ELSD液壓泵設計平臺考慮到機械置換過程是流體動力學,也考慮到組件的機械相互作用,特別涉及到轉子的間隙微運動。該平臺能夠生成Gerotor齒輪的幾何外形以及操作模擬、預測等操作輸出流量及脈動的主要特性、內部的壓力峰值、轉子徑向運動、間隙影響。由下圖可以看出,ELSD液壓泵設計平臺由4個子模塊構成:Gerotor齒廓模板,CFD流體動力學模塊,和力學模塊(運動和扭力)模塊以及實驗驗證模塊。
Gerotor齒輪輪廓設計模塊
在設計時,見下圖Gerotor齒廓生成器中,只需輸入內轉子齒數Z,固定基圓半徑, 包絡圓弧半徑,中心偏移量e,短幅係數K等變量作為基本參數,就可以把內、外轉子齒廓曲線建立起來。通過Matlab 語言來模擬內嚙合齒輪輪廓定義如下:
通過Matlab/Simulink軟體對泵的流量特性進行如下仿真,可以方便解決泵的流量,旋轉運動軌跡,擺線齒輪的各種基本參數及泵的瞬時及脈動流量。下圖為擺線齒輪轉動角度與流量的關係。
通過UFD模型設計器中分解Gerotor齒輪的關鍵幾何尺寸,按照UFD的格式對其劃分網格來產生一個四面體結構。同時,對Gerotor的流道口劃分網格來生成另外一個四面體結構,對動態化網格及與其匹配的參數輸入來分析泵的實際問題。下圖可以看出Gerotor齒輪的仿真的流程,其結果分析在其傳動過程,液壓油對Gerotor的壓力分布。同時,可以採用高階離散化方案對網格的細化來取得準確其他方案的分析。
將Gerotor生成器產生的內外轉子的3D模型以及相應結構轉入到Fluent軟體分析,分別泵的流道和內外轉子幾何尺寸在z-x平面內進行草圖操作,繞Z軸旋轉2並固定,並創建Boolean去橫切內外轉子3D實體,為了產生一個完整的映射嚙合面,需要將內外轉子3D模型相鄰弧面邊緣合成在同一模塊上。為了便於網格的劃分,一般分為Gerotor齒輪、流道進出口、泵體三個部分構成的容積區域,通過設定求解參數設置和流場對Gerotor壓力和洩露進行仿真及輸出。
Fluent仿真的數據確立後,設計的下一步需要模擬實際工作環境進行驗證,泵體的啟動測試用來確認是否出現帶入的空氣帶入流道,並檢查進入油液的氣泡在測試過程中對泵平穩性能的影響。靜態和動態的洩露用來衡量泵的洩露損失率,其直接影響著泵的性能。靜態測試時,泵進行空轉,注入空氣達到測試壓力13bar,觀察密塗抹有松節潤滑油封圈周圍是否有氣泡出現。注入油液進行動態測試,轉速設定為額定轉速3000RPM,溫度為室溫壓力在13bar運行2分鐘,觀察密封圈是否有洩露和滑移現象。在ELSD液壓泵工作環境可能會出現高壓-低流量,低壓-高流量兩種極端供油狀況,通過實驗來衡量泵在極端環境的工作性能。
根據Fluent對間隙分析的結果來看,Greotor齒頂間隙為0.01-0.02mm,軸向間隙0.01-0.02mm,泵的容積效率達到95%以上。ELSD液壓泵扭矩帶入的流量的脈動影響,在ELSD液壓泵在滿足效率的同時儘量選擇較薄的Gerotor齒輪,ELSD液壓泵的額度扭矩佔馬達額定扭矩的50%以下,ELSD液壓泵儘量採用三組軸承以上的受力系統。 通過模塊化設計將ELSD液壓泵複雜的結構設計簡單化分解,各個模塊按功能重新構成新的系統,滿足市場多樣化需求和適應激烈的市場競爭。