柱塞式能量回收马达配流副锥度角的分析与试验

柱塞式能量回收马达是将液压马达与发电机一体化的新一代液压能量回收装置,缸体-配流轴组成的配流副是其关键摩擦副之一,配流副配合面锥度角的选择对马达的配流、承载和摩擦磨损特性有重要影响。该研究采用理论分析、数值模拟和试验测试的方法,探讨柱塞式能量回收马达配流副锥度角的最优值选择。首先根据配流副结构与尺寸,明确锥度角范围,然后以36°、39°、42°和45°共4个配流副锥度角为对象。分别从流场仿真、弱流固耦合和摩擦磨损试验3个方面,评价各锥度角配流副的柱塞腔油液压力与压力脉动、配流副部件应力与变形、配流副摩擦磨损等性能。结果发现配流副锥度角为42°和45°时,位于配流副上死点的柱塞腔内油液压力和压力波动较小,压力分别为4.66、4.62 MPa、压力波动幅度分别为3.307和3.246 MPa;在柱塞腔与高压油孔接通阶段,柱塞腔油液压力波动幅度分别为0.324、0.322 MPa;两种锥度角下的配流轴最大等效应力皆远小于其屈服强度;锥度角为42°缸体的最大等效应力占屈服强度比例较45°锥度角大0.74个百分点,最大变形量大0.251μm;两种锥度角的配流副没有强度失效的风险,虽然有微量弹性变...     

弹性变形对轴向柱塞泵配流副润滑特性的影响

考虑到配流副在高压条件下的弹性变形量已与油膜厚度同一量级,该文应用弹性流体动力润滑理论,建立了弹性变形条件下配流副的润滑数学模型,采用有限差分法求解了模型的控制方程,进行了弹性变形对配流副润滑特性的影响分析。结果表明,在油膜厚度较小时,配流副的弹性变形使平均油膜厚度相比增大了14.48%,但最大油膜压力却减小了18.60%,且配流副的油膜承载力和泄漏量明显增大,而摩擦转矩明显减小;但油膜厚度大于15 mm时,可以忽略弹性变形对配流副润滑特性的影响。研究为高压化轴向柱塞泵配流副的设计与研究打下了基础。     

锥形配流副弹流润滑模型与数值计算方法

为求解高压条件下锥形配流副的润滑模型,该文提出了综合应用有限差分法、液阻网络法和约束最优化复合形法的二元二目标复合形法,研究表明了模型解的存在性和唯一性,并通过实例应用二元二目标复合形法对润滑模型进行了求解。实例结果显示,平衡油槽的无量纲压力随工作压力的变化保持恒定,配流间隙随工作压力增大呈线性减小,而偏心率在工作压力范围内均略小于0,最小为-0.036。研究为锥形配流副弹流润滑特性的分析及其设计提供了参考。     

液压冲击下五星式径向柱塞马达配流轴疲劳分析

为探明某内五星式径向柱塞马达在液压冲击下的疲劳损伤机理,应用AMESim软件研究分析了液压马达油路中因阀门突然关闭而产生的液压冲击波及其最大压强值,将液压冲击的冲击压强作为马达配流盘中流体分析的压强边界,计算得出高压流体作用在配流盘上的冲击压强,由此得到配流盘与上壳体之间的正压力,进而得到配流轴的工作负荷,分析配流轴的疲劳损伤形式。液压系统仿真分析表明,当马达转速由400 r/min迅速降低至0的过程中,系统最大压强可达36 MPa,配流盘上的冲击反压强可达34.9 MPa,配流盘与壳体之间的摩擦阻力矩可达60.02 N·m,在此负载条件下,配流轴疲劳寿命最低至2 197.6次,发生在配流轴与配流盘相接触区域,极易发生疲劳损伤。实际马达的损伤情况与所分析结论相符合,证明采用该分析方法能有效预测马达疲劳损伤情况。该研究的开展为液压马达配流轴和配流盘结构设计提出了参考,同时为液压油路的设计提出了要求。     

高压子母叶片泵配流副油膜的温升特性

为了改善高压叶片泵的性能,提升配流副的摩擦特性,采用理论分析、数值模拟和试验测试的方法,研究配流副油膜不同部位的温升情况。首先分析了吸油区和排油区的内、外层区域油膜油液运动情况,建立油膜温升的计算模型。然后从理论计算结果、温度场数值模拟云图和试验测试结果进行分析讨论。结果发现,高压子母叶片泵配流副油膜的温升受到工作压力和油膜厚度的影响,油膜厚度一定时,油膜温升值随压力的增大而增大,而工作压力一定时,油膜温升值随油膜厚度增大而减小。配流副吸油区油膜的内外层区域的温升值不一样,外层区域油膜温升值比内层区域高0.5～1 ℃。相同的工作压力下,由于受到剪切流动和较大压差流动的共同作用,吸油区油膜温升值比排油区油膜温升值高1.5～3.5 ℃。排油区外层区域的油膜温升值比内层区域的高,内外层区域油膜温升值沿圆周方向均从两侧向中心方向增大,中心位置温升值最大,差值约为0.25～0.5 ℃。     

固体颗粒对高压叶片泵配流副油膜特性影响的数值模拟

叶片泵对油液的清洁度要求较高,油液中混入的少量固体颗粒会引起泵内部摩擦副磨损而使其间隙增大,影响叶片泵的容积效率。为了探明颗粒在叶片泵配流副油膜内部的分布状态及其对配流副损坏机制,该研究使用理论分析、数值模拟和试验测试的方法,研究油液中的固体颗粒对高压叶片泵配流副油膜特性的影响。应用Fluent内置的两相流模型,分别改变固体颗粒直径（0.5～13μm）和固相体积分数（0.2%～1%）、泵的工作压力和转速,开展子母叶片泵配流副油膜内部的固相体积分数分布与温度分布的数值模拟,并对数值模拟结果进行验证。结果表明,油液中的固体颗粒基本不影响配流副油膜的压力数值及其分布,但会引起排油区的油膜温度下降低。随着颗粒直径的增大,吸油区油膜固相体积分数减小,最大变化量为0.25%,排油区油膜固相体积分数增大,最大变化量为0.35%,油膜固相体积分数整体上呈增大趋势变化。叶片泵容积效率随着固体颗粒直径的增大而下降,二者近似线性关系。随着颗粒固相体积分数的增加,油膜固相体积分数整体呈增大的趋势变化,最大变化量为0.72%,引起叶片泵容积效率下降,且颗粒固相体积分数与容积效率之间呈非线性关系。油膜表面的温度随颗粒固相体积分数的增加而减小,吸油区各区域油膜温度变化较小,排油区油膜温度最大变化量为2 K。配流副油膜受压差流影响较大的区域内固相体积分数随工作压力升高而减小,最大变化量为0.3%,油膜表面各区域的温度有所上升,核心区域温度变化量为4 K。油膜大部分区域的油膜固相体积分数和温度都随着泵转速的增大而增大,影响较大的区域中固相体积分数最大变化量为0.2%,温度最大变化量为3 K。研究结果可为高压叶片泵配流副的设计提供参考。     

摇臂式喷头副喷嘴仰角及位置参数的优化

摇臂式喷头副喷嘴的主要作用是增加喷头近处的喷水量,从而提高喷头的喷灌均匀度,因此对摇臂式喷头副喷嘴的研究具有重要意义。该文采用流场模拟和试验相结合的方法对摇臂式喷头的副喷嘴结构参数进行了优化设计。首先采用逆向工程的设计方法,运用Pro/E建立了摇臂式喷头的三维结构,选择副喷嘴的仰角和位置为待优化参数,设计出9种副喷嘴结构的摇臂式喷头。运用Pro/E和Hyper Mesh软件建立了9种副喷嘴结构摇臂式喷头的三维内流道模型,利用CFD软件FLUENT对9种喷头的内流道进行三维模拟,运用快速成型技术加工出喷头样品进行试验验证,在矩形组合方式下运用4种插值方法(距离插值法、线性插值法、立方插值法和三次样条插值法)计算喷灌组合均匀度,并且利用Sprinkler3D软件通过二维插值的方法建立了9种喷头的压力水量分布模型,对喷头喷洒均匀性进行评价。结果表明,6号喷头(副喷嘴位置参数为19.8 mm、仰角参数为18°)的模拟流量和速率较大,试验水量分布在2~12 m之间能够保持较好均匀性,且射程达到14 m以上,喷灌均匀度在压力为250和300 k Pa下都达到80%以上。因此,副喷嘴位置参数19.8 mm、仰角参数18°为摇臂式喷头副喷嘴的最佳结构参数。该研究为摇臂式喷头结构设计和喷灌系统优化等提供参考。     

低速大扭矩水压马达的配流性能分析及试验

为了提高低速大扭矩水压马达的容积效率,以马达的配流副为研究对象,基于力平衡方程及流量方程,建立了配流体端面与转子端面间的泄漏流量损失和功率损失的数学模型。以配流体转子间的水膜厚度、介质温度和马达转速等为性能指标,分析了不同供流方式下间隙、温度和转速对其性能的影响。研究结果表明:间隙越大,配流体转子端面的泄漏流量损失和功率损失越大,温度越高,功率损失越大,同时内环供流时水压马达的性能要优于外环供流。因此,减小水膜厚度,降低水温,可减小配流副的泄漏流量损失和功率损失,提高水压马达的容积效率及马达性能。综合考虑,配流间隙控制在4~5μm较为合适,水温控制在室温(20±5)℃状态下为宜。同时基于上述研究,设计加工出低速大扭矩水压马达物理样机,并对样机的性能进行了加载试验测试,得到了相应的性能曲线,试验结果表明:加工完成的水压马达样机在带载时的容积效率最高可达到90.97%,机械效率最高可达到93.59%,从而验证了所研制的低速大扭矩水压马达原理正确可行,也证明了上述研究结果的正确性,解决了低速大扭矩水压马达的设计理论及关键技术问题。该研究为低速大扭矩水压马达进一步的产品化提供了参考。     

灌溉输配水系统明满流的全隐式耦合模拟及验证

准确合理地模拟具有自由表面的渠/管道明流和具有压力的管道满流运动过程,是设计、评价和管理灌区输配水系统的基础.为此,该文基于Preissmann窄缝法的概念,采用Saint-Venant方程组描述灌溉输配水系统的明满流过程,在交错空间离散单元格上,建立了基于全隐式标量耗散有限体积法的明满流耦合模拟模型.借助标准的室内物理模型观测数据和石家庄冶河灌区山尹村试验站野外原型观测数据,对模型的模拟效果进行了验证.结果表明,与基于显式向量耗散有限体积法建立的模型相比,该文建立的明满流耦合模拟模型具有类似的模拟精度,但水量平衡误差在室内和野外试验条件下仅为前者的13%和1.2%,且计算效率提高了约5.2倍;与基于四点偏心有限差分法建立的模型相比,模拟精度显著提高,水量平衡误差在室内和野外试验条件下仅为前者的7.6%和0.6%,且效率提高了1.3倍,故该文建立的模型有效克服了已有模型无法统一模拟精度和效率的缺陷,更适于实际工程问题,为灌区输配水系统的设计优化和管理评价提供了数值模拟方法.     

纽扣式压力补偿灌水器结构优化与性能分析

针对传统压力补偿灌水器生产工艺复杂、补偿效果不佳的问题,该研究以纽扣式压力补偿灌水器结构为基础进行压力补偿元件的优化与性能分析。基于COMSOL双向流固耦合数值模拟平台,对灌水器多物理场耦合的瞬态过程进行力学建模与数值模拟,确定了球型限位曲面与空间螺旋副流道配合的最佳构型。以流态指数为目标,针对副流道深度、宽度、副流道螺旋角度、压力补偿元件硬度等关键因素开展了单因素水力性能试验与正交试验,得出流态指数影响因素由大到小的次序为副流道宽度、压力补偿元件硬度、副流道深度;经响应面分析获得最优参数为：副流道宽度0.65 mm、副流道深度0.14 mm、压力补偿元件硬度53 HA。验证试验结果表明,所设计的灌水器流态指数为0.074,压力补偿区间为0.075～0.3 MPa,满足流态指数不超过0.1、起调压力不超过0.1 MPa、压力补偿区间大小不小于0.15 MPa的设计要求,压力补偿区间内平均流量为2.31 L/h。研究结果可为灌水器产品的研发提供参考。     

柱塞泵螺旋沟槽式柱塞-铜套副缝隙流场流动与均压特性

为考察螺旋沟槽结构对柱塞-铜套副缝隙流动和均压特性的影响,该文结合某型斜盘柱塞泵实际结构组成,采用计算流体力学方法,对螺旋沟槽式柱塞-铜套摩擦副在不同工况下的缝隙流场进行了数值仿真,分析比较了6种不同表面结构柱塞-铜套副的油膜压力分布、倾斜力矩大小和缝隙流动特性变化情况,并利用理论计算和试验方法对仿真结果进行了检验。结论表明,螺旋沟槽结构使缝隙油膜压力更加均匀稳定,柱塞最大倾斜力矩和倾斜力矩变化幅度减小。当柱塞泵转速为1 000 r/min,柱塞位置为90°时,与无沟槽柱塞相比,螺旋沟槽式柱塞-铜套副在轴向位置25 mm处圆周向压力变化幅度减小了24.05%~55.77%,柱塞最大倾斜力矩减小了49.01%~103.14%。各种螺旋沟槽结构中,单圈螺旋沟槽起点与柱塞端面的距离增加,沟槽均压作用增强;相对于单圈沟槽,多圈螺旋沟槽更有利于提升摩擦副压力分布的均匀性和稳定性,均压作用更加明显。螺旋沟槽结构的导流作用降低了摩擦副中油液的流动阻力,使油液分布更加均匀,改善了摩擦副的均压润滑特性。但在高压低速时,泄漏量将增加22.73%~267.53%,降低了摩擦副的密封性。此外,螺旋沟槽式柱塞-铜套副中沟槽深度与压差流大小成正比,根据需要合理地设计螺旋沟槽,有利于提升摩擦副的工作性能。该研究可为螺旋沟槽式柱塞-铜套副的密封与均压性能协同优化设计提供参考。     

负载敏感变量泵结构建模与性能分析

作为现代农业装备液压系统关键零部件,负载敏感变量泵为农业绿色生产提供了保障。为深入研究负载敏感变量泵的工作性能,该文重点分析了其内部机械结构和工作机理,充分考虑了各运动部件的有效行程范围,应用现代控制理论状态空间法建立了基于边界条件的负载敏感变量泵非线性数学模型,基于Matlab/Simulink软件,采用四阶龙格-库塔算法对其稳态和动态性能进行了仿真分析,并搭建闭心式负载敏感液压系统试验平台,完成其性能试验,通过对比分析负载敏感变量泵动态特性试验与仿真结果,得到负载补偿压力误差约为0.1 MPa,验证了负载敏感变量泵非线性数学模型的正确性。试验结果表明:负载敏感变量泵输出流量和压力可实时与负载相适应,补偿压力约为1.5 MPa,可有效提高液压系统效率,减少系统发热,满足现代农业装备作业机组的田间作业需求。     

比例施肥泵驱动活塞受力分析及内部流动模拟与试验

为了研究比例施肥泵驱动活塞在往复运动过程中的受力情况,基于Fluent软件,通过用户自定义函数编程技术实现了相应的三维动网格模型,建立了比例施肥泵三维动态数值模拟模型,并通过实验数据对比验证了模型的可靠性。在此基础上,对施肥泵的内部流场进行了数值模拟。结果表明:所建立的数值模拟模型具有较好的准确性,模拟所得压差流量关系与试验结果基本一致,比例施肥泵流量的模拟值与试验值的最大相对误差为4.20%;模拟与试验所得活塞往复频率随压差的变化趋势基本相同,且模拟值与试验值的相对误差控制在12%之内。驱动活塞在往复运动过程中,泵内大部分流域流速较低,动能基本转变为压能驱动活塞。活塞上行运动与下行运动类似,在行程初期呈加速运动随后进行匀速运动。活塞不同表面所受到的力随压差的增大呈线性递增关系。该研究可为比例施肥泵的性能研究和结构设计提供参考。     

往复泵吸入特性的流体力学数值模拟

为了研究往复泵在吸入过程中流体的动力特性及相关参数对吸入特性的影响,对往复泵的吸入过程进行计算流体动力学的数值模拟。在吸入过程中,根据阿道尔夫泵阀运动微分方程和活塞运动引起的泵腔内流场变化确定泵阀的运动,同时运用动网格生成技术更新了不同曲柄转角下的计算模型。通过数值计算,得到了往复泵的瞬时吸入流量、柱塞端面上的压力分布,并研究了冲次、弹簧刚度对吸入阀迟滞关闭现象的影响。结果表明,流体的压缩性和惯性导致瞬时流量小于理论值,吸液量是理论值的0.91倍,往复泵的冲次从100/min增大到330/min时,吸入阀     

阀门调节式比例施肥泵性能分析与试验

为探明阀门调节式比例施肥泵的工作原理及水力性能,该研究针对施肥泵的结构原理及主要性能参数进行了分析,同时还进行了其水力性能的相关试验。研究结果表明：在进出口压差一定时,随着施肥泵三通阀角度的增大,进口流量先减小后增大,在所有正常工作压力下都呈现同样的趋势。施肥比例R与三通阀的水平分流比r成正比,且可以实现0.07%到0.35%范围内的连续变化,但其调节曲线并非单调上升,而是与活塞运动频率曲线的趋势相似。在正常工况下（进出口压差在0.06～0.18 MPa）,三通阀角度为90°时,能量转换效率随着进出口压差的增大而增大;施肥比例稳定度为95.91%,表明施肥泵在不同进出口压差下工作时的施肥比例较为稳定。研究结果可为比例施肥泵的整体设计及优化提供指导。     

发动机液压自由活塞下止点运动机理

为实现对单活塞液压自由活塞发动机工作频率的精确控制,掌握液压自由活塞下止点运动规律是基础,基于系统基本原理,研究了活塞下止点运动规律的数学模型。通过建立数学仿真模型和试验系统,研究了液压自由活塞在下止点的运动规律及其影响因素。结果表明,活塞下止点运动过程包括反向加速和正向减速过程,活塞到达下止点后的反弹距离主要由该过程决定,活塞下止点运动过程中的反向加速力来自泵腔和压缩腔压力。系统压缩腔压力变化规律可控是工作频率精确控制的基础,压力变化规律控制要考虑活塞运动状态和单向阀的阀芯动作规律的影响。     

微灌用水动活塞式施肥泵研制

灌溉施肥装置是实现农业灌水施肥自动化不可缺少的设备，施肥装置的研制也一直是灌溉施肥领域的一个热点。该文在综述微灌用施肥装置的类型以及国内外的研发现状基础上，重点介绍了研制开发的水动活塞式施肥泵结构、工作原理，并测定了其工作性能。结果表明：新开发的水动活塞式施肥泵具有启动工作压力低、吸肥效率较高等特点，具有较广阔的推广应用前景。     

基于HP滤波与ARIMA-GARCH模型的柱塞泵泄漏量预测

柱塞泵关键摩擦副磨损造成的泄漏增大是其性能退化的主要原因,预测泄漏量的变化趋势有助于定量分析柱塞泵性能退化过程。该研究使用HP（Hodrick-Proscott）滤波对柱塞泵泄漏量进行分解,结合滤波后得到的趋势数据具有非线性及方差异性的特征,基于时间序列方法建立HP-ARIMA-GARCH（HP-Auto Regressive Integrated Moving Average- Generalized Autoregressive Conditionally Heteroscedastic）模型预测柱塞泵泄漏量变化。通过不同时段泄漏量预测结果比较可知,根据HP滤波分解后得到的趋势数据序列建立的HP-ARIMA-GARCH模型较传统时间序列模型预测结果的平均相对误差最高可减小5.42个百分点,能够实现对泄漏量的有效预测。研究结论可为柱塞泵性能退化的定量预测提供理论参考。     

分置式转向助力机构球头销计算机辅助分析

分析了分置式转向助力机构的液压缸活塞杆与转向直拉杆相铰接的球头销的运动特性,建立了其轨迹方程及压力角的数学模型。通过计算机辅助分析,求得了该点压力角的变化规律及给定杆系参数下压力角的最佳变化区间。对FR1608运输车转向助力机构的分析结果表明,在转向器转向垂臂的标准摆动范围内,设计参数满足最佳压力角要求。