【CJME论文推荐】燕山大学孔祥东教授团队：柱塞数量对轴向柱塞泵搅拌损失的影响
https://cjme.springeropen.com/articles/10.1186/s10033-022-00757-6(戳链接，下载全文)
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研究背景及目的
高速轴向柱塞泵作为航空液压系统的核心元件，转速可高达20000 r/min，比工业应用高出约10倍。由于高速引起的轴向柱塞泵内部旋转组件搅动油液造成的搅拌损失不仅随转速增加而明显增加，并且会造成容腔内的湍流和涡流现象，破坏轴向柱塞泵的热平衡，将直接影响轴向柱塞泵的使用效率和寿命。柱塞作为泵内部核心旋转件，柱塞个数直接影响搅拌流场，进而影响搅拌损失的大小，但是目前关于柱塞数量的研究主要集中在压力脉动上，与搅拌损失影响相关的研究很少，这是由于现有轴向柱塞泵的研究工作大部分是针对低转速(1500~3000 r/min)工况展开的，忽略了低速搅拌损失。为了解决轴向柱塞泵高速化带来的挑战，需要深入探究多柱塞高速轴向柱塞泵能量损失机理。因此本论文从柱塞数量的角度对轴向柱塞泵搅拌损失进行研究，为高速轴向柱塞泵的设计及其搅拌损失的降低奠定基础。
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试验方法
本文建立了一个高速轴向柱塞泵的搅拌损失测试平台，试验平台主要由油箱、试验泵、电机、传感器、电控系统和操作控制台组成。轴向柱塞泵柱塞的搅油运动产生的搅拌损失主要通过作用到主轴上的扭矩损失表示，通过在轴向柱塞泵与电机之间安装扭矩传感器，对比“湿式壳体”（壳体内注满油液）和同工况下测得的“干式壳体”（壳体内部无油液）的扭矩差，从而确定高速旋转柱塞的搅拌损失。为了避免液压油性能发生变化，液压油在测试过程中的温度基本保持在35 ℃，油压保持在0.1 MPa。试验中主轴轴承使用的是带金属防尘密封圈的脂润滑轴承，保证干、湿壳体情况下润滑条件相同，以剥离轴承与主轴摩擦扭矩对搅拌损失扭矩测量的影响。试验测试了3柱塞、6柱塞和9柱塞三种情况，其中6柱塞泵是通过9柱塞泵拆卸3个柱塞获得的，3柱塞泵是通过9柱塞泵拆卸6个柱塞获得的，拆卸后的柱塞孔通过特殊柱塞堵塞。试验中所有的扭矩值都是在系统稳定时多次进行测量取平均值获得。
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结果
图1为不同转速柱塞数量随搅拌损失扭矩变化的仿真曲线。结果表明，6柱塞泵比3柱塞泵在不同速度下的搅拌损失平均增加了5.33%，9柱塞泵比6柱塞泵在不同速度下的搅拌损失平均减少了6%。
图2为流体域的流线图。3个柱塞和6个柱塞的流线呈“三角形”形状。9柱塞泵的流线内外两个相对孤立的环。
图3为流体域的空化云图。轴向柱塞泵转速在1500 r/min、3000 r/min、4500 r/min和6000 r/min时，3个柱塞的流体域最大气体体积分数分别为1.79%、2.30%、4.4%和34.36%，6个柱塞的流体域最大气体体积分数分别为1.76%、2.06%、2.85%和58.36%，9个柱塞的流体域最大气体体积分数分别为1.74%、1.99%、2.51%和30.09%。
图4为流体域仿真与试验对比图。测试泵在不同转速下的搅拌损失的平均扭矩，3柱塞时的实验值比仿真值大15.2%，6柱塞时的实验值比仿真值大18.5%，9柱塞时的实验值比仿真值大18.2%。变化趋势基本相同。
图4 试验结果与仿真结果对比
图5为相同排量下泵的扭矩结果对比图。结果表明，在相同的排量下7柱塞泵一般比9柱塞泵有更大的搅拌损失。通过对7柱塞泵的三个参数的进一步研究，可以发现分布圆半径R对搅拌损失的影响比其它两个参数大。
图5 相同排量下泵的扭矩结果对比
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结论
本论文主要通过CFD仿真手段对轴向柱塞泵中柱塞数量对搅拌损失的影响进行了研究。为了验证CFD仿真的准确性，设计了拟实结构的模拟泵并搭建了搅拌损失测试平台。此外，本论文还比较了7柱塞泵和一个有相同排量的9柱塞泵的搅拌损失。在对仿真结果和试验测试结果进行分析的基础上，可以得出以下结论：
(1) 当转速相同时，搅拌损失扭矩值随着柱塞的数量增加，先增加后减小，其中6柱塞的轴向柱塞泵的搅拌损失最大。主要因为随着柱塞数的增加，遮流效应越来越明显，在一定程度上降低了搅拌损失。
(2) 空化现象有利于减少搅拌损失，特别是在高速工况下。轴向柱塞泵的空化区域主要集中在柱塞周围，随着速度的增加，空化变得越来越严重。
(3) 在相同的排量下，9柱塞泵的搅拌损失明显小于7柱塞泵。在相同柱塞的条件下，柱塞的分布圆半径R对搅拌损耗的影响最大。通过减小柱塞的分布圆半径，可以显著降低搅拌损失。
本文研究的内容对轴向柱塞泵的结构设计和选型具有一定的指导意义。
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前景与应用
目前，一些轴向柱塞泵在航空航天应用中的转速高达22500 r/min，高速工况时轴向柱塞泵的搅拌损失占总功率损失的比值不容忽视。本文分析了轴向柱塞泵中柱塞数量对搅拌损失的影响，结果表明随着柱塞数量的增加，产生的搅拌损失先增加后减少。此外在相同的排量下，9柱塞泵的搅拌损失明显小于7柱塞泵。研究结果可以对航空航天应用高速轴向柱塞泵的结构设计和选型提供理论指导。
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主要研究方向：先进锻压装备系统、全液压风力发电机组、高压及超高压液压元件、高性能液压足式仿生机器人、航空航天液压元件及系统、工程机械机电液一体化仿真平台。
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作 者：李 莹责任编辑：谢雅洁责任校对：向映姣审 核：张 强
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