乳化液泵的理論分析與數值模擬

， ， ， ， 　 (1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院， 甘肅 蘭州　730050； 2.蘭州理工大學 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，柱塞數為三個，具有結構簡單、運輸安裝方便、易維修、輸出流量大，工作壓力高等優點。目前廣泛應用在井下采煤工作面作為支護設備的動力源，為液壓支柱和液壓支架提供高壓乳化液，其工作狀態的好壞與井下安全生產息息相關，對其性能的優化也顯得越來越重要。目前國內使用較多的某公司生產的BRW200/31.5型乳化液泵，在使用過程中泵會出現容積效率不高、噪聲大等問題，長時間的運行會造成嚴重的能源浪費和噪聲污染[1，2]。為了解決上述問題，有必要對其進行理論分析和數值模擬仿真，為以后結構的優化提供參考。

1　動力端的理論分析

乳化液泵動力端的運動為泵在電機的帶動下驅動曲軸旋轉，曲軸帶動連桿機構做從動，從而使柱塞在柱塞腔中做往復直線運動。其為典型的曲柄連桿機構，結構簡圖如圖1所示[3]：

由圖1可知位移:

S=R(1-cosα)+L(1-cosα)

(1)

由三角關系知：Rsinα=Lsinβ

圖1　泵動力端結構簡圖

(2)

代入式(1)得:

(3)

進而求得速度加速度方程為:

(4)

(5)

BRW200/31.5型乳化液泵的結構參數為：曲柄轉速ω=58.75 rad/s，曲柄半徑R=0.033 m，連桿長度L=0.21 m。基于以上數學模型，運用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行相互驗證[4]，兩條曲線基本重疊，說明理論計算與仿真的正確性。

2　閥芯的選擇

在泵運行過程中，乳化液泵的泵頭組件在柱塞運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，閥芯的選擇應該具有以下優點：

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

(2) 慣性小。即質量輕，在柱塞高速運動時，能保證閥開關及時，進而減少慣性帶來的滯后沖擊和振動；

(3) 閥芯的結構和彈簧布置要使柱塞缸內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

閥芯的結構形式有很多種，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，其導向圓柱面安裝在柱塞缸內側，彈簧則安置在反側，為增大過液面積和減少閥芯質量在導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，柱塞的往復運動帶動泵頭組件的吸、排液閥芯也做周期性運動。在柱塞吸液運動過程中，柱塞腔形成負壓，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動進入吸液行程，液體進入柱塞腔；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動，同時高壓液體關閉吸液行程，由排液口向工作面輸出高壓液體。結構如圖4所示。

3.2　泵頭流道的流場仿真

為了解決泵運行過程中出現的容積效率低、噪聲高等一系列問題，對泵頭部分進行流體數值模擬分析，通過仿真結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，進而進行可視化研究，通過改變相關的結構達到優化泵頭流道，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，對流道進行網格劃分。

本研究基于數值模擬仿真軟件Fluent進行流場仿真，在吸排液過程中，柱塞運行為周期性的運動，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、排液的流道進行仿真分析。

對于泵的吸液過程，根據伯努利方程，乳化液速度最大的瞬態，液體壓力相對最低，油液產生空化，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的參數設定為壓力進口，進口壓力為常壓；速度出口，數值為2 m/s；介質設置為乳化液，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的參數設定為速度進口，數值為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漩渦，對比壓力云圖可知漩渦區由負壓造成；③ 負壓區的存在造成泵吸入時在壓差的作用下會出現氣泡，氣泡破裂產生氣蝕進而產生噪聲；④ 漩渦的生成則會使泵的吸入不充分，流經吸液腔的液體減少，降低容積效率。

優化措施：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)的內徑或者適當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。對優化結果經行仿真,比較可知漩渦區的面積減少大部、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，流道中閥芯處出現了兩處比較明顯的負壓區；② 負壓區臨近區域的液體流動為明顯的漩渦流動，較吸液過程更加嚴重。

分析與優化:除了流經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)內徑變大，排液閥套的內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，通過上述改進可以很好地減少負壓區的影響，進而減少產生漩渦的面積，達到應用的要求。

4　結論

本研究通過對乳化液泵出現的問題進行了理論分析，建立了泵動力端的數學模型，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構；推導出數值模擬所需RNGκ-ε湍流模型的控制方程，運用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。對仿真結果進行分析并進行流道的優化設計，對比優化前后的數值模擬結果，可知其達到了增大乳化液泵的容積效率和減少運行時噪聲的目的，為今后設計生產提供一定的參考。

參考文獻：

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

[2]楊和.臥式三柱塞往復泵噪聲及其控制[J].煤礦機械，1997,(2)：55-57.

[3]李銳，候友夫.基于Fluent動網格技術的乳化液泵分析 [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].機床與液壓，2009,(6)：217-224.

[5]徐繩武,等.柱塞式液壓泵[M].北京：機械工業出版社,1985.