弹流与空化效应下一体化柱塞斜轴柱塞泵流量特性研究

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液压泵是电静液作动器(EHA)的核心部件,随着EHA朝着大功率、高功重比、高效率和高可靠性方向发展,先进大型飞机等重大装备的应用场景对液压泵的功率密度和可靠性提出更高要求。一体化柱塞斜轴柱塞泵(简称:一体化斜轴泵)的高功率密度及可靠性优势,使其成为实现EHA用液压泵高功重比和高可靠性性能的理想结构类型。然而在高速高压工况下,一体化斜轴泵存在柱塞摆动、柱塞环弹性变形及油液空化等问题,使其难以适应高性能EHA的高速高压服役工况需求。本文以一体化斜轴泵为研究对象,采用理论分析、数值计算与实验测试相结合的方法,研究了一体化斜轴泵在弹流与空化效应下流量特性,旨在揭示高速高压工况下一体化斜轴泵的流量特性。论文主要研究工作如下:(1)分析了一体化柱塞摆动对斜轴柱塞泵运动学及动力学参数的影响。基于空间坐标法,建立了斜轴柱塞泵动力学模型,通过对比不同结构参数下斜轴柱塞泵的空载排量,验证了动力学模型的正确性,从而分析了柱塞摆动对斜轴柱塞泵动力特性的影响规律。研究结果表明:柱塞摆动显著影响柱塞环的周向受力及其间隙空间分布,但对柱塞的有效位移与速度等运动学参数影响微弱。(2)建立了考虑柱塞环弹性变形和油液空化因素的斜轴柱塞泵流量模型。考虑了柱塞环弹性变形因素,基于弹流理论,建立了斜轴柱塞泵泄漏模型;利用空化理论,建立了油液含气率动态率方程和油液有效体积弹性模量模型,定义了压缩性损失排量,导出了斜轴柱塞泵压缩损失流量模型,最后给出了一种适用于高速高压工况分析的一体化斜轴泵流量特性理论模型。(3)揭示了柱塞环弹性变形对斜轴柱塞泵泄漏的影响机理。基于有限差分法和连续分布压力离散化方法,计算得到柱塞环副油膜的压力和厚度分布特征,验证了理论模型的正确性,并研究了不同工况下斜轴柱塞泵的泄漏特性。研究结果表明,柱塞环弹性变形具有减小泵泄漏的效应,其根本原因是排油区内弹性变形对剪切流影响高于其压差流的影响。(4)阐明了油液空化对斜轴柱塞泵压缩损失流量的影响机制。根据油液压力模型和油液动态体积弹性模量模型,分析了不同转速下吸油行程中油液体积弹性模量的变化规律,再基于斜轴柱塞泵压缩损失流量模型,研究了不同工况下压缩损失流量特性。研究结果表明,空化效应下动态变化的油液含气率、有效体积弹性模量等油液特性参数是斜轴柱塞泵流量损失和容积效率下降的根本原因。油液的有效体积弹性模量初始值越小,低压阶段的非线性范围越大,斜轴柱塞泵压缩损失流量越大。(5)开发了针对F12-80斜轴柱塞泵的空载流量特性和负载流量特性实验系统,通过理论计算结果和实验结果的比对分析,验证了弹流与空化效应下流量损失机理分析的合理性和流量模型的准确性。研究结果表明:在空载和负载工况下,流量模型的仿真结果与实验结果吻合较好,其相对误差不超过1.3%,从而验证了弹流与空化效应下流量损失机理分析的合理性和流量模型的准确性。在转速高于800 r/min、负载压力高于6 MPa的工况下,压缩损失是斜轴柱塞泵容积损失的主要来源。本文的研究成果系统地阐述了柱塞摆动、柱塞环弹性变形、油液空化等对斜轴柱塞泵流量损失的影响机制,丰富和完善了斜轴柱塞泵理论体系及设计方法,可为EHA用高功重比、高可靠性、高性能斜轴柱塞泵的研制提供理论和设计方法指导。
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