CN113374747A - 一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，包括以下步骤：1.建立关于角度
的柱塞腔内油液压力梯度；2.推导增量方程，得到油液压力变化Δp1和Δp2；3.取不同的缓冲结构包络角
得到Δp1在变压角区间[0°，120°]内的压力变化曲线，根据额定压力和最大变压比选择合适的缓冲结构包络角
油源压力；4.根据槽口A到T的预降压区间，求解预降压过程的缓冲结构尺寸；5.根据槽口T到B的预升压区间，求解预升压过程的缓冲结构尺寸；6.根据槽口B到A在变压角内的预升/降压区间，求解预升/降压过程的缓冲结构尺寸；7.斜盘柱塞式液压变压器CFD仿真分析。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学技术领域，具体公开了一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法。
背景技术
斜盘柱塞式液压变压器是恒压网络二次调节系统的关键元件，为缓解液压变压器工作过程中存在的噪声和振动问题，可通过在配流盘上建立缓冲结构缓解液压变压器内部压力冲击，进而解决噪声和振动。但由于斜盘柱塞式液压变压器内部的压力冲击会随着变压角的变化而变化，这造成现有的缓冲结构设计方法无法在变压角度变化区间[0°，120°]均能有效缓解液压变压器内部压力冲击。因此，如何对斜盘柱塞式液压变压器的缓冲结构进行设计，是目前学术领域的一个研究热点，对于弥补现有设计方法的不足，具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：克服缓冲结构无法在变压角度区间[0°，120°]内有效缓解新型液压变压器内部压力冲击的问题，基于柱塞腔内油液压力梯度的增量方程，提出了一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，可实现在任意变压角度下缓解斜盘柱塞式液压变压器内部压力冲击。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据控制体积法推导柱塞腔内油液压力梯度，由于柱塞元件的容积效率很高、泄漏很小，在忽略泄漏后，只考虑柱塞运动和柱塞与缓冲结构连通带来的影响，可得关于角度
的柱塞腔内油液压力梯度：
步骤二：由柱塞腔内油液压力梯度推导得到增量方程有
进一步有
步骤三：取不同大小的缓冲结构包络角
得到Δp1在变压角区间[0°，120°]内的压力变化曲线，根据液压变压器额定压力和最大变压比选择合适的缓冲结构包络角
油源压力。
步骤四：根据步骤三得到的缓冲结构包络角
设计缓冲结构尺寸，根据槽口A到槽口T的预降压区间，求解能够使Δp1与Δp2配合提前完成预降压过程的缓冲结构尺寸。
步骤五：与步骤四类似，根据槽口T到槽口B的预升压区间，求解能够使Δp1与Δp2配合提前完成预升压过程的缓冲结构尺寸。
步骤六：与步骤五类似，根据槽口B到槽口A在变压角内的预升\降压区间，求解能够使Δp1与Δp2配合提前完成预升\降压过程的缓冲结构尺寸。
步骤七：斜盘柱塞式液压变压器CFD仿真分析。
上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用本发明的，本发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离本发明的发明思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
附图说明：
图1斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法流程图。
图2配流盘结构图。
图3柱塞运动造成的柱塞腔内油液压力变化曲线。
图4槽口A-T不同缓冲孔缓冲效果曲线对比图。
图5槽口T-B不同缓冲孔缓冲效果曲线对比图。
图6变压角区间[0°，60°]内槽口B-A不同缓冲孔缓冲效果曲线对比图。
图7变压角区间[60°，101°]内槽口B-A不同缓冲孔缓冲效果曲线对比图。
图8斜盘柱塞式液压变压器的三维模型。
图9斜盘柱塞式液压变压器的流体模型。
图10液压变压器网格模型。
图11变压角δ＝30°时柱塞腔内油液质量平均压力曲线。
图12变压角δ＝60°时柱塞腔内油液质量平均压力曲线。
图13变压角δ＝90°时柱塞腔内油液质量平均压力曲线。
图14变压角δ＝101°时柱塞腔内油液质量平均压力曲线。
具体实施方式：
下面根据附图，详细说明本发明的具体实施方式。
本发明公开了一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，其具体包括以下的步骤：
步骤一：根据控制体积法推导柱塞腔内油液压力梯度，由于柱塞元件的容积效率很高、泄漏很小，在忽略泄漏后，只考虑柱塞运动和柱塞与缓冲结构连通带来的影响，可得关于角度
的柱塞腔内油液压力梯度为
其中：p为柱塞腔内油液的压力(Pa)；βe为油液的弹性模量(Pa)；Vmin为柱塞腔内油液的最小体积(m3)；SA为柱塞面积(m2)；R为柱塞分布圆半径(m)；β为斜盘倾角(°)；
为柱塞自下死点转动到预升/降压初始位置的角度(°)；Cq为缓冲结构的流量系数；Δp为相邻两槽口间油液压力差值(Pa)；ρ为油液密度(kg/m3)；n为斜盘柱塞式液压变压器转速(r/min)；S0为缓冲结构的最小过流截面积(m2)。
步骤二：由柱塞腔内油液压力梯度推导得到增量方程有
进一步有
其中：Δp1为柱塞运动造成的柱塞腔内油液压力变化；Δp2为缓冲结构造成的柱塞腔内油液压力变化。
步骤三：取不同大小的缓冲结构包络角
并代入到
处于区间[0°，120°]时的公式(3)，在[0°，120°]区间内，|Δp1|要小于斜盘柱塞式液压变压器的额定压力，据此选择合适的缓冲结构包络角
根据斜盘柱塞式液压变压器的最大变压比选择油源压力，最大变压比与油源压力的乘积不得大于斜盘柱塞式液压变压器的额定压力。
步骤四：根据步骤三得到的缓冲结构包络角
设计缓冲结构尺寸，对于槽口A到槽口T的预降压区间内有Δp1＜0，Δp2＞0，为使Δp2能够与Δp1配合提前完成预降压过程，有
其中：ΔpA-T为槽口T与槽口A油液压力的差值。
进一步有
取不同的缓冲结构尺寸代入公式(6)，可得能够满足条件的缓冲结构尺寸，利用Matlab软件得到不同角度下槽口A-T缓冲孔缓冲效果图(图4)，根据实际情况进行选择即可确定最优缓冲结构。
步骤五：与步骤四类似，槽口T到槽口B的预升压区间内有Δp1＞0，Δp2＜0，为使Δp2能够与Δp1配合提前完成预升压过程，有
其中：ΔpT-B为槽口B与槽口T油液压力的差值。
进一步有
取不同的缓冲结构尺寸代入公式(8)，可得能够满足条件的缓冲结构尺寸，利用Matlab软件得到不同角度下槽口T-B缓冲孔缓冲效果图(图5)，然后根据实际情况进行选择即可确定最优缓冲结构。
步骤六：槽口B到槽口A在变压角区间[0°，60°]内有预升压区间Δp1＞0，Δp2＜0，为使Δp2能够与Δp1配合提前完成预升压过程，有
其中：ΔpB-A为槽口A与槽口B油液压力的差值。
进一步有
取不同的缓冲结构尺寸代入公式(10)，可得能够满足条件的缓冲结构尺寸，利用Matlab软件得到不同变压角度下槽口B-A缓冲孔缓冲效果图(图6)。
槽口B到槽口A在变压区间[60°，120°]内有预降压区间Δp1＜0，Δp2＞0，为使Δp2能够与Δp1配合提前完成预降压过程，有
其中：ΔpB-A为槽口A与槽口B油液压力的差值。
进一步有
取不同的缓冲结构尺寸代入公式(12)，可得能够满足条件的缓冲结构尺寸，利用Matlab软件得到不同变压角度下槽口B-A不同缓冲孔直径缓冲效果图(图7)。进一步选择能够在变压角区间[0°，120°]内满足条件的缓冲结构尺寸，根据实际情况进行选择即可确定最优缓冲结构。
步骤七：根据各个缓冲孔的结构尺寸，通过UG软件对斜盘柱塞式液压变压器的流场模型进行三维建模，并基于用户自定义函数和动网格技术使用ANSYS软件对液压变压器进行网格划分，如图10。
步骤八：基于FLUENT软件对柱塞在不同槽口间过渡时的瞬态进行模拟仿真，通过控制柱塞运动状态，最终得到高速工作中的液压变压器流场的压力分布图(图11-14)。
Claims (6)
1.一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，按以下步骤实现：
步骤一：根据控制体积法推导柱塞腔内油液压力梯度方程。
步骤二：由柱塞腔内油液压力梯度方程推导得到增量方程。进一步得到柱塞运动造成的柱塞腔内油液压力变化Δp1和缓冲结构造成的柱塞腔内油液压力变化Δp2。
步骤三：取不同大小的缓冲结构包络角
得到Δp1在变压角区间[0°，120°]内的压力变化曲线，根据液压变压器额定压力和最大变压比选择合适的缓冲结构包络角
油源压力。
步骤四：根据步骤三得到的缓冲结构包络角
设计缓冲结构尺寸，根据槽口A到槽口T的预降压区间，求解能够使Δp1与Δp2配合提前完成预降压过程的缓冲结构尺寸。
步骤五：与步骤四类似，根据槽口T到槽口B的预升压区间，求解能够使Δp1与Δp2配合提前完成预升压过程的缓冲结构尺寸。
步骤六：与步骤五类似，根据槽口B到槽口A在变压角内的预升\降压区间，求解能够使Δp1与Δp2配合提前完成预升\降压过程的缓冲结构尺寸。
步骤七：斜盘柱塞式液压变压器CFD仿真分析。
2.根据权利要求1所述一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，其特征在于推导关于角度
柱塞腔内油液压力梯度方程如下:
其中，Vmin为柱塞腔内油液的最小体积(m3)，Vmin＝6.22×10-6m3；SA为柱塞面积(m2)，SA＝πd2/4；R为柱塞分布圆半径(m)，R＝0.0335m；β为斜盘倾角(°)，β＝18°。Cq为缓冲结构的流量系数，取Cq＝0.82；S0为缓冲结构的最小过流截面积(m2)；ρ为油液密度(kg/m3)，取32号抗磨液压油的油液密度，ρ＝870kg/m3。
3.根据权利要求2所述一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，其特征在于所述由柱塞腔内油液压力梯度推导得到增量方程如下：
进一步有
4.根据权利要求3所述一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，其特征在于取值代入，βe＝7×108Pa；V＝-6m3min；SA＝2.27×10-4m2；R＝0.0335m；β＝18°；Cq＝0.72；ρ＝870kg/m3；n＝1000r/min。取不同大小的缓冲结构包络角
并代入到
处于区间[0°，120°]时的公式(3)，在[0°，120°]区间内，|Δp1|要小于斜盘柱塞式液压变压器的额定压力40MPa，据此选择合适的缓冲结构包络角
为5°，最大变压比与油源压力的乘积不得大于斜盘柱塞式液压变压器的额定压力，斜盘柱塞式液压变压器的最大变压比为3，保险起见取最大变压比为4进行计算，因此选择油源压力为8MPa。当缓冲结构为直径为d的恒过流截面积缓冲孔时，有
代入相应的条件公式得到能够满足条件的各缓冲结构尺寸，进一步选择能够在变压角区间[0°，120°]内满足条件的缓冲结构尺寸，根据实际情况进行选择确定最优缓冲结构。
5.根据权利要求4所述一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，其特征在于根据各个缓冲孔的结构尺寸，通过UG软件对斜盘柱塞式液压变压器的流场模型进行三维建模，并基于用户自定义函数和动网格技术使ANSYS软件对液压变压器进行网格划分。
6.根据权利要求5所述一种斜盘柱塞式液压变压器缓冲结构设计方法，其特征在于基于FLUENT软件对柱塞在不同槽口间过渡时的瞬态进行模拟仿真，通过控制柱塞运动状态，最终得到高速工作中的液压变压器流场的压力分布图。
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