靜液壓泵的案例
仿真案例｜葉片泵空化流動模擬實驗
翻譯：上海安世亞太
前言
靜液壓泵在當今的汽車技術(shù)中無所不在，在發(fā)動機、變速箱或轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中維持供油。觀察到輸油量增加的趨勢時，空化的物理現(xiàn)象就會對泵的抽吸流量設(shè)定一個自然的極限，這個流量極限的預(yù)測對汽車供應(yīng)商行業(yè)是一個挑戰(zhàn)。
本文主要研究葉片泵內(nèi)空化受限流動的數(shù)值模擬方法。通過一個2D可行性研究，論證了非定常可壓縮流動、動網(wǎng)格和利用FLUENT中的空化模型等多種CFD技術(shù)的結(jié)合。對3D水力模擬的發(fā)展進行了研究，并討論了3D液壓模擬與1D液壓模擬的關(guān)聯(lián)。
理論與假設(shè)
靜液壓泵是容積泵。泵運行時要抵抗液壓阻力（即流體消耗裝置），會使用幾何位移原理將流體從低壓級（泵的吸入側(cè)）輸送到高壓級（泵的壓力側(cè)）。泵的基本部件由幾個腔室或葉片單元組成，這些腔室或葉片單元通過機械連接在一個旋轉(zhuǎn)軸上，并在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的同時周期性地改變其體積。流體輸運的整個過程對于每個腔室來說都可以看作是一個熱力循環(huán)。在下文中，我們會假定工作介質(zhì)是密度為U的幾乎不可壓縮的液體。在吸入側(cè)，腔室通過開口孔與泵的吸入通道接觸。在腔體體積膨脹的同時，腔體內(nèi)的壓力略有下降。這就產(chǎn)生一個壓力梯度，該壓力梯度引起一個流場，該流場用液體填充腔室。同時避免了腔室中出現(xiàn)進一步壓降。在準穩(wěn)態(tài)條件下,由伯努利方程（Bernoulli’s equation）可以很容易地推導(dǎo)出進入室內(nèi)流體的速度v與吸氣通道內(nèi)壓力p0與室壓p之間的壓降?p=p0-p之間的關(guān)系式：等式（1）
假設(shè)橫截面A通常是由時間決定的，進入腔內(nèi)的體積流量為vA。在單元完全充滿的情況下，體積流量vA精確地補償了單元的體積變化率，等式（2）：
體積變化率的階為Vmaxn，其中n表示泵速度（通常以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)-rpm測量），Vmax是最大單元體積。
展開 負載敏感多路閥與負載敏感泵的匹配探討（轉(zhuǎn)自 靜液壓傳動）
M4閥Ls口到泵X口這段管路當作一個固定液阻R2。 圖1中，泵的流量閥彈簧腔與回油管路之間的液阻R3（M4閥各聯(lián)中位時Ls在閥上無泄荷回路）。M4閥上壓力最高聯(lián)工作壓力通過R1、R2、R3三個液阻連接油箱。
泵 DFR變量控制方式下，M4閥單聯(lián)壓力補償器彈簧力的設(shè)定值，應(yīng)該是泵上流量閥彈簧力設(shè)定值減去液阻R1+R2上分壓。
2. 泵DFR1假定忽略泵上流量閥泄漏，（與該泵匹配的M4閥尾聯(lián)有Ls卸荷回路）。M4閥上壓力最高聯(lián)的壓力油到泵上流量閥彈簧腔之間無流量，只是壓力傳遞。
泵 DFR1變量控制方式下，M4閥單聯(lián)壓力補償器彈簧力的設(shè)定值，應(yīng)該是泵上流量閥彈簧力。但是這種控制，應(yīng)考慮M4上梭閥的影響。
四、不同品牌的負載敏感泵和負載敏感多路閥匹配注意事項
最重要的是：
泵上流量閥的彈簧壓力和閥上每聯(lián)壓力補償器的彈簧壓力的匹配。
其次是：
任何工況下，泵最大流量應(yīng)滿足負載敏感多路閥實際所需的最大流量，即不
能流量飽和。
典型工況幾聯(lián)同時工作時，各聯(lián)的工作壓力不能相差過大，接近最好（液壓系統(tǒng)設(shè)計保證），特別是大流量時。
新樣機采用不同品牌的負載敏感系統(tǒng)匹配好后，應(yīng)全面測試工作時的泵口壓力、閥上壓力最高聯(lián)的工作壓力，閥上Ls口壓力，泵上X口壓力。這樣檢驗匹配是否合理。
其他注意事項，參考力士樂推薦標準。
展開 CFD學(xué)習(xí)：靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)簡介
靜液壓傳動部件
靜液壓驅(qū)動器包括：
變速箱 -將部件固定到位的靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)的一部分。它還保持流體傳輸。
補油泵 -補油泵用于提供初始殼體流體壓力并用流體填充回路。
輸入軸 -輸入軸傳輸來自發(fā)動機的動力并旋轉(zhuǎn)補油泵。
軸向柱塞泵 -輸入軸旋轉(zhuǎn)由軸向柱塞泵產(chǎn)生。它還為電機提供流體，在大多數(shù)情況下為油。
軟管 -軟管用于將泵連接到電機。
泄壓閥 -在流體壓力增加的情況下，泄壓閥為流體提供備用路徑。
馬達 -馬達是靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)的組成部分之一。電機驅(qū)動輸出軸。
斜盤 -活塞泵的排量可以使用斜盤來改變。
靜液壓驅(qū)動的類型
靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)有多種分類。根據(jù)液壓泵和馬達的配置，靜液壓傳動分為：
串聯(lián)配置 -變量泵和恒排量馬達直接串聯(lián)連接。
U 形配置 -在這種靜液壓驅(qū)動分類中，電機位于泵下方。輸入軸和電機軸的旋轉(zhuǎn)方向相同。
S 形配置 -與 U 形配置類似，電機位于泵或原動機下方，但位于泵的后面。
分體式配置 -高壓軟管以分體式配置將電機和泵分開。
靜液壓傳動根據(jù)傳動比可大致分為兩類：
固定排量靜液壓驅(qū)動 -在這種類型的靜液壓驅(qū)動中，泵和馬達的排量是固定的。這種靜液壓驅(qū)動可以描述為一個簡單的齒輪箱，它將機械能從原動機傳輸?shù)截撦d。
可變排量靜液壓驅(qū)動 -在可變排量靜液壓驅(qū)動中，泵或馬達（或兩者）產(chǎn)生可變排量。靜液壓驅(qū)動可以是變量泵和固定排量馬達、變量泵和變量馬達、或固定排量泵和變量馬達。可變排量靜液壓驅(qū)動有助于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度、功率和扭矩。
根據(jù)電路設(shè)計，靜液壓驅(qū)動可分為：
閉路驅(qū)動 -來自電機的流體直接進入泵。
展開 對未來液壓技術(shù)的探討
這種以泵控為主的方式減少了閥控必然產(chǎn)生的閥口節(jié)流損失，特別是在大功率的情況下。節(jié)能與功率回收是其特點。靜液壓目前應(yīng)用還是以驅(qū)動輪邊液壓馬達為多，也成功向傳動型變速箱方向拓展。今后應(yīng)推廣到液壓缸的驅(qū)動上，如圖1-62所示的發(fā)明專利。但由于需要增加蓄能器以及閉式泵制造難度大等，市場接受度會受影響。但是功率回收方面的優(yōu)點會被廠商與用戶接受。
今后應(yīng)在挖掘機、推土機以及各種機械上得到推廣應(yīng)用。圖1-61是對未來工程機械液壓系統(tǒng)功率回收的設(shè)想方案---二次調(diào)節(jié)回路所采用的靜液壓理念。在2016年的德國寶馬展覽會和美國拉斯維加斯礦業(yè)展覽會上，利勃海爾公司展出了世界上最大的靜液壓驅(qū)動推土機PR776，功率高達565Kw，現(xiàn)在有六臺PR776在我國西藏5000多米的高原礦山運轉(zhuǎn)。另外，力士樂公司的靜液壓風扇驅(qū)動裝置的推廣與試驗也證明靜液壓系統(tǒng)的優(yōu)點有風扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速解耦、風扇轉(zhuǎn)速的無級（比例）控制等，達到節(jié)省燃油多達5%、降低噪音等級與靈活布置系統(tǒng)部件等，并且試驗表明比之機械傳動風扇與電離合器風扇性能要更好。
圖1-62 屬于發(fā)明專利的靜液壓系統(tǒng)（2013年）
圖1-61 液壓系統(tǒng)二次調(diào)節(jié)回路功率回收設(shè)想方案
靜液壓傳動在拖拉機、牽引車等作業(yè)頻繁、低速穩(wěn)定性高、機械形態(tài)復(fù)雜、驅(qū)動多用戶、電控要求高等的應(yīng)用場合為宜，油液混合動力的要求給與靜液壓進入汽車領(lǐng)域可能性，能否向其他類似汽車領(lǐng)域的進一步發(fā)展也是一個方向。目前靜液壓無極變速箱（圖1-75）已經(jīng)達到10KW的功率水平，可以展現(xiàn)更大的作用。
圖1-75 液壓無極變速箱（KHS-23）
1.7.2 新原理的數(shù)字智能液壓泵與數(shù)字智能控制閥
作為傳統(tǒng)液壓元件的泵閥已經(jīng)基本定型，幾十年來在原理方面基本沒有大變化。
展開 
許仰曾-對未來液壓技術(shù)的探討（轉(zhuǎn)自液壓傳動與控制）
這種以泵控為主的方式減少了閥控必然產(chǎn)生的閥口節(jié)流損失，特別是在大功率的情況下。節(jié)能與功率回收是其特點。靜液壓目前應(yīng)用還是以驅(qū)動輪邊液壓馬達為多，也成功向傳動型變速箱方向拓展。今后應(yīng)推廣到液壓缸的驅(qū)動上，如圖1-62所示的發(fā)明專利。但由于需要增加蓄能器以及閉式泵制造難度大等，市場接受度會受影響。但是功率回收方面的優(yōu)點會被廠商與用戶接受。
今后應(yīng)在挖掘機、推土機以及各種機械上得到推廣應(yīng)用。圖1-61是對未來工程機械液壓系統(tǒng)功率回收的設(shè)想方案---二次調(diào)節(jié)回路所采用的靜液壓理念。在2016年的德國寶馬展覽會和美國拉斯維加斯礦業(yè)展覽會上，利勃海爾公司展出了世界上最大的靜液壓驅(qū)動推土機PR776，功率高達565Kw，現(xiàn)在有六臺PR776在我國西藏5000多米的高原礦山運轉(zhuǎn)。另外，力士樂公司的靜液壓風扇驅(qū)動裝置的推廣與試驗也證明靜液壓系統(tǒng)的優(yōu)點有風扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速解耦、風扇轉(zhuǎn)速的無級（比例）控制等，達到節(jié)省燃油多達5%、降低噪音等級與靈活布置系統(tǒng)部件等，并且試驗表明比之機械傳動風扇與電離合器風扇性能要更好。
圖1-62 屬于發(fā)明專利的靜液壓系統(tǒng)（2013年）
圖1-61 液壓系統(tǒng)二次調(diào)節(jié)回路功率回收設(shè)想方案
靜液壓傳動在拖拉機、牽引車等作業(yè)頻繁、低速穩(wěn)定性高、機械形態(tài)復(fù)雜、驅(qū)動多用戶、電控要求高等的應(yīng)用場合為宜，油液混合動力的要求給與靜液壓進入汽車領(lǐng)域可能性，能否向其他類似汽車領(lǐng)域的進一步發(fā)展也是一個方向。目前靜液壓無極變速箱（圖1-75）已經(jīng)達到10KW的功率水平，可以展現(xiàn)更大的作用。
圖1-75 液壓無極變速箱（KHS-23）
1.7.2 新原理的數(shù)字智能液壓泵與數(shù)字智能控制閥
作為傳統(tǒng)液壓元件的泵閥已經(jīng)基本定型，幾十年來在原理方面基本沒有大變化。
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