杜善霄

转套式配流系统利用柱塞的往复运动驱动转套单向转动，实现配流功能，具有体积小、成本低、容积效率高、性能稳定等诸多优点[1].但该配流系统在吸油起始阶段存在较大负压，空气或者蒸汽从油液中分离出来，出现两相共存的状态，即空化现象，会降低系统的容积效率，造成振动、噪声以及气蚀破坏，严重影响系统的正常工作[2].

目前，采用盘式配流的轴向柱塞泵的空化研究对转套式配流系统具有一定参考意义.翟江等[3]对水压轴向柱塞泵内部的空化流动进行了数值模拟，对比分析了柱塞腔内部和配流盘表面空化情况，发现空化区域主要集中在柱塞腔的内侧，且柱塞腔刚与配流盘吸水槽接通时空化最严重.刘晓红等[4]对轴向柱塞泵配流盘进行气蚀试验，发现配流盘减压槽结构不同，气蚀破坏结果也会不同.高殿荣等[5]通过数值模拟分析了水压柱塞泵柱塞腔在不同位置气相体积分数的分布情况，发现空化主要发生在吸水区柱塞腔和配流盘的卸荷槽处，通过减小斜盘倾角、增大卸荷槽深度可降低空化程度.築地徹浩等[6]对轴向柱塞泵内部的空化流动进行可视化分析，利用高速摄像机观测到配流盘V型槽附近的空化现象，并对比分析了不同工作转速下的空化仿真和试验结果，发现两者具有很好的一致性.刘春节等[7]基于全空化模型对斜盘式轴向柱塞泵进行空化流动的数值模拟，表明不同的转速、配流盘结构会对空化现象产生影响.

在转套式配流系统本身结构研究方面，张延君等[8]提出了U型减振槽和三角型减振槽结构，并深入研究了它们对流场特性的影响.姜晓天等[9]基于转套式配流系统工作时存在较大的压力脉动等问题，对U型减振槽进行了优化设计，提高了整个系统工作的稳定性.但上述研究都未分析减振槽结构对转套式配流系统空化的影响.关于转套式配流系统的空化问题，张延君等[10]初步引入了空化模型，分析了空化对系统的影响，但该研究是在恒定转速、入口压力和减振槽结构下进行的，并未深入分析不同减振槽结构对空化的影响，且研究过程以水为流体介质，也并未考虑转套与泵体之间的径向间隙的存在.

文中基于含有转套间隙的流体域仿真模型，以油液为工作介质，深入分析在标定工况下和不同转速下U型减振槽和三角型减振槽对空化特性和容积效率的影响.研究为最终确定转套式配流系统的最佳减振槽结构和系统的最佳转速区间提供理论依据.

1 转套式配流系统空化模型

转套式配流系统结构如图1所示，具体工作原理见文献[11]，系统流体域模型如图2所示.

图1 转套式配流系统结构原理图Fig.1 Schematic diagram of rotating-sleeve distribu-ting flow system

图2 往复柱塞泵转套式配流系统计算模型Fig.2 Calculation model of rotating-sleeve distribu-ting flow system for veciprocating piston pump

减振槽的设计基于配流口结构与油腔布置角度进行，转套式配流系统俯视图如图3所示.

图3 转套式配流系统俯视图Fig.3 Top view of rotating-sleeve distributing flow system

为避免进排油腔之间连通，设计减振槽圆心角β连同配流口主体圆心角δ等于进油腔和排油腔之间的密封角度γ，U型减振槽和三角型减振槽结构形状如图4所示.U型减振槽截面由半圆弧面和矩形弧面组成，如图4a所示；三角型减振槽为三角形弧面，如图4b所示.

因半圆弧面角度较小，其弧形半径可由减振槽高度的一半近似替代.U型减振槽的体积表达式为

式中：hu为U型槽高度，mm；R0为配流口外壁半径，mm；βu为U型槽圆心角大小，(°)；wu为U型槽宽度.

图4 不同减振槽结构形状Fig.4 Different structure shape of damping groove

三角型减振槽的体积表达式为

式中：βt为三角型减振槽圆心角，(°)；ht为三角型减振槽高度，mm；wt为三角型减振槽宽度，mm.

转套转动时，减振槽与进出口油腔的接触是运动的过程，可以用过流面积来表示减振槽与油腔的相对运动状况.以图3状态为例，转套运动时，减振槽与进油腔连通，U型减振的过流面积为

式中：θ为转套转角，(°)；当θ小于2.87°时，U型减振槽的半圆弧面与进油腔连通；θ大于2.87°后，U型槽的矩形弧面开始与进油腔连通.

三角型减振槽的过流面积为

减振槽结构参数：U型减振槽圆心角βu=5°，高度hu=3 mm，宽度wu=3 mm；三角型减振槽圆心角βt=5°，高度ht=4 mm，宽度wt=4 mm.

配流系统内部流场为湍流流动，进行流场数值计算时利用标准k-ε湍流模型，其湍动能k和耗散率ε的方程分别定义为

文章来源：《工程与试验》 网址: http://www.gcysyzz.cn/qikandaodu/2021/0708/2192.html