轴向柱塞泵工作腔吸油气穴数值解析

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Numerical analysis of oilsuction cavitation in cylinderchamber of axial piston pumpJI Hong，WANG Yang(Colege of Energy and Power Engineering，Lanzhou Univ.of Tech.，1.anzhou 730050，China)Abstract：In order to reveal the oil-suction cavitation in cylinder chamber of axial piston pump，and findits prevention method，an oil-suction model of cylinder chamber was developed by using software AMES-im.Taking no air-release in the cylinder chamber as obj ective function，the size of short orifice was opti-mized with genetic algorithm，and the critical value of the diameter of short orifice and the curves of cylin-der chamber pressure and air content were achieved.By using the dynamic mesh technique of Fluent soft-ware，the dynamic flow field of optimized cylinder chamber was calculated with turbulent k-e model andcavitation model，and the distribution of static pressure and air content in the chamber was presented.Theresult showed that there was minimum pressure in the cylinder chamber with about 90。of its rotation an-gle；cylinder had no air release due to that the fluid pressure was higher than air saturation pressure whenthe diameter of short orifice was greater than its critical value；there was non-uniform pressure distributionin the chamber。and the lower pressure zone and higher air content zone were located at about the bottomof the cylinder chamber。

Key words：axial piston pump；piston.cylinder chamber；oil.suction cavitation；genetic algorithm；dy.-namic mesh液压轴向柱塞泵在吸油过程中，柱塞从上死点往下死点运动，柱塞与缸孔形成的工作腔容积不断增大形成负压，油液在大气压的作用下进入腔内.-般液压油中会溶解和掺混-定体积的空气 ，如果配流盘流道与缸体吸油孔尺寸设计不合理，在吸油收稿 日期：2012-03-19基金项目：国家自然科学基金(51075194)作者简介：冀 宏(1972-)，男，陕西宁陕人，博士，教授，博导时工作腔内压力降至油液空气分离压以下，会导致空气析出产生气穴现象.当缸孑L与排油腔沟通后，气泡在高压的作用下溃灭，对柱塞及缸体产生冲击，造成柱塞泵的噪声增大、寿命降低[2].文献1-3]对柱塞泵配流盘上阻尼槽的气穴噪声特性进行了研究，分析了阻尼槽结构、压力分布和噪声之间的内在规律。

文献[43对柱塞腔过卸压导致的气穴振动进行了研究，指出气穴振动可能成为进-步降低柱塞泵性能第 3期 冀 宏等：轴向柱塞泵工作腔吸油气穴数值解析 ·35·的主要障碍.文献E53讨论了高速轴向柱塞泵的吸油性能，对柱塞腔压力瞬变和流量脉动进行了测量和仿真研究.文献[6]运用三维流体分析技术，定性地分析了柱塞泵排油腔与减振槽在不同角度接触时模型的速度嘲压力场之间的关系.本文利用遗传算法优化了配流盘流道与缸体吸油孔结构尺寸，分析了不同尺寸下工作腔内压力与空气析出值随缸体转角的变化过程，并给出了工作腔内流场压力与空气体积分数分布的可视化结果。

1 柱塞泵工作腔结构图 1所示为柱塞泵工作腔结构，图中柱塞处于上死点，即吸油工况开始位置。

配流盘 缸体 柱塞 回程盘 滑靴 斜盘配流盘缸体吸图 1 柱塞泵工作腔Fig.1 Cylinder chamber of piston pump2 工作腔 AMESim吸油运动学模型忽略缸体旋转的离心作用，柱塞相对于缸孔作直线往复运动，柱塞相对缸孑L的运动速度：- ds/dt tan)'sin式中：s为柱塞相对缸孔的轴向位移，t为时间，叫为缸体转动角速度，R为柱塞孔在缸体中的分布圆半径，y为斜盘倾角， 为缸体转角。

由于滑靴与斜盘问的间隙微小且压差很小，间隙泄漏予以忽略，将工作腔等效为端部密闭的圆柱图 2 工作腔吸油模型Fig.2 Suction model of cylinder cham ber形腔体，并把配流盘流道与缸体吸油孔等效为-个吸油短孑L模型(short tube)，模型中短孔的长径比为0.5L/d410.不考虑配流盘上减振槽结构以及柱塞在 吸排油 工况转 换 时升压、卸压 的影 响，.任AMESim软件平台上建立如图 2所示的柱塞工作：腔吸油模型.柱塞工作腔吸油过程从上死点转至下死点，缸体转角为0o～18O。，主要参数见表 1。

表 1 柱塞工作腔模型主要参数Tab.1 Main parameters of cylinder cham ber model运动学参数 数值缸体转速 (r·min- ) 1 500分布圆半径 R/mm 30斜盘倾斜角 r/(。) 20缸体转角/(。) O～180柱塞直径 d/mm 20油液主要参数油液密度/(kg·ITI ) 850运动黏度/(ram2·s-1 46溶解空气体积分数 0 1空气分离压(表压，/1P -60饱和蒸汽压(表压)/kPa 983 基于遗传算法的吸油短孔参数优仲遗传算法是模仿自然界生物进化机制发展起来的随机全局搜索和优化方法，它借鉴了达尔文的进化论和孟德尔的遗传学说[7].其求解步骤如下：3.1 输入参数的确定及表示在短孔长度为已知的条件下，短孔直径为输人参数，按精度要求对其进行字串编码，并建立与输人参数问的关系。

3.2 目标函数与约束条件表1中所设置的空气分离压为-60 kPa，为避免工作腔内析出空气，吸油时腔内压力应高于空气分离压，并且腔内最低压力 P .m应尽量接近空气分离压，保证在无空气析出的前提下求解出短孔直径临界值.因此，确定目标函数为工作腔内最大空气析出比A～ - i /(vai Voil)与最低压力 P耐 ；约束条件为工作腔内压力：-101 325 Pa≤ 4o，工作腔内空气析出比为O4A4o.1。

3.3 遗传算法中各参数选取由输入参数建立的初始种群通过复制、交叉及变异得到了新-代种群，该代种群经解码后代入适配函数，观察是否满足结束条件；若不满足，则重复以上操作直到满足为止.结束条件由目标函数确定，遗传算法的主要参数：初始种群 100，繁殖率 8O ，繁殖代数 2O，变异幅度0.2。

在短孔长度为10 mm时，通过上述遗传算法求出短孔直径临界值为 8.621 mm.另外给定 5个短孔直径作对比，在吸油工况下的 6个不同直径短孔的工作腔内最低压力与最大空气析出比见表 2。

图3和图4所示的6条曲线次序与表2所列序号--对应.图3所示为柱塞吸油时工作腔内压力兰 州 理 工 大 学 学 报 第39卷表2 不同短孔直径时腔内最低压力与最大空气析出比Tab.2 Mtntm npressureto-m air-release ratio.m刚。

nder chamber with different shert orh'lce dhenete序 短孔长度 短孔直径 腔内最低 腔内最大空气号 /ram /ram 压力 /kPa 析出比Ac。

出书；0 20 40 60 80 lOO l20 140 l6O l8O转角/(。)图3 工作腔内压力与转角关系曲线Fig.3 ClrV(of relationship of cylinder chamber pressureto rotation angle丑豁剁- 转角，(。)图4 工作腔内空气析出比与转角关系曲线Fig.4 Curves of relationship of cylinder chamberair-release ratioto rotation angle随缸体转角变化曲线.吸油短孔直径等于或大于临界值时，如曲线 l、5、6所示，工作腔内最低压力等于或高于油液空气分离压，压力随转角先减畜增大，在转角 9O。时柱塞运动速度最快，工作腔内的压力降至最低，吸油短管直径越大(见曲线 5、6)，吸油阻力越小，其腔内压力也越高.当吸油短孔直径小于临界值时，如曲线2～4所示，工作腔内压力在转角9O。

之前已降至油液空气分离压以下，腔内开始析出空气(见图4)；在转角分别为 105。、108。、115。时，工作腔内压力降至最低；当转角分别为 115。、135。、160。

图4所示为柱塞吸油时工作腔内空气析出比随缸体转角变化曲线.吸油短孔直径等于或大于临界值时(曲线 1、5、6)，腔内最低压力等于或大于空气分离压(见图 3)，因此图 4中对应的三条曲线的空气析出比为零，腔内无空气析出.吸油短孔直径小于临界值时(曲线 2～4)，当腔内压力降低于空气分离压后(见图3)，开始析出空气，随着柱塞速度增加，腔内析出空气不断增多.在缸体转角超过 9O。之后(105。、108。、115。)，腔内压力降至最低，空气析出比达到峰值，随后空气析出比快速减小(对比图3，此时腔内压力缓慢升高)，表明腔内析出的空气重新溶解人油液中，当析出空气完全溶解入油液时，腔内压力开始迅速回升(见图3).工作腔内有空气析出时，腔内压力曲线和空气析出比曲线不再沿缸体转角90。对称，曲线整体向后移动。

4 柱塞工作腔流场仿真根据遗传算法的优化结果，建立短孑L直径为临界值时的工作腔流场模型.将工作腔与短孔流瞅化为轴对称圆柱体，建立柱塞上死点位置即缸体转角 O。时的二维流场模型如图5所示。

进油口短孔流场区域柱塞移动壁面中心对称轴 工作腔流场区域图5 缸体转角 0。时工作腔流场模型5 Cylinder chamber flow field model with rotationangle0。

利用动网格技术，将柱塞正弦运动速度规律导入移动壁面，油液参数表1已设定.采用 湍流模型和气穴模型，进油口表压为 0.各项收敛残差设为1O-，并监视进油口速度，当每步进油口速度基本无变化时，即可判断此步计算结果收敛。

在Fluent模型中，没有空气分离压的概念，气穴模型[8]中的溶解空气体积分数是指在标准大气压下其值为0.1，以标准大气压为基准，其变化规律符合理想气体定律，当压力降低时，空气体积分数增加.此值表示空气体积分数的多少，并不说明空气以溶解状态或者析出状态存在.而在 AMESim模型中，油液空气析出数值在空气分离压与饱和蒸汽压之间按近似亨利定律变化，若油液压力低于空气分离压，则油液中溶解的空气开始析出，两仿真模型在此有所差异。

图6所示为缸体转角 90。(即柱塞运动速度最大)时，流场压力与空气体积分数分布云图.柱塞壁0 O 0 O O 0 O 0 O 。