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基于CFD的柱塞泵动态性能仿真分析作者：尹锦锋杨宏斌来源：《山东工业技术》2015年第06期摘要：该文以轴向柱塞泵的配流盘为研究对象，运用CFD技术对配流盘结构和尺寸参数对泵内部液体的动力学特性以及泵的输出性能的影响进行研究，得到配流盘阻尼槽结构与柱塞泵流量脉动及压力冲击的参数化关系，仿真模拟证明了计算流体力学进行轴向柱塞泵动态性能仿真的有效性。
关键词：柱塞泵，配流盘，CFD技术，三角槽0 前言轴向柱塞泵具有体积小、传递功率大（高压力和高转速）、变量控制方便、效率高、寿命长等优点，因此在现代工程机械液压系统中，几乎都采用轴向柱塞泵作为油源[1]。
该文运用CFD技术成功地搭建了基于计算流体力学的轴向柱塞泵动态性能仿真模型。
分析了配流盘卸荷槽尺寸对柱塞泵性能的影响，对其结构的优化设计有重要意义。
1 轴向柱塞泵的结构特点伴随着液压系统对齿轮泵高效率、高可靠性、高功率密度（高压、大排量）的发展要求，柱塞泵额定工作压力不断提高，高压或超高压柱塞泵配流过程中的油击和噪声问题已经严重限制了柱塞泵的发展[2]。
解决斜盘式轴向柱塞泵配流过程中的油击和噪声问题的主要解决方案为：在高、低压腔间隔的闭死密封区开卸荷槽，使得转子上吸满低压油的工作腔在进入高压排油区的过程中，油液压力均匀升高至排油压力，同等油液压力的液压油接触即不会产生油击现象；同理，转子上的工作腔完成排油历程后，使得工作腔内的油液压力均匀下降至吸油口油液压力。
因此，为解决斜盘式轴向柱塞泵配流过程中的油击和噪声问题，需研究配流盘的工作原理及其卸荷槽结构的设计方法。
2 建立轴向柱塞泵配流动态模型本模型的主要研究对象为轴向柱塞泵的配流盘结构和尺寸参数对泵内部液体的动力学特性以及泵的输出性能的影响，因此建模的重心放在配流盘的配流作用上[3]。
配流整体几何结构用UG建立，图1为轴向柱塞泵配流3D模型，模型设计为9柱塞式轴向柱塞泵。
3 基于Fluent的轴向柱塞泵配流性能分析运用网格划分软件对三角形卸荷槽区域的网格进行局部细化，以提高计算精度。
柱塞泵多目标优化设计及 CFD 仿真分析梁德栋;李毅波;潘阳;马俊【摘要】Pump noise is the main noise source of hydraulic systems.To improve characteristics of flow distribution of axial piston pumps,a noise reduction design is proposed.At first,the mathematical model of pressure and flow characteristics are established according to the mechanism of piston pump.The simulation result has shown that piston pump achieves better comprehensive performance at φ0＝4°.Then the non-dominated sorting genetic algorithmⅡ(NSGA-Ⅱ)is adopted to optim ize the structure of the triangular groove.An optimal solution(θ1＝16°,θ2＝85°)can be extracted by analyzing Pareto-optimal.At last,a CFD model is established,and the results obtained from the mathematical model are shown to be well in accordance with the results obtained from the CFD model.The deep causes for pressure pulsation and flow ripple of piston pump can be analyzed by visualization of CFD result.%液压泵噪声是液压系统的主要噪声源,针对轴向柱塞泵的流致振动噪声,提出一种改善泵配流特性的设计方案.首先,根据柱塞泵的工作原理对柱塞腔压力特性和泵出口流量特性准确建模并求解.通过分析压力冲击和流量脉动对错配角(φ0)的响应,得φ0＝4°为佳.利用一种多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ),以减小压力超调量和流量脉动率为目标,对三角槽结构进行了优化;并获得该多目标优化问题的Pareto最优解集,通过对最优解集的分析知,深度角θ1＝16°且宽度角θ2＝85°时较为理想.最后,为了验证模型的正确性,建立流体域计算流体动力学(CFD)模型,对比两种模型计算结果发现吻合较好,能够相互验证.利用CFD分析结果可视化的特点,从柱塞泵流场的角度,进一步分析了泵压力冲击以及流量脉动产生的原因.【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2018(035)003【总页数】6页(P350-355)【关键词】柱塞泵;压力冲击;优化;计算流体力学;可视化【作者】梁德栋;李毅波;潘阳;马俊【作者单位】中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,长沙410083;中南大学轻合金研究院,长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,长沙410083;中南大学轻合金研究院,长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;TH137.511 引言轴向柱塞泵是一种容积式泵，其依靠主轴转动带动柱塞往复运动实现柱塞腔的吸油和排油，从而为液压系统提供高压油液。
Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2023, 12(2), 177-187 Published Online April 2023 in Hans. https:///journal/met https:///10.12677/met.2023.122021柱塞泵出口管线振动模态仿真分析王禄友*，朱 林，李骏瑜，赵婷婷，孙 炜中石油玉门油田分公司环庆分公司，甘肃 庆阳收稿日期：2022年11月4日；录用日期：2023年4月22日；发布日期：2023年4月29日摘要JD 采油厂原油正式外输西部管道以来，外输柱塞泵出口管路振动严重的问题一直未得到有效解决。
在外输期，曾出现过由于管路振动而引起的压力表头脱落、螺栓松动进而发生刺漏的问题，给生产造成了影响，也给安全留下了隐患。
为了分析研究柱塞泵出口管线振动的原因，提出合理的减振方案，降低管线发生共振的风险。
从振动模态分析的角度出发，在CREO 软件中建立出口管线1:1模型，应用ANSYS 软件对管线进行模态分析，求得了不同边界条件下管线的固有频率和模态振型。
对比分析后，结果表明：在现有支撑条件下，前三阶固有频率在工作频率范围内，管线正常工况条件下存在共振的风险；只在回流管弯头处增加支撑，会使低阶固有频率提高至常用工作频率，增大共振风险；在回流管弯头、主管线单流阀和闸阀之间均增加支撑，可有效提高管线固有频率，降低共振风险；另外，验证增加软连接管的措施是有风险的。
关键词柱塞泵，管线振动，模态分析Vibration Modal Simulation Analysis of Outlet Pipeline of Piston PumpLuyou Wang *, Lin Zhu, Junyu Li, Tingting Zhao, Wei SunHuanqing Branch of CNPC Yumen Oilfield Company, Qingyang GansuReceived: Nov. 4th , 2022; accepted: Apr. 22nd , 2023; published: Apr. 29th , 2023AbstractSince JD Oil Production Plant exported crude oil to the west, the problem of serious vibration in the outlet pipeline of external plunger pump has not been effectively solved. During the external*第一作者。
水压轴向柱塞泵流量脉动动态仿真邓 斌,刘晓红,王金诺,柯 坚Dyna mic Simulation of the Flo w Fluctuation in WaterHydraulic Axial Piston PumpDeng Bin,Liu Xiao -hong,Wang Jin -nuo,Ke Jian(西南交通大学机械学院,四川成都 610031 电话:(028)86467950)摘 要:流量脉动是影响水压轴向柱塞泵性能的重要因素之一。
文章运用C FD 仿真技术对引起水压轴向柱塞泵流量脉动的配流过程进行了可视化分析,得到了不同转速和负载下的流量脉动率,为水压泵的研究开发提供了参考。
关键词:水压技术;轴向柱塞泵;动态仿真;流量脉动中图分类号:TH137 5 文献标识码:B 文章编号:1000-4858(2004)01-0031-041 概述随着人们环保意识的增强和可持续发展的要求,以天然水为工作介质的水压系统及其技术逐渐成为液压行业的研究热点。
水压泵作为水压系统的关键元件,其性能的优劣直接影响其应用。
而流量脉动又是衡量泵性能的关键指标之一,并且减小水压柱塞泵配流过程中的流量脉动对降低压力冲击和噪声有着十分重要的意义。
本文采用CFD 仿真技术对水压轴向柱塞泵配流过程进行可视化仿真,分析配流过程中的流量脉动,为改进水压轴向柱塞泵的结构和性能提供依据。
2 水压轴向柱塞泵的几何模型和计算条件2 1 几何模型的建立与网格划分图1为某典型定量轴向柱塞泵的工作原理图,它主要由柱塞、缸体、滑靴、斜盘及配流盘等组成。
由于滑靴部分对流量脉动影响很小,可将几何模型进行一定的简化。
简化后几何模型的主要参数如表1所示。
图1 水压轴向柱塞泵简图常规油压柱塞泵封油形式采用 负开口 ,开口角度 在-1 < <0 范围内,这样不仅可以消除困油现象,而且可以减小压力和流量脉动,起到缓冲和消振的作用。
本文以配流盘封水形式为 负开口 ,开口角度为-1 的水压泵为例进行分析讨论。
表1 水压轴向柱塞泵几何模型主要参数参 数取 值柱塞个数z 9柱塞直径d22mm 密闭容积初始长度l 040mm 柱塞分布圆半径R 37mm 配流窗口内径r 132mm 配流窗口内径r 242mm 吸水口大端直径d 132mm 吸水口小端直径d 216mm 排水口大端直径d 322mm 排水口小端直径d 412mm 吸排水口长度l let 60mm 配流盘厚度z 15mm 斜盘倾角15 8收稿日期:2003-07-11作者简介:邓斌(1964 ),男,湖北荆门市人,副教授,硕士,主要从事机械设计与机电液和水压驱动技术的教学和研究工作。
由于运用C FD 软件进行流体分析时,只需考虑流体部分的流动,根据这一原则,仅取流体区域来建立水压轴向柱塞泵的模型。
本例运用有限体积法将模型划分为74820个六面体单元。
89247个节点,所得模型网格结构如图2所示。
图中大腰形槽上端九个直径相同的圆柱部分代表缸体中柱塞腔内密闭的工作容积,大腰形槽代表配流盘上的腰形槽,其他由圆锥和圆柱组成的部分代表吸水腔和压水腔的流道内的流体,其中直径较大的代表吸水腔流道,直径较小的代表排水腔流道。
图2 几何模型及其网格划分2 2 计算条件根据天然水的物理特性(如表2),对模型的流体流动状态作如下假设:流体为不可压缩、牛顿流体;通过计算,模型中最小的雷诺数为3200,大于临界雷诺数Re c ri (2000~3000),因此该模型中水的流动状态主要是紊流,可采用k - 紊流模型。
表2 水的物理特性(温度:20 )密度 (kg/m 3)动力黏度(Pas)导热系数k (W/mK)比 热C v (J/kgK)997 560 00088870 620274181 72紊流动能k 为:k =1 5 (U I )2紊流能量耗散 为:=C 0 75k1 5l式中 U 吸水口流速I 紊流强度C 紊流模型中的系数l 混合长度( 入口高度的1/10)。
本文计算中I 取推荐值0 1,C 取0 09,l 取0 001(<0 0032)。
3 移动网格的选择在大多数流体动力学分析中,流体之间的相对运动是由固体元件之间的相对运动引起的。
在C FD 计算方法中,流体之间的这种相对运动主要通过移动网格技术来实现。
这种技术的关键是滑移表面的确定,滑移表面主要有两种:一是规则滑移表面(RSI),二是不规则滑移表面(ASI)。
RSI 技术要求相对滑移表面的网格表面必须完全相同,并时刻保持一一对应关系;而ASI 技术对滑移表面的网格没有这么严格的要求,只要具有相对滑移的表面之间的间隙保持在一定的误差范围之内就可以了。
在本水压轴向柱塞泵的模型中,移动网格是由缸体和配流盘之间、柱塞和缸体等缸体部件之间的相对运动引起的配流盘和柱塞腔内流体区域之间的相对运动。
在水压轴向柱塞泵的C FD 动态仿真计算过程中,由于网格划分比较复杂,不能满足使用RSI 技术的条件,因此柱塞腔内密闭的工作容积随缸体转动不断变化的过程,只能采用ASI 移动网格技术来实现。
由于计算过程中网格是不断变化的,在选择算法时选用瞬态PISO 算法,参数见表3。
表3 算法与差分格式瞬态计算方法PISO 最大迭代步数50残差修正系数0 1压力松弛因子0 25动量方程差分格式LUD4 计算结果4 1 常规计算结果柱塞泵的流量脉动,其常规的数学模型被广泛采用。
为方便分析和比较,利用了流量脉动率计算方法。
通常采用奇数型柱塞泵,其流量脉动率的常规计算公式为:=Q max -Q min12(Q max +Q min )=2tan 24z100%(1)式中 流量脉动率Q max 、Q min 最大、最小流量z 水压泵的柱塞个数实际上,由于泵的柱塞数均大于或等于3,式(1)可简化为:=2tan 24z 2 4z 1 25z 2100%(2)本文中柱塞泵的柱塞个数为9,由式(2)可计算出水压泵与转速和压力无关的流量脉动率为1 54%。
4 2 CFD 方法仿真计算结果本文通过采用移动网格和k - 紊流模型对上述模型三种转速、三种负载压力组合的九种工况下,水压泵内部流体流动状态进行了可视化仿真分析。
柱塞从高压腔进入低压腔和柱塞从低压腔进入高压腔时水压泵容腔内的速度分布见图3。
水压泵的流量变化曲线如图4所示,流量脉动率数据如表4所示。
图3 柱塞泵密闭容腔内速度分布5 结果分析通常人们进行计算时不考虑转负载压力对流量脉动的影响,而且认为:缸体每转一周流量波动次数为z 。
本文由CFD 仿真计算所得流量变化曲线,从图4可以看出: 水压轴向柱塞泵存在流量脉动; 在转表4 流量脉动率转 速r/min 负 载MPa Q averL/mi n Q m ax L/mi n Q min L/min%3000 121 29215821 40373121 0648031 591021 29348221 40649821 0199331 821521 28812821 40643820 9934681 9410000 170 972871 34638270 2438731 561070 972471 34638270 97241 601570 972171 34638270 1969601 6215000 1106 460107 0256105 376411 5410106 45899107 0256105 35531 5715106 45959107 0256105 32891 59数相同的情况下,流量平均值基本上是恒定的; 泵每转动一周就会发生2z 次(z 为柱塞个数)流量波动。
由表4可以看出:转速不同时流量大小有明显的不同,而且Q 1/Q 2=n 1/n 2(Q 平均流量,n 转速);流量脉动率的值均在1 54%和2 0%之间,与常规计算结果基本吻合,但也有所不同。
图4 流量变化曲线受负载压力缸体转速等因素的影响,实际工况下水压泵的流量脉动率也有所不同。
本文在计算时考虑转速和负载压力的影响,所得结果与以往计算结果的不同之处主要体现在:(1)转速相同时,负载压力越高流量脉动越大。
日本液压技术的发展与新动向祁冠芳,虞万海New Development and Approach of Hydraulic Technology in JapanQi Guan-fang,Yu Wan-hai(南京工程兵工程学院机械实验研究中心,江苏南京 210007)中图分类号:TH137 文献标识码:B 文章编号:1000-4858(2004)01-0034-03由于液压技术具有相当突出的优越性,被广泛地用于各种动力的传递。
日本的液压技术是在二次大战后,以引进欧美国家技术为起点而逐步发展起来的,在20世纪60年代中期才开始走上液压装置自行生产的轨道。
随着电子工业等新技术的开发和应用,被称之为 阳光产业 的液压工业走上了可持续发展的道路,进入了发达国家的行列,其液压产品誉满全球。
本文以泵和阀为重点谈谈日本液压技术的变迁及其展望,旨在为我国液压技术的发展提供一点有益的帮助。
1 液压泵的技术开发1)液压技术引进的初期从20世纪40年代初开始,欧美等先进国家,随着建筑机械、船用机械、机械加工等的现代化,液压技术得到了快速发展。
当时的日本技术水平是比较落后的,与先进国家相比,大约晚了20年。
到了50年代前期,开始与欧美国家的液压制造商进行技术合作,进行液压机器的生产。
起初,加工技术十分落后,缺少精密加工手段。
例如叶片泵转子上的叶片槽的研磨和叶片厚度及光洁度的保证,其困难程度超出人们的想象,据说一个厂每天只能勉强装配几台这样的泵。
2)液压泵的高压化技术当初的时候,叶片泵的最高使用压力为7MPa,两级式泵的压力为14MPa。
到了20世纪50年代后期,采用了以双叶片为代表的特殊叶片结构的泵,最高工作压力可达17 5~21MPa。
还有,为了减少叶片对定子的作用力,在叶片根部采用了减压供油方式,使叶片泵的最高工作压力达到了40MPa。
对于齿轮泵,在1961~1965年期间,相继引进了欧美国家的生产技术。
当时欧美国家生产的齿轮泵最高工作压力为14~17 5MPa,而日本生产的齿轮泵最高工作压力仅为7MPa。
1965年以后,欧美国家生产的齿轮泵最高工作压力达到了17 5~21MPa,从此进收稿日期:2003-06-09作者简介:祁冠芳(1952 ),男,江苏建湖人,高级工程师,大学,主要从事液压传动的教学与科研工作。
表明转速对水压泵的流量脉动有一定的影响。
(2)负载压力相同时,转速越高流量脉动越小;高压时这种现象更为明显。
表明负载压力在一定程度上影响水压泵的流量脉动。
(3)泵每转动一周就会发生2z次(z为柱塞个数)流量波动。
