忽略。

　　3 仿真情况及结果

　　配流盘的制成材料可以是不锈金属材料,也可以是改性增强复合材料,本文分别对这两种材质进行了仿真分析。由于配流盘所受负载与缸体转角密切相关,所以分别在缸体转角U等于0b、2b、5b、8^o、11^o、14^o、18^o、21^o、24^o、27^o、30^o、34^o、37^o时对配流盘内应力进行仿真分析。