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《兰州理工大学》 2019年
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齿轮泵发生空化时的气相动态演变过程及影响研究

李明学  
【摘要】:齿轮泵作为重要的液压动力元件,因其结构简单、体积小巧、自吸性能好、抗污染能力强、工作可靠、成本低廉以及维护方便等诸多优势被广泛应用于液压传动与控制领域。然而,由于齿轮泵的吸油压力较低,其内部油液中很容易发生空化现象,导致其内部流场中出现气液两相共存的状态。内部流场中气相的出现会对齿轮泵的正常工作带来不利影响,进而会阻碍齿轮泵向高速、高压及大流量方向的发展。因此,研究齿轮泵内部流场发生空化时的气相动态演变过程及影响对于齿轮泵的发展具有非常重要的意义。在当前有关齿轮泵内部流场的研究中,存在对空化现象定量描述不足和对空化发生全过程中气相动态演变对齿轮泵及其所在液压系统内其它元件的金属内表面形成空蚀破坏的分析不够全面的问题。针对上述问题,本文以CB型渐开线外啮合齿轮泵为研究对象,采用理论分析、CFD数值模拟及实验对比分析相结合的研究方法,对齿轮泵内部流场发生空化时的气相动态演变过程及影响展开研究。本文的主要研究内容包括:(1)为了便于对齿轮泵内部流场的空化情况进行定量描述,将CB型渐开线外啮合直齿轮泵的内部流场划分为四个区域,建立了用于数值模拟的计算模型,分析了齿轮泵内部流场出现空化的原因,并验证了本研究采用的数值计算模型和方法的有效性和可靠性。(2)基于CFD数值模拟方法,研究了齿轮泵在正常工作状态下其内部流场的空化情况。首先,利用Fluent对齿轮泵内部流场的压力分布、流速分布和空气体积分数分布进行了分析;其次,利用PumpLinx对齿轮泵内部流场总气体体积分数随转过角度和转动时间的变化规律进行了分析,得到了齿轮泵内部流场中的气相动态演变规律;最后,分析了空化对齿轮泵出口流量品质的影响规律。(3)采用Fluent和PumpLinx两种CFD数值模拟相结合的方法,对影响齿轮泵空化特性的三种因素(吸油压力、转速和油液温度)进行了研究。首先,利用Fluent数值模拟计算,对齿轮泵内部流场的压力、流速、局部区域的空气体积分数的变化规律进行了分析;其次,利用PumpLinx数值模拟,对齿轮泵内部流场整体的总气体体积分数F_T和出口体积流量q_c的变化规律进行了分析;最后,利用理论计算结果和数值模拟结果,以齿轮泵出口体积流量的偏差率ζ和脉动率γ为评价依据,对齿轮泵出口流量品质的变化规律进行了分析。(4)基于理论分析和实验对比的方法,在齿轮泵内部流场的气相动态演变过程中,针对泵内油液中的空化气泡在受压缩过程中对其周围液压油的氧化变质进行了研究。首先,分析了齿轮泵内部流场中的空化气泡受压缩产热的原因;其次,介绍了液压油的基本组成和主要性能参数;接着,在模拟泵内流场空化产热的环境下对三种液压油进行腐蚀度测试,并分析了这三种液压油在模拟空化产热环境中其化学属性的变化;最后,对两种液压油在模拟空化产热的环境中进行了热重分析对比,得到了液压油被氧化形成固体碳颗粒的原因。(5)基于理论分析的方法,在齿轮泵内部流场的气相动态演变过程中,针对空化气泡演变对齿轮泵及其所在液压系统内其他元件的金属内表面造成空蚀破坏的机理进行了研究。首先,分析了空化气泡在流场中运动时其对齿轮泵浮动侧板上小坑洞的物理剥蚀作用;其次,分析了空化气泡在流场中受到压缩时其受压缩产热带来的负效应对齿轮泵及其它液压元件金属内表面造成的破坏,包括有机酸化学腐蚀和固体碳颗粒划伤等;接着,分析了空化气泡在流场中被压溃时由于气泡溃灭而形成的高速射流对齿轮泵及其它液压元件金属内表面造成的液压冲击破坏;最后,综合以上分析研究,总结归纳出了齿轮泵内部流场中的空化气泡在动态演变过程中对齿轮泵及其所在液压系统内其它元件金属内表面形成空蚀破坏的机理。研究结果表明:本文以CB型渐开线外啮合齿轮泵为对象建立的CFD数值计算模型和研究方法能够准确地对齿轮泵内部流场的空化情况进行定量描述;齿轮泵内部流场的空化程度会影响齿轮泵的流量输出品质;适当增大齿轮泵的吸油压力有利于降低泵内流场的空化程度,进而可以提高泵的抗空蚀破坏能力和流量输出品质;提高齿轮泵的转速会增大泵内流场的空化程度,使得泵的抗空蚀破坏能力和流量输出品质均下降;控制齿轮泵内部油液的温度保持在合理的温度范围有利于降低泵内流场的空化程度,进而可以提高泵的抗空蚀破坏能力和流量输出品质;空化产热的副产品包括有机酸和固体碳颗粒,它们是导致液压油氧化变质的重要原因;空化气泡在动态演变过程中对齿轮泵及其所在液压系统内其它元件金属内表面形成的空蚀破坏是多种破坏机制共同作用于液压元件表面材料的综合结果,并非单一破坏作用的线性叠加,而是多种非线性破坏作用的复杂耦合。以上研究成果可为齿轮泵在结构设计优化、流量输出品质改善、空蚀破坏防治等方面的理论研究及工程应用提供一定的理论依据。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TH137.51

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