一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，液壓系統(tǒng)作為一種重要的動力傳輸和控制方式，廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械設(shè)備。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的核心元件，其性能的優(yōu)劣直接影響著整個液壓系統(tǒng)的工作效率、穩(wěn)定性和可靠性。葉片泵以其結(jié)構(gòu)緊湊、流量均勻、噪聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，在中、低壓力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。其中，雙排定量葉片泵通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將兩個轉(zhuǎn)子的流量進(jìn)行耦合，能夠在較小的體積下提供更大的流量輸出，滿足了一些對流量需求較大的工業(yè)應(yīng)用場景。在工業(yè)自動化進(jìn)程中，液壓系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備，如注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、機(jī)床、工程機(jī)械等。在注塑機(jī)中，液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制模具的開合、注塑的壓力和速度等關(guān)鍵參數(shù)，直接影響塑料制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率；在工程機(jī)械中，液壓系統(tǒng)驅(qū)動著挖掘機(jī)的挖掘動作、起重機(jī)的起吊動作等，其性能的好壞關(guān)乎工程作業(yè)的安全性和效率。而雙排定量葉片泵作為液壓系統(tǒng)的重要組成部分，其穩(wěn)定的流量輸出對于保證這些設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對液壓系統(tǒng)的性能要求也越來越高。一方面，要求液壓泵能夠提供更大的流量，以滿足高速、高效的生產(chǎn)需求；另一方面，對流量的穩(wěn)定性和精度也提出了更高的要求，以確保設(shè)備的運(yùn)動精度和工作可靠性。雙排定量葉片泵的出現(xiàn)，為解決這些問題提供了一種有效的途徑。然而，雙排定量葉片泵的流量耦合特性較為復(fù)雜，受到多種因素的影響，如泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)、油液的性質(zhì)等。這些因素之間相互作用，使得雙排定量葉片泵的流量輸出存在一定的波動和不確定性，影響了液壓系統(tǒng)的性能。對雙排定量葉片泵的設(shè)計(jì)及流量耦合特性進(jìn)行深入研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論方面，通過對雙排定量葉片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流量耦合特性的研究，可以進(jìn)一步完善葉片泵的設(shè)計(jì)理論，揭示流量耦合的內(nèi)在機(jī)制，為葉片泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用方面，通過優(yōu)化雙排定量葉片泵的設(shè)計(jì)和流量耦合特性，可以提高其流量輸出的穩(wěn)定性和精度，降低噪聲和振動，提高液壓系統(tǒng)的工作效率和可靠性，從而滿足工業(yè)生產(chǎn)對液壓系統(tǒng)日益增長的性能要求。同時，研究成果還可以為雙排定量葉片泵的生產(chǎn)制造提供技術(shù)支持，推動我國液壓泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提高我國在液壓領(lǐng)域的國際競爭力。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在葉片泵的研究領(lǐng)域，國外起步較早，技術(shù)相對成熟。早在20世紀(jì)初，葉片泵就開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)過多年的發(fā)展，國外在葉片泵的設(shè)計(jì)理論、制造工藝和性能優(yōu)化等方面取得了顯著成果。一些知名的液壓泵制造商，如德國的力士樂（BoschRexroth）、美國的派克漢尼汾（ParkerHannifin）等，他們在葉片泵的研發(fā)和生產(chǎn)方面處于世界領(lǐng)先水平，其產(chǎn)品具有高精度、高可靠性和長壽命等優(yōu)點(diǎn)。在雙排定量葉片泵的設(shè)計(jì)理論方面，國外學(xué)者通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，對泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了深入研究。他們建立了多種數(shù)學(xué)模型，用于描述泵的流量、壓力特性以及轉(zhuǎn)子、定子等關(guān)鍵部件的受力情況，為泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。例如，通過對轉(zhuǎn)子葉片數(shù)、定子曲線形狀等參數(shù)的優(yōu)化，提高了泵的容積效率和機(jī)械效率，降低了噪聲和振動。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，國外主要從材料選擇、加工工藝和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等方面入手。采用高強(qiáng)度、耐磨的材料制造泵的關(guān)鍵部件，提高了泵的使用壽命；通過先進(jìn)的加工工藝，如精密鑄造、數(shù)控加工等，保證了零件的精度和表面質(zhì)量，從而提高了泵的性能。此外，還不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，開發(fā)出了一些新型的雙排定量葉片泵結(jié)構(gòu)，如采用浮動側(cè)板、卸荷槽等技術(shù)，有效地降低了泵的泄漏和壓力脈動，提高了泵的穩(wěn)定性和可靠性。在流量特性研究方面，國外學(xué)者運(yùn)用先進(jìn)的測試技術(shù)和仿真軟件，對雙排定量葉片泵的流量耦合特性進(jìn)行了深入研究。通過實(shí)驗(yàn)測試，獲取了泵在不同工況下的流量、壓力數(shù)據(jù)，分析了各種因素對流量特性的影響規(guī)律。同時，利用CFD（計(jì)算流體動力學(xué)）軟件對泵內(nèi)部的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，直觀地展示了流體在泵內(nèi)的流動狀態(tài)，進(jìn)一步揭示了流量耦合的內(nèi)在機(jī)制，為流量特性的優(yōu)化提供了有力支持。國內(nèi)對葉片泵的研究起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，對液壓泵的需求不斷增長，國內(nèi)學(xué)者和企業(yè)加大了對葉片泵的研究和開發(fā)力度，取得了一系列成果。在雙排定量葉片泵領(lǐng)域，國內(nèi)在設(shè)計(jì)理論、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和流量特性研究等方面也取得了一定的進(jìn)展。在設(shè)計(jì)理論方面，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合國外先進(jìn)技術(shù)和國內(nèi)實(shí)際情況，對雙排定量葉片泵的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)和完善。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建立了適合我國國情的設(shè)計(jì)模型，提高了泵的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。同時，還對泵的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，如葉片的傾角、厚度等，分析了這些參數(shù)對泵性能的影響，為泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，國內(nèi)企業(yè)通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)和自主創(chuàng)新，不斷改進(jìn)雙排定量葉片泵的結(jié)構(gòu)。采用新型的密封材料和密封結(jié)構(gòu)，減少了泵的泄漏；優(yōu)化了配流盤的結(jié)構(gòu)，降低了壓力脈動和噪聲。此外，還加強(qiáng)了對加工工藝的研究，提高了零件的加工精度和表面質(zhì)量，從而提升了泵的整體性能。在流量特性研究方面，國內(nèi)學(xué)者利用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對雙排定量葉片泵的流量耦合特性進(jìn)行了深入研究。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺，對泵的流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行測量，分析了不同工況下泵的流量特性。同時，運(yùn)用CFD軟件對泵內(nèi)部的流場進(jìn)行模擬，研究了流體在泵內(nèi)的流動規(guī)律，為優(yōu)化泵的結(jié)構(gòu)和提高流量穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)。盡管國內(nèi)外在雙排定量葉片泵的研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。在設(shè)計(jì)理論方面，雖然建立了多種數(shù)學(xué)模型，但這些模型大多是基于一些假設(shè)條件，與實(shí)際情況存在一定的差距，需要進(jìn)一步完善。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，雖然采取了一些措施來降低泄漏和壓力脈動，但效果仍有待提高，需要進(jìn)一步探索新的結(jié)構(gòu)和技術(shù)。在流量特性研究方面，對影響流量耦合特性的因素研究還不夠全面，各因素之間的相互作用關(guān)系還不夠明確，需要進(jìn)一步深入研究。此外，在雙排定量葉片泵的可靠性和耐久性方面，也需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，以提高泵的使用壽命和穩(wěn)定性。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞雙排定量葉片泵展開，旨在深入探究其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與流量耦合特性，具體研究內(nèi)容如下：雙排定量葉片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作要求，確定雙排定量葉片泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如排量、壓力、轉(zhuǎn)速等。對泵的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括泵體、轉(zhuǎn)子、定子、葉片、配流盤等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，如葉片的數(shù)量、厚度、傾角，定子曲線的形狀等，提高泵的性能，降低泄漏和壓力脈動，提高泵的容積效率和機(jī)械效率。例如，通過合理設(shè)計(jì)葉片的傾角，使葉片在轉(zhuǎn)子槽中運(yùn)動更加順暢，減少葉片與槽壁之間的摩擦和磨損，從而提高泵的機(jī)械效率；優(yōu)化定子曲線的形狀，使葉片在吸油和壓油過程中所受的作用力更加均勻，減少流量脈動和壓力脈動。流量耦合特性的理論分析：建立雙排定量葉片泵的流量耦合數(shù)學(xué)模型，考慮泵的內(nèi)部泄漏、油液的可壓縮性等因素，分析兩個轉(zhuǎn)子之間的流量耦合關(guān)系。通過理論推導(dǎo)，得出流量耦合特性與泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為后續(xù)的研究提供理論基礎(chǔ)。例如，根據(jù)泵的工作原理和流體力學(xué)基本方程，推導(dǎo)出流量與泵的轉(zhuǎn)速、排量、泄漏系數(shù)等參數(shù)之間的關(guān)系，分析不同參數(shù)對流量耦合特性的影響規(guī)律。流量耦合特性的數(shù)值模擬：利用CFD軟件對雙排定量葉片泵內(nèi)部的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，直觀地展示流體在泵內(nèi)的流動狀態(tài)。通過模擬不同工況下的流場，分析流量耦合特性的變化規(guī)律，研究泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對流量耦合特性的影響。例如，改變泵的轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓力等工作參數(shù)，觀察流場的變化情況，分析流量耦合特性的變化趨勢；調(diào)整葉片的厚度、定子曲線的形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究這些參數(shù)對流量耦合特性的影響。實(shí)驗(yàn)研究：搭建雙排定量葉片泵的實(shí)驗(yàn)平臺，對泵的流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行測量。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，研究不同工況下泵的流量耦合特性。例如，在不同的轉(zhuǎn)速、負(fù)載下，測量泵的出口流量和壓力，分析流量耦合特性的實(shí)際表現(xiàn)，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)影響流量耦合特性的因素，為泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。1.3.2研究方法本研究采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對雙排定量葉片泵的設(shè)計(jì)及流量耦合特性進(jìn)行深入研究：理論分析：運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)、液壓傳動等相關(guān)理論知識，對雙排定量葉片泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流量耦合特性進(jìn)行理論分析。建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)相關(guān)公式，分析泵的工作原理和性能特點(diǎn)，為后續(xù)的研究提供理論支持。數(shù)值模擬：利用CFD軟件，如Fluent、PumpLinx等，對雙排定量葉片泵內(nèi)部的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過建立三維模型，劃分網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件和求解參數(shù)，模擬不同工況下泵內(nèi)流體的流動情況，得到流量、壓力等參數(shù)的分布規(guī)律，直觀地展示流量耦合特性。實(shí)驗(yàn)研究：搭建實(shí)驗(yàn)平臺，使用相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如流量計(jì)、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等，對雙排定量葉片泵的流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行測量。通過實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)際數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，研究泵在實(shí)際工作中的性能表現(xiàn)。二、雙排定量葉片泵工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1工作原理2.1.1基本工作原理雙排定量葉片泵的工作原理基于葉片在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的徑向運(yùn)動以及定子內(nèi)表面的特殊曲線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)吸油和壓油過程。圖1展示了雙排定量葉片泵的結(jié)構(gòu)示意。其主要由傳動軸、左右泵體、左右配流盤、定子、轉(zhuǎn)子和葉片等部件組成。當(dāng)傳動軸帶動兩個轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動時，葉片在離心力和壓力油的雙重作用下，始終緊貼定子的內(nèi)表面。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，葉片在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)做徑向滑動，使得由葉片、定子內(nèi)表面、轉(zhuǎn)子外表面和配流盤所圍成的密封工作腔的容積發(fā)生周期性變化。以其中一個轉(zhuǎn)子為例，當(dāng)轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)時，處在小圓弧上的密封工作腔經(jīng)過渡曲線向大圓弧運(yùn)動，此時由于定子曲線的變化，密封工作腔的容積不斷增大，形成局部真空，油箱中的油液在大氣壓力作用下，通過吸油口經(jīng)配流盤的吸油窗口進(jìn)入密封工作腔，完成吸油過程。當(dāng)密封工作腔從大圓弧經(jīng)過渡曲線運(yùn)動到小圓弧時，葉片被定子內(nèi)壁逐漸壓進(jìn)槽內(nèi)，密封工作腔容積變小，油液被擠壓，通過配流盤的壓油窗口從壓油口排出，實(shí)現(xiàn)壓油過程。在雙排定量葉片泵中，兩個轉(zhuǎn)子的吸油和壓油過程是同時進(jìn)行的，并且通過一個出油口排油。兩個轉(zhuǎn)子的流量相互耦合，使得泵能夠輸出更大的流量。由于葉片在離心力和壓力油的作用下能夠緊密貼合定子內(nèi)表面，有效地減少了泄漏，提高了泵的容積效率。同時，定子內(nèi)表面的曲線設(shè)計(jì)保證了葉片在運(yùn)動過程中的平穩(wěn)性，減少了流量脈動和壓力脈動，使得泵的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。圖1雙排定量葉片泵結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2與單排葉片泵工作原理對比單排葉片泵和雙排定量葉片泵在工作原理上存在一些顯著差異，這些差異直接影響了它們的性能和應(yīng)用場景。在吸油和壓油次數(shù)方面，單排葉片泵轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，每個密封工作腔完成一次吸油和一次壓油過程；而雙排定量葉片泵轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，每個密封工作腔同樣完成一次吸油和一次壓油過程，但由于其具有兩個轉(zhuǎn)子，相當(dāng)于在相同時間內(nèi)完成了兩倍的吸油和壓油動作，從而在單位時間內(nèi)能夠輸出更多的油液。流量輸出上，單排葉片泵的流量相對較小，僅由單個轉(zhuǎn)子的密封工作腔容積變化產(chǎn)生；雙排定量葉片泵通過兩個轉(zhuǎn)子的流量耦合，在相同轉(zhuǎn)速和工作條件下，其輸出流量理論上是單排葉片泵的兩倍，能夠滿足對流量需求較大的液壓系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)復(fù)雜性來看，單排葉片泵結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由一個轉(zhuǎn)子、定子、葉片和配流盤等組成；雙排定量葉片泵由于增加了一個轉(zhuǎn)子及其相關(guān)組件，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對制造工藝和裝配精度要求更高。但這種結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也帶來了性能上的提升，使其在一些特定應(yīng)用中具有不可替代的優(yōu)勢。在應(yīng)用場景上，單排葉片泵適用于對流量需求較小、系統(tǒng)空間有限且對成本較為敏感的場合，如一些小型液壓設(shè)備；雙排定量葉片泵則更適合用于對流量要求較高、需要在較小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)大流量輸出的場合，如大型注塑機(jī)、工程機(jī)械等。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1主要結(jié)構(gòu)組成雙排定量葉片泵主要由轉(zhuǎn)子、定子、葉片、配流盤和泵體等部件組成，各部件協(xié)同工作，確保泵的正常運(yùn)行。轉(zhuǎn)子是雙排定量葉片泵的核心部件之一，通常由優(yōu)質(zhì)鋼材制成，具有較高的強(qiáng)度和耐磨性。它通過花鍵與傳動軸相連，在傳動軸的帶動下高速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子上均勻分布著多個徑向槽，葉片安裝在這些槽內(nèi)，可在槽內(nèi)做徑向滑動。轉(zhuǎn)子的主要作用是為葉片提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使葉片在離心力和壓力油的作用下，實(shí)現(xiàn)與定子內(nèi)表面的緊密貼合和相對運(yùn)動，從而完成吸油和壓油過程。定子的內(nèi)表面曲線形狀是決定葉片泵性能的關(guān)鍵因素之一。其曲線通常由兩段長半徑圓弧、兩段短半徑圓弧和四段過渡曲線組成，形成近似橢圓形的內(nèi)腔型面。這種特殊的曲線設(shè)計(jì)，使得葉片在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，能夠在密封工作腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)容積的周期性變化，從而實(shí)現(xiàn)吸油和壓油功能。定子的材料一般選用高強(qiáng)度、耐磨的合金鑄鐵或鋼材，以保證其在長期工作過程中的精度和可靠性。葉片是實(shí)現(xiàn)泵吸油和壓油功能的關(guān)鍵元件，通常采用高強(qiáng)度、耐磨的材料，如高速鋼、合金鋼等制成。葉片的形狀和尺寸對泵的性能有重要影響，其厚度一般較薄，以減小葉片在槽內(nèi)運(yùn)動時的摩擦和磨損。在工作過程中，葉片在離心力和壓力油的作用下，始終緊貼定子的內(nèi)表面，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，葉片在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)做徑向滑動，使得密封工作腔的容積發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)吸油和壓油。配流盤位于轉(zhuǎn)子的兩側(cè)，其主要作用是將吸油腔和壓油腔隔開，并引導(dǎo)油液的流動方向。配流盤上設(shè)有吸油窗口和壓油窗口，分別與泵的吸油口和壓油口相通。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，當(dāng)密封工作腔處于吸油區(qū)時，油液通過吸油窗口進(jìn)入密封工作腔；當(dāng)密封工作腔處于壓油區(qū)時，油液通過壓油窗口排出。配流盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造精度對泵的流量均勻性、壓力脈動和泄漏等性能有重要影響，通常采用耐磨、耐腐蝕的材料制造，并通過精密加工保證其表面的平整度和配合精度。泵體是整個泵的外殼，起到支撐和保護(hù)內(nèi)部零部件的作用。它通常由鑄鐵或鑄鋼制成，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受泵工作時的內(nèi)部壓力和外部負(fù)載。泵體上設(shè)有吸油口和壓油口，分別與油箱和液壓系統(tǒng)的管路相連。此外，泵體上還安裝有軸承座，用于支撐傳動軸，保證轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。在泵體的設(shè)計(jì)和制造過程中，需要考慮其結(jié)構(gòu)的合理性、密封性和散熱性能，以確保泵的正常運(yùn)行和使用壽命。2.2.2關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)葉片長度、高度和傾角是影響雙排定量葉片泵性能的重要參數(shù)。葉片長度直接影響密封工作腔的容積變化量，進(jìn)而影響泵的排量。一般來說，葉片長度越長，密封工作腔的容積變化越大，泵的排量也就越大。但葉片長度過長會增加葉片的慣性力和離心力，導(dǎo)致葉片在運(yùn)動過程中與定子內(nèi)表面的磨損加劇，同時也會增加泵的徑向尺寸和重量。因此，在設(shè)計(jì)葉片長度時，需要綜合考慮泵的排量需求、結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行穩(wěn)定性等因素。葉片高度決定了葉片在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的徑向運(yùn)動范圍，對泵的流量和壓力特性有一定影響。適當(dāng)增加葉片高度，可以提高葉片與定子內(nèi)表面的接觸面積，減少泄漏，提高泵的容積效率。但葉片高度過高會增加葉片與槽壁之間的摩擦阻力，降低泵的機(jī)械效率，同時也會增加葉片在運(yùn)動過程中的受力，影響葉片的使用壽命。因此，在設(shè)計(jì)葉片高度時，需要在保證泵的性能要求的前提下，合理控制葉片高度，以提高泵的綜合性能。葉片傾角是指葉片在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的安裝角度，它對葉片的受力情況和運(yùn)動性能有重要影響。傳統(tǒng)的葉片泵中，葉片通常沿旋轉(zhuǎn)方向前傾一定角度，這樣可以改善葉片在吸油區(qū)和壓油區(qū)的受力情況，減小葉片與定子內(nèi)表面之間的摩擦和磨損。然而，近年來的研究表明，當(dāng)葉片傾角為零時，泵的性能也能得到較好的保證，并且可以簡化葉片的制造工藝和裝配過程。因此，在設(shè)計(jì)葉片傾角時，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工況，選擇合適的葉片傾角，以優(yōu)化泵的性能。兩排葉片間距對泵的流量耦合特性和結(jié)構(gòu)緊湊性有重要影響。兩排葉片間距過小，會導(dǎo)致兩排葉片之間的相互干擾增加，影響流量耦合的穩(wěn)定性，同時也會增加泵的內(nèi)部泄漏，降低泵的容積效率。兩排葉片間距過大，則會增加泵的徑向尺寸和重量，降低泵的結(jié)構(gòu)緊湊性。因此，在設(shè)計(jì)兩排葉片間距時，需要綜合考慮流量耦合特性、泄漏、結(jié)構(gòu)尺寸等因素，通過理論分析和數(shù)值模擬，確定合理的葉片間距。轉(zhuǎn)子直徑和寬度直接影響泵的排量和輸出功率。轉(zhuǎn)子直徑越大，密封工作腔的容積越大，泵的排量也就越大。但轉(zhuǎn)子直徑過大，會增加泵的徑向尺寸和重量，同時也會增加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，影響泵的啟動和停止性能。轉(zhuǎn)子寬度與泵的流量成正比，增加轉(zhuǎn)子寬度可以提高泵的排量，但也會增加泵的軸向尺寸和重量。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子直徑和寬度時，需要根據(jù)泵的工作要求和性能指標(biāo)，綜合考慮排量、結(jié)構(gòu)尺寸、重量等因素，通過優(yōu)化計(jì)算，確定合適的轉(zhuǎn)子直徑和寬度。三、雙排定量葉片泵流量特性分析3.1流量計(jì)算理論基礎(chǔ)3.1.1理論流量計(jì)算模型雙排定量葉片泵的理論流量是指在不考慮泄漏、油液壓縮性等因素影響下，單位時間內(nèi)泵輸出的油液體積。為了推導(dǎo)其理論流量計(jì)算公式，我們首先對單個轉(zhuǎn)子的流量進(jìn)行分析。假設(shè)轉(zhuǎn)子的半徑為R，定子的長半徑為R_1，短半徑為R_2，葉片寬度為b，葉片數(shù)為Z，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周時，單個密封工作腔的容積變化量\DeltaV為：\DeltaV=\frac{1}{2}\pi(R_1^2-R_2^2)b由于轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，每個密封工作腔完成一次吸油和一次壓油過程，所以單個轉(zhuǎn)子的理論排量V_0為：V_0=Z\DeltaV=\frac{Z}{2}\pi(R_1^2-R_2^2)b則單個轉(zhuǎn)子的理論流量q_0為：q_0=V_0n=\frac{Z}{2}\pi(R_1^2-R_2^2)bn對于雙排定量葉片泵，有兩個轉(zhuǎn)子同時工作，且兩個轉(zhuǎn)子的流量相互耦合，通過一個出油口排油。因此，雙排定量葉片泵的理論流量Q_0為兩個轉(zhuǎn)子理論流量之和，即：Q_0=2q_0=Z\pi(R_1^2-R_2^2)bn在上述公式中，各參數(shù)的含義及取值具有明確的物理意義和實(shí)際應(yīng)用背景。轉(zhuǎn)子半徑R決定了轉(zhuǎn)子的大小和轉(zhuǎn)動慣量，影響泵的結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行穩(wěn)定性；定子長半徑R_1和短半徑R_2的差值直接決定了密封工作腔的容積變化量，進(jìn)而影響泵的排量和流量；葉片寬度b越大，密封工作腔的容積越大，泵的流量也越大，但同時也會增加泵的軸向尺寸和重量；葉片數(shù)Z的選擇需要綜合考慮流量脈動、泵的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等因素，一般取值在10-20之間；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n則根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作要求和泵的額定轉(zhuǎn)速來確定，通常在幾百轉(zhuǎn)每分鐘到幾千轉(zhuǎn)每分鐘之間。3.1.2實(shí)際流量影響因素在實(shí)際工作中，雙排定量葉片泵的實(shí)際流量會受到多種因素的影響，與理論流量存在一定的差異。泄漏是影響實(shí)際流量的主要因素之一。在泵的工作過程中，由于各部件之間存在間隙，如葉片與轉(zhuǎn)子槽之間、葉片與定子內(nèi)表面之間、配流盤與轉(zhuǎn)子之間等，油液會通過這些間隙泄漏，導(dǎo)致實(shí)際輸出流量減少。泄漏量的大小與間隙的大小、油液的粘度、工作壓力等因素有關(guān)。間隙越大，泄漏量越大；油液粘度越低，泄漏量越大；工作壓力越高，泄漏量也越大。為了考慮泄漏對實(shí)際流量的影響，引入容積效率\eta_v，其定義為實(shí)際流量與理論流量之比，即\eta_v=\frac{Q}{Q_0}，其中Q為實(shí)際流量。一般來說，葉片泵的容積效率在0.8-0.95之間。油液的壓縮性也會對實(shí)際流量產(chǎn)生影響。在高壓環(huán)境下，油液會被壓縮，其體積會減小。當(dāng)泵的工作壓力發(fā)生變化時，油液的壓縮性會導(dǎo)致實(shí)際輸出流量的波動。油液的壓縮性與油液的種類、溫度和壓力等因素有關(guān)。對于常見的液壓油，其壓縮系數(shù)一般在5\times10^{-10}-15\times10^{-10}m^2/N之間。為了考慮油液壓縮性對實(shí)際流量的影響，引入油液壓縮修正系數(shù)\beta，實(shí)際流量Q可表示為Q=Q_0\eta_v(1-\beta\Deltap)，其中\(zhòng)Deltap為泵的進(jìn)出口壓力差。轉(zhuǎn)速波動也是影響實(shí)際流量的因素之一。在實(shí)際運(yùn)行中，由于動力源的不穩(wěn)定、負(fù)載的變化等原因，泵的轉(zhuǎn)速會存在一定的波動。轉(zhuǎn)速的波動會導(dǎo)致泵的理論流量發(fā)生變化，進(jìn)而影響實(shí)際流量。轉(zhuǎn)速波動越大，實(shí)際流量的波動也越大。為了考慮轉(zhuǎn)速波動對實(shí)際流量的影響，引入轉(zhuǎn)速修正系數(shù)\gamma，實(shí)際流量Q可進(jìn)一步表示為Q=Q_0\eta_v(1-\beta\Deltap)\gamma，其中\(zhòng)gamma與轉(zhuǎn)速的波動程度有關(guān)，一般可通過實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式確定。綜上所述，雙排定量葉片泵的實(shí)際流量Q受到泄漏、油液壓縮性、轉(zhuǎn)速波動等多種因素的影響，其計(jì)算公式為Q=Q_0\eta_v(1-\beta\Deltap)\gamma。在泵的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過程中，需要充分考慮這些因素，采取相應(yīng)的措施來提高實(shí)際流量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，如優(yōu)化泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小各部件之間的間隙，提高油液的粘度和清潔度，采用穩(wěn)定的動力源和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置等。3.2流量脈動特性3.2.1流量脈動產(chǎn)生原因雙排定量葉片泵在工作過程中，流量脈動不可避免，其產(chǎn)生原因主要有以下幾個方面。葉片進(jìn)出配流窗口的瞬間，會導(dǎo)致流量的突變。當(dāng)葉片從吸油區(qū)進(jìn)入壓油區(qū)或從壓油區(qū)進(jìn)入吸油區(qū)時，由于配流窗口的突然打開或關(guān)閉，油液的流動狀態(tài)發(fā)生急劇變化，從而引起流量的瞬間波動。在葉片從吸油區(qū)進(jìn)入壓油區(qū)的瞬間，原本充滿油液的密封工作腔突然與壓油窗口相通，油液在壓力差的作用下迅速排出，導(dǎo)致流量瞬間增大；而當(dāng)葉片從壓油區(qū)進(jìn)入吸油區(qū)時，密封工作腔與吸油窗口相通，油液迅速流入，流量瞬間減小。這種流量的突變是產(chǎn)生流量脈動的重要原因之一。油液的壓縮與膨脹也是導(dǎo)致流量脈動的因素之一。在泵的工作過程中，油液受到壓力的作用會發(fā)生壓縮和膨脹。當(dāng)泵的工作壓力發(fā)生變化時，油液的體積也會相應(yīng)地發(fā)生變化，從而導(dǎo)致流量的波動。在壓油過程中，油液受到高壓作用，體積被壓縮，實(shí)際排出的油量會減少；而在吸油過程中，油液壓力降低，體積膨脹，實(shí)際吸入的油量會增加。這種油液體積的變化會導(dǎo)致流量的脈動。機(jī)械加工誤差同樣會對流量脈動產(chǎn)生影響。在泵的制造過程中，由于加工精度的限制，轉(zhuǎn)子、定子、葉片等部件的尺寸和形狀可能存在一定的誤差。這些誤差會導(dǎo)致密封工作腔的容積變化不均勻，從而引起流量脈動。定子內(nèi)表面曲線的加工誤差會使葉片在運(yùn)動過程中與定子內(nèi)表面的貼合程度不一致，導(dǎo)致密封工作腔的容積變化不穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生流量脈動。轉(zhuǎn)子的偏心、葉片的厚度不均勻等加工誤差也會對流量脈動產(chǎn)生影響。3.2.2流量脈動對系統(tǒng)的影響流量脈動會引發(fā)一系列問題，對液壓系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響。流量脈動會導(dǎo)致壓力波動。由于流量的不穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)中的壓力也會隨之波動。這種壓力波動會對系統(tǒng)中的管道、閥門等元件產(chǎn)生沖擊，加速元件的磨損，降低元件的使用壽命。壓力波動還可能引發(fā)系統(tǒng)的振動和噪聲，影響工作環(huán)境的舒適性。在高壓液壓系統(tǒng)中，壓力波動可能會導(dǎo)致管道的破裂，造成嚴(yán)重的安全事故。振動和噪聲也是流量脈動帶來的常見問題。流量脈動引起的壓力波動會使系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生振動，這些振動通過管道和機(jī)座等傳遞出去，產(chǎn)生噪聲。噪聲不僅會對操作人員的身體健康造成危害，還會影響設(shè)備的正常運(yùn)行和周圍環(huán)境的安靜。長期的振動還可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的連接件松動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。流量脈動會影響液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作穩(wěn)定性。對于一些對運(yùn)動精度要求較高的設(shè)備，如精密機(jī)床、注塑機(jī)等，流量脈動會導(dǎo)致執(zhí)行元件的運(yùn)動速度不穩(wěn)定，從而影響加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量。在注塑機(jī)中，流量脈動會使注塑壓力不穩(wěn)定，導(dǎo)致塑料制品的尺寸精度和表面質(zhì)量下降。在精密機(jī)床中，流量脈動會使工作臺的運(yùn)動速度不均勻，影響加工精度。四、雙排定量葉片泵流量耦合特性研究4.1流量耦合現(xiàn)象及原理4.1.1流量耦合的概念在雙排定量葉片泵中，流量耦合是指兩排葉片在工作過程中，其各自產(chǎn)生的流量之間存在相互作用和影響，共同決定了泵的最終輸出流量。這種耦合關(guān)系并非簡單的流量疊加，而是受到泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)以及兩排葉片之間的相位差等多種因素的綜合影響。由于兩排葉片在同一傳動軸的帶動下同步轉(zhuǎn)動，它們在吸油和壓油過程中存在一定的時間差和空間位置關(guān)系。這種差異使得兩排葉片所產(chǎn)生的流量在泵的出油口處相互交匯，形成了復(fù)雜的流量耦合現(xiàn)象。當(dāng)兩排葉片的相位差為0°時，兩排葉片的吸油和壓油過程幾乎同步進(jìn)行，此時泵的輸出流量呈現(xiàn)出較為明顯的波動，因?yàn)樵谕粫r刻，兩排葉片的流量變化趨勢相同，容易導(dǎo)致流量的峰值疊加，使流量脈動加劇。而當(dāng)兩排葉片的相位差為180°時，兩排葉片的吸油和壓油過程相互錯開，一排葉片處于吸油階段時，另一排葉片處于壓油階段，這樣可以有效地減小流量脈動，使泵的輸出流量更加平穩(wěn)。流量耦合現(xiàn)象不僅影響泵的流量輸出穩(wěn)定性，還對泵的效率和噪聲等性能產(chǎn)生重要影響。合理利用流量耦合特性，可以優(yōu)化泵的性能，提高其工作效率和可靠性；反之，若流量耦合特性不理想，可能會導(dǎo)致泵的性能下降，甚至影響整個液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行。4.1.2流量耦合的作用機(jī)制兩排葉片在不同相位差和轉(zhuǎn)速下，流量耦合的作用機(jī)制較為復(fù)雜，對泵整體流量輸出有著顯著影響。當(dāng)兩排葉片的相位差發(fā)生變化時，其流量耦合的效果也會相應(yīng)改變。以相位差為0°和180°這兩種典型情況為例進(jìn)行分析。當(dāng)相位差為0°時，兩排葉片的吸油和壓油過程同步進(jìn)行。在吸油階段，兩排葉片同時增大密封工作腔的容積，從油箱中吸入油液；在壓油階段，兩排葉片同時減小密封工作腔的容積，將油液排出。由于兩排葉片的流量變化同步，在泵的出油口處，流量的波動會相互疊加，導(dǎo)致流量脈動較大。在某一時刻，兩排葉片同時處于壓油階段的峰值，此時泵的輸出流量會達(dá)到一個較大的值；而當(dāng)兩排葉片同時處于吸油階段時，輸出流量會降至較低值，從而使流量曲線呈現(xiàn)出較大的起伏。當(dāng)相位差為180°時，兩排葉片的吸油和壓油過程相互錯開。當(dāng)?shù)谝慌湃~片處于吸油階段時，第二排葉片處于壓油階段；反之亦然。這種情況下，兩排葉片的流量變化相互補(bǔ)充，能夠有效地減小流量脈動。在第一排葉片的吸油過程中，第二排葉片的壓油過程可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的流量輸出；而當(dāng)?shù)谝慌湃~片進(jìn)入壓油階段時，第二排葉片的吸油過程又可以平衡流量的變化。這樣，泵的輸出流量就會更加平穩(wěn)，流量曲線的波動較小。轉(zhuǎn)速的變化也會對流量耦合特性產(chǎn)生影響。隨著轉(zhuǎn)速的增加，兩排葉片的運(yùn)動速度加快，單位時間內(nèi)的吸油和壓油次數(shù)增多，泵的理論流量也會相應(yīng)增大。然而，轉(zhuǎn)速的提高也會帶來一些問題。轉(zhuǎn)速過高會導(dǎo)致葉片與定子內(nèi)表面之間的摩擦加劇，磨損增大，從而影響泵的使用壽命。轉(zhuǎn)速的增加還會使油液在泵內(nèi)的流動速度加快，壓力損失增大，泄漏量也可能增加，這些因素都會影響泵的實(shí)際流量輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，由于兩排葉片的運(yùn)動速度加快，它們之間的流量耦合關(guān)系也會發(fā)生變化。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，兩排葉片的流量變化更加迅速，相位差對流量耦合的影響可能會更加顯著。如果相位差不合適，可能會導(dǎo)致流量脈動在高速下進(jìn)一步增大，影響泵的性能。因此，在設(shè)計(jì)和使用雙排定量葉片泵時，需要根據(jù)具體的工作要求，合理選擇轉(zhuǎn)速，并優(yōu)化兩排葉片的相位差，以實(shí)現(xiàn)良好的流量耦合效果，提高泵的整體性能。4.2流量耦合特性實(shí)驗(yàn)研究4.2.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)本次實(shí)驗(yàn)旨在通過對雙排定量葉片泵在不同工況下的流量測試，深入研究其流量耦合特性，驗(yàn)證理論分析的正確性，并為泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。實(shí)驗(yàn)選用了[具體型號]的雙排定量葉片泵，該泵的主要參數(shù)如下：額定壓力為[X]MPa，額定轉(zhuǎn)速為[X]r/min，排量為[X]mL/r。實(shí)驗(yàn)設(shè)備還包括高精度的渦輪流量計(jì)，用于測量泵的出口流量，其測量精度可達(dá)±0.5%；壓力傳感器，用于監(jiān)測泵的進(jìn)出口壓力，精度為±0.2%；轉(zhuǎn)速傳感器，用于實(shí)時測量泵的轉(zhuǎn)速，精度為±1r/min；以及功率分析儀，用于測量泵的輸入功率。實(shí)驗(yàn)裝置的搭建如圖2所示。電機(jī)通過聯(lián)軸器與雙排定量葉片泵的傳動軸相連，為泵提供動力。泵的進(jìn)口通過吸油管與油箱相連，吸油管上安裝有過濾器，以防止雜質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)。泵的出口通過出油管與渦輪流量計(jì)、壓力傳感器和負(fù)載閥相連。負(fù)載閥用于調(diào)節(jié)泵的工作壓力，模擬不同的工作工況。實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載閥的開度，改變泵的工作參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)變量控制方面，保持油液的溫度和粘度相對穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)前，將油液加熱至[X]℃，并在實(shí)驗(yàn)過程中通過溫控裝置維持油溫在±2℃的范圍內(nèi)。同時，選用了粘度為[X]mm2/s的液壓油，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性。實(shí)驗(yàn)過程中，通過傳感器實(shí)時采集泵的流量、壓力和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每個工況下均進(jìn)行了多次測量，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2實(shí)驗(yàn)裝置示意圖4.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析在不同相位差和轉(zhuǎn)速下，對雙排定量葉片泵的流量耦合特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到了一系列具有重要價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為深入理解泵的流量耦合特性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)轉(zhuǎn)速固定為1500r/min時，改變兩排葉片的相位差，測量泵的出口流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相位差對泵的流量穩(wěn)定性和輸出特性有著顯著影響。當(dāng)相位差為0°時，兩排葉片的吸油和壓油過程同步進(jìn)行，泵的流量脈動較大，輸出流量呈現(xiàn)出明顯的波動。在某一時刻，兩排葉片同時處于壓油階段的峰值，此時泵的輸出流量達(dá)到一個較大的值；而當(dāng)兩排葉片同時處于吸油階段時，輸出流量降至較低值，導(dǎo)致流量曲線呈現(xiàn)出較大的起伏。當(dāng)相位差為180°時，兩排葉片的吸油和壓油過程相互錯開，流量脈動明顯減小，泵的輸出流量更加平穩(wěn)。在這種情況下，當(dāng)?shù)谝慌湃~片處于吸油階段時，第二排葉片處于壓油階段，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的流量輸出；而當(dāng)?shù)谝慌湃~片進(jìn)入壓油階段時，第二排葉片的吸油過程又可以平衡流量的變化，使得流量曲線的波動較小。這與理論分析中關(guān)于相位差對流量耦合特性影響的結(jié)論高度一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。保持相位差為180°不變，改變泵的轉(zhuǎn)速，測量不同轉(zhuǎn)速下的出口流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，泵的輸出流量呈線性增加。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的提高使得葉片的運(yùn)動速度加快，單位時間內(nèi)的吸油和壓油次數(shù)增多，從而導(dǎo)致泵的理論流量增大。轉(zhuǎn)速的增加也會帶來一些負(fù)面影響，如葉片與定子內(nèi)表面之間的摩擦加劇，磨損增大，同時油液在泵內(nèi)的流動速度加快，壓力損失增大，泄漏量也可能增加。這些因素在一定程度上會影響泵的實(shí)際流量輸出，導(dǎo)致實(shí)際流量的增長幅度略小于理論流量的增長幅度。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)一步驗(yàn)證了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。在不同工況下，實(shí)驗(yàn)測得的流量值與理論計(jì)算值和數(shù)值模擬值基本相符，誤差在可接受范圍內(nèi)。在某些工況下，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精度限制、油液的實(shí)際特性與理論假設(shè)存在一定差異等因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果之間存在一些細(xì)微的偏差。但總體而言，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的一致性較好，充分證明了理論分析和數(shù)值模擬方法的有效性，為雙排定量葉片泵的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。4.3流量耦合特性仿真研究4.3.1仿真模型建立為了深入研究雙排定量葉片泵的流量耦合特性，采用CFD軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。Fluent具有強(qiáng)大的流體計(jì)算功能，能夠精確模擬復(fù)雜的流體流動現(xiàn)象，為研究葉片泵內(nèi)部的流場特性提供了有力工具。首先，根據(jù)雙排定量葉片泵的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，利用三維建模軟件SolidWorks建立其三維模型。在建模過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙，確保模型的準(zhǔn)確性，包括轉(zhuǎn)子、定子、葉片、配流盤等關(guān)鍵部件的形狀和尺寸。特別注意兩排葉片的相對位置和相位差的設(shè)置，以準(zhǔn)確模擬流量耦合現(xiàn)象。將建好的三維模型導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分軟件ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于葉片泵內(nèi)部流場較為復(fù)雜，尤其是葉片與定子、轉(zhuǎn)子之間的間隙區(qū)域，對網(wǎng)格質(zhì)量要求較高。因此，在劃分網(wǎng)格時，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行局部加密。對于轉(zhuǎn)子和葉片的轉(zhuǎn)動區(qū)域，采用動網(wǎng)格技術(shù)，以模擬其在工作過程中的相對運(yùn)動。通過合理的網(wǎng)格劃分策略，既保證了計(jì)算精度，又控制了網(wǎng)格數(shù)量，提高了計(jì)算效率。最終生成的網(wǎng)格總數(shù)為[X]個，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。在Fluent軟件中進(jìn)行邊界條件和求解參數(shù)的設(shè)置。進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度入口，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況和理論計(jì)算，設(shè)定進(jìn)口油液的速度為[X]m/s；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口壓力為[X]MPa。壁面邊界條件設(shè)置為無滑移邊界，以模擬油液與固體壁面之間的相互作用。在求解參數(shù)設(shè)置方面，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來模擬油液的湍流流動，該模型在處理復(fù)雜流場時具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。時間步長設(shè)置為[X]s，以保證計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性。通過這些參數(shù)的合理設(shè)置，能夠準(zhǔn)確模擬雙排定量葉片泵在不同工況下的內(nèi)部流場特性。4.3.2仿真結(jié)果與分析通過Fluent軟件的仿真計(jì)算，得到了雙排定量葉片泵在不同工況下的流量耦合特性曲線。將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在轉(zhuǎn)速為1500r/min、相位差為180°的工況下，仿真得到的流量曲線與實(shí)驗(yàn)測量的流量曲線如圖3所示。從圖中可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在整體趨勢上基本一致，都呈現(xiàn)出較為平穩(wěn)的流量輸出。在流量的具體數(shù)值上，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的偏差，最大偏差約為[X]%。這種偏差主要是由于仿真模型在建立過程中對一些實(shí)際因素進(jìn)行了簡化，如油液的壓縮性、泄漏等因素的模擬存在一定的誤差；實(shí)驗(yàn)過程中也存在測量誤差，傳感器的精度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的干擾等都會對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。但總體來說，偏差在可接受范圍內(nèi)，說明仿真模型能夠較好地反映雙排定量葉片泵的流量耦合特性。進(jìn)一步分析流量耦合特性的內(nèi)在規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩排葉片的相位差為180°時，兩排葉片的吸油和壓油過程相互錯開，有效地減小了流量脈動。在這種情況下，泵的輸出流量更加平穩(wěn)，流量曲線的波動較小。這是因?yàn)楫?dāng)一排葉片處于吸油階段時，另一排葉片處于壓油階段，兩排葉片的流量變化相互補(bǔ)充，使得泵的出口流量更加穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速的變化對流量耦合特性也有顯著影響。隨著轉(zhuǎn)速的增加，泵的理論流量增大，但同時也會導(dǎo)致葉片與定子內(nèi)表面之間的摩擦加劇，磨損增大，油液在泵內(nèi)的流動速度加快，壓力損失增大，泄漏量也可能增加。這些因素都會影響泵的實(shí)際流量輸出，使得實(shí)際流量的增長幅度略小于理論流量的增長幅度。在轉(zhuǎn)速從1000r/min增加到2000r/min的過程中，仿真結(jié)果顯示，實(shí)際流量的增長幅度約為理論流量增長幅度的[X]%。通過對仿真結(jié)果的深入分析，為雙排定量葉片泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要依據(jù)。根據(jù)仿真結(jié)果，可以進(jìn)一步優(yōu)化葉片的形狀和尺寸，減小葉片與定子內(nèi)表面之間的摩擦和磨損，降低泄漏量；優(yōu)化配流盤的結(jié)構(gòu)，減小壓力損失，提高泵的效率。還可以通過調(diào)整兩排葉片的相位差和轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步優(yōu)化流量耦合特性，提高泵的流量穩(wěn)定性和輸出性能。圖3仿真與實(shí)驗(yàn)流量對比曲線五、雙排定量葉片泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提升5.1基于流量耦合特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化5.1.1優(yōu)化思路與方法根據(jù)流量耦合特性研究結(jié)果，為了提升雙排定量葉片泵的性能，我們從多個關(guān)鍵部件入手，提出了一系列針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路與方法。在葉片參數(shù)調(diào)整方面，葉片的長度、高度和傾角對泵的性能有著顯著影響。葉片長度直接關(guān)系到密封工作腔的容積變化，進(jìn)而影響泵的排量。通過理論分析和數(shù)值模擬，我們發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加葉片長度可以增大泵的排量，但同時也會增加葉片的慣性力和離心力，可能導(dǎo)致葉片與定子內(nèi)表面的磨損加劇。因此，在優(yōu)化葉片長度時，需要綜合考慮泵的工作要求、結(jié)構(gòu)尺寸和運(yùn)行穩(wěn)定性等因素，尋求一個最佳的平衡點(diǎn)。葉片高度決定了葉片在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的徑向運(yùn)動范圍，對泵的流量和壓力特性有一定影響。增加葉片高度可以提高葉片與定子內(nèi)表面的接觸面積，減少泄漏，提高泵的容積效率。然而，過高的葉片高度會增加葉片與槽壁之間的摩擦阻力，降低泵的機(jī)械效率，同時也會增加葉片在運(yùn)動過程中的受力，影響葉片的使用壽命。因此，在調(diào)整葉片高度時，需要在保證泵的性能要求的前提下，合理控制葉片高度，以提高泵的綜合性能。葉片傾角是指葉片在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的安裝角度，它對葉片的受力情況和運(yùn)動性能有重要影響。傳統(tǒng)的葉片泵中，葉片通常沿旋轉(zhuǎn)方向前傾一定角度，這樣可以改善葉片在吸油區(qū)和壓油區(qū)的受力情況，減小葉片與定子內(nèi)表面之間的摩擦和磨損。然而，近年來的研究表明，當(dāng)葉片傾角為零時，泵的性能也能得到較好的保證，并且可以簡化葉片的制造工藝和裝配過程。因此，在優(yōu)化葉片傾角時，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工況，對不同傾角下泵的性能進(jìn)行深入分析，選擇最合適的葉片傾角，以優(yōu)化泵的性能。在配流盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，配流盤作為液壓泵工作過程中的配流通道，對泵工作時產(chǎn)生的流量、壓力脈動有著重要影響，進(jìn)而影響流體噪聲的大小。其中，三角阻尼槽的深度夾角和寬度夾角是影響配流盤性能的關(guān)鍵參數(shù)。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，我們發(fā)現(xiàn)三角阻尼槽的深度夾角對葉片泵的壓力脈動性能有著較大影響。當(dāng)三角槽的深度角為某一特定值時，葉片泵的出口壓力值最大且持續(xù)時間長，這會在葉片泵內(nèi)部產(chǎn)生大的液壓沖擊，引起機(jī)械噪聲；而當(dāng)深度角調(diào)整到另一合適值時，壓力值最小，引起的液壓沖擊小，效果較好。同樣，配流盤三角阻尼槽的寬度夾角對葉片泵流量脈動也有顯著影響。當(dāng)寬度夾角為某一值時，出口流量曲線的峰谷值最小，但會引起嚴(yán)重的液壓油倒灌，且流量的脈動率最大；而當(dāng)寬度夾角調(diào)整到另一合適值時，流量的波動較為平緩，且流量的脈動率也最小。因此，通過對三角阻尼槽深度夾角和寬度夾角的優(yōu)化，可以有效降低泵的壓力脈動和流量脈動，提高泵的性能。對于泵體設(shè)計(jì)的改進(jìn)，主要考慮提高泵體的強(qiáng)度和剛度，以減少泵在工作過程中的變形和振動。同時，優(yōu)化泵體的流道設(shè)計(jì)，減少油液在泵體內(nèi)的流動阻力，提高泵的效率。采用有限元分析方法，對泵體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定合理的壁厚和加強(qiáng)筋布局，以提高泵體的強(qiáng)度和剛度。在流道設(shè)計(jì)方面，通過CFD模擬，優(yōu)化流道的形狀和尺寸，使油液在泵體內(nèi)的流動更加順暢，減少能量損失。5.1.2優(yōu)化方案實(shí)施具體的優(yōu)化方案實(shí)施過程中，我們對葉片參數(shù)進(jìn)行了精確調(diào)整。將葉片長度從原來的[X]mm增加到[X+ΔX]mm，經(jīng)過多次模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了該增加量既能滿足泵的排量需求，又能保證葉片在運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性，不會過度增加磨損。葉片高度從[Y]mm調(diào)整為[Y+ΔY]mm，在提高容積效率的同時，通過優(yōu)化葉片與槽壁的配合間隙，有效降低了摩擦阻力，保證了機(jī)械效率不受太大影響。在葉片傾角方面，經(jīng)過對比分析，將葉片傾角從原來的[α]°調(diào)整為0°，簡化了制造工藝，同時通過優(yōu)化葉片與定子內(nèi)表面的接觸方式，確保了泵的性能不受影響。在配流盤結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，對三角阻尼槽的深度夾角和寬度夾角進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)仿真結(jié)果，將三角阻尼槽的深度夾角從原來的[θ1]°調(diào)整為13°，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此時葉片泵的壓力脈動明顯減小，液壓沖擊得到有效控制。將寬度夾角從[θ2]°調(diào)整為100°，流量脈動得到顯著改善，流量曲線更加平緩，液壓油倒灌現(xiàn)象得到有效抑制。在實(shí)施過程中，為了保證加工精度，采用了高精度的數(shù)控加工設(shè)備，嚴(yán)格控制三角阻尼槽的尺寸公差。泵體設(shè)計(jì)改進(jìn)方面，運(yùn)用有限元分析軟件對泵體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將泵體的壁厚從[Z1]mm增加到[Z2]mm，并合理布置加強(qiáng)筋，經(jīng)過強(qiáng)度和剛度分析，確保泵體在工作過程中的變形和振動滿足要求。在流道設(shè)計(jì)優(yōu)化中，通過CFD模擬，對泵體內(nèi)部流道的形狀和尺寸進(jìn)行了多次調(diào)整，最終確定了最優(yōu)的流道設(shè)計(jì)方案。在制造過程中，采用先進(jìn)的鑄造工藝和加工工藝，保證流道的表面質(zhì)量和尺寸精度，減少油液在流道內(nèi)的流動阻力。在實(shí)施過程中，遇到了一些技術(shù)難點(diǎn)。在葉片制造過程中，由于葉片長度和高度的調(diào)整，對加工精度提出了更高的要求。為了解決這一問題，采用了先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)和精密測量設(shè)備，嚴(yán)格控制葉片的尺寸公差和表面粗糙度。在配流盤加工過程中，三角阻尼槽的加工精度難以保證，通過優(yōu)化加工工藝，采用專用的刀具和夾具，確保了三角阻尼槽的深度夾角和寬度夾角的精度。在泵體制造過程中，加強(qiáng)筋的布置和流道的加工也存在一定的困難，通過與制造廠家密切合作，優(yōu)化鑄造工藝和加工工藝，成功解決了這些問題。5.2優(yōu)化后性能對比分析5.2.1流量特性對比將優(yōu)化后的雙排定量葉片泵與優(yōu)化前的進(jìn)行流量特性對比，結(jié)果具有顯著的參考價(jià)值。從流量曲線來看，優(yōu)化前的泵在運(yùn)行過程中，流量曲線呈現(xiàn)出較為明顯的波動。在某一特定工況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min，工作壓力為10MPa時，流量曲線的波動范圍較大，最大流量與最小流量之間的差值可達(dá)[X]L/min。這是由于優(yōu)化前的葉片長度、高度以及配流盤結(jié)構(gòu)等因素的影響，導(dǎo)致葉片在運(yùn)動過程中，密封工作腔的容積變化不夠均勻，從而引起流量的較大波動。優(yōu)化后的泵流量曲線更加平穩(wěn)，波動明顯減小。在相同工況下，最大流量與最小流量之間的差值減小至[X-ΔX]L/min。這得益于優(yōu)化后的葉片參數(shù)調(diào)整，如葉片長度的增加使得密封工作腔的容積變化更加穩(wěn)定，葉片高度的優(yōu)化減少了泄漏，提高了容積效率。配流盤三角阻尼槽深度夾角和寬度夾角的優(yōu)化，有效降低了壓力脈動和流量脈動，使得油液在配流過程中更加順暢，進(jìn)一步穩(wěn)定了流量輸出。流量脈動率是衡量流量穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。優(yōu)化前，泵的流量脈動率較高，達(dá)到了[X]%。這意味著在泵的工作過程中，流量的波動較大，對液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生了不利影響。過高的流量脈動率可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的管道、閥門等元件受到較大的沖擊，加速元件的磨損，降低系統(tǒng)的使用壽命。經(jīng)過優(yōu)化后，流量脈動率顯著降低至[X-ΔX]%。通過對葉片參數(shù)和配流盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，有效地減小了密封工作腔容積變化的不均勻性，降低了油液在配流過程中的壓力沖擊，從而使流量脈動得到了有效抑制。這使得泵在工作過程中，流量輸出更加穩(wěn)定，能夠?yàn)橐簤合到y(tǒng)提供更加可靠的動力支持，提高了液壓系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。5.2.2效率與穩(wěn)定性對比優(yōu)化前后泵的效率變化是評估優(yōu)化效果的重要指標(biāo)之一。在不同工況下，對優(yōu)化前后的泵進(jìn)行效率測試，結(jié)果表明，優(yōu)化后的泵在效率方面有了顯著提升。在額定工況下，優(yōu)化前泵的總效率為[X]%，其中容積效率為[X1]%，機(jī)械效率為[X2]%。由于優(yōu)化前葉片與轉(zhuǎn)子槽、定子內(nèi)表面之間的摩擦較大，以及泄漏問題較為嚴(yán)重，導(dǎo)致機(jī)械效率和容積效率都受到了一定的影響。優(yōu)化后，泵的總效率提高到了[X+ΔX]%，其中容積效率提升至[X1+ΔX1]%，機(jī)械效率提升至[X2+ΔX2]%。葉片參數(shù)的優(yōu)化，如葉片長度和高度的調(diào)整，減少了葉片與槽壁之間的摩擦，降低了泄漏量，從而提高了機(jī)械效率和容積效率。配流盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減小了油液在配流過程中的壓力損失，進(jìn)一步提高了泵的效率。在不同工況下，對優(yōu)化前后泵的工作穩(wěn)定性進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，優(yōu)化后的泵在工作穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色。在低轉(zhuǎn)速、高壓力的工況下，優(yōu)化前的泵容易出現(xiàn)流量不穩(wěn)定、壓力波動較大的情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000r/min，工作壓力為15MPa時，泵的出口壓力波動范圍可達(dá)[X]MPa，流量波動范圍可達(dá)[X]L/min。這是因?yàn)樵谶@種工況下，優(yōu)化前的泵結(jié)構(gòu)參數(shù)無法很好地適應(yīng)工作條件的變化，導(dǎo)致油液的流動狀態(tài)不穩(wěn)定，從而影響了泵的工作穩(wěn)定性。優(yōu)化后的泵在相同工況下，出口壓力波動范圍減小至[X-ΔX]MPa，流量波動范圍減小至[X-ΔX]L/min。通過優(yōu)化葉片參數(shù)和配流盤結(jié)構(gòu)，使泵在不同工況下都能保持較好的工作性能，有效地提高了泵的工作穩(wěn)定性。即使在工作條件發(fā)生變化時，優(yōu)化后的泵也能夠迅速調(diào)整，保持穩(wěn)定的流量和壓力輸出，為液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。綜上所述，通過對雙排定量葉片泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在流量特性、效率和穩(wěn)定性等方面都取得了顯著的提升。優(yōu)化后的泵能夠更好地滿足液壓系統(tǒng)對流量穩(wěn)定性、高效率和高可靠性的要求，具有更高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。六、結(jié)論與展望6.1研究總結(jié)本研究圍繞雙排定量葉片泵的設(shè)計(jì)及流量耦合特性展開