， ， ， ， 　 (1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州　730050； 2.蘭州理工大學(xué) 溫州泵閥工程研究院， 浙江 溫州　325105)

引言

BRW200/31.5型乳化液泵是典型的往復(fù)式閥配流臥式柱塞泵，由動力端和液力端兩部分組成，柱塞數(shù)為三個，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)輸安裝方便、易維修、輸出流量大，工作壓力高等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用在井下采煤工作面作為支護(hù)設(shè)備的動力源，為液壓支柱和液壓支架提供高壓乳化液，其工作狀態(tài)的好壞與井下安全生產(chǎn)息息相關(guān)，對其性能的優(yōu)化也顯得越來越重要。目前國內(nèi)使用較多的某公司生產(chǎn)的BRW200/31.5型乳化液泵，在使用過程中泵會出現(xiàn)容積效率不高、噪聲大等問題，長時間的運(yùn)行會造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和噪聲污染[1，2]。為了解決上述問題，有必要對其進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬仿真，為以后結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

1　動力端的理論分析

乳化液泵動力端的運(yùn)動為泵在電機(jī)的帶動下驅(qū)動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸帶動連桿機(jī)構(gòu)做從動，從而使柱塞在柱塞腔中做往復(fù)直線運(yùn)動。其為典型的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[3]：

由圖1可知位移:

S=R(1-cosα)+L(1-cosα)

(1)

由三角關(guān)系知：Rsinα=Lsinβ

圖1　泵動力端結(jié)構(gòu)簡圖

(2)

代入式(1)得:

(3)

進(jìn)而求得速度加速度方程為:

(4)

(5)

BRW200/31.5型乳化液泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：曲柄轉(zhuǎn)速ω=58.75 rad/s，曲柄半徑R=0.033 m，連桿長度L=0.21 m?；谝陨蠑?shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB軟件得出乳化液泵動力端柱塞的位移和速度曲線，如圖2所示。由圖形可知，柱塞的位移和速度均呈周期性變化，最大位移為66 mm，與柱塞的最大行程相吻合，最大速度約為2 m/s。將圖2和AMESim仿真出來的柱塞的位移和速度曲線進(jìn)行相互驗(yàn)證[4]，兩條曲線基本重疊，說明理論計(jì)算與仿真的正確性。

2　閥芯的選擇

在泵運(yùn)行過程中，乳化液泵的泵頭組件在柱塞運(yùn)動形成的壓差作用下不斷地吸、排乳化液，從而不斷輸出高壓乳化液。泵頭組件的關(guān)鍵部件之一為吸、排液閥芯，為了提高泵的容積效率，閥芯的選擇應(yīng)該具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 密封性能好。減少泄漏，提高容積效率，閥芯閥座配合時導(dǎo)向準(zhǔn)確，且其密封面有足夠的幾何精度和光潔度；

(2) 慣性小。即質(zhì)量輕，在柱塞高速運(yùn)動時，能保證閥開關(guān)及時，進(jìn)而減少慣性帶來的滯后沖擊和振動；

(3) 閥芯的結(jié)構(gòu)和彈簧布置要使柱塞缸內(nèi)余隙容積盡可能地小，提高泵的容積效率。

圖2　柱塞的位移與速度曲線

閥芯的結(jié)構(gòu)形式有很多種，如球閥、錐閥、板閥、圓柱滑閥和蕈閥等，為了滿足上面的要求，閥芯選擇一種特殊的蕈閥，如圖3所示，其導(dǎo)向圓柱面安裝在柱塞缸內(nèi)側(cè)，彈簧則安置在反側(cè)，為增大過液面積和減少閥芯質(zhì)量在導(dǎo)向圓柱面上銑出三個成120°對稱的通液槽[5]。

3　泵頭組件的數(shù)值模擬分析

3.1　泵頭組件的工作原理

在乳化液泵工作時，柱塞的往復(fù)運(yùn)動帶動泵頭組件的吸、排液閥芯也做周期性運(yùn)動。在柱塞吸液運(yùn)動過程中，柱塞腔形成負(fù)壓，液體在外界大氣壓的作用下頂開吸液閥芯上的彈簧向右運(yùn)動進(jìn)入吸液行程，液體進(jìn)入柱塞腔；柱塞回程的過程中，柱塞向外排液，使柱塞腔的壓力增大達(dá)到額定壓力，高壓液體推動排液閥芯克服排液彈簧力向右運(yùn)動，同時高壓液體關(guān)閉吸液行程，由排液口向工作面輸出高壓液體。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2　泵頭流道的流場仿真

為了解決泵運(yùn)行過程中出現(xiàn)的容積效率低、噪聲高等一系列問題，對泵頭部分進(jìn)行流體數(shù)值模擬分析，通過仿真結(jié)果可以清楚的看出乳化液在泵頭部件吸、排液過程中的壓力和速度變化，進(jìn)而進(jìn)行可視化研究，通過改變相關(guān)的結(jié)構(gòu)達(dá)到優(yōu)化泵頭流道，提高容積效率、降低噪聲影響。

圖3　吸液過程速度壓力云圖和速度矢量圖

圖4　泵頭組件剖視圖

運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks建立泵頭組件的三維模型(如圖4)，將三維模型導(dǎo)入workbench軟件中分別抽取泵頭組件在吸液過程和排液過程中閥口最大開度時的流道，對流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

本研究基于數(shù)值模擬仿真軟件Fluent進(jìn)行流場仿真，在吸排液過程中，柱塞運(yùn)行為周期性的運(yùn)動，在吸液和排液的過程中，對柱塞速度最大時流道的仿真最具意義，即泵頭組件最容易出現(xiàn)問題的時刻。由圖2可知，在吸、排液過程中，柱塞的最大速度均為2 m/s，本研究就分別對柱塞速度為2 m/s時吸、排液的流道進(jìn)行仿真分析。

對于泵的吸液過程，根據(jù)伯努利方程，乳化液速度最大的瞬態(tài)，液體壓力相對最低，油液產(chǎn)生空化，本研究暫不考慮此空化的影響，即使用簡單的RNGκ-ε湍流模型。吸液流道Fluent的參數(shù)設(shè)定為壓力進(jìn)口，進(jìn)口壓力為常壓；速度出口，數(shù)值為2 m/s；介質(zhì)設(shè)置為乳化液，密度為890 kg/m3，動力黏度為0.02314 kg/(m·s)。

對泵的排液過程，排液流道的Fluent的參數(shù)設(shè)定為速度進(jìn)口，數(shù)值為2 m/s；壓力出口，壓力值為額定壓力31.5 MPa；其余和吸液過程一致，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　局部排液過程速度矢量圖與壓力云圖

由圖3吸液過程速度矢量圖與壓力云圖可知： ① 在閥口全開情況下，速度在閥芯前后的位置達(dá)到最大值為14.2 m/s； ② 高速流動造成臨近閥芯附近的吸液腔出現(xiàn)漩渦，對比壓力云圖可知漩渦區(qū)由負(fù)壓造成；③ 負(fù)壓區(qū)的存在造成泵吸入時在壓差的作用下會出現(xiàn)氣泡，氣泡破裂產(chǎn)生氣蝕進(jìn)而產(chǎn)生噪聲；④ 漩渦的生成則會使泵的吸入不充分，流經(jīng)吸液腔的液體減少，降低容積效率。

優(yōu)化措施：為減小最大流速增大閥芯過流面積，即增大與閥芯配合的吸液閥套體(圖4所示)的內(nèi)徑或者適當(dāng)增大閥芯的開啟高度 (開啟高度的增加會加劇

閥芯啟閉滯后現(xiàn)象)；將吸液口與吸液腔的連接處緩平過渡從而減少流速和壓力的突增。對優(yōu)化結(jié)果經(jīng)行仿真,比較可知漩渦區(qū)的面積減少大部、最高流速有所減小，滿足要求。

由圖5局部排液過程的速度矢量圖與壓力云圖可知：① 在柱塞速度最大、閥口全開的排液過程中，流道中閥芯處出現(xiàn)了兩處比較明顯的負(fù)壓區(qū)；② 負(fù)壓區(qū)臨近區(qū)域的液體流動為明顯的漩渦流動，較吸液過程更加嚴(yán)重。

分析與優(yōu)化:除了流經(jīng)閥芯開口處的過流面積過小外，流道在閥口處的過渡陡、接觸不光滑也是產(chǎn)生上述問題重要的原因。將與閥芯接觸的排液壓套(圖4所示)內(nèi)徑變大，排液閥套的內(nèi)表面光滑的過渡到與閥芯的連接處，閥芯的三個通液槽與閥芯面上的接觸做圓角過渡，通過上述改進(jìn)可以很好地減少負(fù)壓區(qū)的影響，進(jìn)而減少產(chǎn)生漩渦的面積，達(dá)到應(yīng)用的要求。

4　結(jié)論

本研究通過對乳化液泵出現(xiàn)的問題進(jìn)行了理論分析，建立了泵動力端的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB軟件繪制出泵動力端的位移與速度曲線；選擇了合適的閥芯結(jié)構(gòu)；推導(dǎo)出數(shù)值模擬所需RNGκ-ε湍流模型的控制方程，運(yùn)用Fluent仿真軟件模擬泵頭組件吸液和排液工作時流道的液流情況，得到吸、排液過程中流道的壓力與速度云圖。對仿真結(jié)果進(jìn)行分析并進(jìn)行流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對比優(yōu)化前后的數(shù)值模擬結(jié)果，可知其達(dá)到了增大乳化液泵的容積效率和減少運(yùn)行時噪聲的目的，為今后設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜長龍.乳化液泵容積效率仿真研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1995,(3):103-108.

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[3]李銳，候友夫.基于Fluent動網(wǎng)格技術(shù)的乳化液泵分析 [J].液壓與氣動，2011，(8)：35-37.

[4]曹春玲，竇美玲，滕以金.基于AMESim的乳化液泵特性仿真[J].機(jī)床與液壓，2009,(6)：217-224.

[5]徐繩武,等.柱塞式液壓泵[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1985.