柱塞腔流道断面平滑过渡式轴向柱塞泵的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及液压轴向柱塞栗领域，特别涉及一种柱塞腔流道断面平滑过渡的轴向柱塞栗。
【背景技术】
[0002]液压栗作为液压系统的“心脏”，是液压系统中的核心元件同时也是液压系统振动和噪声产生的主要来源之一。轴向柱塞栗是最常见的液压栗之一，受其结构影响，工作过程中不可避免地会产生流量脉动从而引发振动。这些振动不但使轴向柱塞栗的零部件相互碰磨，造成损伤，降低工作寿命和效率，还会引起液压管系振动，造成液压系统其它故障。由于轴向柱塞栗结构复杂，运动副多，油液在流道中尤其是在柱塞腔处产生压力损失、气蚀和紊流甚至湍流现象，这会加剧轴向柱塞栗流量脉动和振动，因此对柱塞腔内部流道进行优化设计显得尤为重要。
[0003]现有典型轴向柱塞栗的柱塞腔与缸体端面配流窗口形成的流道属于半径突变流道，柱塞栗配流过程中，在压油时缸体端面配流窗口与柱塞腔连接处的流道断面突然缩小；在吸油时流道断面突然扩大。流道断面突然缩小时，从图1(a)可看出在半径突变处的会形成大量的漩涡，漩涡区内由于粘性作用及流体质点间的剧烈混杂，将消耗流体能量；其产生的漩涡使附近区域的压力急剧降低，进而形成真空，产生空化现象，在此作用下，将造成金属表面的空蚀破坏，严重地危害了系统的可靠性；流道的突变还会改变液体的动力学特性，导致液体运动阻力的变化；从而引起结构件的振动和噪声。流道断面突然扩大时，由图1(b)可看出在半径突变处也形成了漩涡，但与突然缩小通径相比，突然扩大流道的流体基本上未产生管道径向力，这种流道最大的缺陷就是管径扩大处存有大量的空气，在空气未完全排除前，当柱塞转入压油工况时会产生气蚀现象，造成缸体内金属表面的空蚀破坏，降低柱塞栗可靠性和使用寿命。
[0004]由于流体运动具有惯性，质点的运动方向不可能依流道形状而突然改变，因此需要对现有柱塞腔流道进行改进，即令流线平滑过渡，避免流道断面发生突变，防止柱塞腔出现漩涡或空化。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型提供一种柱塞腔流道断面平滑过渡式结构，其特征在于:柱塞腔末端原半径突变流道改为平滑过渡式流道，及为适应平滑过渡的柱塞腔末端而改进的端部为碗形的新式柱塞。有效避免了柱塞腔与缸体端面配流窗口形成的流道断面发生突变的情况，可减小柱塞腔出现漩涡或空化的可能性，从而减小柱塞栗的流量脉动进而降低振动和噪声。
[0006]图2所示为柱塞栗工作腔结构，图中柱塞处于上死点，即吸油工况开始位置。由于滑靴与斜盘间的间隙微小，间隙泄漏予以忽略，将半径突变处(图2中A处)等效为端部密闭的圆柱型腔体并把配流盘流道与缸体吸油孔等效为一个吸油短孔模型，模型中短孔的长径比为0.5彡L/d彡10。
[0007]将工作腔与短孔流场简化为轴对称圆柱体，建立半径突变处二维流场模型如图3所示。
[0008]上述流场模型中由短孔流场区域(图3中A处)与工作腔(图3中B处)构成的半径突变流道在吸油工况和压油工况均会产生大量气泡和漩涡(如图1所示)，油液流经图3所示直角弯(图3中C、D处)处会引发空化现象并损耗能量。同时高速高压流体流动方向的骤然改变会对缸体产生强烈冲击从而引发振动、噪声。
[0009]本实用新型针对上述问题对轴向柱塞栗原有流场进行优化，其技术方案如下:
[0010]对图3所示的半径突变处二维流场模型中的直角弯(图3中C、D处)做了优化处理，用一个圆角代替原有的直角，为流体提供平滑的过渡曲线，同时为适应平滑过渡的柱塞腔末端，充分利用柱塞腔有效容积，采用柱塞端部为碗形的新式柱塞。
[0011]轴向柱塞栗工作腔优化以后，其特征在于:柱塞腔末端直角、突然变径处直角均变为大小与柱塞腔和出油孔直径相关的圆弧(图4中C、D)，并平滑对接；为充分利用柱塞腔容积、保证轴向柱塞栗的容积效率，柱塞端部也改为与过渡圆弧相适应的碗状外形。
[0012]优化后的柱塞腔流道断面平滑过渡式轴向柱塞栗，其特征在于柱塞腔末端直角、突然变径处直角均变为:R = R1-R2的圆弧，其中Rl为柱塞腔的半径，R2为出油孔的半径；柱塞腔端部变为圆弧状后，为了不使柱塞行程减小，需将柱塞由圆柱形改为端部为碗状的圆柱形，其中碗状端部圆弧(图4中C、D)大小为R = R1-R2。
[0013]改进后的半径突变处二维流场模型如图4所示。根据改进后的模型将柱塞栗工作腔优化为如图5所示的结构。
[0014]图6所示为未优化的流场简化模型(以下简称为模型I)和优化后的流场简化模型(以下简称为模型II)。
[0015]在吸油工况下对将简化模型进行仿真，得到优化前和优化后的流场速度分布云图如图7所示。
[0016]由图7可以看到，未优化的柱塞腔流道在半径突变处有明显的涡流区域(图7中A、B处)并且其流场区域中部还有明显的速度剧变区域(图7中C处)，这表明传统轴向柱塞栗的柱塞腔流道在吸油时存在很大的空化区域，会产生大量气泡，这些气泡在压油工况下会迅速溃灭产生气蚀。
[0017]由图8可以看出，经过优化改造的柱塞栗流场其涡流区域(图8中A、B处)明显减少，管道中的流体在经过缓慢的角度变化后，流体流动状态有较小改变，但在经过变径后迅速恢复，因此管道内的流体状态稳定，没有强烈的动量变化形成冲击，减小了气蚀造成的危害，有利于栗长时间稳定工作，提高了栗的使用寿命和可靠性。
[0018]通过流场仿真的结果可直观的看出采用本实用新型优化后的变径流场中易产生的涡流、空化气蚀现象有了明显改观，从而减少栗的非正常磨损。这对于减小柱塞栗振动噪声，提高柱塞栗的使用寿命和可靠性有着积极的作用。
【附图说明】
[0019]图1是半径突变流道的流场示意图，其中:(a)为流道断面突然缩小的情况；(b)为流道断面突然扩大的情况。
[0020]图2是优化前柱塞栗工作腔结构图，其中:1为斜盘；2为滑靴；3为柱塞；4为缸体；A为半径突变处；B为柱塞移动壁面。
[0021]图3是半径突变处二维流场模型示意图，其中:A为短孔流场区域出为工作腔；C、D为直角弯；E为柱塞移动壁面。
[0022]图4是改进后柱塞栗工作腔结构图，其中:A为短孔流场区域为工作腔；C、D为圆弧；E为柱塞移动壁面。
[0023]图5是优化后的平滑过渡二维流场模型示意图，其中:1为斜盘；2为滑靴；3为柱塞；4为缸体；A为平滑过渡处；B为柱塞移动壁面。
[0024]图6是流场二维简化模型。
[0025]图7是优化前流场速度分布云图，其中:A和B为涡流区域；C为速度剧变区域。
[0026]图8是优化后流场速度分布云图，其中:A和B为涡流区域。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图与【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细描述:
[0028]图2所示柱塞栗工作腔结构存在半径突变流道，其二维流场模型如图6模型I所示，当其中有流体通过时会产生空化现象，由此引发的漩涡、速度剧变现象如图7流场速度分布云图所不。
[0029]针对针对这一问题，本实用新型对图6模型I中的半径突变处二维流场模型进行优化，【具体实施方式】为:
[0030]将图2中半径突变处(A处)直角弯变为R = RrR2的圆弧(图5中A处)；其中R1为柱塞腔的半径，R 2为出油孔的半径；
[0031]柱塞腔端部变为圆弧状后，为了不使柱塞行程减小，需将柱塞由圆柱形改为端部为碗状的圆柱形，其中碗状端部圆弧大小为R = R1-R2;
[0032]优化后得到如图4所示的平滑过渡二维流场模型，并根据此模型得到了图5所示的改进后柱塞栗工作腔示意图。
【主权项】
1.柱塞腔流道断面平滑过渡式轴向柱塞栗，其特征在于:包括柱塞腔末端原半径突变流道改为平滑过渡式流道，还包括为适应平滑过渡的柱塞腔末端而改进的端部为碗形的新式柱塞。2.根据权利要求1所述的柱塞腔流道断面平滑过渡式轴向柱塞栗，其特征在于:柱塞腔末端直角、突然变径处直角均变为大小与柱塞腔和出油孔直径相关的圆弧，并平滑对接；柱塞端部改为与过渡圆弧相适应的碗状外形。3.根据权利要求2所述的柱塞腔流道断面平滑过渡式轴向柱塞栗，其特征在于柱塞腔末端直角、突然变径处直角均变为:R = 的圆弧，其中L为柱塞腔的半径，1?2为出油孔的半径；柱塞腔端部变为圆弧状后，为了不使柱塞行程减小，需将柱塞由圆柱形改为端部为碗状的圆柱形，其中碗状端部圆弧大小为R = R「R2。
【专利摘要】本实用新型公开了一种柱塞腔流道断面平滑过渡式轴向柱塞泵：柱塞腔末端直角以及半径突变处直角均变为大小与柱塞腔和出油孔直径相关的圆弧，并平滑对接；柱塞端部改为与过渡圆弧相适应的碗状外形。同时本实用新型可根据不同型号轴向柱塞泵柱塞腔尺寸得出不同的过渡圆弧半径，使流道整体形状与带压油液通过变径流道时的流线形态近似一致，减小了带压油液经过半径突变流道时的冲击，减小了压力、流量脉动，减弱了金属表面的空蚀破坏，最终削弱了结构件的振动；降低了噪声，提高了系统的可靠性和使用寿命。
【IPC分类】F15D1/00, F04B53/00
【公开号】CN204984836
【申请号】CN201520172476
【发明人】权凌霄, 骆洪亮, 俞滨, 张琦玮, 孔祥东
【申请人】燕山大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年3月26日