基于空化分析的往复柱塞泵转套式配流系统设计理论与方法

For the rotating-sleeve distributing-flow System, high efficient distributing-flow is realized through the single direction rotation of sleeve driven by inner groove cylinder cam mechanism and the inherent reciprocating linear movement of the plunger. It conquers the shortcomings of traditional valve system, such as structural looseness, hysteretic reaction, great pressure loss, low working frequency. The cavitation decreases the volumetric efficiency and increases the pressure pulsation of the distributing-flow system. The project will take the pump chamber as control volume, constructs the thermodynamic model of cavitation and hydrodynamic model of vacuole based on enthalpy change analysis, then forms the model of volumetric efficiency and chamber close angle; constructs the fluid friction model of the sleeve considering of the enfluence on the friction by pressure pulsation resulted by cavitation, then forms the the force function of spring oscillator. Based on above, aiming at the highest volumetric efficiency, the optimization model of the whole structure matching of the valve system and the shape of cam groove will be studied; for the cam groove shape, the method of curve fitting and shape optimization with B spline will be studied also; at the same time, the design optimization model of spring oscillator with the goal of minimum volume will be discussed. Then integrating cavitation analysis and design optimization, the digital design of distributing-flow system will be carried out, and the vitual prototype and simulation result will be given. The prototypes will be developed and corresponding beach test will be finished. Through the study, a mature structural principle of rotating-sleeve distributing-flow system, the design theory and method based on cavitation analysis will be formed, which will be useful for related study on fluid drive.

转套式配流系统利用柱塞固有的往复直线运动通过内圆柱凸轮槽机构驱动转套单向旋转实现高效配流，克服了往复柱塞泵常用阀式配流系统结构松散、反应滞后、压力损失大、工作频率低的弊端，但空化降低了配流系统的容积效率，加剧了液压脉动。项目将以泵腔为控制体积，基于焓变分析建立空化热力学模型和空泡流体动力学模型，进而形成转套式配流系统的容积效率模型和闭死角计算式；考虑空化压力脉动对摩擦的影响，建立转套的流体摩擦模型，进而形成弹簧振子的受力方程。基于上述，研究以容积效率最高为目标的，配流系统总体结构匹配和凸轮槽型线设计优化模型，以及用B样条曲线拟合、优化凸轮槽型线的方法；以体积最小为目标的弹簧振子结构设计优化模型。再集成空化分析和设计优化进行配流系统的数字化设计，得到虚拟样机和仿真结果，研制样机进行试验。项目将形成转套式配流系统较为完善的结构原理，和基于空化分析的设计理论与方法，助益流体传动相关问题研究。

转套式配流系统利用柱塞固有的往复直线运动通过内圆柱凸轮槽机构驱动转套单向旋转实现高效配流，克服了往复柱塞泵常用阀式配流系统结构松散、反应滞后、压力损失大、工作频率低的弊端，但空化降低了配流系统的容积效率，加剧了液压脉动。项目以泵腔为控制体积，建立了系统空化基本控制方程、基于焓变的空泡动力学方程，重点研究了转套式配流系统Singhal空化模型，评价空化的指标主要采用空化占比、气体体积分数、容积效率。基于焓变分析建立空化热力学模型和空泡流体动力学模型。设计了满足系统工作频率要求的弹簧振子结构，提出了反正弦型线、线性型线、样条型线、正切型线4种凸轮槽型线，仿真研究了各种型线下转套式配流系统的运动学与动力学特性，线性凸轮槽型线传动最为平稳、作用力最小，空化占比、气体体积分数、容积效率最优；提出了U型和V型减振槽结构，U型减振槽空化特性略优于三角型；研究了闭死角对流场特性的影响，确定了最佳配流角尺寸；提出了方形配流口、圆形配流口、双配流口三种配流口结构形式，推导了过流面积方程，方形配流口配流面积最大，其次是圆形配流口，面积最小的是双配流口，双配流口空化现象最为明显；对转套与泵体间的润滑膜进行准稳态分析，建立了流体润滑的控制方程，确定了最佳半径间隙；建立配流系统减振槽的优化设计模型，基于isight集成有关CAD/CAE软件及Excel搭建了智能优化平台，仅仅通过减振槽优化即可提高系统容积效率0.8%。集成空化分析和设计优化结果完成了配流系统数字化设计，借助3D打印技术研制了样机，利用高速摄像机进行了空化观测，利用液压试验台测量了标定工况下的容积效率，仿真结果与实验结果之间误差小于5%。项目获发明专利5件，发表录用高水平论文22篇，培养博士与硕士研究生8名。建立转套式配流系统基于空化分析的设计理论与方法，形成了转套式配流系统的比较完善的结构原理，可满足往复柱塞泵高效、紧凑、大流量开关配流需求，丰富了液压系统的理论体系。