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轴向柱塞泵滑靴副楔形油膜特性分析

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  0 前言

  轴向柱塞泵工作过程中,在斜盘倾角作用下柱塞在柱塞腔往复运动以完成吸油和排油,因此柱塞腔压力随着柱塞的运动要周期性地进行高低压切换。为保证斜盘和滑靴完全液体润滑,在泵工作过程中滑靴副最小油膜厚度要大于物体表面的粗糙度之和。由于柱塞腔要周期性经历吸油和排油,滑靴副油膜厚度在泵旋转一周的过程是个动态的变化,因此需要动态地进行分析。

  事实上,滑靴周向运动引起的离心力矩以及随缸体旋转所产生的摩擦力矩综合作用下会使滑靴相对斜盘表面产生倾覆,从而形成楔形油膜。在泵实际工作过程中,滑靴偏磨磨损就是因为滑靴发生严重倾覆造成的,因此需要对滑靴倾覆状态下的油膜特性进行研究,以提出抗倾覆措施。目前国内对滑靴副的研究多采用公式进行推导[1],而对于滑靴楔形状态下油膜的压力场还没有进行深入研究;国外多是采用实验的方法对滑靴副油膜进行研究,美国的University ofMis-souri-Columbia大学的Noah D. Manring[2]研究表明柱塞和滑靴不同的连接形式对滑靴副油膜的承载能力不同,同时也会造成不同的泄漏量。FazilCANVULUT[3]通过实验的方法对不同滑靴表面粗糙度,阻尼管直径,柱塞腔压力,滑靴结构尺寸情况下对滑靴副的泄漏和摩擦磨损力矩进行了分析研究,并指出了泵转速和滑靴副泄漏以及摩擦力矩的关系。

  本文采用数值编程的方法首先对滑靴副动力学进行建模以建立滑靴倾覆模型,用有限容积的方法对滑靴倾覆模型下的油膜压力场进行数值离散求解,最后用牛顿迭代算法对滑靴受力/力矩情况和滑靴副油膜的耦合关系进行研究。

  1 滑靴倾覆模型下的油膜压力场模型

  根据3点确定一个平面的原理对滑靴倾覆模型进行建模,用3点h1,h2,h3的厚度值来表示滑靴副底面的倾覆和油膜厚度场,其中h1,h2,h3为相位差为120°的滑靴底面外表面3点(图1)。

  则滑靴底面任一点的厚度[4]为:

  由于滑靴副处间隙非常小,因此假设滑靴副油膜为层流。在层流状态下,滑靴和斜盘之间间隙的压力控制方程可根据Navier-Stokes方程和连续性方程推导,在笛卡尔坐标系下滑靴副油膜压力控制方程为:

  圆柱坐标系下压力控制方程为:

  1. 1 滑靴副油膜压力方程控制容积法离散

  传热学教科书往往用泰勒级数来推导有限差分方程。对于滑靴副油膜压力场本次研究采用控制容积法来实现,控制容积法[5]可以看成是加权余数法的一种特殊形式,计算的本质是把计算域分成许多互不重叠的控制容积,并使每一个网格结点都有一个控制容积所包围,对每一个控制容积积分偏微分方程。

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