径向柱塞式液压马达配油机构的流场特性分析

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摘要：配油副对于液压马达的性能有着直接的影响，因此，配油副的计算与分析是很有必要的，当下，我们采用的是现代有限元技术，对配油副的流场特性进行研究。本文从对当前国内外液压马达的研究现状入手，进而介绍了径向柱塞式液压马达配油原理、数值计算基本方程及方法，最后对配油副内部流态及流动特性数值进行了深入的分析。

液压马达，其常用的结构主要包括：齿轮式、轴向柱塞式等，液压马达具有转速高、功率大、转动惯量小的特点。而径向柱塞式液压马达因其性能好、结构简单且价格较低，成为当今应用最广的一种液压马达，广泛应用于工程机械、起重运输机械及舰船液压传动系统等。其结构简单，主要由马达壳体、连杆、活塞、偏心轴、配油机构及配油壳体等构成。

1.国内外研究现状

衡量马达优劣的主要指标是性能、可靠性及寿命。而配油副的设计直接影响到液压马达的性能，因此，一定程度上来说，配油副的发展水平决定液压马达的性能水平。优化配油副设计，可以从以下几个方面来着手：减小摩擦副间的阻力，提升机械与容积效率，增加密封性，改善配油机构的工作性能，降低成本等。对于低速大扭矩液压马达的研究，主要包括两个方面：轴向配油机构的研究和端面配油机构的研究。从对其配油副的研究中，我们可以看到，对轴向配油机构与端面配油机构的研究大多是在理论及试验方法上的。特别是对径向柱塞式液压马达配油副的研究，对其数值分析的研究还比较少。本文试图利用数值分析的方法来分析及研究径向柱塞式液压马达的内部流场对其进行研究，这种方法可以有效地分析其内部流场的流动细节，有效地提高计算效率并且降低成本。

2.径向柱塞式液压马达配油原理

径向柱塞式液压马达的工作原理也较为简单，即：当压力油经固定的配油轴进入缸体内柱塞的底部时，柱塞向外伸出，紧紧顶住定子的内壁，由于定子与缸体存在一定的偏心距。在柱塞与定子接触处，定子对柱塞产生一定的反作用力。这个力可分解为沿着柱塞的方向的法向力和垂直于法向力的切向力。当作用在柱塞底部的油液压力与柱塞直径之间存在一定的夹角时，力对缸体产生一定的转矩，使缸体旋转。缸体再通过端面连接的传动轴向外输出转矩和转速。

液压马达性能的好坏，其基本参数包括：排量、扭矩、转速及容积效率。而容积效率对马达的制动性能有着直接的影响。若马达的容积效率低，也就是说泄漏大那么，它的制动性能就比较差，如果在负载作用之下，马达就会反转。因为径向柱塞式液压马达的瞬时流量是不断变化的，所以，其瞬时转速也是变化的。我们从流量脉动函数可知，转速是脉动的一种形式，因此，径向柱塞式液压马达的瞬时输出转速是衡量液压马达性能的重要参数之一。

3.数值计算基本方程及方法

对于数值计算，其基本思想是将原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一些离散点上的变量值来表示，再建立起这些离散点上场变量间关系的代数方程组，最后求解代数方程组以得到场变量的近似值。计算步骤为：建立数学模型，流体的基本控制方程主要包括质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程等；选择计算方法，包括离散化方法及求解方法、边界条件的处理等；程序设置并计算，如网格划分、边界条件设置、参数的设定等；结果分析。

对于其流场特性的分析，可采用CFD的方法，即计算流体动力学。CFD主要是通过数值计算与图像显示，对流体流动及热传导等进行分析。CFD的基本原理是：在流体力学的基本控制方程的基础之上，即质量守恒定律、牛顿第二定律和能量守恒定律。再通过数值求解控制流体流动的微分方程，得出流场在连续区域上的离散分布，进而能够大致模拟流体的流动情况。对基本控制方程的离散方法主要有三种：有限差分法、有限元法及有限体积法。

4.配油副内部流态及流动特性数值分析

对于柱塞腔内部的流态，经过分析可得，此处的流动状态为层流。而对于阻尼槽内部的流态，由于阻尼槽的形式多种多样，主要有三角槽及u型槽等，针对三角槽的阻尼槽，其流态形式与槽的结构及油液的流速有关。依据相关资料及计算可知，三角槽根部的流态形式为湍流流态，由此可知，整个三角槽区域的流态形式是湍流。对于压力进出口的流态，经过测量及相关计算可得，它们也为层流状态。对于配油副油膜的流态分析，因为其油膜厚度较小，且液压油存在粘度，因此，配油副油膜处的雷诺数比较小，其流态形式为层流。在配油副内部流态分析的基础上，下面就其流动特性数值进行详细的分析。

本文首先分析的是在压力的作用下，配油盘和油膜间的相互作用及压力梯度问题。对于没有平衡槽的配油盘，其高压油区和低压油区比较分明，配油盘上的压力有着明显的不同。而在三角槽中存在较为明显的压力梯度，而压力梯度的存在，也带来油膜上面油液的流动。在压力进口与压力出口处的压力差，将对油膜区以和配油盘产生一定的倾覆力矩，它对油膜具有一定的破坏性，造成泄漏。此外，压力场的变化带动倾覆力矩的变化，并影响配油盘运动的稳定性，产生振动及噪声。为减小倾覆力矩及噪声，现代液压马达对其配油盘进行了适当的改进，采用平衡槽的结构，以平衡压力进出口的压力差，使配油盘平稳运转，并添加了平衡槽以减少受力不均。经过理论验证可知，该平衡槽的设计合理，平衡槽的结构对配油副的性能及寿命都有重要的影响。

5.结束语

通过所建立的单柱塞流道模型，并经过仿真计算，我们得到径向柱塞式液压马达配油副上的压力分布情况，及平衡槽对液压马达整体平衡性的影响，进而有更深入的分析。随着液压控制技术的逐渐发展，液压马达各方面的性能也须改善和提升，方能满足社会的发展。

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