提高軸向柱塞泵的限速通過優化抽吸導管gydF4y2Ba

最大輸出壓力和最大轉速確定軸向柱塞泵的功率密度。然而,增加的速度超出了限製總是伴隨空化,導致體積效率的降低。吸入管的壓力損失被認為是一個重要的空化的原因。因此,本文提出一種方法來優化吸入管的形狀旨在減少氣蝕的強度和增加速度限製。首先,基於計算流體動力學(CFD)模型完整的空化模型(FCM)開發模擬流體的軸向活塞泵和一套測試平台驗證模型。然後進行拓撲優化是獲得最低吸水管的壓力損失。比較原始的吸入管和優化的一個仿真模型,吸入管的壓力損失相當大的減少,這簡化了空化強度。仿真結果證明了速度限製可以增加在不同進口壓力下。gydF4y2Ba

軸向柱塞泵廣泛應用於液壓係統為係統提供加壓流體通過將旋轉機械能轉換為液壓動力(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。通常一個軸向活塞泵活塞的奇數等於角間隔和每一個連接滑塊由一個球形接頭。圖gydF4y2Ba1gydF4y2Ba其橫截麵示意圖。當主軸旋轉與花鍵的耦合氣缸體,活塞的位移錢伯斯開始改變,和液壓油吸或放電通過閥板,將液壓動力。gydF4y2Ba

軸向柱塞泵的主要優點是效率高,可用變量位移,可靠性,最重要的是,高功率密度。然而,在過去的20年中,軸向柱塞泵的功率密度沒有顯著增加(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。泵的功率密度主要受限於最大輸出壓力和最大轉速。因此增加的最大速度是一種有效的方法來改善它。但提高轉速會導致許多問題,如空化強化、流紋波增加,傾斜旋轉的運動組和熱的問題(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。在大多數情況下的工程實踐,是最容易發生空化現象,這將降低容積效率和障礙進一步提高活塞泵的速度限製。gydF4y2Ba

空化是一個動態的過程的氣體液體腔生長和崩潰。它可分為氣體空化和霧狀的空化由於壓力的飽和壓力下氣體或液體的蒸汽壓gydF4y2Ba4gydF4y2Ba]。前者導致空氣釋放液和泡沫產生,而後者會導致低壓沸騰和液體蒸發。油壓活塞泵,氣體空化通常最先發生因此氣體的飽和壓力的標準來證明是否發生空化。當氣體氣蝕發生時,空氣釋放的流體,活塞室成為空缺。因此,交付流量開始減少的進一步提高轉速。當氣體空化發生的速度稱為自吸速度限製(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

許多調查了空化現象更好的軸向柱塞泵的設計。哈裏斯(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)使用不同的空氣釋放和空化模型,討論高速軸向柱塞泵的吸水性能。但這隻是一個簡化的單缸係統模型。伯納德(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)建立了一個數學模型,包括波傳播的複雜的抽吸係統管道和軟管泵的詳細模型包括每個九缸,空化,這些圓柱體的充電和放電過程與吸入管和幾個影響液壓配件的過程。演變和創新的計算流體動力學(CFD)技術在過去的幾十年,這部小說CFD方法和多個軸向活塞泵空化模型的提出和驗證(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba),進一步提高空化和性能預測的準確性。gydF4y2Ba

壓降有兩個主要原因帶來的空化現象。第一個是反流在閥板的過渡區,開始壓縮或解壓縮活塞室,這將形成射流的退刀槽閥板導致退刀槽附近的空化和缸端口(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。此外,回流也會引起的壓力低於活塞室,幾乎隨轉速的增加而成正比增加gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。一些研究已經進行優化閥板的幾何形狀抑製反向流,從而減輕空化強度(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]。輔助卷(PEV)[東擴之前gydF4y2Ba13gydF4y2Ba)和大型變壓器體積(PCV) (gydF4y2Ba14gydF4y2Ba)連接到閥板介紹了減少反流。gydF4y2Ba

壓降的另一個原因是吸入管的壓力損失由於流動阻力。一個有效的方法是增加進氣壓力(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba),比如添加一個增加設備,但它通常是昂貴的,降低了功率密度。因此,一些研究人員提高了吸水性能通過改變角度的進氣口吸入管(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba),提出了一種仿生設計的吸入管(基於蜿蜒的河流gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。然而,在吸入管隻是前麵的優化經驗方法。摘要拓撲優化是用來減少吸入管的壓力損失最小,旨在防止氣蝕。gydF4y2Ba

本研究包括以下內容。首先,活塞泵的CFD模型基礎上建立了完整的空化模型(FCM)和測試平台是建立驗證模型。然後一個拓撲方法開發優化的吸入管降低壓力損失。最後,優化結果與原來的相比。吸入管的壓力損失和空化強度都表現出相當大的減少,速度提高了很多。gydF4y2Ba

本文研究了軸向活塞泵是hpr - 02 - 210由林德液壓製造(中國)有限公司有限公司的CFD模型基於FCM的活塞泵將建立在本節中,通過CFD軟件。gydF4y2Ba

完整的空化模型gydF4y2Ba

空化模型可分為均勻混合模型和三分量的兩相流模型(gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。前模型忽略了凝性氣體對空化的影響以及蒸汽和液體之間的滑移速度,而後者考慮了這些因素(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。工程應用的軸向柱塞泵、低壓地區速度相對較高,蒸汽和液體之間的滑移速度相當小。除此之外,我們在這項研究中最關心的是天然氣總分數。相變過程中機組不凝性氣體的影響可以忽略不計。結果,選擇FCM均勻混合模型來模擬空化現象的研究。gydF4y2Ba

根據Singhal等人的研究gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba],FCM占所有三個一級運輸蒸汽泡沫的形成的影響,壓力和速度的狂暴的波動,和不凝氣體的大小。蒸汽質量分數gydF4y2BafgydF4y2Ba是由一個輸運方程:gydF4y2Ba

在哪裏gydF4y2Ba\ ({\ varvec {v}} \)gydF4y2Ba流體速度矢量,gydF4y2Baρ\ (\ \)gydF4y2Ba液體混合物的密度,gydF4y2BaR \ ({} _ {e} \)gydF4y2Ba和gydF4y2Bac R \ ({} _ {} \)gydF4y2Ba分別為蒸汽發電和冷凝率。在CFD模型中,以積分形式方程可以改寫為:gydF4y2Ba

在哪裏gydF4y2Baω\ (\ \)gydF4y2Ba是控製體積,gydF4y2Baσ\ (\ \)gydF4y2Ba表麵的控製體積,gydF4y2Ba\ ({\ varvec {n}} \)gydF4y2Ba是表麵標準gydF4y2Baf (\ D {} _ {} \)gydF4y2Ba的擴散係數是蒸汽質量分數,gydF4y2Ba\({\μ}_ {t} \)gydF4y2Ba是湍流粘度,gydF4y2Baf \({\σ}_ {}\)gydF4y2Ba是紊流施密特數。gydF4y2Ba

蒸汽一代術語gydF4y2BaR \ ({} _ {e} \)gydF4y2Ba和冷凝率gydF4y2Bac R \ ({} _ {} \)gydF4y2Ba被建模為:gydF4y2Ba

在哪裏gydF4y2Ba\ (k \)gydF4y2Ba是湍流動能,gydF4y2Bal \({\σ}_ {}\)gydF4y2Ba表麵張力,gydF4y2Bal \({\ρ}_ {}\)gydF4y2Ba和gydF4y2Bav \({\ρ}_ {}\)gydF4y2Ba液體和氣體的密度,gydF4y2Ba\ (p \)gydF4y2Ba液體的壓力,gydF4y2Bav p \ ({} _ {} \)gydF4y2Ba是霧狀的壓力,gydF4y2Bav f \ ({} _ {} \)gydF4y2Ba水蒸氣質量分數,gydF4y2Bag f \ ({} _ {} \)gydF4y2Ba是凝性氣體分數。經驗係數gydF4y2Bae C \ ({} _ {} \)gydF4y2Ba和gydF4y2BaC C \ ({} _ {} \)gydF4y2Ba分別為0.02和0.01,滿意的一般使用根據Singhal研究[gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba和丁gydF4y2Ba11gydF4y2Ba]。在這個CFD模型、湍流模型的標準gydF4y2Ba\ (k - \ varepsilon \)gydF4y2Ba模型。gydF4y2Ba

不凝氣體密度gydF4y2Bag \({\ρ}_ {}\)gydF4y2Ba計算理想氣體定律:gydF4y2Ba

最後,計算出的液體混合物的密度:gydF4y2Ba

CFD模型網格劃分和參數集gydF4y2Ba

建立的CFD模型,活塞泵的流場應該首先從CAD模型中提取然後導入到CFD軟件。活塞的運動包括主軸的旋轉和沿活塞室翻譯,而其餘卷保持不動。內部網格模板軟件創建結構軸向柱塞泵的活塞的六角網。剩下的還是卷分為一般網承諾足夠的精度。此外,相鄰卷之間的界麵流體流經的地方也由另一個網格模板。網格劃分結果如圖gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。在CFD模型的參數設置如表所示gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

在本文中,所有的計算結果得到5革命後穩定的仿真時間。gydF4y2Ba

試驗裝置gydF4y2Ba

驗證CFD模型,建立了一個測試平台。液壓回路的試驗原理和試驗裝置的圖片所示的數字gydF4y2Ba3gydF4y2Ba和gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,分別。入口壓力是由截止閥1而輸送壓力由比例節流閥控製7壓力反饋。安全閥8是用於限製安全的輸送壓力。此外,4軸速度傳感器,壓力傳感器2和6,流量計9裝備液壓係統測量相關參數。安裝孔被鑽試驗泵和壓力傳感器2是安裝在進氣壓力測試的洞。在實驗中,輸送壓力設置為20 MPa,類似於CFD模型。液壓係統中列出的細節表gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

實驗結果和討論gydF4y2Ba

調節截止閥設置入口壓力為0.05 MPa, 0.07 MPa,和0.1 MPa,速度各不相同。需要指出,仿真和實驗都是入口壓力計示壓力。圖gydF4y2Ba5gydF4y2Ba顯示了轉速和交付流量之間的關係在不同進氣壓力。隨著轉速的增加,流量提高初比例和流速之比轉速泵的位移。然而,一旦超過速度限製,交付流量開始增加比以前緩慢降低,表明容積效率的下降。實驗結果表明,進氣壓力有很大影響速度限製,進氣壓力越低,越低速度限製。因此,它有助於減少壓力損失通過優化吸入管增加速度限製。gydF4y2Ba

驗證CFD模型gydF4y2Ba

交付流量在不同旋轉速度的CFD模型和試驗裝置如圖gydF4y2Ba6gydF4y2Ba,被認為是三個不同的入口壓力。交付流量的仿真結果顯示一致性與實驗前的速度限製。錯誤來自於泄漏和FCM的誤差。當轉速下的限速,空化現象還沒有發生,和誤差主要來自泄漏流量,不考慮在CFD模型。因此,模擬流量高於實驗值。當轉速超出了限速,錯誤被泄漏和FCM的影響。空化模型預測的流量一般低於實驗值,隨著轉速的增加,模擬流量越來越低。因此,當轉速就開始增加超出了限製,總不會增加,而是減少錯誤。gydF4y2Ba

CFD模型的誤差是可以接受的,因為最大的不到3%,和限速仿真和實驗是重合的。因此,我們可以使用這個模型來預測速度限製,觀察氣蝕現象。gydF4y2Ba

拓撲優化方法的基本目標是獲取最佳的結構性能通過適當地放置在規定的設計域內材料(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。這種方法源於固體力學領域的1980年代末,然後擴散到一係列不同的聲學等學科(gydF4y2Ba22gydF4y2Ba],光子學[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba,電磁gydF4y2Ba24gydF4y2Ba),熱量條件(gydF4y2Ba25gydF4y2Ba),和流體流動gydF4y2Ba26gydF4y2Ba)等。如今拓撲優化可用在所有主要有限元分析軟件包,甚至在許多計算機輔助設計軟件包。一些研究人員利用這個方法來減少軸向柱塞泵的結構振動和噪聲(gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。本文是在吸入管上進行拓撲優化獲得最低壓力損失。gydF4y2Ba

數學模型gydF4y2Ba

在我們開始之前的過程優化,拓撲優化的數學模型是需要建立的。一般來說,拓撲優化問題是(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

在哪裏gydF4y2BaJgydF4y2Ba(·)是目標函數,gydF4y2BaγgydF4y2Ba優化設計變量,gydF4y2BaRgydF4y2Ba的矢量控製方程編寫的殘餘形式,然後呢gydF4y2BaggydF4y2Ba_我gydF4y2Ba是一組不等式約束。gydF4y2Ba

在這項研究中,我們的目標是優化吸入管獲得的最低壓力損失。所以耗散能量在設計域選擇的目標函數(gydF4y2Ba29日gydF4y2Ba),可以計算(gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

在哪裏gydF4y2BaugydF4y2Ba流體速度和嗎gydF4y2BaηgydF4y2Ba流體的粘滯性。gydF4y2BaΩgydF4y2Ba初始設計域如圖gydF4y2Ba7gydF4y2Ba(b)。gydF4y2BaαgydF4y2Ba的不滲透性是多孔介質,其價值取決於優化設計變量gydF4y2BaγgydF4y2Ba一個插值函數:gydF4y2Ba

和gydF4y2Ba問gydF4y2Ba是一個真正的和積極的參數用來調整插值函數的凸性。gydF4y2BaγgydF4y2Ba優化設計變量,它是人工密度的設計領域。在迭代過程中,gydF4y2BaγgydF4y2Ba在0和1之間變化,其中0表示固體域和1是流體域。gydF4y2Ba

吸入管中的流動是由navier - stokes方程(NS)。我們忽視的壓縮性流體在這項研究中,並計算方程可以寫成:gydF4y2Ba

在哪裏gydF4y2BafgydF4y2Ba是身體力量和可以表示為:gydF4y2Ba

解決計算方程,幾個邊界條件需要被添加。進氣壓力設置為0.1 MPa,流動方向垂直於進口和出口端口。gydF4y2Ba

在哪裏gydF4y2Ba\({\伽馬}_{倪}\)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba\({\伽馬}_{沒有}\)gydF4y2Ba分別是進口和出口的港口。gydF4y2Ba

也被認為是無滑動邊界條件為:gydF4y2Ba

在哪裏gydF4y2BaD \({\伽馬}_ {}\)gydF4y2Ba吸入管的邊界。gydF4y2Ba

吸入管的出口是一個open-boundary。所以,邊界上的應力分布gydF4y2Ba\({\伽馬}_{沒有}\)gydF4y2Ba是:gydF4y2Ba

還有幾個約束條件的優化,包括體積約束和形狀約束的進口和出口端口。gydF4y2Ba

在哪裏gydF4y2BaVgydF4y2Ba的總量是設計領域和gydF4y2BaθgydF4y2Ba是規定的流體體積分數。gydF4y2Ba

根據目標函數、邊界條件和約束上麵所討論的,這個拓撲優化問題的數學模型可以寫成:gydF4y2Ba

拓撲優化的過程gydF4y2Ba

整個拓撲優化過程如圖gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,為拓撲優化計算的流程圖如圖gydF4y2Ba8gydF4y2Ba。運行優化的步驟需要首先定義一個初始材料分布。然後進行CFD計算的流動特性和計算能量消散在最初的猜測。接下來,我們計算伴隨敏感性的方法。敏感信息用於計算下一個設計材料分布,即:、更新設計變量的優化器。但在此之前,敏感過濾的步驟是需要抑製的問題如棋盤,網格依賴性,和灰色的過渡gydF4y2Ba31日gydF4y2Ba]。優化器選擇在這個優化是廣泛使用的移動漸近線方法(MMA)。如果更新的設計變量不聚集,上麵的流程需要進行一次。的材料分布的迭代過程如圖gydF4y2Ba7gydF4y2Ba(c)。gydF4y2Ba

設計變量收斂後,最終的體積還粗,需要後期處理。平和的邊界,使用NURBS樣條適合3 d CAD軟件。優化的吸入管後擬合如圖(d)。gydF4y2Ba

最後,最初的吸水管被優化的CFD模型模擬了。gydF4y2Ba

優化結果與討論gydF4y2Ba

圖gydF4y2Ba9gydF4y2Ba顯示了原始之間的壓力分布的對比和優化抽吸導管,這表明優化吸入管道壓力損失較少。活塞泵的吸入階段期間,壓力損失的兩個主要因素是摩擦壓力損失和局部壓力損失。gydF4y2Ba

如圖gydF4y2Ba9gydF4y2Ba原始和優化吸入管可以分為三個部分,水平段,垂直段和過渡區域。在最初的吸入管中,水平段的流速更快比優化如圖gydF4y2Ba10gydF4y2Ba和gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,導致一個更大的粘性阻力,因此更多的摩擦壓力損失。gydF4y2Ba

除此之外,在過渡區,原來的吸入管有一個更清晰的把比優化。部分液體不能跟隨這個地區的主要流,所以發生流動分離。如圖gydF4y2Ba10gydF4y2Ba緩慢的部分流體形成一個漩渦在這一地區並始終消散的能量,造成局部壓力損失。gydF4y2Ba

吸入管的壓力損失產生空化現象和生成的泡沫將吸入活塞室吸階段。因此,活塞泵不能提供足夠的液體放電階段,導致降低容積效率和速度限製。gydF4y2Ba

此外,如圖gydF4y2Ba10gydF4y2Ba和gydF4y2Ba11gydF4y2Ba的出口,速度相比原吸入管道不均勻優化。在低速區域圖所示gydF4y2Ba10gydF4y2Ba活塞室的活塞泵不能吸收足夠的液體。因此,活塞室中的壓力下降,也可能引起空化。gydF4y2Ba

比較原始,優化吸入管的直徑在水平段變化緩慢,和曲率區域平滑的過渡。因此,分數和局部壓力損失都減少很多。此外,出口的速度優化的吸入管是均勻的。總的來說,吸入管上的拓撲優化可以降低空化強度和提高速度限製。gydF4y2Ba

相應的實驗數據,三個不同的入口壓力,0.1 MPa, 0.07 MPa,和0.05 MPa,設置在CFD模型來模擬空化強度和速度限製。圖gydF4y2Ba12gydF4y2Ba顯示了活塞室中的氣體體積分數的比較與原和優化的吸入管。優化的吸入管的空化區域小於原來在所有三個進氣壓力。結果表明,優化後的吸水管可以有效降低空化強度在不同進氣壓力。因此,優化吸入管增加供應流量在一個相對較高的轉速,如圖gydF4y2Ba13gydF4y2Ba。和提高軸向活塞泵的速度限製。仿真結果證明了拓撲優化方法的有效性提高軸向柱塞泵的速度限製。gydF4y2Ba

本文的拓撲優化方法對軸向活塞泵的吸入管增加速度限製。首先建立了CFD模型,然後建立測試平台驗證。最後,仿真結果證明了該拓撲優化的有效性。本文基於實驗和仿真,可以得出以下結論。gydF4y2Ba

1. (1)gydF4y2Ba

   從實驗結果,容積效率會降低,如果轉速超過速度限製。限速的影響軸向活塞泵的進口壓力。隨著進口壓力降低,速度降低。gydF4y2Ba

2. (2)gydF4y2Ba

   壓力損失的主要因素在吸入管摩擦和局部壓力損失,包括流動分離和動蕩的漩渦。gydF4y2Ba

3. (3)gydF4y2Ba

   仿真結果證明了拓撲優化在吸入管可以有效改善速度限製。優化的吸入管的壓力損失降低了很多,這緩解了空化現象的強度。最後,提高限速。gydF4y2Ba

由於高成本的生產優化活塞泵的吸入管、優化的吸入管的實驗尚未進行。然而,本文展示了拓撲優化在活塞泵的巨大潛力。在未來的工作中,這種方法可以廣泛應用於各種液壓泵和馬達的流管設計。gydF4y2Ba

作者真誠地感謝國家智能製造設備質量監督檢驗中心(浙江)提供本研究的試驗裝置。gydF4y2Ba

由中國國家重點研發項目(批準號2019 yfb2004504)。gydF4y2Ba

作者和聯係gydF4y2Ba

1. 國家重點實驗室的流體動力和機械電子係統,浙江大學,杭州,310027年,中國gydF4y2Ba

   張餘方,Junhui, Bing徐,昌盛範黃&律gydF4y2Ba

2. 工程科學和力學、Shibaura理工學院、日本東京gydF4y2Ba

   塔爾·毛gydF4y2Ba

3. 杭州Optimax科技有限公司、杭州,中國gydF4y2Ba

   Changming李gydF4y2Ba

4. 林德液壓(中國)有限公司,濰坊,261000年,中國gydF4y2Ba

   Zhimin郭gydF4y2Ba

貢獻gydF4y2Ba

BX和生理改變是負責整個試驗;YF ZM評選寫手稿;CL, CH, FL, ZG輔助實驗和數據分析。所有作者閱讀和批準最終的手稿。gydF4y2Ba

作者的信息gydF4y2Ba

餘方,生於1999年,目前是主人的候選人gydF4y2Ba國家重點實驗室的流體動力和機械電子係統,浙江大學,中國gydF4y2Ba。他收到了他的學士學位gydF4y2Ba中南大學,中國gydF4y2Ba在2020年,。他的研究興趣包括的空化和縱軸向活塞泵。gydF4y2Ba

張Junhui,生於1983年,目前是教授gydF4y2Ba國家重點實驗室的流體動力和機械電子係統,浙江大學,中國gydF4y2Ba。他的主要研究興趣是流體動力傳輸和控製,和噪音控製軸向活塞機。gydF4y2Ba

Bing徐,生於1971年,目前是教授和博士生導師gydF4y2Ba國家重點實驗室的流體動力和機械電子係統,浙江大學,中國gydF4y2Ba。他的主要研究興趣是流體動力傳輸和控製,和噪音控製軸向活塞機。gydF4y2Ba

塔爾·毛,目前是助理教授gydF4y2Ba工程科學和力學、Shibaura理工學院、日本gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

Changming,生於1974年,目前是一名工程師gydF4y2Ba杭州Optimax科技有限公司,中國gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

昌盛,生於1996年,目前是主人的候選人gydF4y2Ba國家重點實驗室的流體動力和機械電子係統,浙江大學,中國gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

範律,生於1996年,目前是博士生gydF4y2Ba國家重點實驗室的流體動力和機械電子係統,浙江大學,中國gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

Zhimin郭,目前是一名工程師gydF4y2Ba林德液壓液壓傳動研究所中國gydF4y2Ba。他的主要研究興趣是液壓泵,馬達和閥門的發展。gydF4y2Ba

相應的作者gydF4y2Ba

對應到gydF4y2BaJunhui張gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

相互競爭的利益gydF4y2Ba

作者聲明沒有競爭的經濟利益。gydF4y2Ba

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再版和權限gydF4y2Ba