一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法及系统。所述方法，基于柱塞泵在当前转动角度下的油膜厚度修正模型和油液动力粘度修正值，构建雷诺方程和能量方程，并基于缸体三轴力平衡方程，采用有限差分法和牛顿迭代法求解雷诺方程和能量方程，得到当前转动角度下的配流副压力场分布、配流副温度场分布以及配流副油膜厚度场分布；其中，油膜厚度修正模型是采用金属表面热变形和底面流体压力引起的弹性形变对油膜厚度模型进行修正得到的；油液动力粘度修正值是采用温度和压力对配流副油液的动力粘度进行修正得到的。本发明专利技术能准确求解配流副压力场分布、温度场分布和油膜厚度场分布。油膜厚度场分布。油膜厚度场分布。

【技术实现步骤摘要】
一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法及系统


[0001]本专利技术涉及配流副分析领域，特别是涉及一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法及系统。

技术介绍

[0002]中国掘进机装备市场从90％依赖进口发展到超过90％自主制造，实现了“从跟跑到领跑”的技术突破，隧道掘进机已广泛应用于地下空间开发。但其中掘进机驱动系统的核心部件——750ml/r的轴向柱塞泵，与国外产品存在较大差距，全部依赖进口，存在“卡脖子”问题，亟需开展自主研制。
[0003]此轴向柱塞泵为具有一定柱塞倾角的柱塞泵，称为双斜式柱塞泵，同时用球面配流副代替一般的平面配流副，其具有径向结构紧凑、承载面积大等特点。常见的斜盘式轴向柱塞泵的配流副一般为平面配流副，关于平面配流副的相关理论已经比较完善，产品较为成熟，工业上也取得了广泛应用。但是，在某些特殊工况下，为了使柱塞泵结构紧凑、重量减轻、排量增大，通常采用柱塞倾斜(柱塞中心线与缸体的轴线成某一夹角，即柱塞倾角)、斜盘倾斜的轴向柱塞泵(也称双斜式轴向柱塞泵)，其特有的球面配流副结构紧凑、受力状况好、抗倾覆力矩能力强、能够自动对中，对于球面配流副的分析越来越受到人们重视。
[0004]针对球面配流副，目前对球面配流副的多场计算时，通常不考虑油液温度和油液压力对油液粘度的影响，也不考虑底面流体压力引起的弹性形变对油膜厚度的影响，从而影响压力场和油膜厚度场求解的准确性，不利于球面配流副的分析。

技术实现思路

[0005]基于此，本专利技术实施例提供一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法及系统，考虑油液温度和油液压力对油液粘度的影响以及底面流体压力引起的弹性形变对油膜厚度的影响，从而准确求解配流副压力场分布、配流副温度场分布以及配流副油膜厚度场分布。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法，包括：
[0008]确定柱塞泵在当前转动角度下柱塞对缸体的支撑力和摩擦力；
[0009]基于所述支撑力和所述摩擦力建立所述柱塞泵在当前转动角度下的缸体三轴力平衡方程；
[0010]基于所述柱塞泵在当前转动角度下的油膜厚度修正模型和油液动力粘度修正值，构建雷诺方程和能量方程，并基于所述缸体三轴力平衡方程，采用有限差分法和牛顿迭代法求解所述雷诺方程和所述能量方程，得到当前转动角度下的配流副压力场分布、配流副温度场分布以及配流副油膜厚度场分布；
[0011]其中，所述油膜厚度修正模型是采用金属表面热变形和底面流体压力引起的弹性形变对油膜厚度模型进行修正得到的；所述油液动力粘度修正值是采用温度和压力对配流
副油液的动力粘度进行修正得到的。
[0012]可选的，所述基于所述柱塞泵在当前转动角度下的油膜厚度修正模型和油液动力粘度修正值，构建雷诺方程和能量方程，并基于所述缸体三轴力平衡方程，采用有限差分法和牛顿迭代法求解所述雷诺方程和所述能量方程，得到当前转动角度下的配流副压力场分布、配流副温度场分布以及配流副油膜厚度场，具体包括：
[0013]由当前转动角度下的缸体球面球心位置和第k次迭代下的缸体球心变化率，确定第k次迭代下的油膜厚度模型；
[0014]采用金属表面热变形和底面流体压力引起的弹性形变对第k次迭代下的油膜厚度模型进行修正，得到第k次迭代下的油膜厚度修正模型；
[0015]基于第k次迭代下的油膜厚度修正模型和第k次迭代下的油液动力粘度修正值，构建第k次迭代下的雷诺方程和能量方程；
[0016]采用有限差分法对第k次迭代下的雷诺方程求解，得到第k次迭代下的配流副压力场分布，采用有限差分法对第k次迭代下的能量方程求解，得到第k次迭代下的配流副温度场分布；
[0017]由第k次迭代下的配流副压力场分布确定第k次迭代下的配流副油膜对缸体的支撑力；
[0018]基于所述缸体三轴力平衡方程和第k次迭代下的配流副油膜对缸体的支撑力，计算力的误差是否处于设定范围；
[0019]若是，则将第k次迭代下的配流副压力场分布确定为当前转动角度下最终的配流副压力场分布，将第k次迭代下的配流副温度场分布确定为当前转动角度下最终的配流副温度场分布，并由最终的配流副压力场分布和最终的配流副温度场分布确定当前转动角度下最终的配流副油膜厚度场分布；
[0020]若否，则基于所述力的误差确定第k+1次迭代下的球心变化率，由第k次迭代下的配流副压力分布场和第k次迭代下的配流副温度分布场确定第k+1次迭代下的油液动力粘度修正值，更新迭代次数后，返回由当前转动角度下的缸体球面球心位置和第k次迭代下的缸体球心变化率，确定第k次迭代下的油膜厚度模型的步骤。
[0021]可选的，所述油膜厚度修正模型，具体为：
[0022][0023]其中，表示油膜厚度修正模型输出的配流副油膜厚度场，表示油膜厚度模型输出的配流副油膜厚度场，θ表示配流副厚度场中一点与原点连线与z轴正向的夹角，表示配流副厚度场中一点与原点连线在xy平面的投影与x轴正向的夹角，Δh
T
表示金属表面热变形，Δh
p
表示底面流体压力引起的弹性形变。
[0024]可选的，所述油液动力粘度修正值的计算公式为：
[0025]μ＝μ0exp[α
p
p
‑
α
T
(T
‑
T0)]；
[0026]其中，μ表示油液动力粘度修正值，p表示配流副压力场分布，T0表示参考温度，T表示配流副温度场分布，μ0表示p＝0，T＝T0时油液的动力粘度，α
p
表示粘压系数，α
T
表示粘温系数。
[0027]可选的，所述雷诺方程，具体为：
[0028][0029]其中，h表示配流副油膜厚度场分布，p表示配流副压力场分布，μ表示油液动力粘度修正值，μ表示油液动力粘度修正值，θ表示配流副厚度场中一点与原点连线与z轴正向的夹角，表示配流副厚度场中一点与原点连线在xy平面的投影与x轴正向的夹角，R为圆锥半径到缸体轴线距离，ω表示缸体角速度，t表示时间。
[0030]可选的，所述能量方程，具体为：
[0031][0032]其中，c
p
表示油液比热，ρ表示油液密度，ω表示缸体角速度，T表示配流副温度场分布，θ表示配流副厚度场中一点与原点连线与z轴正向的夹角，表示配流副厚度场中一点与原点连线在xy平面的投影与x轴正向的夹角，λ表示油液导热率，R为圆锥半径到缸体轴线距离，μ表示油液动力粘度修正值。
[0033]可选的，所述缸体三轴力平衡方程，具体为：
[0034][0035]其中，i表示柱塞的编号，F
N1i
表示第i个柱塞对缸体一侧的支撑力，F
N2i
表示第i个柱塞对缸体另一侧的支撑力，β表示柱塞倾角，ψ
i
表示第i个柱塞头部转过的角度，F
pi
表示第i个柱塞底部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法，其特征在于，包括：确定柱塞泵在当前转动角度下柱塞对缸体的支撑力和摩擦力；基于所述支撑力和所述摩擦力建立所述柱塞泵在当前转动角度下的缸体三轴力平衡方程；基于所述柱塞泵在当前转动角度下的油膜厚度修正模型和油液动力粘度修正值，构建雷诺方程和能量方程，并基于所述缸体三轴力平衡方程，采用有限差分法和牛顿迭代法求解所述雷诺方程和所述能量方程，得到当前转动角度下的配流副压力场分布、配流副温度场分布以及配流副油膜厚度场分布；其中，所述油膜厚度修正模型是采用金属表面热变形和底面流体压力引起的弹性形变对油膜厚度模型进行修正得到的；所述油液动力粘度修正值是采用温度和压力对配流副油液的动力粘度进行修正得到的。2.根据权利要求1所述的一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法，其特征在于，所述基于所述柱塞泵在当前转动角度下的油膜厚度修正模型和油液动力粘度修正值，构建雷诺方程和能量方程，并基于所述缸体三轴力平衡方程，采用有限差分法和牛顿迭代法求解所述雷诺方程和所述能量方程，得到当前转动角度下的配流副压力场分布、配流副温度场分布以及配流副油膜厚度场，具体包括：由当前转动角度下的缸体球面球心位置和第k次迭代下的缸体球心变化率，确定第k次迭代下的油膜厚度模型；采用金属表面热变形和底面流体压力引起的弹性形变对第k次迭代下的油膜厚度模型进行修正，得到第k次迭代下的油膜厚度修正模型；基于第k次迭代下的油膜厚度修正模型和第k次迭代下的油液动力粘度修正值，构建第k次迭代下的雷诺方程和能量方程；采用有限差分法对第k次迭代下的雷诺方程求解，得到第k次迭代下的配流副压力场分布，采用有限差分法对第k次迭代下的能量方程求解，得到第k次迭代下的配流副温度场分布；由第k次迭代下的配流副压力场分布确定第k次迭代下的配流副油膜对缸体的支撑力；基于所述缸体三轴力平衡方程和第k次迭代下的配流副油膜对缸体的支撑力，计算力的误差是否处于设定范围；若是，则将第k次迭代下的配流副压力场分布确定为当前转动角度下最终的配流副压力场分布，将第k次迭代下的配流副温度场分布确定为当前转动角度下最终的配流副温度场分布，并由最终的配流副压力场分布和最终的配流副温度场分布确定当前转动角度下最终的配流副油膜厚度场分布；若否，则基于所述力的误差确定第k+1次迭代下的球心变化率，由第k次迭代下的配流副压力分布场和第k次迭代下的配流副温度分布场确定第k+1次迭代下的油液动力粘度修正值，更新迭代次数后，返回由当前转动角度下的缸体球面球心位置和第k次迭代下的缸体球心变化率，确定第k次迭代下的油膜厚度模型的步骤。3.根据权利要求1所述的一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法，其特征在于，所述油膜厚度修正模型，具体为：
其中，表示油膜厚度修正模型输出的配流副油膜厚度场，表示油膜厚度模型输出的配流副油膜厚度场，θ表示配流副厚度场中一点与原点连线与z轴正向的夹角，表示配流副厚度场中一点与原点连线在xy平面的投影与x轴正向的夹角，Δh
T
表示金属表面热变形，Δh
p
表示底面流体压力引起的弹性形变。4.根据权利要求1所述的一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法，其特征在于，所述油液动力粘度修正值的计算公式为：μ＝μ0exp[α
p
p
‑
α
T
(T
‑
T0)]；其中，μ表示油液动力粘度修正值，p表示配流副压力场分布，T0表示参考温度，T表示配流副温度场分布，μ0表示p＝0，T＝T0时油液的动力粘度，α
p
表示粘压系数，α
T
表示粘温系数。5.根据权利要求1所述的一种柱塞泵球面配流副油膜动态多场求解方法，其特征在于，所述雷诺方程，具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：任东杰，王少萍，许顺海，石健，白林迎，刘小平，郭浩宇，马魁，刘尚，呼瑞红，李泽魁，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：