高压清洗机斜盘轴向柱塞泵流场分析与优化设计

论文摘要

高压清洗机是一种用于清理顽固污渍的流体机械.在北美和欧洲等生活水平较高的发达地区应用广泛。轴向柱塞泵是高压清洗机的核心部件。本文基于企业清洗机产品优化改进的实际需求,选择普遍应用于清洗机产品中的三缸并联斜盘轴向柱塞泵为研究对象,开展了运动仿真研究和流场数值仿真研究,并基于仿真结果实现了对泵头流道结构的优化。本文首先分析了斜盘轴向柱塞泵的工作原理和数学模型,利用UG软件对斜盘轴向柱塞泵虚拟样机中的斜盘柱塞运动机构进行了运动仿真,运动仿真数值结论验证了斜盘轴向柱塞泵数学模型的正确性。通过对比分析从单缸到五缸并联的斜盘柱塞运动机构的仿真结果,从数值分析的层面对传统设计理论中奇数缸数并联优于偶数缸数并联的定性结论做了定量分析,验证了三缸斜盘轴向柱塞泵对于清洗机产品的经济实用性。然后,本文分析了泵头内部流场,指出斜盘轴向柱塞泵内部流场是不可压缩单相牛顿流体在复杂管道内的非定常湍流流动,在工程实践中,对于泵进口端和出口端的总流流道,可用时均统计平均值简化为定常流动来分析,而柱塞工作腔内的流场边界随柱塞运动而产生周期脉动,则只能按非定常流动来进行分析。在综合分析泵内流场物理模型的性质和结构特点后,指出泵内流场适合采用重整化k-ε模型进行计算流体动力学模拟。基于重整化k-ε模型,应用ANSYS FLUENT软件,分别对文丘里吸液阀流道、入口配流流道、出口汇流流道的流场进行了定常模式下的仿真,对柱塞工作腔内的脉动流场进行了基于动网格技术的非定常模式仿真。重点分析了文丘里吸液阀流道,得到了与理论模型和实验数据高度吻合的流场数值仿真结果。编写了柱塞运动边界的自定义程序,利用动网格技术模拟了柱塞腔内部流场压排行程中的压力场变化规律。最后,本文基于文丘里流道的流场仿真结果,对现有泵头文丘里流道结构进行了优化设计,并制作了工程样板进行试验验证。试验结果表明,优化方案达到了降低溢流阀平衡压力和减小文丘里流道压力损失的优化目标,提升了泵的整体性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 高压清洗机轴向柱塞泵概述
• 1.2 轴向柱塞泵计算机仿真相关文献综述
• 1.3 本文关于斜盘轴向柱塞泵的研究思路
• 1.4 本章小结
• 第二章 斜盘轴向柱塞泵工作原理与数学模型
• 2.1 斜盘轴向柱塞泵的工作原理
• 2.2 单缸斜盘柱塞副运动参数的数学模型
• 2.3 三缸斜盘轴向柱塞泵运动参数的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 斜盘轴向柱塞泵运动仿真及仿真结果数值分析
• 3.1 引言
• 3.2 斜盘轴向柱塞泵运动仿真模型的构建
• 3.2.1 构建运动机构连杆和辅助连杆
• 3.2.2 构建运动副和传动副
• 3.2.3 设置驱动参数
• 3.2.4 设置运动方案求解器参数
• 3.3 三缸斜盘轴向柱塞泵运动仿真结果
• 3.4 从一缸到五缸的仿真结果比较分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 斜盘轴向柱塞泵内部流道流场仿真
• 4.1 CFD流场仿真概述
• 4.2 斜盘轴向柱塞泵内部流道结构分析
• 4.3 斜盘轴向柱塞泵流场物理模型分析
• 4.4 洗涤液吸入口文丘里流道流场分析
• 4.4.1 文丘里吸液管工作原理
• 4.4.2 吸液阀流道流场仿真
• 4.5 配流流道和汇流流道的三维流场分析
• 4.6 柱塞腔内脉动流场分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 文丘里吸液阀流道与溢流阀流道优化设计
• 5.1 优化问题的提出与优化方案分析
• 5.2 文丘里流道优化与溢流阀结构优化
• 5.3 工程样机测试数据分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件