某輸油泵出油口壓力波動分析與優化

劉行

摘 要：某輸油泵在性能測試時，出油口管路持續劇烈振動。特對此輸油泵出油口壓力進行波動檢測，發現壓力峰值遠高于其設定出油口壓力。利用Simerics-MP/MP對輸油泵進行仿真模擬，發現出油口有渦流現象。優化輸油泵出油區域后，重新對出油口壓力進行了波動檢測，波動峰值明顯下降。

關鍵詞：輸油泵;壓力波動;渦流;仿真優化

1 引言

輸油泵是燃油泵送系統的核心元件，也是發動機的安全件，其性能對整車的性能有一定影響[1]。

2 測試

某輸油泵進行性能測試時，發現壓力油管抖動超出了一般油泵應有的范圍。經過檢查，排除了試驗臺架本身振動的可能。特對輸油泵壓油口進行壓差波動測試。

圖1是對高壓油口壓力抖動劇烈的輸油泵進行壓力波動測試。縱坐標單位為KPa，電機與輸油泵轉速比1：1，電機轉速2520rpm，出油口設定位500KPa，發現測試點（輸油泵出油口區域）壓力波動幅值約5000KPa，是設定值的10倍左右，且周期性變化。由于輸油泵轉速為2520rpm，且內、外轉子齒數分別為5和6，很容易算出每齒壓力波動時間約為0.00476s，與圖1波動峰值相同。說明對于轉子式輸油泵由于困油的存在，會有周期性的壓力波動。

困油現象是造成應力波動的主因，但測試泵已在齒輪兩端蓋板上開了卸荷槽，壓力波動不會異常。

3 仿真模擬

Simerics-MP/MP是美國Simerics公司專門為各類泵的水力學模擬計算開發的CFD（計算流體動力學）軟件[2]。把測試泵數模抽取流體域導入Simerics-MP/MP，其燃油油品物性為在工作溫度40℃時密度860kg/m3、粘度3.9cst。輸油泵轉速2520rpm，壓力入口，入口壓力為91325Pa;出油口選壓力出口，壓力設置為500KPa。

圖2是輸油泵仿真后的流線圖及速度云圖。圖2（a）流線有輸油泵出油口區域流線不暢，存在渦流現象。輸油泵出油口與高壓油腔貫通區拐角處速度突變，會導致此處壓力劇降甚至成為負壓造成噪聲和壓力波動。圖2（b）速度云圖有燃油從壓油腔流經出油管與壓油腔貫通處彎管時，燃油流在彎頭內轉向時產生離心力，燃油是具有粘度的，由于牛頓內摩擦力存在，會阻礙燃油沿出油管的流動趨勢，因此中心的離心力也大于近壁區的離心力，由于這個離心力的差產生了力矩而使流體旋轉使管段下游近彎頭對稱面段流體流態變化激烈，發生明顯的二次流現象。二次流導致了彎管內橫截面方向上的動能和能量交換，既改變了主流方向的平均速度，又減少了流場的總壓[3]。

4 優化和驗證

上節利用Simerics-MP/MP分析發現出油管道與壓油腔相貫形成彎頭，導致能量損失。如圖3所示紅圈處，即出油管道與壓油腔相貫處，此處導致燃油流動不暢。在現有滿足設計條件下，最經濟的做法是在相貫處倒圓角，優化此處流道，減少流場壓力損失。

優化出油管道與壓油腔相貫形成彎頭，倒圓角R0.5、R1、R3、R5按第上節邊界條件在Simerics-MP/MP仿真模擬。

圖4是出油管道與壓油腔相貫線倒圓角R0.5、R1、R3、R5后流量特性曲線對比圖，可以得到如下結論：

（1）輸油泵在怠速情況下，倒角對泵出口流量影響不大。

（2）隨著轉速增加，倒角對輸油泵出口流量影響增大。

（3）輸油泵出油管道與壓油腔相貫線倒圓角R3時，流量提升最多。

分析認為輸油泵出油管道與壓油腔相貫線倒圓角R3時，高壓區域壓力損失最小。為了驗證這個結論，本文把原泵出油管道與壓油腔相貫線倒圓角R3后，進行如圖1的出油口壓力波動測試。

圖5是優化后的輸油泵出油口壓力波動圖，對比圖1波動壓力峰值從5000KPa下降到3000KPa，說明優化是可取的。

5 結論

在本文中，通過Simerics-MP/MP分析及壓力波動試驗，分析了某輸油泵出油管道與壓油腔相貫處彎頭會影響出油口管道壓力波動。基于此，可以得到以下結論：

（1）齒輪式輸油泵出油口壓力波動除了受齒輪困油影響產生周期性波動外，還與壓油區域的流道是否流暢有關。

（2）合理設置Simerics-MP/MP的邊界條件，可以把壓力問題轉化為容易實現對比的流量問題。

（3）輸油泵怠速情況下，某輸油泵出油管道與壓油腔相貫處流場是否流暢對流量影響不大，但隨轉速增多，這種影響增大。

（4）對于某特定的輸油泵來說，出油管道與壓油腔相貫處圓角不是越大越好。它有個適合泵腔流場域的值，本文分析的某輸油泵其出油管道與壓油腔相貫處圓角值在R3左右。

參考文獻：

[1]穆海寧，金艷芳.某轎車輸油泵噪聲分析與優化[J].農業裝備與車輛工程，2015（5）：68-71.

[2] Zhang J，Wu Y，Tang H M，et al. Numerical Simulation of the Gear Flowmeter Reveal Based on Pumplinx[J].Applied Mechanics & Materials，2014，687-691：679-683.

[3]曹彪，呂宏興，石喜，等.承插式90°彎頭水力特性的試驗與數值模擬[J].節水灌溉，2013（5）：1-4.