CFD技术在轴向柱塞泵和马达开发中的应用分析

杨豪虎 张娴

摘要：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。

Abstract： This paper mainly introduces the practical application principle of CFD technology， and based on the relevant data of computational fluid dynamics， analyzes synthetically the development and research process of axial piston pump and motor， the model test and numerical test of the Axial Piston pump and motor in an industrial production structure were carried out.

关键词：CFD技术;轴向柱塞泵;马达;动态网格;数学模型

Key words： CFD technology;axial piston pump;motor;dynamic grid;mathematical model

中图分类号：TH137.51                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0081-02

0  引言

近幾年来，我国经济实力和科学技术层次不断有所提升，而随着科学技术的发展，流体力学的数据应用和模型计算被广泛的运用在航空航天、自然能源的开发、建筑行业的技术提升以及船舶船只的运行系统优化等方面上，其技术功能和适用范围对相关行业有所提高，起到了重要的作用。

1  CFD技术在轴向柱塞泵和马达开发中的应用原理

在轴向柱塞泵和马达的设备运转作业过程中，由于缸体进行高速的旋转，导致轴向柱塞进行反复的技术运动，最终使轴向柱塞泵中的油液的流动范围不断进行形态变化。而柱塞内部结构腔中的压力被不断挤压、变换，因此除了设备运转产生摩擦型态，被认为是层流状态以外，大部分的流动区域皆呈现油液的湍流型态，最终导致内部结构的局部区域产生空化现象。为此技术人员可以使用CFD技术，针对轴向柱塞泵和马达的结构状态和油液流动模式进行数据模拟，以此探索其结构的流动特性和压力特性，从而从根本上优化结构配流的整体形态模式，以此实现在相同工作状况下尽可能的降低压力冲击和气流侵蚀现象[1]。在实际试验时，技术人员首先需要忽视轴向柱塞泵和马达结构中的滑靴副、柱塞副等位置的油液测漏问题，其中油液在轴向柱塞泵和马达结构内部形成固定的流动区域，其中流动区域的确定主要由区域内部固定的低压区域、固定的高压区域、固定的配油流副油区域以及设备运转时，轴向柱塞泵内部的塞腔区域等组成。比如：油液自身结构、内腔空气以及油液产生的油蒸汽等，因此进行数据分析和模型试验过程中，通常会使用流动范围比较均匀，自身结构型态比较复杂的混合型态进行试验分析。所以，想要针对轴向柱塞泵和马达内部油液流动特性进行理论性描述，除了需要结合多项流动的连续方程式以外，还需要根据结构数据进行湍流模型和空化模型的建立。

由于轴向柱塞泵和马达结构中，油液流动区域范围的进口和出口，其结构边界通常会设置为压力的总相出口，以此实现油液湍流现象充分的发展，但是并不出现空化现象。其中在进行油液流动区域中，柱塞腔内油液反复运动的端面数据，需要按照油液运动的规律确定运动壁面系数，保证其他边界认为其运动模式属于无滑移模式[2]。为了有效的针对轴向柱塞泵和马达进行应用开发，技术人员可以使用通用类型的CFD技术软件，并且根据两者数据试验和模型进行结果计算，然而常见的通用类型一般是在物理模式下，有限体积探索方式和有限单元探索方式作为基础，其中包括：油液的湍流数据模型与多相流等多重丰富的流体力学模型，而软件结构中的离散方程模式，由于其数据的计算方式和方法十分丰富，多种多样，且数据的计算准确度和精准程度较高，因此非常适合专业人士进行系统操作和技术使用。

为此，经过技术人员和研发人员的不懈努力，CFD技术对于常见模式下，斜盘模式、斜轴模式的轴向柱塞泵与马达，可以有效的针对内部结构平面内，配流副流膜流动区域数据进行相关计算，极大的减少了开发的失误率，但是依靠目前的科学技术，还未能把球面配流副油膜、柱塞孔洞以及轴向柱塞泵结构中的主轴夹角问题进行解决[3]。

2  CFD技术的应用特点

CFD技术由于自身的技术结构特点和应用范围，自身具备较强的技术适应性、应用范围较广。

第一，因此在设备与机械马达结构的开发中，通常轴向柱塞泵和马达两者结构问题的系数方程通常是非线性的，因此公式系数中，自变量与计算领域产生的几何形状以及其边界构成条件比较复杂，如果不经过严谨的计算，很难进行数据的解析。但是使用CFD技术可以有效的利用系数公式，寻找到满足轴向柱塞泵和马达开发过程中，所需要的数值解。第二，对于轴向柱塞泵和马达的开发工程过程中，还可以利用计算机作基本的数据支持，从而进行各种相关的技术试验。比如：在两者进行开发时，技术人员可以根据马达的实际需要，进而选择不同流动数据以及相关参数，进行各项数值的相关试验。在实际进行方案开发时，需要选择不同数据参数，有利于物理方程系数结构中，各项有效性数据的建立和开发公式数据敏感性的试验，从而进行开发和建造方案的比较[4]。第三，在轴向柱塞泵和马达开发的过程中，使用CFD技术，可以不受物理数据模型和试验模型的条件限制，尽可能的减少研究经费和研究实践，同时利用CFD技术，一定程度上具备较强的数据灵活性，并且通过技术人员的数据探索和试验，可以第一时间总结出详细且完整资料，比如：在实际开发试验中，技术人员通过模拟轴向柱塞泵和马达的特殊尺寸、温度、是否具备毒性、材料是否易燃烧等真实条件，以及在实际环境实验中，只能无限接近但是无法达到的理想试验环境条件。

但是在轴向柱塞泵和马达开发中使用CFD技术，其自身也存在一定的发展和试验局限性。

第一，对于CFD技术来说，数值解算法其自身是一种计算出近似数据，并且数据整体模式接近于离散的计算方法。在实际的开发试验过程中，过度的依赖于物理结构上的合理性和科学性，同时CFD技术在进行数据试验和探索时，需要首先依靠计算机进行数值的计算和确定，随后以此作为基础，建立离散的数学模型，并且最终过的试验结果并不能利用任何模式的数字解析或者公式进行表法，唯一可以作为体现的是公式结构，离散点上的数值解，并经常出现数据上的计算误差。第二，由于CFD技术在整体实验过程中，不像物理模型实验，在试验的初期就可以详细的制定出数据的流动现象，并且根据数据走向进行理论定性的信息描述，往往需要技术人员根据轴向柱塞泵和马达的实际开发需要，针对原体进行数据观测，或者建立相关的物理模型，为实验提供某些流动数据参数，同时以此作为信息基础，建立相应的数学模型进行相关理论验证。第三，在使用CFD技术进行轴向柱塞泵和马达开发过程中，技术人员需要根据开发的具体程序，以及程序编写所需要的实际运行数据和信息材料的采集、分析与合理使用，然而这样操作一定程度上依赖技术人员自身的工作经验和开发试验技巧[5]。

3  CFD技术在轴向柱塞泵和马达开发中的实际应用

针对生产厂家，针对轴向柱塞泵结构产品中，出现的噪声和气体腐蚀问题，技术人员针对轴向柱塞泵结构中的配流盘结构进行相关调整，并且利用CFD技术进行功能和结构改良，同时根据改良前和改良后，机械运转情况进行详细的数据分析。其中轴向柱塞泵在正常运转过程中，自身转速为2200转每分钟，其进口压力值为0.1帕，出口压力数值为28帕，而配流副油膜自身的结构厚度达到了20UM，斜盘倾斜角度数值为16度，轴向柱塞泵内部结构油液的密度为800千克每立方米，结构内的饱和型态蒸汽利压力数值为400帕，导致结构中，空气平均所含分子数量为28，油液结构中分子量为300，如果单位之间内转子转动的度数1度，那么运行期间，转子需要转动1080度，其中每个时间段所产生的迭代进行数据计算，其收敛数值残缺和误差需要控制在0.1左右。根据轴向柱塞泵和马达运行后，产生的相关数据可以得知，当所产生的数据和信息进行第二周期的计算流程时，柱塞腔内部的压力数值变化基本区域稳定状态，尤其是当轴向柱塞泵内部结构中，柱塞腔从吸油区域进入到排油区域后，所测试的两种配流模式均出现了较大浮动的压力變化，其冲击数据产生的曲线波形，型态基本一致，并且设备进行快速运行且时间较长时，内部峰值压力远远超过了轴向柱塞泵出口压力的额定数值，由此可以得知，在实际的轴向柱塞泵功能数据试验时，可以观察到产生的压力数值想要进行平缓过渡，以上两种高压类型的减震区域方案设计皆不甚理想[6]。

轴向柱塞泵和马达在运转过程中，所产生的气体腐蚀问题，主要形成原因是由于空气在空化过程中，会产生大量的空气气泡，导致油液流动区域产生的蒸汽泡流动到高压区域的零件表面附近，并且一旦产生破裂会产生大量的冲击力，因此通常根据这样的油液流动环境和实际情况，技术人员会认为一旦冲击力数值所产生功率超过5*108瓦时，市面上常见的且没有经过表面强化技术处理的材料，表面会存在大量气体腐蚀的风险。根据实验测试产生的相关信息数据可以得知，当轴向柱塞泵结构中的缸体角度转动了13度时，采用的常见测试方式需要根据泵内油液流动区域，产生空化破坏性功率的实际分布情况，并且根据相关数据可以得到相关结论：由于缸内结构的特殊性，通常易腐蚀区域会出现在柱塞体内部腔的锥形表面，并且一般产生在缸体流配窗结构附近，以及低压力区域的减震槽附近。同时为了有效的检测出设备空化情况，技术人员应该使用至少两种测试结构，针对配流盘内部空化的强弱程度进行对比，并且以此作为基础，对油液主要流动区域产生的气体体积总含量，进行相关分析。

4  结束语

由此可见，通过使用CFD技术针对轴向柱塞泵和马达在实际运转和使用过程中，产生的内部油液异常流动和空化等相关问题，进行数据分析和模型建立，以此实现为我国工业生产的新纪元。

参考文献：

[1]肖刚，李正祥.轴向柱塞泵配流副压紧系数技术及试验研究[J].液压气动与密封，2019，039（009）：15-19.

[2]张晋，龚学知，胡建军，等.轴向柱塞泵配流分析用湍流模型探析[J].机械工程学报，2018，054（018）：204-211.

[3]卫昌辰，王凯丽，赵帅贵.轴向柱塞泵配流副润滑特性分析[J].现代机械，2019（006）：25-27.

[4]毛飞宇，何士举，王雷，等.双侧驱动轴向柱塞泵/马达配流副摩擦转矩影响因数分析[J].科学技术与工程，2019，019（034）：157-162.

[5]张鑫杰，谌炎辉，周知进.虚拟样机技术在轴向柱塞泵仿真分析中的应用[J].机床与液压，2019，47（09）：151-155.

[6]邓海顺，许攀，黄然，等.轴向柱塞泵/马达磁性滑靴副电磁特性分析[J].系统仿真学报，2018，30（10）：284-291.