柱塞腔流道斷面平滑過渡式軸向柱塞泵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及液壓軸向柱塞栗領(lǐng)域，特別涉及一種柱塞腔流道斷面平滑過渡的軸向柱塞栗。
【背景技術(shù)】
[0002]液壓栗作為液壓系統(tǒng)的“心臟”，是液壓系統(tǒng)中的核心元件同時(shí)也是液壓系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的主要來源之一。軸向柱塞栗是最常見的液壓栗之一，受其結(jié)構(gòu)影響，工作過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生流量脈動(dòng)從而引發(fā)振動(dòng)。這些振動(dòng)不但使軸向柱塞栗的零部件相互碰磨，造成損傷，降低工作壽命和效率，還會(huì)引起液壓管系振動(dòng)，造成液壓系統(tǒng)其它故障。由于軸向柱塞栗結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)副多，油液在流道中尤其是在柱塞腔處產(chǎn)生壓力損失、氣蝕和紊流甚至湍流現(xiàn)象，這會(huì)加劇軸向柱塞栗流量脈動(dòng)和振動(dòng)，因此對(duì)柱塞腔內(nèi)部流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
[0003]現(xiàn)有典型軸向柱塞栗的柱塞腔與缸體端面配流窗口形成的流道屬于半徑突變流道，柱塞栗配流過程中，在壓油時(shí)缸體端面配流窗口與柱塞腔連接處的流道斷面突然縮?。辉谖蜁r(shí)流道斷面突然擴(kuò)大。流道斷面突然縮小時(shí)，從圖1(a)可看出在半徑突變處的會(huì)形成大量的漩渦，漩渦區(qū)內(nèi)由于粘性作用及流體質(zhì)點(diǎn)間的劇烈混雜，將消耗流體能量；其產(chǎn)生的漩渦使附近區(qū)域的壓力急劇降低，進(jìn)而形成真空，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，在此作用下，將造成金屬表面的空蝕破壞，嚴(yán)重地危害了系統(tǒng)的可靠性；流道的突變還會(huì)改變液體的動(dòng)力學(xué)特性，導(dǎo)致液體運(yùn)動(dòng)阻力的變化；從而引起結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)和噪聲。流道斷面突然擴(kuò)大時(shí)，由圖1(b)可看出在半徑突變處也形成了漩渦，但與突然縮小通徑相比，突然擴(kuò)大流道的流體基本上未產(chǎn)生管道徑向力，這種流道最大的缺陷就是管徑擴(kuò)大處存有大量的空氣，在空氣未完全排除前，當(dāng)柱塞轉(zhuǎn)入壓油工況時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，造成缸體內(nèi)金屬表面的空蝕破壞，降低柱塞栗可靠性和使用壽命。
[0004]由于流體運(yùn)動(dòng)具有慣性，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向不可能依流道形狀而突然改變，因此需要對(duì)現(xiàn)有柱塞腔流道進(jìn)行改進(jìn)，即令流線平滑過渡，避免流道斷面發(fā)生突變，防止柱塞腔出現(xiàn)漩渦或空化。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型提供一種柱塞腔流道斷面平滑過渡式結(jié)構(gòu)，其特征在于:柱塞腔末端原半徑突變流道改為平滑過渡式流道，及為適應(yīng)平滑過渡的柱塞腔末端而改進(jìn)的端部為碗形的新式柱塞。有效避免了柱塞腔與缸體端面配流窗口形成的流道斷面發(fā)生突變的情況，可減小柱塞腔出現(xiàn)漩渦或空化的可能性，從而減小柱塞栗的流量脈動(dòng)進(jìn)而降低振動(dòng)和噪聲。
[0006]圖2所示為柱塞栗工作腔結(jié)構(gòu)，圖中柱塞處于上死點(diǎn)，即吸油工況開始位置。由于滑靴與斜盤間的間隙微小，間隙泄漏予以忽略，將半徑突變處(圖2中A處)等效為端部密閉的圓柱型腔體并把配流盤流道與缸體吸油孔等效為一個(gè)吸油短孔模型，模型中短孔的長徑比為0.5彡L/d彡10。
[0007]將工作腔與短孔流場(chǎng)簡化為軸對(duì)稱圓柱體，建立半徑突變處二維流場(chǎng)模型如圖3所示。
[0008]上述流場(chǎng)模型中由短孔流場(chǎng)區(qū)域(圖3中A處)與工作腔(圖3中B處)構(gòu)成的半徑突變流道在吸油工況和壓油工況均會(huì)產(chǎn)生大量氣泡和漩渦(如圖1所示)，油液流經(jīng)圖3所示直角彎(圖3中C、D處)處會(huì)引發(fā)空化現(xiàn)象并損耗能量。同時(shí)高速高壓流體流動(dòng)方向的驟然改變會(huì)對(duì)缸體產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊從而引發(fā)振動(dòng)、噪聲。
[0009]本實(shí)用新型針對(duì)上述問題對(duì)軸向柱塞栗原有流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，其技術(shù)方案如下:
[0010]對(duì)圖3所示的半徑突變處二維流場(chǎng)模型中的直角彎(圖3中C、D處)做了優(yōu)化處理，用一個(gè)圓角代替原有的直角，為流體提供平滑的過渡曲線，同時(shí)為適應(yīng)平滑過渡的柱塞腔末端，充分利用柱塞腔有效容積，采用柱塞端部為碗形的新式柱塞。
[0011]軸向柱塞栗工作腔優(yōu)化以后，其特征在于:柱塞腔末端直角、突然變徑處直角均變?yōu)榇笮∨c柱塞腔和出油孔直徑相關(guān)的圓弧(圖4中C、D)，并平滑對(duì)接；為充分利用柱塞腔容積、保證軸向柱塞栗的容積效率，柱塞端部也改為與過渡圓弧相適應(yīng)的碗狀外形。
[0012]優(yōu)化后的柱塞腔流道斷面平滑過渡式軸向柱塞栗，其特征在于柱塞腔末端直角、突然變徑處直角均變?yōu)?R = R1-R2的圓弧，其中Rl為柱塞腔的半徑，R2為出油孔的半徑；柱塞腔端部變?yōu)閳A弧狀后，為了不使柱塞行程減小，需將柱塞由圓柱形改為端部為碗狀的圓柱形，其中碗狀端部圓弧(圖4中C、D)大小為R = R1-R2。
[0013]改進(jìn)后的半徑突變處二維流場(chǎng)模型如圖4所示。根據(jù)改進(jìn)后的模型將柱塞栗工作腔優(yōu)化為如圖5所示的結(jié)構(gòu)。
[0014]圖6所示為未優(yōu)化的流場(chǎng)簡化模型(以下簡稱為模型I)和優(yōu)化后的流場(chǎng)簡化模型(以下簡稱為模型II)。
[0015]在吸油工況下對(duì)將簡化模型進(jìn)行仿真，得到優(yōu)化前和優(yōu)化后的流場(chǎng)速度分布云圖如圖7所示。
[0016]由圖7可以看到，未優(yōu)化的柱塞腔流道在半徑突變處有明顯的渦流區(qū)域(圖7中A、B處)并且其流場(chǎng)區(qū)域中部還有明顯的速度劇變區(qū)域(圖7中C處)，這表明傳統(tǒng)軸向柱塞栗的柱塞腔流道在吸油時(shí)存在很大的空化區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，這些氣泡在壓油工況下會(huì)迅速潰滅產(chǎn)生氣蝕。
[0017]由圖8可以看出，經(jīng)過優(yōu)化改造的柱塞栗流場(chǎng)其渦流區(qū)域(圖8中A、B處)明顯減少，管道中的流體在經(jīng)過緩慢的角度變化后，流體流動(dòng)狀態(tài)有較小改變，但在經(jīng)過變徑后迅速恢復(fù)，因此管道內(nèi)的流體狀態(tài)穩(wěn)定，沒有強(qiáng)烈的動(dòng)量變化形成沖擊，減小了氣蝕造成的危害，有利于栗長時(shí)間穩(wěn)定工作，提高了栗的使用壽命和可靠性。
[0018]通過流場(chǎng)仿真的結(jié)果可直觀的看出采用本實(shí)用新型優(yōu)化后的變徑流場(chǎng)中易產(chǎn)生的渦流、空化氣蝕現(xiàn)象有了明顯改觀，從而減少栗的非正常磨損。這對(duì)于減小柱塞栗振動(dòng)噪聲，提高柱塞栗的使用壽命和可靠性有著積極的作用。
【附圖說明】
[0019]圖1是半徑突變流道的流場(chǎng)示意圖，其中:(a)為流道斷面突然縮小的情況；(b)為流道斷面突然擴(kuò)大的情況。
[0020]圖2是優(yōu)化前柱塞栗工作腔結(jié)構(gòu)圖，其中:1為斜盤；2為滑靴；3為柱塞；4為缸體；A為半徑突變處；B為柱塞移動(dòng)壁面。
[0021]圖3是半徑突變處二維流場(chǎng)模型示意圖，其中:A為短孔流場(chǎng)區(qū)域出為工作腔；C、D為直角彎；E為柱塞移動(dòng)壁面。
[0022]圖4是改進(jìn)后柱塞栗工作腔結(jié)構(gòu)圖，其中:A為短孔流場(chǎng)區(qū)域?yàn)楣ぷ髑唬籆、D為圓弧；E為柱塞移動(dòng)壁面。
[0023]圖5是優(yōu)化后的平滑過渡二維流場(chǎng)模型示意圖，其中:1為斜盤；2為滑靴；3為柱塞；4為缸體；A為平滑過渡處；B為柱塞移動(dòng)壁面。
[0024]圖6是流場(chǎng)二維簡化模型。
[0025]圖7是優(yōu)化前流場(chǎng)速度分布云圖，其中:A和B為渦流區(qū)域；C為速度劇變區(qū)域。
[0026]圖8是優(yōu)化后流場(chǎng)速度分布云圖，其中:A和B為渦流區(qū)域。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0028]圖2所示柱塞栗工作腔結(jié)構(gòu)存在半徑突變流道，其二維流場(chǎng)模型如圖6模型I所示，當(dāng)其中有流體通過時(shí)會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，由此引發(fā)的漩渦、速度劇變現(xiàn)象如圖7流場(chǎng)速度分布云圖所不。
[0029]針對(duì)針對(duì)這一問題，本實(shí)用新型對(duì)圖6模型I中的半徑突變處二維流場(chǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化，【具體實(shí)施方式】為:
[0030]將圖2中半徑突變處(A處)直角彎變?yōu)镽 = RrR2的圓弧(圖5中A處)；其中R1為柱塞腔的半徑，R 2為出油孔的半徑；
[0031]柱塞腔端部變?yōu)閳A弧狀后，為了不使柱塞行程減小，需將柱塞由圓柱形改為端部為碗狀的圓柱形，其中碗狀端部圓弧大小為R = R1-R2;
[0032]優(yōu)化后得到如圖4所示的平滑過渡二維流場(chǎng)模型，并根據(jù)此模型得到了圖5所示的改進(jìn)后柱塞栗工作腔示意圖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.柱塞腔流道斷面平滑過渡式軸向柱塞栗，其特征在于:包括柱塞腔末端原半徑突變流道改為平滑過渡式流道，還包括為適應(yīng)平滑過渡的柱塞腔末端而改進(jìn)的端部為碗形的新式柱塞。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱塞腔流道斷面平滑過渡式軸向柱塞栗，其特征在于:柱塞腔末端直角、突然變徑處直角均變?yōu)榇笮∨c柱塞腔和出油孔直徑相關(guān)的圓弧，并平滑對(duì)接；柱塞端部改為與過渡圓弧相適應(yīng)的碗狀外形。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柱塞腔流道斷面平滑過渡式軸向柱塞栗，其特征在于柱塞腔末端直角、突然變徑處直角均變?yōu)?R = 的圓弧，其中L為柱塞腔的半徑，1?2為出油孔的半徑；柱塞腔端部變?yōu)閳A弧狀后，為了不使柱塞行程減小，需將柱塞由圓柱形改為端部為碗狀的圓柱形，其中碗狀端部圓弧大小為R = R「R2。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種柱塞腔流道斷面平滑過渡式軸向柱塞泵：柱塞腔末端直角以及半徑突變處直角均變?yōu)榇笮∨c柱塞腔和出油孔直徑相關(guān)的圓弧，并平滑對(duì)接；柱塞端部改為與過渡圓弧相適應(yīng)的碗狀外形。同時(shí)本實(shí)用新型可根據(jù)不同型號(hào)軸向柱塞泵柱塞腔尺寸得出不同的過渡圓弧半徑，使流道整體形狀與帶壓油液通過變徑流道時(shí)的流線形態(tài)近似一致，減小了帶壓油液經(jīng)過半徑突變流道時(shí)的沖擊，減小了壓力、流量脈動(dòng)，減弱了金屬表面的空蝕破壞，最終削弱了結(jié)構(gòu)件的振動(dòng)；降低了噪聲，提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。
【IPC分類】F15D1/00, F04B53/00
【公開號(hào)】CN204984836
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520172476
【發(fā)明人】權(quán)凌霄, 駱洪亮, 俞濱, 張琦瑋, 孔祥東
【申請(qǐng)人】燕山大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年3月26日