柯希林，王中任

（湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，襄陽 441053）

燃油葉片泵性能的影響因素試驗(yàn)研究

柯希林，王中任

（湖北文理學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，襄陽 441053）

為了優(yōu)化適用于易汽化介質(zhì)的新型葉片式泵的結(jié)構(gòu)，搭建了一套實(shí)驗(yàn)裝置，測試了各種材料和配合間隙下的性能。采用紅外熱像儀，對泵體磁力耦合區(qū)的溫度場進(jìn)行了測量。研究結(jié)果表明，泵體和泵桿采用45#鋼調(diào)質(zhì)，泵芯采用 H62黃銅，單邊間隙0.01～0.02mm比較合理。采用紅外熱像儀監(jiān)測定轉(zhuǎn)子摩擦發(fā)熱，對于優(yōu)化輸油泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高加油機(jī)壽命，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

燃油葉片泵；材料；間隙；紅外熱像儀

0 引言

在加油機(jī)中，泵是一種核心部件，其作用是：在電機(jī)的作用下，負(fù)責(zé)將油液從油罐吸入加油機(jī)，并通過溢流閥保持加油機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力平衡。葉片泵的發(fā)明已經(jīng)有130年的歷史，其輸送效率問題一直是困擾其工程應(yīng)用的關(guān)鍵[1]。據(jù)測算：這種葉片式泵泵送汽油和乙醇汽油效率不超過25%，泵送柴油效率不超過40%[2]。而在典型的液壓傳動(dòng)過程一般的泵的效率可達(dá)到80%以上，因此燃油泵送設(shè)備的性能還有較大的提升空間。國內(nèi)外許多加油機(jī)制造商只注意了產(chǎn)品的性能和安全，忽視了加油機(jī)的能源消耗問題在，從目前很少有文獻(xiàn)研究葉片泵的容積效率也可見一斑。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]對葉片泵的泵送效率有研究，但所用的是高粘度的液壓油。文獻(xiàn)[5]以低粘度的汽油和柴油為研究介質(zhì)，研究了葉片泵泵送效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，對提高葉片泵的輸送效率提出了建議。但以上文獻(xiàn)都沒有涉及到葉片泵核心部件的制造工藝問題。本文針對泵體、泵芯和泵桿材料及配合間隙進(jìn)行研究，擬搭建測量，將紅外熱像儀測溫用來檢測摩擦生熱，最終目的是優(yōu)選核心零部件的材料和制造工藝。

1 試驗(yàn)裝置與方法

通過對乙醇汽油等易汽化介質(zhì)的泵送特性進(jìn)行了深入研究，在此基礎(chǔ)上研制出了適用于乙醇汽油等易汽化介質(zhì)的新型葉片式泵，如圖1所示。其基本原理是采用了空心葉片結(jié)構(gòu)，在吸油階段可以隨時(shí)為吸油空腔增加的體積補(bǔ)充油液，以免易汽化油液發(fā)生汽蝕，從而提高了泵的容積效率；在出油階段，空心葉片的末端的高低結(jié)構(gòu)和內(nèi)定子半開結(jié)構(gòu)又能很好地配合起來，防止油液回流、泄漏。 所設(shè)計(jì)的輸油泵為離心式轉(zhuǎn)子葉片泵，其工作原理類似于普通離心式葉片泵，但其結(jié)構(gòu)在普通轉(zhuǎn)子葉片泵的基礎(chǔ)上大有改進(jìn)。與現(xiàn)有加油機(jī)油泵相比，容積效率可提高到60%～70%；磁力耦合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，有效解決了動(dòng)密封帶來的泄露問題，同時(shí)起到了很好的柔性過載保護(hù)作用；優(yōu)化后的原理樣機(jī)可有效降低噪聲、振動(dòng)等不利因素，可油氣分離并回收，減少環(huán)境污染的同時(shí)提高了安全性。

在機(jī)理研究基礎(chǔ)上，需要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、材料以及制造工藝對該系統(tǒng)進(jìn)行全方位優(yōu)化和測試驗(yàn)證。

圖1 輸油泵原理樣機(jī)

在搭建好試驗(yàn)臺(tái)架的基礎(chǔ)上，對已試制好的三套不同配合材料、表面處理狀態(tài)及配合間隙的試驗(yàn)樣機(jī)完成組裝并分別進(jìn)行試驗(yàn)，三套泵體試驗(yàn)機(jī)的具體組合情況如表1所示。通過對樣機(jī)運(yùn)行過程中不同轉(zhuǎn)速下的溫度、壓力、噪音、流量等關(guān)鍵試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合處理分析，為最終確定材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)。

表1 試驗(yàn)機(jī)組合數(shù)據(jù)表

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置原理簡圖

本試驗(yàn)旨在通過三臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，調(diào)節(jié)真空壓力的值，測量管路系統(tǒng)的工作壓力、流量、溫度及噪音，圖2為實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。采用變頻器改變輸出給電機(jī)的電源頻率來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速；通過節(jié)流閥和泵體組件里的溢流閥配合使用來改變系統(tǒng)的真空壓力值。用紅外熱像儀測量泵體磁力耦合區(qū)的最高溫度。圖3為測試實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場圖。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置

為了研究定轉(zhuǎn)子不同材料和不同間隙對于性能的影響，搭建了一套測試系統(tǒng)，并采用紅外熱像儀，對泵體磁力耦合區(qū)的溫度場進(jìn)行測量，為最終確定合適的材料和結(jié)構(gòu)尺寸提供可視化支持。紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量,反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng),因此可以廣泛應(yīng)用于各種溫度場的測量[6～8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 1號(hào)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測試結(jié)果

對1號(hào)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，分別在電機(jī)為1440r/min、1200r/min和1000r/min的轉(zhuǎn)速下，調(diào)節(jié)不同梯度的系統(tǒng)真空壓力，記錄不同轉(zhuǎn)速下的泵體磁力耦合區(qū)的溫度、流量、工作壓力及噪音等數(shù)據(jù)，如圖4所示以真空壓力為-0.035MPa時(shí)的紅外溫度數(shù)據(jù)圖像。從溫度圖像看，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，磁力耦合區(qū)的溫度越高。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下真空壓力為-0.035MPa時(shí)紅外圖像

不同轉(zhuǎn)速下真空壓力對試驗(yàn)因變量的影響如圖5所示。從圖中可以看出，一定的真空壓力下，轉(zhuǎn)速越高，容積效率越高，但能耗也越大。而不同轉(zhuǎn)速下，真空壓力對工作壓力幾乎沒有影響，而對噪聲的影響則比較明顯。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下真空壓力對試驗(yàn)因變量的影響

2.2 2號(hào)試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)果

2號(hào)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的紅外測溫結(jié)果如圖6所示，在定轉(zhuǎn)子材料和1號(hào)泵相同的情況下，增加配合間隙，可以有效地減少摩擦和降低溫度。

圖6 2號(hào)樣機(jī)在1440rpm的速度下的溫度場

圖7 不同轉(zhuǎn)速下真空壓力對試驗(yàn)因變量的影響

圖7表示了不同的轉(zhuǎn)速下真空壓力對性能的影響。圖7(a)表明，在真空壓力一定的情況下轉(zhuǎn)速越高，泵的容積效率越高；圖7(b)顯示，在真空壓力一定的情況下轉(zhuǎn)速為1440r/min時(shí)泵的噪音相對最小；圖7(c)表明，圖在真空壓力一定的情況下，轉(zhuǎn)速不同其工作壓力均在系統(tǒng)要求范圍內(nèi)；圖7(d)則顯示，在真空壓力一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高相對能耗也越高。

2.3 3號(hào)試驗(yàn)樣機(jī)測試結(jié)果

從圖8可以看出，當(dāng)泵芯采用H62黃銅時(shí)，即使配合間隙減小到0.01～0.02mm，仍然能有效地減小摩擦力和摩擦溫度?？梢姡ㄞD(zhuǎn)子材料的一硬一軟且有合適的硬度差，能有效地抑制高速旋轉(zhuǎn)時(shí)材料的粘連。較小的間隙則能保證良好的密封和自吸性能。

圖8 3號(hào)樣機(jī)在1440rpm的速度下的溫度場

在轉(zhuǎn)速為1440r/min不變的情況下，等梯度調(diào)節(jié)真空壓力值并記錄好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理分析后結(jié)果如圖9所示。真空壓力數(shù)值增大時(shí)，系統(tǒng)流量呈遞增趨勢，同時(shí)噪音也呈遞增趨勢。系統(tǒng)工作壓力均在試驗(yàn)要求的范圍內(nèi)波動(dòng)，符合實(shí)驗(yàn)要求；在保證工作壓力能穩(wěn)定在0.2MPa以下時(shí)流量能滿足38L/min，噪音低于70dB，均符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理念和新產(chǎn)品的預(yù)期性能要求。

圖9 因變量在電機(jī)定速下隨真空壓力的變化趨勢

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)測量三套實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在運(yùn)行過程中的溫度、壓力、流量、噪音等數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)3號(hào)樣機(jī)在材質(zhì)選用和特殊處理以及間隙配合上更具合理性，即泵體和泵桿采用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)，而泵芯采用較軟的H62黃銅材料，可以有效避免粘連，而采用較小的0.01～0.02mm配合間隙，能夠有效提升氣密性。由此可見，采用紅外熱像儀監(jiān)測定轉(zhuǎn)子摩擦發(fā)熱，對于優(yōu)化油泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高加油機(jī)壽命，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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Experimental study on affecting factors of fuel vane pump

KE Xi-lin, WANG Zhong-ren

TH31

A

1009-0134(2017)04-0074-04

2017-01-05

柯希林（1992 -），男，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。