轴向柱塞泵平面配流副润滑特性及其参数优化

摘要

轴向柱塞泵由于结构紧凑、功率密度大、寿命长等独特优点在流体动力领域得到了广泛应用。然而，过度磨损和内泄漏严重影响柱塞泵的寿命与容积效率，这取决于泵内三对关键摩擦副的运行状况，尤其是各运动摩擦副建立的润滑油膜的特性。油膜对柱塞泵性能十分重要且机理复杂，它是流体传动与控制相关研究的热点与难点。因此本学位论文研究关键摩擦副之一的配流副的油膜特性，为轴向柱塞泵的创新设计提供一定的理论参考。 本学位论文在仿真与试验分析油膜成型特性的基础上，提出了一种配流盘密封带油膜形态的算法。该算法用一组试验膜厚值代替油膜方程数值求解中的节点值进行计算，计算结果可用来预测配流副楔形油膜的分布规律。为了获得准确的配流副泄漏量，提出了楔形膜配流副泄漏的数学模型。这一模型考虑了缸体倾侧和配流盘结构对密封缝隙层流的影响，将楔形油膜参数化，以建立油膜形态与泄漏量之间的对应关系。不同配流副结构和工况下的仿真和试验结果对比表明，油膜厚度20μm时配流副占总泄漏约35％，基本能满足三类关键摩擦间泄漏分配的要求；油膜厚度在5～15μm时油膜稳定性好，可作为配流副间隙合适的范围。静、动态泄漏仿真与试验结果基本吻合，由此可知本文提出的泄漏模型对配流副泄漏特性的描述正确，计算结果为柱塞泵内泄漏的最优分配比提供了参考。论文首次在配流副结构优化中加入润滑油膜特性参数的约束条件，可成为柱塞泵优化设计的重要组成部分。相比于以往未考虑润滑油膜的优化设计研究，本文的优化计算结果除了满足配流副正常工作的必要条件外，理论计算可以使配流副泄漏减小、油膜刚度增大，从而提高轴向柱塞泵的容积效率与寿命。 第一章，介绍了轴向柱塞泵的优势与当前的技术难点，论述了配流副在该类泵中的功能、失效形式，分析了本学位论文研究配流副润滑油膜的目的和意义。 第二章，对配流副试验装置的液压系统进行了AMESim建模，仿真了配流副间隙变化的动态特性。实测了配流副的油膜厚度，提出了一种配流副油膜形态的算法。该算法将试验膜厚值用于油膜方程的求解中，计算结果可预测配流副楔形油膜的分布特征。 第三章，基于圆盘缝隙流动的Reynolds方程推导了配流盘密封带的压力计算式，并根据计算精度要求获得了压力线性化分布的适用条件。运用CFD软件数值解析了油膜的压力、速度及温度场分布。 第四章，提出了楔形油膜的配流副泄漏的数学模型，该模型考虑了缸体倾侧和配流盘结构的影响，建立了楔形油膜与泄漏量之间的对应关系。对不同工况下配流副的泄漏量仿真结果进行了试验验证，并获得了它在柱塞泵总泄漏中的分配比。 第五章，研究了配流副摩擦转矩特性及对柱塞泵机械效率的影响，在不同工况下实测了配流副的摩擦转矩，结合缸体转动周期讨论了其变化机理。测试了配流副支承力在不同油膜厚度、转速下随供油压力的变化关系。 第六章，将润滑特性参数作为新增的约束条件，对配流盘密封带进行了优化计算。计算结果表明可以使配流副泄漏减小、油膜刚度增大，可为柱塞泵摩擦副的优化设计提供一定的参考。 第七章，对本文研究的主要结论进行了归纳，对今后的研究工作提出了展望。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号清单

声明

致谢

1绪论

1.1概述

1.2论文研究目的与意义

1.3国内外研究进展

1.3.1轴向柱塞泵发展

1.3.2国外研究进展

1.3.3国内研究进展

1.3.4文献综述结论

1.4论文研究内容

1.5小结

2轴向柱塞泵平面摩擦副间隙位移控制系统及油膜形态

2.1概述

2.2配流副润滑模型及主控参数分析

2.3电液反馈系统的工作原理

2.4基于伺服比例阀控制活塞腔的数学模型

2.5电液伺服阀的膜厚反馈控制特性仿真

2.6油膜动态检测试验

2.6.1油膜试验系统原理

2.6.2油膜平衡与成型试验分析

2.6.3密封面上测试点的膜厚跟踪

2.7基于实测结果的油膜成型方法初探

2.7.1润滑方程及其差分数值求解

2.7.2基于差分运算的油膜分布修正

2.8结论

3平面配流副油膜体流场解析与数值模拟

3.1概述

3.2基于圆盘缝隙流的配流副压力场解析

3.2.1配流副润滑模型

3.2.2压力分布方程及求解

3.2.3密封带压力分布计算与分析

3.3油膜体流场数值模拟

3.3.1 CFD基本方程及离散差分模型

3.3.2油膜区二维流场CFD算例

3.3.3油膜区三维流场CFD算例

3.4小结

4平面非全周连续腰形槽配流副泄漏量的研究

4.1概述

4.2平面配流副泄漏流动模型

4.3两种油膜的泄漏量方程

4.3.1平行油膜体的泄漏量方程

4.3.2楔形油膜体的泄漏量方程

4.4泄漏量方程求解分析

4.4.1两种泄漏模型的算例

4.4.2两种配流盘结构的泄漏量特性

4.4.3密封带尺寸优化

4.4.4中心角对泄漏量的影响

4.4.5泄漏量的动态特性

4.5泄漏量的试验研究

4.5.1试验装置

4.5.2实时泄漏测试

4.5.3膜厚对泄漏量关系的测试

4.5.4油温对泄漏量关系的测试

4.6配流副泄漏对整泵的效率分析

4.7小节

5轴向柱塞泵平面配流副机械特性

5.1概述

5.2配流副工作原理与受力分析

5.3配流副摩擦转矩的理论模型

5.4配流副摩擦转矩算例分析

5.5配流副摩擦转矩试验

5.5.1转矩测试系统

5.5.2不同膜厚下的动态转矩测试

5.5.3膜厚对摩擦转矩的影响测试

5.6平面配流副支承力特性试验

5.6.1支承力计算模型

5.6.2楔形膜的密封带支承力分析

5.6.3配流副支承力试验

5.7小结

6基于润滑特性参量的平面配流副参数优化

6.1概述

6.2优化模型的建立

6.2.1配流副受力与结构分析

6.2.2缸体对配流盘的压紧力和压紧力矩

6.2.3配流副间的反推力和反推力矩

6.2.4配流副间压强计算

6.2.5配流副的泄漏量

6.2.6配流副润滑油膜刚度

6.3配流副优化参数设定

6.4优化计算的约束

6.4.1优化计算中的自定义变量

6.4.2目标函数

6.4.3约束函数

6.5优化设计计算程序

6.6优化计算结果及分析

6.6.1配流副初始尺寸设定

6.6.2优化结果及分析

6.7本章小结

7总结与展望

7.1主要研究结论

7.2创新点

7.3研究工作展望

参考文献

作者简历及在学期间取得的科研成果