某輸油泵出油口壓力波動(dòng)分析與優(yōu)化

劉行

湖南騰智機(jī)電有限責(zé)任公司 湖南省長沙市 410100

1 引言

輸油泵是燃油泵送系統(tǒng)的核心元件，也是發(fā)動(dòng)機(jī)的安全件，其性能對(duì)整車的性能有一定影響[1]。

2 測試

某輸油泵進(jìn)行性能測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)壓力油管抖動(dòng)超出了一般油泵應(yīng)有的范圍。經(jīng)過檢查，排除了試驗(yàn)臺(tái)架本身振動(dòng)的可能。特對(duì)輸油泵壓油口進(jìn)行壓差波動(dòng)測試。

圖1是對(duì)高壓油口壓力抖動(dòng)劇烈的輸油泵進(jìn)行壓力波動(dòng)測試?？v坐標(biāo)單位為KPa，電機(jī)與輸油泵轉(zhuǎn)速比1：1，電機(jī)轉(zhuǎn)速2520rpm，出油口設(shè)定位500KPa，發(fā)現(xiàn)測試點(diǎn)（輸油泵出油口區(qū)域）壓力波動(dòng)幅值約5000KPa，是設(shè)定值的10倍左右，且周期性變化。由于輸油泵轉(zhuǎn)速為2520rpm，且內(nèi)、外轉(zhuǎn)子齒數(shù)分別為5和6，很容易算出每齒壓力波動(dòng)時(shí)間約為0.00476s，與圖1波動(dòng)峰值相同。說明對(duì)于轉(zhuǎn)子式輸油泵由于困油的存在，會(huì)有周期性的壓力波動(dòng)。

困油現(xiàn)象是造成應(yīng)力波動(dòng)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(dòng)不會(huì)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(xué)模擬計(jì)算開發(fā)的CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件[2]。把測試泵數(shù)模抽取流體域?qū)隨imerics-MP/MP，其燃油油品物性為在工作溫度40℃時(shí)密度860kg/m3、粘度3.9cst。輸油泵轉(zhuǎn)速2520rpm，壓力入口，入口壓力為91325Pa；出油口選壓力出口，壓力設(shè)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(qū)域流線不暢，存在渦流現(xiàn)象。輸油泵出油口與高壓油腔貫通區(qū)拐角處速度突變，會(huì)導(dǎo)致此處壓力劇降甚至成為負(fù)壓造成噪聲和壓力波動(dòng)。圖2（b）速度云圖有燃油從壓油腔流經(jīng)出油管與壓油腔貫通處彎管時(shí)，燃油流在彎頭內(nèi)轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生離心力，燃油是具有粘度的，由于牛頓內(nèi)摩擦力存在，會(huì)阻礙燃油沿出油管的流動(dòng)趨勢，因此中心的離心力也大于近壁區(qū)的離心力，由于這個(gè)離心力的差產(chǎn)生了力矩而使流體旋轉(zhuǎn)使管段下游近彎頭對(duì)稱面段流體流態(tài)變化激烈，發(fā)生明顯的二次流現(xiàn)象。二次流導(dǎo)致了彎管內(nèi)橫截面方向上的動(dòng)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]。

圖1 原泵壓力波動(dòng)測試

圖2 仿真結(jié)果

圖3 某輸油泵剖視圖

圖4 流量特性曲線對(duì)比圖

4 優(yōu)化和驗(yàn)證

上節(jié)利用Simerics-MP/MP分析發(fā)現(xiàn)出油管道與壓油腔相貫形成彎頭，導(dǎo)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(dǎo)致燃油流動(dòng)不暢。在現(xiàn)有滿足設(shè)計(jì)條件下，最經(jīng)濟(jì)的做法是在相貫處倒圓角，優(yōu)化此處流道，減少流場壓力損失。

優(yōu)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(jié)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(duì)比圖，可以得到如下結(jié)論：

(1)輸油泵在怠速情況下，倒角對(duì)泵出口流量影響不大。

(2)隨著轉(zhuǎn)速增加，倒角對(duì)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(shí)，流量提升最多。

分析認(rèn)為輸油泵出油管道與壓油腔相貫線倒圓角R3時(shí)，高壓區(qū)域壓力損失最小。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，本文把原泵出油管道與壓油腔相貫線倒圓角R3后，進(jìn)行如圖1的出油口壓力波動(dòng)測試。

圖5是優(yōu)化后的輸油泵出油口壓力波動(dòng)圖，對(duì)比圖1波動(dòng)壓力峰值從5000KPa下降到3000KPa，說明優(yōu)化是可取的。

5 結(jié)論

在本文中，通過Simerics-MP/MP分析及壓力波動(dòng)試驗(yàn)，分析了某輸油泵出油管道與壓油腔相貫處彎頭會(huì)影響出油口管道壓力波動(dòng)?；诖?，可以得到以下結(jié)論：

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

(2)合理設(shè)置Simerics-MP/MP的邊界條件，可以把壓力問題轉(zhuǎn)化為容易實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)流量影響不大，但隨轉(zhuǎn)速增多，這種影響增大。

(4)對(duì)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(gè)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。