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2016-11-4 閱讀(708)
威格士齒輪泵多連通容積內(nèi)空化演變過程及其影響研究
外嚙合齒輪泵因結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠被廣泛應(yīng)用于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著工業(yè)應(yīng)用和環(huán)境保護(hù)要求的提高，齒輪泵正朝著低噪聲、低流量脈動(dòng)以及高壓高速化的方向發(fā)展。通常條件下由于回路的背壓有限，入口壓力較低，齒輪泵容易發(fā)生空化，析出的氣體對齒輪泵的工作特性產(chǎn)生不利影響。因此，空化問題是齒輪泵研究中的一個(gè)重要方向。本文針對當(dāng)前油液空化模型與齒輪泵流體動(dòng)力學(xué)仿真模型的不足，圍繞著外嚙合齒輪泵內(nèi)的空化演變過程和空化對齒輪泵工作特性的影響兩條主線展開了系統(tǒng)的研究，運(yùn)用理論建模、CFD仿真和試驗(yàn)分析相結(jié)合的研究手段，構(gòu)建了基于集中參數(shù)法的齒輪泵多連通容積空化演變模型，揭示了齒輪泵內(nèi)的空化演變規(guī)律，為進(jìn)一步提高齒輪泵設(shè)計(jì)方法和探究空化與其它物理現(xiàn)象的耦合規(guī)律提供了有力工具，具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。 通過考慮油液中空氣析出與消解過程的時(shí)變性，建立了密閉容積內(nèi)油氣兩相的動(dòng)態(tài)空化模型，推導(dǎo)了油液屬性（如密度和有效體積彈性模量）與含氣率之間的本構(gòu)關(guān)系，繼而通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性，并解釋了密閉容積壓縮膨脹過程中油液密度的“遲滯”現(xiàn)象。研究表明，油液密度主要受質(zhì)量含氣率影響而油液有效體積彈性模量主要受體積含氣率影響；油液膨脹過程中空氣的析出速率要大于壓縮過程中空氣的消解速率。 將密閉容積內(nèi)油氣兩相動(dòng)態(tài)空化模型推廣至連通容積，綜合考慮容積內(nèi)空氣的析出和消解、相鄰連通容積之間的質(zhì)量交換以及容積自身體積的變化，推導(dǎo)了含氣率微分方程。應(yīng)用該方程建立了泵入口節(jié)流段的集中參數(shù)模型，研究了泵入口兩相臨界流效應(yīng)，進(jìn)而獲得了喉口直徑、油箱壓力以及空氣析出系數(shù)等對臨界壓力和泵極限供油轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律。結(jié)果表明，臨界狀態(tài)下節(jié)流段喉口區(qū)油液的流速等于聲速；減小空氣析出速率對改善齒輪泵空化性能有重要作用。 將外嚙合齒輪泵等效為多個(gè)連通的控制容積，建立了基于集中參數(shù)法的齒輪泵多連通容積空化演變模型，分析了氣體在不同齒腔內(nèi)的析出、流動(dòng)、分布以及消解等演變過程，研究了齒腔內(nèi)油液壓力和含氣率的變化特性，揭示了空化對齒輪泵內(nèi)建壓過程、容積效率以及壓力流量脈動(dòng)等特性的影響機(jī)理。研究表明，齒輪泵空化時(shí)內(nèi)部泄漏增加，容積效率降低，出口壓力脈動(dòng)變大。 zui后，研究了空化對齒輪泵開式回路溫升特性的影響。分析了回路中元件對外界的散熱率，結(jié)合氣體在齒輪泵流場中的演變行為，提出了空化產(chǎn)熱的計(jì)算方法。利用液壓系統(tǒng)的熱力學(xué)方程，建立了齒輪泵開式回路的熱力學(xué)模型，分析了空化時(shí)齒輪泵回路的油溫變化過程，并通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。研究表明，空化產(chǎn)熱來源于齒輪泵建壓過程中對氣體的壓縮做功，空化使回路中油液溫度上升變快。
威格士齒輪泵多連通容積內(nèi)空化演變過程及其影響研究 齒輪泵具有的顯著特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造簡便、尺寸小、壽命長、購買價(jià)格低、自吸能力強(qiáng)、工作可靠性高、對油液敏感度低、維護(hù)起來較方便。同時(shí)，由于齒輪泵對稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此它能夠?qū)崿F(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使外嚙合齒輪泵被廣泛應(yīng)用于采礦設(shè)備，冶金設(shè)備，建筑機(jī)械，機(jī)床設(shè)備，航空造船等各個(gè)行業(yè)及各種工程和農(nóng)業(yè)機(jī)械中。另外，齒輪泵在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)中應(yīng)用也很廣泛。但是齒輪泵的自身結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致它存在困油現(xiàn)象、流量不均勻、流量脈動(dòng)大、工作噪聲高及排量不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。本文針對泵的流量脈動(dòng)以及泵體炸裂失效開展了研究，并取得了一些研究成果。 論文先從基礎(chǔ)理論入手，對外嚙合齒輪泵的流量脈動(dòng)公式作了推導(dǎo)，從理論上得出齒輪泵流量脈動(dòng)受哪些參數(shù)的影響以及與這些參數(shù)的關(guān)系。然后利用FLUENT流體分析軟件，在基于動(dòng)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，對齒輪泵的內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到齒輪泵內(nèi)部壓力場及速度場，分析出齒輪泵內(nèi)部的泄漏部位及困油現(xiàn)象，通過不同轉(zhuǎn)速下的仿真試驗(yàn)，研究齒輪泵的流量脈動(dòng)、噪聲與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，為低脈動(dòng)、低噪聲齒輪泵的研究提供一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。論文通過對齒輪泵內(nèi)流場仿真，得到沿泵體內(nèi)壁面的壓強(qiáng)分布規(guī)律，為泵體優(yōu)化過程中的施加載荷提供依據(jù)。 在泵體優(yōu)化過程中，根據(jù)理論推導(dǎo)和內(nèi)流場仿真結(jié)果，對泵體施加工作載荷，利用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行分析，優(yōu)化泵體結(jié)構(gòu)，使泵體質(zhì)量減輕，為齒輪泵整體的輕量化設(shè)計(jì)提供了優(yōu)化方法。
