入口压力对转套式配流系统空化的影响

刘瑞璟，张铁柱，张洪信，赵清海，杜善霄

(1.青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心，山东青岛 266071; 2.青岛大学机电工程学院，山东青岛 266071)

引言

往复柱塞泵作为液压传动系统常用的动力来源，在车辆、工程设备、油气输运及气泵站等场合广泛应用[1-3]。目前往复柱塞泵大多采用单向阀或者电磁阀进行配流，单向阀借助泵腔真空度开启，存在明显节流损失和滞后，降低了往复泵的容积效率；电磁阀式配流必须加装额外的测控装置，以保证阀芯与柱塞运动同步，结构复杂，制造成本高；另外阀式配流系统的工作频率对容积效率影响较大[4-7]。转套式配流系统利用柱塞的往复直线运动，驱动转套单向转动实现配流，各种工作频率下转套配流口接通泵腔的时刻与柱塞的往复移动完全同步，且结构紧凑、节流损失小[8-9]。液压系统在吸油起始阶段存在较大负压，空气或蒸汽从油液中分离出来，出现两相共存的状态，产生空化[10-12]。空化现象会降低系统的容积效率，引起强烈的振动和噪声，严重影响系统的正常工作[13-14]。张延君、姜晓天等以水为工作介质，分析了配流口结构、转套凸轮槽型线等对控制容积流场分布的影响[15-17]，也对转套式内部的空化进行了系统研究[18]，并基于上述研究成果对U形减振槽结构进行了优化[19]。

上述研究未涉及入口压力对转套式配流系统空化的影响。入口压力经常随工作场合和运行过程波动而变化，是往复柱塞泵的重要设计参数，其变化会改变转套式配流系统内部流场的压力分布，影响系统空化性能。本研究以46#液压油为工作流质，对配备线性型线内凸轮槽、U形减振槽结构的转套式配流系统的空化特性随入口压力的变化进行针对性深入研究，以把握转套式配流系统的工作特性，为转套式配流系统的实际应用提供理论依据。

1 转套式配流系统空化模型

转套式配流系统整体结构与工作原理如图1所示，流体域仿真模型如图2所示。转套内侧配备环形封闭的线性型线凸轮槽，柱塞、挡销置于转套内，同时挡销在压紧弹簧作用下与凸轮槽保持配合；配流系统由外部动力通过曲轴连杆机构驱动，使柱塞作往复直线运动，并通过挡销驱动转套作周向转动；凸轮槽径向深度随型线沿程变化，并且上下止点处设置阶跃，以保证转套连续单向转动，柱塞上行时转套上的配流口与进油腔接通吸油，柱塞下行时配流口与排油腔接通排油，实现连续配流功能。

1.导套 2.盖板 3.进油腔 4.内凸轮槽 5.进油口6.配流口 7.减振槽 8.泵腔 9.柱塞 10.转套 11.出油腔12.出油口 13.挡销 14.压紧弹簧 15.泵体 16.曲轴17.连杆 18.传动销 19.转套式配流系统图1 转套式配流系统结构原理图

1.油膜间隙 2.进油腔 3.进油口 4.泵腔5.排油腔 6.排油口 7.配流口 8.减振槽图2 转套式配流系统流体域仿真模型

利用Fluent软件中的UFD(用户自定义函数)定义柱塞与转套的运动特性，应用Mixture(混合模型)、RNGk-ε湍流模型和SIMPLE压力速度耦合，设置动网格、滑移网格进行仿真计算，仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

液压系统中的空化过程如下：液压油在进入转套式配流系统前，即溶解有约40 ppm的空气。液压油流经系统低压位置时，如压力低于油液的空气分离压，则空气析出并合并为大气泡，产生空化现象；压力如进一步降低到油液的饱和蒸气压，则油液相变蒸发为油蒸汽，空化现象加剧。油气混合物流经系统高压位置时，部分油蒸汽相变凝结为油液，部分空气溶解到油液中，过程伴随气泡压缩甚至溃灭，产生气蚀现象。

目前常用的空化模型均由空泡动力学(Rayleigh-Plesset)方程推导而得。考查无界液体中的一个球形空泡，泡内均匀充满不凝性气体和液体蒸汽，泡外为均质液体，对Rayleigh-Plesset方程进行简化，忽略二阶项、液体黏度及表面张力对球泡生长的影响，Rayleigh-Plesset方程可简化为：

(1)

式中，R—— 球泡表面半径

pb—— 泡表面压力

pc—— 局部远场压力

ρ—— 混合气体密度

21世纪初CFD空化模型发展迅速，其中最典型的是2001年SCHNERR、2002年SINGHAL、2004年ZWART提出的3种模型，并受到广泛关注[20-22]。Singhal空化模型考虑全面，涉及湍流压力波动、气泡运动、液体表面张力及不可凝气体含量等对气相变化的影响，因此选取Singhal空化模型对转套式配流系统进行空化仿真。仿真相关计算如下：

工作介质为液体、液体蒸汽和不凝性气体的混合物，则混合物密度ρm表达式为：

(2)

液体和不凝性气体的体积分数可分别表示为：

(3)

αl=1-αv-αg

(4)

气液传质的蒸发率和冷凝率为：

(5)

(6)

式中，ρg—— 永久性气体密度

ρv—— 气相密度

ρl—— 液相密度

fg—— 永久性气体质量分数

fv—— 蒸汽质量分数

p—— 液体压力

σ—— 液体表面张力系数

k—— 局部湍动能

Ce，Cc—— 经验系数，Ce=0.02，Cc=0.01

2 入口压力对空化的影响

转套式配流系统的空化现象主要发生在进油初始阶段，对转套式配流系统进油阶段的空化现象进行仿真计算，并考察最大气体体积分数、空化占比随入口压力变化的规律。

最大气体体积分数体现空化的强度，最大气体体积分数越大，空化强度就越大。定义为一个工作周期内空化产生气体的最大体积与流体域体积之比：

(7)

式中，Vgmax—— 最大瞬时气体体积，m3

V—— 系统总体积，m3

最大气体体积分数随入口压力的变化如图3所示。随入口压力增大，配流口与泵腔内的最大气体体积分数均呈现减小趋势。配流口处在入口压力为0.1 MPa时最大气体体积分数为8%，入口压力高于0.4 MPa后，最大气体体积分数减小至5%以下；进油时，因泵腔处于系统中压力最低处，泵腔内的空化程度较配流口大，入口压力为0.1 MPa时其最大气体体积分数高于27%，入口压力增至0.8 MPa后，最大气体体积分数小于15%，空化强度下降明显。

图3 最大气体体积分数与入口压力的关系

为了进一步分析转套式配流系统的空化特性，引入空化占比的概念。空化占比越大，空化现象持续的时间越长，空化影响就越大。定义为空化持续的时间与系统周期之比：

(8)

式中，tc—— 单个工作周期内空化持续时间，s

T—— 工作周期，s

空化占比随入口压力的变化趋势如图4所示。配流口与泵腔内的空化占比随入口压力的增大而减小，当入口压力大于0.7 MPa时，两流体域的空化占比均下降到10%以下，因此提高入口压力能够减少空化在系统中持续的时间。

图4 空化占比与入口压力的关系

仿真计算结果表明，适当提高入口压力能够降低空化强度，延迟产生空化或提前结束空化现象。

3 试验验证

转套式配流系统试验在YST380W型液压综合试验台上进行，试验平台由驱动系统和控制系统2个部分组成，系统试验平台如图5所示。试验台最大供油压力为3 MPa，负载压力可在工作范围内进行无级调节，工作介质为ISOVG46抗磨液压油。转套式配流系统实体样机如图6所示。

1.驱动电机 2.数字显示区 3.电脑显示区 4.控制面板 图5 液压试验平台

1.曲轴 2.连接轴 3.连杆 4.柱塞 5.导套6.盖板 7.进油口夹板 8.进油口 9.轴承座10.底座 11.转套 12.出油口夹板 13.出油口 14.泵体图6 转套式配流系统实体样机

实体样机的泵体采用透明光敏树脂材料，转套采用高强度尼龙材料。考虑到结构强度，设定出口压力为2 MPa，设定转速不高于500 r/min，调节入口压力进行试验。最低入口压力设定为0.1 MPa，以0.3 MPa为压力间隔逐步增大入口压力至1 MPa，对转套式配流系统的容积效率进行测定。

容积效率是衡量转套式配流系统工作效率的重要指标。空化产生的气体会阻碍液体的进入，减小有效容积。容积效率表示为：

(9)

式中，Qc—— 实际输出流量

Qt—— 理论输出流量，m3/min

容积效率随入口压力的变化的试验数据如图7中“试验监测”曲线所示，各工况的容积效率均在89%以上。随入口压力升高，系统容积效率单调递增，入口压力大于0.7 MPa时，容积效率高于92%。

图7 容积效率试验与仿真结果比较

试验值与仿真分析容积效率对比如图7所示。试验测得容积效率变化趋势与仿真结果基本一致，但试验值低于仿真模拟值，最大误差为3.2%。误差原因是在仿真分析时，未考虑剪切作用对空化特性的影响；液压油不可避免的溶有一定气体，实际气体既能溶解也能够混入液体中，而Fluent仿真中油液不溶有空气，是纯粹的液压油，现有的空化模型可以模拟空气的混入，但缺少气体在液体中溶解的机制，所以无法准确模拟空气在油液中的溶解与析出，导致模拟空化现象与试验情况略有不同。

仿真值与实测值有所偏差，但整体趋势基本一致，通过空化特性试验验证了配流系统空化现象的存在，且证实了入口压力对系统空化性能的影响。现有的空化模型仅在一定程度上适用于配流系统空化的仿真研究，为匹配实际油液中不凝性气体溶解与析出的性质，开发适配转套式配流系统的新型空化模型是未来研究工作的重点。

4 结论

仿真结果表明，入口压力的增大能够降低转套式配流系统内部流场的空化程度。随着入口压力的增大，转套式配流系统的最大气体体积分数和空化占比逐渐降低，容积效率提高。

通过试验验证了在适当入口压力下，转套式配流系统容积效率较高，系统的容积效率变化趋势与仿真变化趋势基本一致。由于转套与泵体之间存在的剪切作用和空化模型适应性等原因，试验容积效率略低于仿真数据，最大误差为3.2%。

进一步分析了配流系统内部流场，对抑制空化的相关参数提供了研究方向，为转套式配流系统的实际应用提供了理论依据。为匹配不凝性气体溶解与析出的性质，开发符合实际油液特性的新空化模型是未来研究工作的重点。