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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。
径向恒流柱塞泵Amesim仿真研究前言我国已近进入了制造业大国行列，但是自主设计和创新设计能力亟待提高。
现代产品的设计要求在尽可能短的时间内以最低的成本推出新的产品，那么只有耕具动态性能指标要求来设计系统，从系统的角度优化设计元件，才能设计出性能优良的产品，满足日益激烈的市场竞争和愈加苛刻的技术要求，增加自主创新能力。
随着国内工业界对设计和研发的要求迅速提高，越来越多的工程技术专家意识到系统仿真在整个产品研发周期中的重要性。
油液控系统的非线形以及研究研制过程耗资巨大，也内人士很早就开始运用仿真和优化手段进行设计。
其中软件包AMESim能够从元件设计出发，可以考虑摩擦，油液和气体的本身特性，环境温度等非常难的建模的部分，直到组成部件和系统进行功能性能仿真和优化，并能够联合其他优秀软件和优化，还可以考虑控制器在环构成闭环系统进行仿真，使设计出的产品完全满足实际应用环境的要求。
AMESim 为多学科领域复杂系统建模仿真解决方案（英文缩写：Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems），引领着世界协同仿真之路。
AMESim提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。
用户可以在AMESim平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。
例如在燃油喷射、制动系统、动力传动、机电系统和冷却系统中的应用。
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工程设计师完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统，所有的这些来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的。
AMESim使得工程师迅速达到建模仿真的最终目标：分析和优化工程师的设计，从而帮助用户降低开发的成本和缩短开发的周期。
AMESim使得用户从繁琐的数学建模中解放出来从而专注于物理系统本身的设计。
动画演⽰各种泵的⼯作原理演⽰说明泵是⼀种在⼯业及⽣活中常⽤的液体输送增压机械，它将机械能转化为势能，除了输送液体外，还可以输送液⽓混合体及含悬浮固体物的液体。
下⾯重点来演⽰说明各种常见泵的⼯作原理。
⼀.齿轮泵齿轮泵不同于常见的叶轮泵，它是采⽤两个齿轮互相开合产⽣的压⼒来输送液体。
齿轮泵的两个齿轮分开时会产⽣低压，液体吸⼊，由壳壁送到另⼀侧。
另⼀侧两齿轮互相合拢，形成⾼压将液体排出。
⼆、多级离⼼泵多级离⼼泵是将具有同样功能的两个以上的离⼼泵串联形成，输出⽔压很⼤。
常见为⽴式结构，也有卧式结构，多级离⼼泵运⾏平稳、振动⼩、寿命长。
多级离⼼泵也是依靠叶轮的旋转获取离⼼⼒，待⽓体密度达到机械真空泵的⼯作范围⽽被抽出，从⽽获得⾼真空。
多级泵是靠容积的变化来实现吸⽓压缩和排⽓的。
三、单级离⼼泵单级离⼼泵⼯作时，叶轮的⾼速旋转产⽣了离⼼⼒。
液体在离⼼⼒的作⽤下产⽣⾼速，⾼速液体经过逐渐扩⼤的泵壳通道，产⽣压⼒。
四、螺杆泵螺杆泵时容积转⼦泵，它是依靠由螺杆和衬套形成的密封腔的容积变化来吸⼊和排出液体的。
⼀个螺杆转动，带动另⼀个螺杆，液体被拦截在啮合室内，沿杆轴⽅向推进，然后被挤向中央排出。
五、往复泵旁路调节往复泵依靠活塞、柱塞或隔膜在泵缸内往复运动使缸内⼯作容积交替增⼤和缩⼩来输送液体或使之增压的容积式泵。
当泵提供的流量⼤于管路需求流量时，要求⼀部分回流到往复泵进⼝，可通过改变旁路阀门的开度，来调节出⼝回流到进⼝处的流量。
六、⽓动隔膜泵⽓动隔膜泵采⽤压缩空⽓为动⼒源，对于各种腐蚀性液体，带颗粒的液体，⾼粘度、易挥发、易燃、剧毒的液体，均能予以抽光吸尽。
⽓动隔膜泵⼯作时为了使活柱不与腐蚀性料液直接接触，将⽓缸腔体与液料⽤隔膜分开，实质也是往复泵的原理。
七、往复泵往复泵⼯作时活塞右移，腔内压⼒降低，将上活门压下，下活门顶起，液体吸⼊；活塞左移，腔内压⼒增⾼，将上活门顶起，下活门压下，液体排出。
⼋、双动往复泵双动往复泵⼯作时活塞右移，左下吸液，右上排液。
厉害了！19种泵的工作原理，看图就懂！泵是输送流体或使流体增压的机械，主要用来输送水、油、矿浆、酸碱液、乳化液、悬乳液、气混合物和液态金属等，是矿业、化工和冶金等行业常见的输送设备，下面小编为大家整理了19种泵（齿轮泵、离心泵、螺杆泵、往复泵、活塞泵、液压柱塞泵、泥浆泵、气动隔膜泵、轴流管道泵、自吸泵、旋涡泵、水环式真空泵、罗茨真空泵、旋片式真空泵、气气增压泵、气液增压泵、蒸汽喷射泵）的动态工作原理和特点，以期对大家在泵的选型和使用方面有一定的帮助。
1.齿轮泵工作原理：齿轮泵的两齿轮的齿相互分开，形成低压，液体吸入，并沿壳壁送到另一侧。
另一侧两齿轮互相合拢，形成高压将液体排出。
优点：结构简单紧凑、体积小、质量轻、工艺性好、价格便宜、自吸力强、对油液污染不敏感、转速范围大、能耐冲击性负载、维护方便、工作可靠。
缺点：径向力不平衡、流动脉动大、噪声大、效率低，零件的互换性差，磨损后不易修复，不能做变量泵用。
2.离心泵工作原理：离心泵工作时，液体注满泵壳，叶轮高速旋转，液体在离心力作用下产生高速度，高速液体经过逐渐扩大的泵壳通道，动压头转变为静压头。
性能特点：高效节能：泵有高效的水力形线，工作效率高。
安装、维修方便：立式管道式结构，泵的进出口能象阀门一样安装在管路的任何位置及任何方向，安装维修极为方便。
运行平稳，安全可靠：电机轴和水泵轴为同轴直联、同心度高，运行平稳，安全可靠。
不锈钢轴套：轴的机封位置是相对易被锈蚀之处，直联式泵轴一旦被锈蚀，易造成机械密封失效。
采用镶配不锈钢轴套，避免锈蚀发生，提高了轴寿命，降低了运行维护成本。
轴承：泵所配电机中下轴伸端轴承采用封闭式轴承，正常使用时，免电机轴承的维护保养。
机封：机械密封基件一般选用橡胶波纹管结构，将传统机械密封中轴上密封由O形圈的线密封改为橡胶件的两道面密封，在清水介质时提高了密封效果。
3.多级离心泵工作原理：多级离心泵与单级泵相比，其区别在于多级泵有两个以上的叶轮，能分段地多级次地吸水和压水，从而将水扬到很高的位置，扬程可根据需要而增减水泵叶轮的级数。
动画演⽰各种泵⼯作原理，让你⼀次性看个够！（珍藏版）泵在过程流体机械中占有很⼤⽐例，它是⼀种通⽤机械，是输送流体并提⾼流体压⼒的机器。
在各个⼯业领域中，凡是有流体输送的地⽅就有泵在⼯作，其主要应⽤范围有⽔利、⽯油、化⼯、城市给排⽔、冶⾦和交通运输等⼯业部门。
根据作⽤原理，泵可以分为三⼤类：①容积泵：利⽤容积周期性变化来输送并提⾼流体压⼒，如活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齿轮泵等；②叶⽚泵：依靠泵内⾼速旋转的叶轮将能量传给液体，提⾼压⼒并输送流体，如离⼼泵、混流泵、轴流泵等；③其他类型的泵：利⽤液体静压⼒或流体动能来输送液体的流体动⼒泵，如射流泵、⽔锤泵等。
下⾯⼩编就利⽤动画演⽰的⽅法给⼤家介绍各种泵的⼯作原理吧！1. 离⼼泵离⼼泵离⼼泵特点：①结构紧凑；②输送流体种类多，流量和扬程范围宽；③适⽤于轻度腐蚀性液体；④控制选择多；⑤流量均匀、运转平稳、振动⼩，不需要特别减震措施；⑥设备安装、维护检修费⽤较低。
适⽤场合：⼴泛⽤于电⼒、冶⾦、煤炭、建材等⾏业输送含有固体颗粒的液体。
2. 多级离⼼泵多级离⼼泵特点：①多级离⼼泵为⽴式结构，具有占地⾯积⼩的特点，泵重⼼重合于泵脚中⼼，因⽽运⾏平稳、振动⼩、寿命长。
②多级离⼼泵⼝径相同且在同⼀⽔平中⼼线上，⽆需改变管路结构，可直接安装在管道的任何部们，安装极为⽅便。
③电机外加防⾬罩可直接置于室外使⽤，⽽⽆需建造泵房，⼤⼤节约基建投资。
④多级离⼼泵扬程可通过改变泵级数（叶轮数量）来满⾜不同要求，故适⽤范围⼴。
⑤轴封采⽤硬质合⾦机械密封，密封可靠，⽆泄漏，机械损失⼩。
⑥⾼效节能，外形美观。
适⽤范围：多级离⼼泵具有⾼效节能、性能范围⼴、运⾏安全平稳、低噪⾳、长寿命、安装维修⽅便等优点；通过改变泵的材质、密封形式和增加冷却系统，可输送热⽔、油类、腐蚀性和含磨料的介质等。
3. 螺杆泵螺杆泵螺杆泵特点：螺杆泵除了具有容积泵的共同特点外，还因其轴向流动连续均匀、脉动⼩、内部速度低以及允许有较多的空⽓和其他⽓体混⼊等优点，使它可以在不允许有液体发⽣搅动和旋转的许多场合得到应⽤。
第十章 轴向柱塞泵柱塞泵用柱塞和油缸体作为主要工作构件。
当柱塞在缸体的柱塞孔中作往复运动时，由柱塞与缸孔组成密闭工作容腔发生容积变化，完成吸、排油过程。
根据柱塞在缸体中的不同排列形式，柱塞泵分为径向式和轴向式两大类。
径向柱塞泵由于结构复杂、体积较大，在许多场合已逐渐被轴向柱塞泵替代。
在本章的最后一节，仅对具有一定特点的阀配流径向柱塞泵作简要的叙述。
轴向柱塞泵的柱塞中心线平行（或基本平行）于油缸体的轴线。
此类泵的密封性好，具有工作压力高（额定工作压力一般可达32~40Mpa ），在高压下仍能保持相当高的容积效率（一般在95%左右）及总效率（一般在90%以上），容易实现变量以及单位功率的重量轻等优点。
它的缺点是结构较为复杂，有些零件对材质及加工工艺的要求较高，因而各类容积式泵中，柱塞泵的价格最高。
柱塞泵对油液的污染比较敏感，对使用、维修的要求也较为严格。
泵的最高允许转速受汽蚀、对磨零件以及轴承的寿命等因素限止，一般不超过4000r/min ，小排量规格可达8000~10000r/min 。
轴向柱塞泵作为中高压及高压油源，广泛地用于各个工业部门。
§ 10-1 轴向柱塞泵的工作原理及分类一、基本工作原理如图10-1所示，柱塞4安放在缸体5中均布的若干柱塞孔中（图中只画了两个柱塞）。
在柱塞底部弹簧的作用下，柱塞头部始终紧贴斜盘3。
当传动轴1带动缸体按图示方向转动时，位于A A -剖面右半部的柱塞向外伸，柱塞和缸孔组成的工作容腔增大，通过配流盘6的吸油槽吸油。
位于A A -剖面左半部的柱塞朝里缩，进行排油。
由于起密封作用的柱塞和缸孔为圆柱形滑动配合，可以达到很高的加工精度，并且油缸体和配流盘之间的端面密封采用液压自动压紧，所以泵的泄漏可以得到严格控制，因此这种泵可以适应在高压下工作，容积效率较高。
传动轴每转一周，柱塞在缸孔中往复运动一次，完成吸油和排油。
其行程为 γtan 2R S = 因此，泵的理论排量为γπtan 212ZR d q = (10-1) 式中 d ——柱塞直径；R ——柱塞孔在缸体中分布圆半径； Z ——柱塞数；γ——斜盘的倾斜角。
第四节柱塞泵柱塞泵是靠柱塞在缸体中作往复运动造成密封容积的变化来实现吸油与压油的液压泵，与齿轮泵和叶片泵相比，这种泵有许多优点。
首先，构成密封容积的零件为圆柱形的柱塞和缸孔，加工方便，可得到较高的配合精度，密封性能好，在高压工作仍有较高的容积效率；第二，只需改变柱塞的工作行程就能改变流量，易于实现变量；第三，柱塞泵中的主要零件均受压应力作用，材料强度性能可得到充分利用。
由于柱塞泵压力高，结构紧凑，效率高，流量调节方便，故在需要高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合，如龙门刨床、拉床、液压机、工程机械、矿山冶金机械、船舶上得到广泛的应用。
柱塞泵按柱塞的排列和运动方向不同，可分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵两大类。
4.1径向柱塞泵1. 1.径向柱塞泵的工作原理径向柱塞泵的工作原理如图3—22所示，柱塞1径向排列装在缸体2中，缸体由原动机带动连同柱塞1一起旋转，所以缸体2一般称为转子，柱塞1在离心力的（或在低压油）作用下抵紧定子4的内壁，当转子按图示方向回转时，由于定子和转子之间有偏心距e，柱塞绕经上半周时向外伸出，柱塞底部的容积逐渐增大，形成部分真空，因此便经过衬套3（衬套3是压紧在转子内，并和转子一起回转）上的油孔从配油孔5和吸油口b吸油；当柱塞转到下半周时，定子内壁将柱塞向里推，柱塞底部的容积逐渐减小，向配油轴的压油口c压油，当转子回转一周时，每个柱塞底部的密封容积完成一次吸压油，转子连续运转，即完成压吸油工作。
配油轴固定不动，油液从配油轴上半部的两个孔a流入，从下半部两个油孔d压出，为了进行配油，配油轴在和衬套3接触的一段加工出上下两个缺口，形成吸油口b和压油口c，留下的部分形成封油区。
封油区的宽度应能封住衬套上的吸压油孔，以防吸油口和压油口相连通，但尺寸也不能大得太多，以免产生困油现象。
图3—22 径向柱塞泵的工作原理1—柱塞2—缸体3—衬套4—定子5—配油轴2.径向柱塞泵的排量和流量计算：当转子和定子之间的偏心距为e 时，柱塞在缸体孔中的行程为2e ，设柱塞个数为z ，直径为d 时，泵的排量为： V=4πd 22ez （3—27）设泵的转数为n ，容积效率为ηV ，则泵的实际输出流量为： q=4πd 22ezn ηV =2πd 2﹒ezn ηV （3—28）4.2轴向柱塞泵1.轴向柱塞泵的工作原理 轴向柱塞泵是将多个柱塞配置在一个共同缸体的圆周上,并使柱塞中心线和缸体中心线平行的一种泵。
动画演⽰11种泵的⼯作原理，很直观易懂！ 在化⼯⽣产中，泵是⼀种特别重要的设备，了解泵的⼯作原理不仅能够预防和减少流体泄漏事故、冒顶事故、错流或错配事故。
还能够在泵运⾏故障中快速诊断。
因此了解泵的⼯作原理是⼀件⾮常重要的事，今天⼩七就带领⼤家了解⼀下各种泵的⼯作原理，希望能够对⼤家有所帮助。
液压泵⼯作原理 液压泵是靠密封容腔容积的变化来⼯作的。
上图是液压泵的⼯作原理图。
当凸轮1由原动机带动旋转时，柱塞2便在凸轮1和弹簧4的作⽤下在缸体3内往复运动。
缸体内孔与柱塞外圆之间有良好的配合精度，使柱塞在缸体孔内作往复运动时基本没有油液泄漏，即具有良好的密封性。
柱塞右移时，缸体中密封⼯作腔a的容积变⼤，产⽣真空，油箱中的油液便在⼤⽓压⼒作⽤下通过吸油单向阀5吸⼊缸体内，实现吸油;柱塞左移时，缸体中密封⼯作腔a的容积变⼩,油液受挤压，便通过压油单向阀6输送到系统中去,实现压油。
如果偏⼼轮不断地旋转，液压泵就会不断地完成吸油和压油动作，因此就会连续不断地向液压系统供油。
从上述液压泵的⼯作过程可以看出，其基本⼯作条件是： 1. 具有密封的⼯作容腔; 2. 密封⼯作容腔的容积⼤⼩是交替变化的，变⼤、变⼩时分别对应吸油、压油过程； 3. 吸、压油过程对应的区域不能连通。
基于上述⼯作原理的液压泵叫做容积式液压泵，液压传动中⽤到的都是容积式液压泵。
齿轮泵的⼯作原理 上图是外啮合齿轮泵的⼯作原理图。
由图可见，这种泵的壳体内装有⼀对外啮合齿轮。
由于齿轮端⾯与壳体端盖之间的缝隙很⼩，齿轮齿顶与壳体内表⾯的间隙也很⼩，因此可以看成将齿轮泵壳体内分隔成左、右两个密封容腔。
当齿轮按图⽰⽅向旋转时，右侧的齿轮逐渐脱离啮合，露出齿间。
因此这⼀侧的密封容腔的体积逐渐增⼤，形成局部真空，油箱中的油液在⼤⽓压⼒的作⽤下经泵的吸油⼝进⼊这个腔体，因此这个容腔称为吸油腔。
随着齿轮的转动，每个齿间中的油液从右侧被带到了左侧。
在左侧的密封容腔中，轮齿逐渐进⼊啮合,使左侧密封容腔的体积逐渐减⼩，把齿间的油液从压油⼝挤压输出的容腔称为压油腔。
径向柱塞式液压马达等接触应力内曲线的精确绘制径向柱塞式液压马达是一种广泛应用的液压元件，而接触应力内曲线的精确绘制对于验证其疲劳性能、优化设计以及提高其可靠性具有重要作用。
下面我们将介绍一些方法来精确绘制径向柱塞式液压马达等接触应力内曲线。
首先，需要获取液压马达的几何参数和工作条件。
一般来说，液压马达的几何参数可以通过三维扫描仪等设备获得，而工作条件包括液体的压力、流量以及转速等。
这些参数对于接触应力分布和内曲线的绘制至关重要。
其次，需要进行有限元分析模拟。
由于径向柱塞式液压马达内部存在复杂的液压系统和多种材料，直接进行试验难度较大，因此常常采用有限元分析模拟方法来模拟其内部接触应力分布。
通过将几何参数、工作条件等输入到有限元分析软件中，可以得到接触应力的分布情况，并绘制接触应力内曲线。
最后，需要对内曲线进行验证和修正。
绘制完成后，需要对内曲线进行验证和修正。
可以通过试验测量液压马达的应力变化情况，并与有限元分析结果进行比较。
如果存在差异，则需要进行修正，保证其准确性。
在绘制径向柱塞式液压马达等接触应力内曲线时，还需要注意以下几点：1. 确保输入参数的准确性，包括几何参数和工作条件等。
2. 选择合适的有限元分析软件，并熟练掌握使用方法。
3. 适当选择网格密度和求解精度等参数，确保结果的准确性和可靠性。
综上所述，精确绘制径向柱塞式液压马达等接触应力内曲线是优化设计、提高可靠性的重要手段之一。
需要在确保参数准确性、有限元分析模拟的准确性和修正等方面严格控制，才能绘制出可信的接触应力内曲线。
