CN113669247B - 一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统，包括供油系统和实验测试柱塞泵，所述供油系统与所述实验测试柱塞泵通过两端为SAE法兰接口的液压软管连接在一起，注热油管路中，热油箱内置电加热棒，顶部出油口与过滤器入口相连，过滤器出口与油泵入口相连，之间管路中装有截止阀，油泵出口一定距离后装有齿轮流量计，油泵出口接有两路旁路，出口都接至热油箱，一路装有调节阀、另一路装有溢流阀，流量计出口与所述实验测试柱塞泵连接，注热油管路为实验测试柱塞泵提供流量、压力与温度可调的高温油液。本发明可在低压条件下模拟柱塞泵实际工作过程中各摩擦副油液泄漏，测量不同工况下柱塞泵外流场油液的温度及流场分布。

Description

一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统

技术领域

本发明涉及液压机械制造的技术领域，具体涉及一种柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统。

背景技术

相比于机械传动、电力传动等其他传动方式，液压传动具有功率密度高、结构紧凑、动态特性好等诸多优点，广泛运用于机械加工、能源工业以及军工、航空航天、船舶等领域。据相关数据统计，发达国家生产的95％的工程机械、90％的数控加工中心、95％以上的自动流水线都采用了液压传动技术。而柱塞泵作为整个液压系统的核心部件，发挥着重大的作用。其中，轴向柱塞泵因结构紧凑、体积小、工作压力高、功率大、效率高、转速高、易于实现变量和寿命长等特点，被大量运用于高压大功率的液压系统中。但轴向柱塞泵长期在高压条件下工作，三大摩擦副的摩擦生热与摩擦副间隙的油液泄漏，会大幅度提高柱塞泵内油液的及各零部件的温度，轻则会增大设备磨损，加速性能衰减，影响其使用寿命，重则导致事故发生。传统油液温度控制方案是强制注入大流量低温油液，对外流场内油液进行冷却，该方案一方面会导致柱塞泵工作效率下降，另一方面会导致柱塞泵体积增大，与柱塞泵向小型化、高效化、极端条件化等发展趋势相悖。

因此，对柱塞泵外流场油液的流动传热特性进行深入研究，探究得到柱塞泵高温热点区域，合理布置低温油液注入点，实现小流量低温油液的冷却冲洗设计方案的优化，进一步提升其工作效率与使用寿命，并缩小柱塞泵体积，便于在狭小空间内布置。

随着计算机技术的快速发展，专业软件仿真计算等手段为柱塞泵的结构优化提供有力的技术支持，可通过仿真手段获得不同工况下柱塞泵外流场油液的温度分布及流场分布，但由于其结构复杂，网格数量巨大等因素导致其计算效率低，优化周期长。因此，提出一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统，通过实验得到柱塞泵外流场油液的温度分布与流场分布，并以此验证数值仿真的准确性。另一方面，通过实验得到低温油液注入点的最佳布置位置，为减少冷却冲洗流量及柱塞泵壳体优化设计提供支持。但传统实验方法是采用柱塞泵真机进行试验测试，但进行柱塞泵真机试验需要大功率电机提供驱动力，才能在柱塞腔内建立高压工作油液，导致实验测试所需成本与难度大幅增大。因此，如何在避免产生高压油液的前提下，提供一种便于测试柱塞泵外流场油液温度及流场分布的实验系统，已成为本领域研究人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术中提出的问题，进而提供一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统，可在低压条件下模拟柱塞泵实际工作过程中各摩擦副油液泄漏，测量不同工况下柱塞泵外流场油液的温度及流场分布。

本发明提供一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统，实验系统包括供油系统和实验测试柱塞泵，所述供油系统与所述实验测试柱塞泵通过两端为SAE法兰接口的液压软管连接在一起。

所述供油系统主要分为注热油管路、注冷油管路、回油管路及油箱连通管路四部分。所述注热油管路中，热油箱内置电加热棒，顶部出油口与过滤器入口相连，过滤器出口与油泵入口相连，之间管路中装有截止阀，油泵出口一定距离后装有齿轮流量计，油泵出口接有两路旁路，出口都接至热油箱，一路装有调节阀、另一路装有溢流阀，流量计出口与所述实验测试柱塞泵连接，注热油管路为实验测试柱塞泵提供流量、压力与温度可调的高温油液。

所述注冷油管路中，压力油箱侧壁面开孔，接有冷却油泵、油泵出口与换热器油侧入口相连，换热器油侧出口接至压力油箱侧壁面高于入口孔的位置，水冷机注水端与换热器水侧入口连接，水冷机回水端与换热器水侧出口连接。压力油箱顶部出油口与过滤器入口相连，过滤器出口接有截止阀，之后与齿轮流量计相连，流量计流量计出口与所述实验测试柱塞泵连接，注冷油管路为实验测试柱塞泵提供温度可调的低温油液。

所述回油管路中，实验测试柱塞泵壳体回油口与截止阀相连，之后连接至回油泵入口，回油泵出口与过滤器入口相连，过滤器出口接至热油箱顶部开口处。

所述油箱连通管路中，热油箱侧壁面开孔，与增压油泵入口相连，油泵出口连接至压力油箱，油泵出口接有旁路，旁路上装有溢流阀，旁路出口接至热油箱，此外，热油箱与压力油箱设有独立连通管路，仅装有调节阀，油箱连通管路为实验测试柱塞泵提供流量、压力可调的低温油液。

所述实验测试柱塞泵分为外壳、内部静止部件、内部转动部件三部分。壳体一侧通过沉头螺栓与端盖连接，壳体另一侧通过螺栓与盖板连接；柱塞泵内部依次装有配流盘、缸体、柱塞滑靴组件、斜盘四部分零件，主轴贯穿各部分中心的圆形通孔，随主轴同轴转动。

所述配流盘右表面设有多层环形凸台，与所述缸体对应端表面的多层环形凸台相契合，形成迷宫密封，减少配流副油液泄漏量。所述缸体与主轴采用间隙配合，主轴轴肩对缸体轴向安装位置进行定位，通过调整不同厚度的精密垫片，可改变配流副迷宫密封间隙值，实现对配流副油液泄漏量的控制。

所述柱塞滑靴组件设计为一体化结构，与回程盘相同厚度的圆环，中心圆环四周均匀安有九个一定长度的圆柱体，圆柱直径略小于缸体柱塞腔内径，以确保油液可通过柱塞与柱塞腔之间的间隙泄漏，圆柱圆柱该组件整体通过平键与主轴同心装配。该组件中心通孔与主轴轴肩一侧之间安装有右侧精密垫片，通过调整垫片厚度，控制滑靴副油液泄漏量。

所述斜盘整体形状为圆柱，内部为通孔，通孔不与主轴接触，通过螺栓与盖板固定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

传统柱塞泵实验系统对外流场流动传热特性进行实验研究，采用真实柱塞泵样机进行实验，柱塞在柱塞腔内作轴向往复运动，产生周期性高压工作油液，满足该实验需求需要提供大功率驱动电机以及高参数的供油系统，实验难度与成本大幅度增加。而本发明设计的柱塞泵外流场油液流动传热实验系统，采用恒温供油系统为实验测试柱塞泵提供温度、压力、流量可调的两路油液。一路高温油液从端盖注入，模拟柱塞泵实际运动中摩擦副生热导致的油液温度升高，且增大配流盘与缸体之间的间隙、柱塞与柱塞腔之间的间隙、滑靴与斜盘之间的间隙，实现油液在低压条件下从各摩擦副泄漏。并通过改变精密垫片厚度来调节各摩擦副间隙，进而控制泄漏量。本发明减小了实验难度，降低了对驱动电机功率以及供油系统的需求。

附图说明

附图是为本发明提供进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下文的具体实施方法共同用于解释本公开，但不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明供油系统图；

其中，1-电热棒、2-热油箱、3-过滤器、4-热油泵、5-齿轮流量计、6-溢流阀、7-调节阀、8-压力传感器、9-温度传感器、10-截止阀、11-回油泵、12-增压油泵、13-压力油箱、14-冷却油泵、15-换热器、16-水冷机、17-联轴器、18-电动机、19-变频器。

图2为本发明实验测试柱塞泵部分结构示意图

其中，20-配流盘、21-缸体、22-柱塞滑靴组件、23-斜盘、24-主轴。

图3为本发明实验测试柱塞泵部分结构剖面图；

其中，25-左侧金属垫片、26-右侧金属垫片、27-滑靴副间隙、28-配流副间隙、29-柱塞副间隙。

图4为本发明端盖结构示意图；

图5为本发明盖板结构示意图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但所描述的仅为本发明的一部分实施例，并非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域专业人员在没有进行创造性改进后获得的其他实施例，均应包含在本发明的保护范围之内。

参照端盖结构示意图4所示，端盖外侧与注热油管路的SAE法兰接口相连，以实现热油注入；端盖内部油路，内侧与配流盘连通，以实现高温油液通过油路注入至配流盘区域。

参照盖板结构示意图5所示，盖板侧面设置有回油口，便于油液返回供油系统，且盖板外侧凸台凹槽内安装有密封圈，避免油液从主轴间隙泄漏。

一种柱塞泵外流场流动传热特性的实验系统，包括供油系统与实验测试柱塞泵两部分，供油系统包括热油泵4、变频器19、齿轮流量计5、温度传感器9、压力传感器8、溢流阀6、调节阀7、过滤器3、电热棒1、水冷机16、换热器15、电动机18；实验测试柱塞泵的部分结构包括端盖图4、配流盘20、缸体21、柱塞滑靴组件22、斜盘23、盖板图5、主轴24；供油系统与实验测试柱塞泵通过两端为SAE法兰接口的液压软管连接在一起，实验测试柱塞泵的主轴24与联轴器17一端相连，联轴器17另一端与高速变频电机18相连，电机18通过变频器19控制，满足实验测试柱塞泵在不同转速下运转。

所述供油系统注热油管路、注冷油管路、回油管路及油箱连通管路四部分。在注热油管路中，热油箱顶部出油口与过滤器入口相连，过滤器出口与油泵入口相连，之间装有截止阀，油泵出口后装有齿轮流量计，且设计的两路旁路出口都接至热油箱，一路装有调节阀、另一路装有溢流阀，流量计出口与所述实验测试柱塞泵连接。在注冷油管路中，压力油箱接有冷却油泵，油泵出口与换热器油侧入口相连，换热器油侧出口接至压力油箱，水冷机注水端与换热器水侧入口连接，水冷机回水端与换热器水侧出口连接。压力油箱顶部出油口与过滤器入口相连，过滤器出口接有截止阀，之后与齿轮流量计相连，流量计流量计出口与所述实验测试柱塞泵连接。在回油管路中，实验测试柱塞泵壳体回油口与截止阀相连，之后连接至回油泵入口，回油泵出口与过滤器入口相连，过滤器出口接至热油箱顶部开口处。在油箱连通管路中，热油箱侧与增压油泵入口相连，油泵出口连接至压力油箱，油泵出口接有旁路，旁路上装有溢流阀，旁路出口接至热油箱，此外，热油箱与压力油箱设有独立连通管路，仅装有调节阀。

所述实验测试柱塞泵分为外壳、内部静止部件、内部转动部件三部分。壳体一侧通过沉头螺栓与端盖连接，壳体另一侧通过螺栓与盖板连接；柱塞泵内部依次装有配流盘、缸体、柱塞滑靴组件、斜盘四部分零件，主轴贯穿各部分中心的圆形通孔，随主轴同轴转动。配流盘与缸体对应对应端表面的多层环形凸台相契合，形成迷宫密封，所述缸体与主轴采用间隙配合，主轴轴肩对缸体轴向安装位置进行定位，该组件中心通孔与主轴轴肩一侧之间安装有右侧精密垫片，通过调整垫片厚度，控制滑靴副油液泄漏量。所述柱塞滑靴组件通过平键与主轴同心装配，该组件中心通孔与主轴轴肩一侧之间安装有右侧精密垫片，通过调整垫片厚度，控制滑靴副油液泄漏量。

本发明的工作原理：首先基于柱塞副各摩擦副油液泄漏量计算公式，获得各工况下理论泄漏量，根据泄漏量与间隙值呈正相关，确定各工况对应的间隙值，并在实验测试柱塞泵装配时，对应使用不同厚度的精密垫片。柱塞泵加载至供油系统，供油系统向柱塞泵注入一定温度、压力、流量的两路油液，一路为高温油液，从端盖进入柱塞泵内，一定比例的油液通过配流盘的腰型孔进入缸体的柱塞腔，其余油液从配流副间隙泄漏至外流场中。进入柱塞腔的油液一部分从柱塞副间隙泄漏至外流场中，另一部分先经过柱塞中心空腔，后经过阻尼孔，经滑靴副间隙泄漏至外流场中，用来模拟柱塞泵实际工作过程中从各摩擦副泄漏至外流场的高温热油；一路为低温油液，与实际工作一致，为强制冷却油液。柱塞泵由电动机驱动转动，缸体等转动部件搅动壳体内的油液，模拟真实工况中油液在外流场中的流动传热过程。

本发明的工作过程：通过联轴器将实验测试柱塞泵与电动机进行连接，将供油系统的注热油管路、注冷油管路及回油管路与柱塞泵对应接口相连。调节供油系统中热油泵4转速与旁路调节阀开度，将注热油流量与压力调整至指定值，并启动电热棒1将供油系统中高温油液加热至指定值，高温油液从各摩擦副间隙泄漏至柱塞泵外流场中。此外，调节供油系统中油箱连通管路中旁路溢流阀与旁路调节阀开度，调整注冷油压力与流量至指定值，并设置水冷机16的参数，将注冷油温度调整至指定值。低温油液与高温油液在外流场中受转动部件搅拌混合后，从盖板31出油口流出，返回至热油箱2内。利用非接触式测温方式获得壳体外表面温度分布，利用摄像机拍摄方式获得壳体内油液流态。对实验数据进行分析处理，得出不同工况下的外流场油液的流动传热特性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例之一而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的构思之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统，其特征在于，包括供油系统和实验测试柱塞泵，供油系统与所述实验测试柱塞泵通过两端为SAE法兰接口的液压软管连接在一起；供油系统分为注热油管路、注冷油管路、回油管路及油箱连通管路四部分，所述注热油管路中，热油箱内置电加热棒，顶部出油口与过滤器入口相连，过滤器出口与油泵入口相连，在过滤器与油泵之间的管路中装有截止阀，油泵出口一定距离后装有齿轮流量计，油泵出口接有两路旁路，出口都接至热油箱，一路装有调节阀、另一路装有溢流阀，流量计出口与所述实验测试柱塞泵连接，注热油管路为实验测试柱塞泵提供流量、压力与温度可调的高温油液；所述注冷油管路中，压力油箱侧壁面开孔，接有冷却油泵、冷却油泵出口与换热器油侧入口相连，换热器油侧出口接至压力油箱侧壁面高于入口孔的位置，水冷机注水端与换热器水侧入口连接，水冷机回水端与换热器水侧出口连接，压力油箱顶部出油口与过滤器入口相连，过滤器出口接有截止阀，之后与齿轮流量计相连，齿轮流量计出口与所述实验测试柱塞泵连接，注冷油管路为实验测试柱塞泵提供温度可调的低温油液；所述实验测试柱塞泵，配流盘右表面设有多层环形凸台，与缸体对应端表面的多层环形凸台相契合，形成迷宫密封，减少配流副油液泄漏量，所述缸体与主轴采用间隙配合，主轴轴肩对缸体轴向安装位置进行定位，通过调整不同厚度的精密垫片，可改变配流副迷宫密封间隙值，实现对配流副油液泄漏量的控制，柱塞滑靴组件设计为一体化结构，一侧为均匀布置的九个一定长度的圆柱体，另一侧为与回程盘相同厚度的圆环形，圆柱体与圆环之间焊接为一体，与回程盘相同厚度的圆环，中心圆环四周均匀安有九个一定长度的圆柱体，圆柱直径略小于缸体柱塞腔内径，以确保油液可通过柱塞圆柱与柱塞腔之间的间隙泄漏，柱塞滑靴组件整体通过平键与主轴同心装配，柱塞滑靴组件中心通孔与主轴轴肩一侧之间安装有右侧精密垫片，通过调整垫片厚度，控制滑靴副油液泄漏量。

2.根据权利要求1所述的一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统，其特征在于，回油管路中，实验测试柱塞泵壳体回油口与截止阀相连，之后连接至回油泵入口，回油泵出口与过滤器入口相连，过滤器出口接至热油箱顶部开口处。

3.根据权利要求1所述的一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统，其特征在于，油箱连通管路中，热油箱侧壁面开孔，与增压油泵入口相连，增压油泵出口连接至压力油箱，增压油泵出口接有旁路，旁路上装有溢流阀，旁路出口接至热油箱，此外，热油箱与压力油箱设有独立连通管路，仅装有调节阀，油箱连通管路为实验测试柱塞泵提供流量、压力可调的低温油液。

4.根据权利要求1所述的一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统，其特征在于，实验测试柱塞泵分为外壳、内部静止部件、内部转动部件三部分，壳体一侧通过沉头螺栓与端盖连接，壳体另一侧通过螺栓与盖板连接；柱塞泵内部依次装有配流盘、缸体、柱塞滑靴组件、斜盘四部分零件，主轴贯穿各部分中心的圆形通孔，随主轴同轴转动。

5.根据权利要求4所述的一种研究柱塞泵外流场油液流动传热特性的实验系统，其特征在于，所述斜盘整体形状为圆柱，内部为通孔，通孔不与主轴接触，通过螺栓与盖板固定。

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