基于CFD技术的新型轴向柱塞液压电机泵流场计算与分析

　　液压泵是液压系统的动力源,是液压系统的心脏。目前广泛应用于液压传动及控制系统中各种结构形式的液压泵(如齿轮泵、叶片泵和柱塞泵等),不论是定量泵还是变量泵,都要用联轴器与独立的原动机(如电动机、柴油机等)相联结才能被驱动。实践表明,这种连接和驱动方式的电机-泵装置占地空间大;电机轴与泵轴的同心很难保证,因而会引起整个装置的振动、噪声;从驱动电机到液压泵把电能转变为机械能的过程中,存在多次能量转换,会产生电功率损失、机械功率损失和液压功率损失,能量的转换效率低,能量损失较大[1]。这些问题的存在,使得液压传动面临着机械传动,特别是电气传动激烈的竞争和严峻的挑战。因此,提高液压装置的机电一体化程度,提高液压泵装置的能量利用率、降低噪声等就成为液压传动与控制领域迫切需要解决的问题。

　　多年来,国内外有很多专家学者等一直在从事相关的研究工作,并取得了一些研究成果。徐绳武教授自主研发的Q*YPCY14-1BK系列恒压恒功率变量轴向柱塞泵[2],把恒功率泵和恒压变量泵结合在一起,具有原机功率小、运行功率因数高、流量大、液压功率损失小等优点。史志永等[3]采用变频电机驱动内啮合齿轮泵组的方法构成变频变量泵。冀宏等人提出了离心泵辅助电机泵[4],并对其流场进行仿真研究。美国Vickers公司在20世纪90年代后期研制出了MP系列的所谓轴向柱塞电机泵[5],这种电机泵实际上是借鉴化工、石油、医药等领域广泛应用的屏蔽电机泵的特点设计的,采用电机与泵轴向排列并共轴的方式。目前这种泵已批量生产并投放市场。德国VoithTurboH+LHydraulic公司[6]生产的EPAI内啮合齿轮电机泵可以认为是机电一体化的电机泵。该泵是由电动机转子经离合器驱动的,转子轴承安装在泵壳上,通过油流导热冷却。这种泵传动效率高、噪声低、节省空间。与传统的传动装置相比,内置型的内啮合齿轮泵噪声水平可减少12 dB,泵单元的尺寸基本上相当于带自通风装置的电动机,结构空间缩小近50%。

　　在柱塞泵的流场可视化研究方面,柯坚、邓斌[7-9]等采用CFD仿真技术对轴向柱塞泵的配流过程进行可视化仿真,分析配流过程中的流量脉动,并对柱塞泵配流盘不同结构对流量脉动影响做了定性分析,对柱塞泵吸油腔不同结构的流场进行数值模拟和可视化研究。其他泵的三维流场仿真主要为叶片离心泵、螺旋泵内部流场的可视化研究[10-11]。

　　作者基于CFD技术,针对自主设计的新型轴向柱塞液压电机泵的复杂流道进行三维建模,网格划分,根据实际运行工况加入边界条件,应用流场计算软件对主要流场进行瞬态仿真分析,得到其内部流场的详细参数,获得关键位置的流体速度和压力等情况,以期为新型轴向柱塞液压电机泵的流道和整体设计提供理论依据。