袁利才

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西太原 030006)

一種乳化液泵的變量方式探討

袁利才

(中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西太原 030006)

介紹了一種臥式五柱塞變量乳化液泵的結(jié)構(gòu)及其變量控制原理，對變量過程中的主要受力部件曲軸進(jìn)行了有限元分析，同時(shí)利用AMESim對變量過程中泵的流量脈動(dòng)進(jìn)行仿真分析，重點(diǎn)分析了該結(jié)構(gòu)的可行性與實(shí)用性。

乳化液泵;變量;有限元分析;AMESim

乳化液泵是井下綜采工作面液壓支架的動(dòng)力源，隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，要求礦用乳化液泵的流量及壓力不斷增大，但綜采面液壓支架的用液量是隨機(jī)變化的，為了保持供液壓力相對穩(wěn)定，乳化液泵工作時(shí)通常采用外置卸載閥進(jìn)行間斷性的加載、卸載。此時(shí)卸載閥以泵的全流量工作，不斷的開關(guān)動(dòng)作會(huì)對系統(tǒng)以及泵本身造成較大的壓力沖擊，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，降低了設(shè)備的壽命。現(xiàn)在有一種發(fā)展趨勢是將變頻技術(shù)引入泵站，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變泵的流量 (可達(dá)額定流量的55%～100%)，但在系統(tǒng)所需流量為額定流量的55%以下時(shí)仍需要使用外置卸載閥卸載，成本較高、控制系統(tǒng)復(fù)雜。因此，研究一種本身能夠變量的乳化液泵具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 變量乳化液泵的結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 變量乳化液泵的結(jié)構(gòu)

乳化液泵的變量方式是通過改變柱塞的有效工作數(shù)量而實(shí)現(xiàn)變量，具體實(shí)現(xiàn)方式是通過將吸液閥芯屏蔽實(shí)現(xiàn)內(nèi)卸載從而使泵變量工作。其原理如圖1所示:排液閥芯由于系統(tǒng)液壓力而閉合，當(dāng)控制閥口無壓力油進(jìn)入時(shí)，控制閥桿頂開吸液閥芯使吸液閥處于常開狀態(tài)，柱塞吸入乳化液后又從吸液口排出，處于卸載狀態(tài)。從而使變量泵的流量可以達(dá)到額定流量的60%、80%及100%，當(dāng)系統(tǒng)不需要乳化液時(shí)還可實(shí)現(xiàn)完全空載。

圖1 變量乳化液泵的結(jié)構(gòu)圖

1.2 變量乳化液泵的控制原理

該變量泵采用電液控制方式有以下幾種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)流量的改變，其原理如圖2所示，有以下幾種狀態(tài): (1)空載狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，各電磁閥未通電的情況下，控制閥桿頂開吸液閥芯，泵處于空載狀態(tài)，此時(shí)只消耗很小的能量，達(dá)到了節(jié)能的目的;(2)加載狀態(tài)，二位三通電磁閥1通電，當(dāng)需要較小流量時(shí)，給電磁閥2通電，潤滑泵提供的壓力油經(jīng)過液控?fù)Q向閥5進(jìn)入控制閥8、9、10，油壓大于彈簧彈力時(shí)使控制閥桿回縮，相應(yīng)的吸液閥芯及泵頭正常吸排液，此時(shí)流量可以達(dá)到額定流量的60%;同理，當(dāng)電磁閥3或4也通電時(shí)流量可達(dá)到泵額定流量的80%;電磁閥3與4同時(shí)通電時(shí)排出額定流量。

圖2 變量乳化液泵的控制原理圖

2 泵變量時(shí)曲軸各曲拐的空間分布

該變量泵額定流量為500 L/min，額定壓力為31.5 MPa。當(dāng)其變量為400 L/min時(shí)，按電機(jī)功率計(jì)算其最大壓力可達(dá)39.38 MPa;當(dāng)變量為300 L/min時(shí)，其壓力甚至可以達(dá)到52.5 MPa。但在實(shí)際工作中系統(tǒng)最高壓力為40 MPa，因此在以下的仿真中柱塞端壓力按最高40 MPa設(shè)置。柱塞行程為76 mm、柱塞直徑為55 mm，泵的轉(zhuǎn)速為600 r/min，則泵的理論流量為541.69 L/min。

五柱塞泵正常工作時(shí)，其曲拐空間分布為:曲拐2、3、4、5與曲拐1的角度分別為144°、288°、72°、216°。確定曲拐空間分布的最重要依據(jù)是曲軸的受力情況是否合理，下面對變量時(shí)泵的曲軸受力進(jìn)行仿真分析。

2.1 泵流量為額定流量60%的情況

當(dāng)泵流量為額定流量的60%時(shí)，只有3個(gè)柱塞端加載壓力，根據(jù)曲拐最佳空間分布總共有五種組合分別為曲拐1－2－5、3－4－5、1－2－3、1－4－5、2－3－4。利用SolidWorks及其動(dòng)力與有限元分析插件對這5種組合進(jìn)行動(dòng)力學(xué)及有限元分析。得出曲軸受力情況如圖3—4所示?？梢钥闯霎?dāng)柱塞1－2－5加載時(shí)曲軸最大應(yīng)力為141.8 MPa(與柱塞1－4－5加載時(shí)曲軸最大應(yīng)力相差不到1%)，但柱塞2－3－4加載時(shí)曲軸最大應(yīng)力為253.6 MPa(與柱塞3－4－5、1－2－3加載時(shí)曲軸最大應(yīng)力相差小于10%)。限于篇幅這里只列出柱塞1－2－5與2－3－4加載時(shí)曲軸應(yīng)力圖。

圖3 柱塞1－2－5加載時(shí)曲軸應(yīng)力圖解

圖4 柱塞2－3－4加載時(shí)曲軸應(yīng)力圖解

因此，當(dāng)泵流量為額定流量的60%時(shí)，最好使柱塞1－2－5或1－4－5加載，這樣就能減小曲軸應(yīng)力，另外，曲軸所用材料的屈服強(qiáng)度為930 MPa，故曲軸是安全的。

2.2 泵流量為額定流量80%的情況

當(dāng)泵流量為額定流量的80%時(shí)，只有4個(gè)柱塞端加載壓力，根據(jù)2.1節(jié)分析結(jié)果，總共有3種最優(yōu)組合分別為曲拐1－2－3－5、1－2－4－5、1－3－4－5加載。通過仿真分析得出曲軸受力情況，從圖5—7中可以看出當(dāng)柱塞1－2－3－5加載時(shí)其曲軸最大應(yīng)力為232 MPa，相比柱塞1－2－4－5或1－3－4－5加載時(shí)約為170 MPa的曲軸應(yīng)力大了很多。故當(dāng)所需流量為額定流量的80%時(shí)，柱塞1－2－4－5或1－3－4－5加載時(shí)曲軸應(yīng)力最小。

圖5 柱塞1－2－3－5加載時(shí)Von Mises應(yīng)力表

圖6 柱塞1－2－4－5加載時(shí)曲軸Von Mises應(yīng)力表

圖7 柱塞1－3－4－5加載時(shí)曲軸Von Mises應(yīng)力表

3 變量時(shí)流量特性分析

運(yùn)用AMESim軟件對乳化液泵的流量特性曲線進(jìn)行仿真分析，可以得出泵變量時(shí)的流量曲線，為泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1 額定流量時(shí)，泵的流量曲線

圖8所示曲線為五柱塞全部加載時(shí)泵的流量曲線，可以看出總的流量曲線基本穩(wěn)定，其值在理論值541.69 L/min的6.2%范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖8 額定流量時(shí)，泵的流量曲線

3.2 流量為額定值60%時(shí)的流量曲線

圖9所示為柱塞1－2－5加載時(shí)，泵的流量特性曲線，可以看出泵的流量波動(dòng)比較大，最大流量達(dá)到了534 L/min，超過了理論流量325 L/min的64%，最小流量僅為175 L/min，這是由于曲拐之間的固定相位差所導(dǎo)致的，這種情況下必須合理選用蓄能器來對流量脈動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在系統(tǒng)排液口增設(shè)4 L的蓄能器，其進(jìn)油管徑為15 mm、長度為0.5 m，氣體壓力設(shè)置為21 MPa，進(jìn)行仿真得到泵的流量曲線如圖10所示。流量在理論流量的1.3%范圍內(nèi)波動(dòng)，其脈動(dòng)對泵及系統(tǒng)的沖擊很小。

3.3 流量為額定值80%時(shí)的流量曲線

圖11所示為柱塞1－2－4－5加載時(shí)，泵的流量特性曲線，可以看出其波動(dòng)也很大，最大流量為550 L/min，最小流量為165 L/min。采用與第3.2節(jié)相同參數(shù)的蓄能器來重新進(jìn)行仿真，其流量曲線如圖12所示。在理論值433 L/min的1.2%范圍內(nèi)波動(dòng)，泵的流量及壓力脈動(dòng)很小。

圖11 流量為額定值的為80%時(shí)的曲線

圖12 配置蓄能器后流量80%時(shí)的流量曲線

由上面3種情況分析可知:當(dāng)泵變量工作時(shí)，必須配置合適的蓄能器，這樣就可以很好地緩和流量及壓力脈動(dòng)，使泵平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過以上分析及討論可以得出如下結(jié)論:(1)通過內(nèi)卸載方式可以很方便地實(shí)現(xiàn)泵的變量控制，卸載沖擊小、結(jié)構(gòu)簡單;(2)通過仿真分析，可以得出變量時(shí)最佳的柱塞加載工作方式，這有利于泵的長期運(yùn)行;(3)變量時(shí)，泵的流量脈動(dòng)很大，對泵及系統(tǒng)的運(yùn)行非常不利，但配置合適的蓄能器后，其流量及壓力脈動(dòng)就會(huì)控制在合理的范圍內(nèi);(4)在井下單泵流量滿足最大流量要求，但又要求小范圍變量的時(shí)候可以使用這種變量泵;(5)這種變量泵再通過變頻器調(diào)速，其流量可以達(dá)到泵額定流量的33%～100%，變量范圍更廣。總的來說，這種變量泵大大降低了系統(tǒng)成本及系統(tǒng)控制難度，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］商廣輝，戴陶珍.乳化液泵站的變頻控制系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)械，2010，3(3):152－154.

［2］江玲玲.基于AMESim的液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真與優(yōu)化研究［D］.綿陽:西南科技大學(xué)，2007.

［3］李玉濤，裴守智.兩級(jí)變量臥式三柱塞泵的研制［J］.煤礦開采，1996，9(3):26－27.

A Variable Mode Study of Emulsion Pump

YUAN Licai
(Taiyuan Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan Shanxi 030006，China)

The structure and variable control principle of a kind of horizontal five plunger variable emulsion pump were introduced.The finite element analysis(FEA)was made for the crankshaft which bearing the main loads，at the same time，the flow fluctuation was analyzed with simulation by using AMESim while variable pump working.The feasibility and practicability of this structure were analyzed mainly.

Emulsion pump;Variable;Finite element analysis;AMESim

TH137

A

1001－3881(2014)9－121－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.033

2013－04－23

袁利才 (1975—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事礦用乳化液泵站及液壓元件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。E－mail: wangjunxiuygp@163.com。