高压高速柱塞液压泵热力学机理及温度特性研究

柱塞液压泵是航空航天、工程机械等领域机械装备液压传动系统的核心动力元件。系统大功率、节能的发展需求，使得柱塞液压泵朝着高压、高速、大容量、低噪声和长寿命方趋势发展。要实现这些目标的关键之一在于合理设计柱塞液压泵中各种类型的摩擦副，使之能形成适当的油膜，提高效率、降低温升、减轻磨损，提高寿命与可靠性。因此，本项目针对柱塞液压泵的热力学机理，利用传热学、热动力学、流体力学、弹性流体力学及摩擦学等相关理论，对柱塞液压泵的发热机理、摩擦副油膜的形成与发展机制、摩擦副与油膜间的热流固耦合机理、摩擦副油膜特征和温度特性，以及工况参数、材料性能、结构尺寸及环境因素对其的影响规律进行了深入解析。 项目实施过程中，以工程机械A4V型泵和某型航空柱塞液压泵为对象，对其柱塞副、滑靴副和配流副和泵整体热特性开展了理论分析、仿真计算和试验研究，取得的主要研究成果如下： 1）建立了轴向柱塞泵摩擦副热流体动力润滑模型，揭示了摩擦副油膜动力学特征，并以此取得了摩擦副润滑机理与接触表面磨损失效形式的关联性。 2）利用摩擦副与油膜的传热特征，引入摩擦副的受热变形，结合能量守恒定律，建立了摩擦副油膜热力学参数化模型，解析了多物理场耦合下摩擦副热力耦合变形及摩擦磨损性能，为轴向柱塞泵摩擦副间隙优化提供理论支持； 3）通过对不同结构形状、工作参数条件下摩擦副油膜的油膜厚度、泄漏流量、摩擦力矩的耦合关系进行解析，阐明了轴向柱塞泵摩擦副油膜的润滑承载特性与工况条件、结构参数的映射关系。 4）利用热流体控制体和流固耦合传热原理，建立了泵内部发热与壳体热特性及壳体回油温度量化计算模型，为泵体强制散热设计提供理论依据。 5）针对机载泵源系统压力与负载压力的匹配问题，建立了负载敏感控制泵的温度计算模型，并对现有恒压力控制泵源系统与负载敏感变压力控制系统的温度特性进行了仿真分析，可为负载敏感泵与系统匹配设计提供参考。 2100433B

针对高速高压液压柱塞泵热力学机理以及结构、几何尺寸、工艺方法与热力学可靠性之间的映射关系尚不明确，关键基础件依赖进口的现状，研究液压泵包括柱塞副、滑靴副、配流副等重要摩擦副的热力学过程与机理，进行传热学、热动力学、流体动力学、弹性流体力学和摩擦学的深入分析，建立柱塞泵整体热力学模型以及流体温度场模型，取得整体及部件复杂传热过程的规律，掌握液压泵偶件传热过程和热平衡点形成的动态条件及其影响因素，阐明柱塞泵热力学过程与可靠性的内在关系。建立摩擦副油膜动态热平衡模型，分析摩擦副材料、结构、表面粗糙度与油膜热力学边界的关系，分析柱塞泵工作参数与摩擦副工作动力学边界的关系；取得液压泵热设计方法和措施。建立不同压力和转速下柱塞泵的温度特性谱，解析泵壳体、泵部件、油箱及环境的温度关系，取得考虑热力学过程的柱塞泵特性评价和控制的基本理论和方法，为我国核心基础件研究与开发提供基础理论和技术。

精确预测并控制柱塞副的泄漏对提高共轨高压油泵的泵油压力至关重要，而柱塞副的泄漏实质上是一个由生热、流-固传热和结构变形够成热-流-固强耦合并伴有微运动的瞬态问题。现阶段的研究尚没有深入考虑这些因素，在一定程度上影响了柱塞副泄漏的计算精度。本课题针对往复运动过程中的高压共轨柱塞副，拟将综合运用理论分析、数值计算和试验验证方法，重点开展高速压差和剪切流动下的瞬态生热、高温高压下的流-固传热和结构热弹变形、高速运动下的结构动力学研究，建立温度场-流场-位移场强耦合及微运动下柱塞副瞬态泄漏的数学物理模型，实现对共轨高压油泵柱塞副泄漏的精确预测，获得相关参数对瞬态泄漏的影响规律，揭示柱塞副在高速、高温、高压及微孔隙复杂动态环境下的瞬态泄漏机理及特性，为共轨高压油泵柱塞副泄漏量的精确控制提供理论支撑。

柱塞副的泄漏实质上是一个由生热、流-固传热和结构变形所形成的的瞬态问题；以往的研究考虑得不够全面，在一定程度上影响了柱塞副泄漏的计算精度。本项目通过一维方式同时考虑柱塞偏移倾斜微运动、结构弹性变形、柱塞副中燃油非等温流动以及燃油在高温高压条件下的粘温粘压特性，建立了能与实验结果较好匹配的柱塞副泄漏模型，进一步完善发展了柱塞副的泄漏理论；同时考虑柱塞腔和共轨管中的流体流动、柱塞副泄漏、泵的容积效率损失的基础上，从理论方面对高压油泵的泵油能力进行了研究。在此基础上，运用自适应动网格技术和gap条件的基础上模拟柱塞的运动和球阀的开关，分析了整个工作循环的柱塞副瞬态密封特性；最后通过三维方式，建立了双向流-固-热耦合下的柱塞副稳态密封特性仿真模型，对改善柱塞副的密封特性提出了新的研究方向，并对更高泵油压力的柱塞副密封特性进行预测分析。

煤自燃的临界温度是煤低温氧化向快速氧化转变的特征点，是认识和评价煤自燃特性的关键参数，也是煤炭自燃灾害防治中的关键阶段。针对现有的单参数测试手段与研究方法的不足，本项目创新地采用原位技术实时在线测试临界温度段（50～130℃）的气体产物、耗氧量、产热量、官能团与自由基浓度等参数随氧化时间与温度的变化，研究该阶段煤自燃的产热产物动力学模型，官能团与自由基浓度变化之间的关系，影响临界温度的关键因素等；结合量子化学软件对不同煤种不同活性官能团反应过程的计算模拟，综合分析各测试参数之间的内在联系，推导煤临界温度段不同官能团的氧化反应步骤及各反应步骤的产物和产热量。在此基础上建立煤自燃临界温度变化前后的氧化动力学反应模型，揭示煤自燃临界温度的特性及形成机理。研究成果对深入认识煤自燃机理具有重要的科学意义，也对指导煤炭自燃防治具有重要的现实意义。