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(太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024)

引言

乳化液泵由于具有容積效率較高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦開(kāi)采中發(fā)揮極其重要的動(dòng)力作用，其配流閥擔(dān)負(fù)主要的配流工作。由于乳化液的可壓縮性，乳化液泵配流閥響應(yīng)存在一定的滯后性[1-3]。配流閥的滯后現(xiàn)象不僅影響吸、排液閥動(dòng)作的靈敏性，延長(zhǎng)配流周期，并且會(huì)造成乳化液的回流，導(dǎo)致流量損失，降低泵的容積效率[4]。此外，閥芯動(dòng)作的滯后會(huì)增加閥芯下落時(shí)的沖擊力[5、6]，并使柱塞腔內(nèi)壓力增加，產(chǎn)生壓力突變[7]，甚至引起氣蝕，導(dǎo)致強(qiáng)烈振動(dòng)及噪聲。因此，配流閥的滯后性直接影響泵的性能，在一定程度上也可評(píng)價(jià)乳化液泵的優(yōu)劣。

本研究運(yùn)用AMESim仿真軟件，建立了BRW125/31.5液壓仿真模型，主要分析了曲軸半徑、柱塞直徑、吸液閥芯質(zhì)量、排液閥芯質(zhì)量、彈簧剛度及預(yù)壓力、閥芯半錐角、余隙容積及工作壓力等因素對(duì)吸液閥、排液閥滯后特性的影響，提出優(yōu)化建議，對(duì)乳化液泵配流閥設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 配流閥滯后性對(duì)系統(tǒng)影響的數(shù)值分析

如圖1為乳化液泵原理圖，由幾何關(guān)系可得，柱塞腔內(nèi)壓力的變化量：

圖1 乳化液泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(1)

由此可知，Δp是r、l、n、s及時(shí)間t的函數(shù)，即Δp=f(r,l,n,s,t)。吸液閥的開(kāi)啟滯后和排液閥的關(guān)閉滯后均使柱塞腔體積增大，從而壓力減小Δp。假設(shè)柱塞腔最低壓力為po，乳化液飽和蒸汽壓為p′，則若po-Δp

同理，吸液閥的關(guān)閉滯后和排液閥的開(kāi)啟滯后導(dǎo)致柱塞腔內(nèi)壓力升高Δp，若Δp+po大于系統(tǒng)屈服強(qiáng)度，零部件將受到極大的沖擊甚至損壞，極大地縮短了使用壽命。

表1 乳化液泵幾何模型參數(shù)表

2 乳化液泵仿真模型的建立

2.1 仿真模型的建立

在AMESim中建立BRW125/31.5乳化液泵液壓仿真模型，如圖2所示。

圖2 乳化液泵液壓系統(tǒng)仿真模型

本模型參數(shù)均由BRW125/31.5實(shí)際測(cè)量所得，如表2，且考慮了乳化液泵中存在的摩擦、泄漏和余隙容積，吸、排液閥均采用線彈性限位。負(fù)載壓力由節(jié)流閥加載。以上設(shè)置使仿真模型最大程度地與實(shí)際模型匹配，因此本建模對(duì)乳化液泵配流閥響應(yīng)滯后問(wèn)題的改善有一定的實(shí)際工程意義。

表2 BRW125/31.5乳化液泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)柱塞吸液行程開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，吸液閥的運(yùn)動(dòng)均存在一定的滯后，開(kāi)啟滯后時(shí)間約為0.001 s，關(guān)閉滯后時(shí)間約為0.007 s。由式(1)可得，吸液閥開(kāi)啟和關(guān)閉滯后引起的壓力突變分別為：

Δpxo=f(0.001)=-635 Pa

Δpxc=f(0.007)=31104 Pa

圖3 柱塞-吸液閥位移關(guān)系曲線圖

如圖4所示，柱塞在排液行程開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，排液閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間約為0.006 s，關(guān)閉滯后時(shí)間約為0.002 s。由(1)可得，排液閥開(kāi)啟和關(guān)閉滯后引起的壓力突變分別為：

Δppo=f(0.006)=22852 Pa

Δppc=f(0.002)=-2539 Pa

圖4 柱塞-排液閥位移關(guān)系曲線圖

由此可知，為了減小氣蝕和沖擊的可能性，關(guān)鍵在于減小配流閥的滯后，從而減緩壓力脈沖。同時(shí)，由圖4易知，由于排液閥開(kāi)啟瞬間泵腔壓力驟變，導(dǎo)致閥芯兩端壓差增加，閥芯存在一定的振顫現(xiàn)象。

3 配流閥滯后性的影響參數(shù)分析及優(yōu)化

本仿真主要運(yùn)用AMESim批處理功能，研究了配流閥滯后性的影響因素并進(jìn)行了優(yōu)化分析。

3.1 曲軸半徑及連桿長(zhǎng)度

由圖5可知，隨著曲軸半徑的增大，吸液閥的關(guān)閉滯后及排液閥的開(kāi)啟滯后也隨之增加。 連桿長(zhǎng)度l=λr，即連桿長(zhǎng)度與曲軸半徑成正比。因此，連桿長(zhǎng)度與曲軸半徑對(duì)配流閥滯后性的影響規(guī)律基本一致。

圖5 曲軸半徑對(duì)吸、排液閥響應(yīng)滯后的影響

但是曲軸半徑的減小并非絕對(duì)有利的。由經(jīng)驗(yàn)可知，柱塞位移隨曲軸半徑的減小而減小，這將導(dǎo)致柱塞腔吸液不足而影響系統(tǒng)的容積效率。因此，在設(shè)計(jì)乳化液泵時(shí)，合理地選擇曲軸半徑不僅可以減小配流閥的滯后，更有利于容積效率的提高。

3.2 柱塞直徑及行程

由圖6，吸液閥的關(guān)閉滯后時(shí)間及排液閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間隨柱塞直徑的增加而增大，而對(duì)吸液閥的開(kāi)啟滯后及排液閥的關(guān)閉滯后無(wú)明顯影響。柱塞行程對(duì)吸、排液閥的滯后性幾乎無(wú)影響。

圖6 柱塞直徑對(duì)吸、排液閥響應(yīng)滯后的影響

3.3 閥芯質(zhì)量

由圖7、8可知，吸液閥的關(guān)閉滯后時(shí)間和排液閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間隨吸液閥閥芯質(zhì)量的增加而增大，而對(duì)排液閥質(zhì)量不敏感；吸液閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間和排液閥的關(guān)閉滯后時(shí)間隨排液閥閥芯質(zhì)量的增加而增大，而對(duì)吸液閥質(zhì)量不敏感。

圖7 吸液閥閥芯質(zhì)量對(duì)配流閥滯后性的影響

圖8 排液閥閥芯質(zhì)量對(duì)配流閥滯后性的影響

當(dāng)配流閥閥芯質(zhì)量過(guò)小時(shí)，閥芯竄動(dòng)加劇，加速了零件疲勞，如圖9所示。綜上分析，為了減小配流閥的滯后，需在保證強(qiáng)度要求和盡可能降低閥芯振顫的前提下，通過(guò)改善配流閥的結(jié)構(gòu)及采用輕型材料等方法來(lái)減小配流閥質(zhì)量。

1.閥芯質(zhì)量1 kg 2.閥芯質(zhì)量0.5 kg 3.閥芯質(zhì)量0.1 kg圖9 閥芯質(zhì)量對(duì)排液閥閥芯位移的影響

3.4 彈簧剛度

由圖10、11發(fā)現(xiàn)，吸液閥的關(guān)閉滯后時(shí)間和排液閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間均隨吸液閥彈簧剛度的增加而減小，而吸液閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間和排液閥的關(guān)閉滯后時(shí)間一定限度內(nèi)隨排液閥彈簧剛度的增大逐漸減小，而后基本不變。因此，一定范圍內(nèi)增大配流閥彈簧的剛度，有利于減小配流閥的滯后性。

圖10 吸液閥彈簧剛度對(duì)配流閥滯后性的影響

圖11 排液閥彈簧剛度對(duì)配流閥滯后性的影響

隨著排液閥的彈簧剛度增大，排液閥閥芯運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性減弱，如圖12，對(duì)閥座及限位裝置的沖擊也隨之加重。且吸、排液閥彈簧剛度過(guò)大時(shí)，閥芯無(wú)法完全打開(kāi)，節(jié)流損失增大，大大降低了乳化液泵的排量。

3.5 彈簧預(yù)壓力

由圖13可知，隨著吸液閥彈簧預(yù)壓力的增大，吸液閥的關(guān)閉滯后時(shí)間及排液閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間均隨之減小，而吸液閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間和排液閥的關(guān)閉滯后時(shí)間基本無(wú)變化。排液閥彈簧預(yù)壓力的大小對(duì)配流閥的滯后性幾乎無(wú)影響。隨著彈簧預(yù)壓力增大，排液閥閥芯的振顫現(xiàn)象逐漸減弱直至消失。因此，適當(dāng)增大配流閥彈簧預(yù)壓力有益于減小滯后性，增加運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。

1.彈簧剛度為2.5 N/mm 2.彈簧剛度為6.5 N/mm 3.彈簧剛度為10.5 N/mm圖12 彈簧剛度對(duì)排液閥閥芯位移曲線的影響

圖13 吸液閥彈簧預(yù)壓力對(duì)配流閥滯后性的影響

3.6 閥芯半錐角

由圖14發(fā)現(xiàn)，隨著閥芯半錐角的增加，配流閥的滯后現(xiàn)象均隨之減弱。因此在滿足工作要求的前提下，適度增大閥芯半錐角有利于改善閥芯滯后。

圖14 閥芯半錐角對(duì)配流閥滯后性的影響

3.7 余隙容積

圖15 余隙容積對(duì)配流閥滯后的影響

如圖15所示，余隙容積的變化對(duì)配流閥的關(guān)閉滯后幾乎無(wú)影響，而對(duì)開(kāi)啟滯后影響較為顯著，表現(xiàn)為：余隙容積越大，配流閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間越長(zhǎng)。因此，我們應(yīng)盡可能減小乳化液泵的余隙容積，進(jìn)而降低對(duì)閥芯響應(yīng)的不利影響。

3.8 工作壓力

由圖16可知，乳化液泵工作壓力的增大一定程度上可以減小配流閥的滯后性。因此選擇合適的工作壓力不僅可以防止泵吸液不足從而減小氣蝕發(fā)生的可能，并且可以改善配流閥的滯后性。

圖16 工作壓力對(duì)配流閥滯后的影響

4 結(jié)論

本研究基于對(duì)乳化液泵的液壓仿真和數(shù)值分析，討論了其結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)對(duì)配流閥滯后及平穩(wěn)性的影響，結(jié)論如下：

(1) 吸液閥的關(guān)閉滯后和排液閥的開(kāi)啟滯后、吸液閥的開(kāi)啟滯后和排液閥的關(guān)閉滯后的變化趨勢(shì)大致相似，但敏感程度有所差異。

(2) 吸液閥關(guān)閉滯后和排液閥的開(kāi)啟滯后隨曲軸半徑、連桿長(zhǎng)度、柱塞直徑及吸液閥閥芯質(zhì)量的增加而增大，隨吸液閥彈簧剛度及預(yù)壓力的增加而減小，對(duì)其他參數(shù)不敏感；而吸液閥的開(kāi)啟滯后時(shí)間和排液閥的關(guān)閉滯后時(shí)間隨排液閥閥芯質(zhì)量的增加而增大，隨排液閥彈簧剛度的增加而減小。

(3) 隨著閥芯半錐角的增加，工作壓力的提高，配流閥的滯后現(xiàn)象均隨之減弱；余隙容積對(duì)開(kāi)啟滯后時(shí)間影響顯著，而對(duì)關(guān)閉滯后影響不大；此外，柱塞行程和排液閥彈簧預(yù)壓力的變化對(duì)吸、排液閥的滯后性幾乎無(wú)影響。

(4) 配流閥閥芯質(zhì)量過(guò)小、彈簧剛度過(guò)大均會(huì)加劇排液閥閥芯的振顫，而適當(dāng)增大彈簧預(yù)壓力、閥芯半錐角和工作壓力均有利于配流閥的平穩(wěn)運(yùn)行，延長(zhǎng)壽命。

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