吳永海，包海濤

（淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

1 引言

在汽車(chē)、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域，由于技術(shù)的更新?lián)Q代，對(duì)于往復(fù)泵在此領(lǐng)域應(yīng)用朝著小型化、智能化、易于控制等方向發(fā)展[1]。論文研究的高頻電磁泵是一種往復(fù)式柱塞泵，動(dòng)力端采用一種新型電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)活塞，和傳統(tǒng)往復(fù)泵相比，省去中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而大大降低了機(jī)械摩擦損失，提高了泵工作可靠性與傳遞效率[2]。

單向閥在液壓系統(tǒng)中，起到單向配流的作用，是核心部件。隨著CFD 技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于單向閥的設(shè)計(jì)和研究越來(lái)越成熟，使得流體的流動(dòng)和閥芯之間復(fù)雜的流固耦合運(yùn)動(dòng)研究成為可能，為單向閥的設(shè)計(jì)分析奠定基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3-5]應(yīng)用建立理論數(shù)學(xué)模型的方法，確定單向閥的開(kāi)啟程度對(duì)流量性能的影響。文獻(xiàn)[4-6]研究了彈簧勁度系數(shù)對(duì)單向閥性能的影響，發(fā)現(xiàn)勁度系數(shù)越大，閥滯后關(guān)閉角減小，閥滯后高度降低。文獻(xiàn)[7]應(yīng)用CFD 技術(shù)對(duì)單向閥進(jìn)行了流動(dòng)數(shù)值模擬，分析了單向閥壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，同時(shí)應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究了單向閥閥芯開(kāi)啟過(guò)程。然而對(duì)于高頻電磁泵中的單向閥性能對(duì)于泵性能的研究較少，由于高頻電磁泵工作頻率高，對(duì)于單向閥的性能提出了更高的要求。針對(duì)高頻電磁泵高頻響應(yīng)特點(diǎn)，針對(duì)單向閥結(jié)構(gòu)特性，并通過(guò)CFD 瞬態(tài)仿真分析模型以及單向閥參數(shù)分析，深入研究了單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁泵流量特性的影響，對(duì)單向閥參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，為提升高頻電磁泵的性能奠定基礎(chǔ)。

2 電磁泵結(jié)構(gòu)及原理

2.1 工作原理

高頻電磁泵采用單體往復(fù)式柱塞泵結(jié)構(gòu)，其工作原理是某種新型電磁鐵往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)柱塞在活塞腔內(nèi)往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，活塞腔體積做膨脹和壓縮變化，進(jìn)、出口單向閥交替打開(kāi)與關(guān)閉，完成吸液和排液過(guò)程。其電磁結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。

2.2 單向閥方案設(shè)計(jì)

單向閥在電磁泵中作配流閥使用，單向通流的作用。根據(jù)電磁泵的高頻響應(yīng)特性，保證進(jìn)、出的單向閥之間的匹配關(guān)系，以及零部件的工藝性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)、出口單向閥皆采用立柱式閥芯單向閥，實(shí)物圖和工作示意圖，如圖2、圖3 所示。

圖2 立柱式閥芯單向閥實(shí)物圖Fig.2 Physical Map of Check Valve

圖3 立柱式閥芯單向閥原理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Column-Type Check Valve Principle Structure Schematic

3 網(wǎng)格劃分和初始條件

研究對(duì)象為進(jìn)、出口單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)高頻電磁泵性能的影響。首先對(duì)高頻電磁泵的工作原理和電磁泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，然后建立幾何模型。為了減少動(dòng)網(wǎng)格更新的數(shù)量，在Gambit建立了包括進(jìn)液口、活塞腔、進(jìn)、出口單向閥運(yùn)動(dòng)區(qū)域、出液孔道、出液口的電磁泵幾何模型，并在運(yùn)動(dòng)區(qū)域劃非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在非運(yùn)動(dòng)區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，為獲得好的求解精度，并在局部區(qū)域進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖4 所示。

進(jìn)、出口單向閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是主要受液體壓力變化和彈簧壓縮變形后產(chǎn)生的彈簧力共同作用，促使閥芯打開(kāi)和關(guān)閉。

在CFD 仿真軟件FLUENT 中，根據(jù)流固耦合的基本理論和方法，借助DEFINE_CG_MOTION 宏來(lái)定義閥芯速度邊界條件。受力情況可由牛頓第二定律來(lái)描述：

式中：m—單向閥閥芯質(zhì)量；

v—閥芯運(yùn)動(dòng)速度；

Fflow—工質(zhì)液體對(duì)單向閥閥芯的作用力；

Δp—閥芯上下表面壓差；

Ac—閥芯有效作用面積，Ac=πD2/4（D 為有效直徑）；

Fspring—彈簧變形后產(chǎn)生的彈簧力。

圖4 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Diagram of Mesh Division of Numerical Model

4 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Orthogonal Design）是利用基于正交表來(lái)安排與分析多因素試驗(yàn)的一種方法。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)與正交性原理相結(jié)合，能夠合理安排多因素試驗(yàn)、降低試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)周期、避免盲目性的一種科學(xué)方法。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法最基本的術(shù)語(yǔ)為：

（1）試驗(yàn)指標(biāo)，是試驗(yàn)考查的依據(jù)，為試驗(yàn)結(jié)果的特征量，試驗(yàn)過(guò)程中的因變量；

（2）試驗(yàn)因素，是試驗(yàn)研究過(guò)程中的自變量，是對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響的對(duì)比條件，通過(guò)分析可以得出因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響大小，常用大寫(xiě)字母 A、B、C、D、E 等來(lái)表示；

（3）因素水平，是指試驗(yàn)中因素所處的具體狀態(tài)或者情況，各因素在試驗(yàn)中所需要考慮的集中狀態(tài)；

（4）交互作用，因素之間水平搭配對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)產(chǎn)生的影響[8]。

應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法探究單向閥參數(shù)對(duì)高頻電磁泵流量特性的影響規(guī)律。

5 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于進(jìn)、出口單向閥皆采用相同規(guī)格的立柱式閥芯單線(xiàn)閥，針對(duì)出口處的單向閥參數(shù)進(jìn)行研究。其中在單向閥在泵中做配流作用時(shí)，影響高頻電磁泵流量特性的因素主要有，閥芯圓盤(pán)與出液孔直徑的徑孔比λ、單向閥閥芯的行程s、單向閥閥芯的質(zhì)量m、以及彈簧剛度k 等。通過(guò)分析研究選取以下單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為試驗(yàn)因素：閥芯圓盤(pán)與出液孔直徑的徑孔比λ（A），單向閥閥芯的行程s（B），彈簧剛度k（C），通過(guò)以下試驗(yàn)可以得出上述單向閥幾何參數(shù)對(duì)高頻電磁泵凈輸出流量的影響規(guī)律。所選因素，如表1 所示。選用選擇正交表L9（34）安排試驗(yàn)仿真，確定試驗(yàn)方案，如表2 所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Orthogonal Test Factor Level Table

表2 正交試驗(yàn)組合方案Tab.2 Orthogonal Test Combination Scheme

6 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

評(píng)價(jià)指標(biāo)選取高頻電磁泵出口的經(jīng)輸出流量Q，9 個(gè)單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的高頻電磁泵數(shù)值模擬結(jié)果，如表3 所示。為了評(píng)價(jià)3個(gè)單向閥因素對(duì)高頻電磁泵流量特性的影響，尋找原因并優(yōu)化方案，對(duì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了極差分析結(jié)果，如表4 所示。

表3 單向閥正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Orthogonal Test Results of Check Valve

表4 泵流量極差分析結(jié)果Tab.4 Analysis Results of Pump Flow Extreme Difference

圖5 泵流量隨單向閥參數(shù)水平的變化趨勢(shì)Fig.5 Pump Flow Rate Changes with the Check Valve’s Parameter Level

從圖6 可知，在出口單向閥開(kāi)啟之前，存在一定程度的跳動(dòng)，原因是在單向閥閥芯開(kāi)啟之前，由于進(jìn)口單向閥的和活塞腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，泵內(nèi)流場(chǎng)的流體存在波動(dòng)性，波動(dòng)的沖擊力作用在閥芯促使閥芯產(chǎn)生一定波動(dòng)。極差分析結(jié)果，如表4、圖5 所示，通過(guò)泵流量極差趨勢(shì)R 可以看出，決定高頻電磁泵凈輸出流量的因素因子主次順序?yàn)镃>B>A，即依次為單向閥彈簧的剛度、單向閥的行程、徑孔比。最佳水平組合為A1.033B2.5C8000，根據(jù)單向閥因素水平對(duì)高頻電磁泵性能的影響大小，對(duì)單向閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖6 不同組合單向閥的位移曲線(xiàn)Fig.6 Displacement Curves of Unidirectional Valves with Different Combinations

7 優(yōu)化方案分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)經(jīng)過(guò)單向閥閥的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的最佳單向閥方案，加工該參數(shù)的單向閥，并組裝高頻電磁泵樣機(jī)。流量測(cè)試試驗(yàn)在高頻電磁泵的流量特性測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，如圖7 所示。測(cè)試方法為：通過(guò)調(diào)節(jié)電磁泵控制系統(tǒng)，使高頻電磁泵在50Hz 頻率下正常工作，當(dāng)其流量穩(wěn)定的情況下，在精度為0.1g 的電子稱(chēng)上讀取1min 泵穩(wěn)態(tài)流量，并重復(fù)電磁泵測(cè)試10 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取平均值并通過(guò)換算關(guān)系得到高頻電磁泵單周期流量并與仿真計(jì)算得到的出口凈輸出流量相對(duì)比。

圖7 高頻電磁泵流量測(cè)試平臺(tái)Fig.7 High-Frequency Electromagnetic Pump Flow Test Platform

圖8 進(jìn)口與出口的液體質(zhì)量流量Fig.8 Liquid Mass Flow of Import and Export

由于已知方案中未有最佳方案單向閥的高頻電磁泵瞬態(tài)仿真分析的組合，根據(jù)單向閥的參數(shù)在FLUENT 進(jìn)行分析，得到的進(jìn)出口流量曲線(xiàn)，如圖8 所示。對(duì)曲線(xiàn)積分后可以得到仿真值為1.76g，與試驗(yàn)中最小值1.496g 同比增加了17.65%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得值為1.59g，仿真值相比誤差為9.65%。由于高頻電磁泵樣機(jī)裝配以及試驗(yàn)中測(cè)試的誤差，上述誤差在合理范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，可知通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的單向閥可以有效地提升高頻電磁泵的性能。

8 結(jié)論

根據(jù)流體力學(xué)理論對(duì)電磁泵動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究分析，建立流量測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了仿真模型可行性，并應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)單向閥進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁泵特性的影響。通過(guò)正交試驗(yàn)的結(jié)果表明，確定單向閥的徑孔比為1.033、行程為2.5mm、剛度為8000N/mm 時(shí)，能夠使進(jìn)出口單向閥參數(shù)進(jìn)行匹配，泵的凈輸出流量同比增加17.65%，有效地提升高頻電磁泵的性能，也為高頻電磁泵的進(jìn)一步應(yīng)用打下基礎(chǔ)。