對峙式乳化液泵液力端特性仿真研究

張金龍，薛朝文，周哲波

(1.安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232001)

隨著國民經(jīng)濟發(fā)展，煤炭開采的機械化程度越來越高，注重煤炭產(chǎn)量的同時更要重視煤礦生產(chǎn)安全，乳化液泵作為井下液壓支架的動力源，它在機械化采煤安保工作中具有十分重要作用，乳化液泵性能的好壞將直接影響到綜采效率的高低[1-3]，BRW400/31.5型對峙式乳化液泵采用曲柄雙連桿結(jié)構(gòu)的新型乳化液泵，它的穩(wěn)定應(yīng)用將為乳化液泵設(shè)計提供新的思路。

1 對峙式乳化液泵的工作原理

礦用乳化液泵傳動結(jié)構(gòu)為典型的曲柄連桿滑塊機構(gòu)，外部電機帶動曲軸旋轉(zhuǎn)推動連桿，轉(zhuǎn)化為柱塞直線往復(fù)運動，從而實現(xiàn)乳化液泵吸、排液的功能[4]。與現(xiàn)有乳化液泵采取的單曲拐單柱塞結(jié)構(gòu)型式不同，新型BRW400/31.5對峙式乳化液泵采用單曲柄雙連桿結(jié)構(gòu)，即曲軸上同一曲拐水平對稱放置兩個連桿，該乳化液泵由三組同結(jié)構(gòu)曲柄雙連桿機構(gòu)組成，電機帶動曲軸旋轉(zhuǎn)每60°則有一柱塞行程達到極值完成吸液或者排液，曲拐繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)一周對稱布置的連桿帶動柱塞各完成一次吸排液，增強泵體運行平穩(wěn)性，降低振動產(chǎn)生的噪聲，在同等排量和壓力下由于布置緊湊縮小了泵體尺寸(與傳統(tǒng)同排量壓力的乳化液泵相比體積縮小30%～40%)，提升能量利用率，更少的占用井下可操作的有限空間[5]，已制樣機如圖1所示。

圖1 對峙式乳化液泵樣機

2 對峙式乳化液泵系統(tǒng)仿真

曲柄雙連桿結(jié)構(gòu)在一些設(shè)備上應(yīng)用已很成熟，在礦用乳化液泵上尚未應(yīng)用，除研究傳動結(jié)構(gòu)外液力端穩(wěn)定性研究工作也很迫切，選用AMESim對對峙式乳化液泵系統(tǒng)進行仿真，AMESim(LMS Imagine.Lab AMESim)軟件是由法國IMAGINE公司研發(fā)應(yīng)用于多學(xué)科領(lǐng)域的高級工程建模仿真軟件。該軟件擁有一套4 500個多領(lǐng)域模型的標(biāo)準應(yīng)用庫，用戶在模型庫中選擇相匹配的模型組成所要分析的系統(tǒng)，可以在組成的系統(tǒng)中對單個元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)等多性能進行研究，AMESim定位于工程實際應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、燃油噴射、動力傳動、冷卻系統(tǒng)和機電系統(tǒng)。它讓使用者更專注于諼錮硐低本身的設(shè)計擺脫繁瑣的數(shù)學(xué)建模，迅速達到建模仿真的目的，還可對使用者的設(shè)計進行分析和優(yōu)化，從而縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本[6]。

2.1 建立對峙式乳化液泵模型

啟動AMESim后軟件進入草圖設(shè)置模式(Sketch模式)，在當(dāng)前模式下創(chuàng)建BRW400/31.5型對峙式乳化液泵液壓系統(tǒng)的仿真模型，該乳化液泵是由柱塞、連桿、曲軸、進液閥和排液閥等組成的三曲拐六柱塞臥式泵，添加其它必要的液壓元件，在子模型模式(Submodels模式)中根據(jù)泵的實際工況給每個元件設(shè)置子模型，組成液壓系統(tǒng)仿真模型[7-9]，如圖2所示。

圖2 對峙式乳化液泵液壓系統(tǒng)模型

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)搭建完成之后，進入Parameter模式給每個子模型設(shè)置對應(yīng)的真實參數(shù)。BRW400/31.5型對峙式乳化液泵采用三曲拐六柱塞臥式結(jié)構(gòu)，其主要參數(shù)見表1所示。

表1 對峙式乳化液泵主要技術(shù)參數(shù)

在對峙式乳化液泵液壓模型的參數(shù)設(shè)置時，吸、排液閥相關(guān)具體參數(shù)的設(shè)置對系統(tǒng)仿真的結(jié)果影響很大，設(shè)定吸(排)液閥直徑為51mm、吸(排)液閥閥桿直徑為0mm、吸(排)液閥質(zhì)量為0.1kg、吸(排)液閥的彈簧剛度為2N/mm、彈簧行程為4mm。曲軸轉(zhuǎn)速、曲柄半徑、柱塞直徑按照表1設(shè)置。

2.3 運行仿真

參數(shù)設(shè)置過后即可進入運行仿真模式，將仿真運行時間設(shè)定為0.6s，設(shè)置通信間隔為0.001s后開始運行，得仿真結(jié)果如下：

(1)圖3為對峙式乳化液泵曲柄連桿柱塞機構(gòu)中的一組，在正常工作狀態(tài)下柱塞位移與吸液閥開啟量隨時間變化曲線，從圖中觀察可知兩條曲線呈現(xiàn)出規(guī)則性周期變化，吸液閥在啟閉時有滯后性，開啟時滯后0.011s；關(guān)閉時滯后0.03s。圖4為該柱塞與相配合的排液閥的變化曲線，從圖中觀察兩條曲線同樣呈規(guī)則性周期變化，排液閥的啟閉也存在滯后的情況，開啟時滯后0.018s；關(guān)閉時滯后0.021s。分析可知：吸(排)液閥產(chǎn)生滯后的主要原因是由乳化液(5%的油和95%的水混合而成)具有可壓縮性引起的，同時也受曲軸轉(zhuǎn)速、閥芯重量和閥芯上彈簧預(yù)緊力的影響。吸、排液閥啟閉的滯后直接影響乳化液泵的流量，滯后時間越長流量損失就越為嚴重。液力端表現(xiàn)如下：當(dāng)對峙式乳化液泵六柱塞處于排液開始與吸液終止瞬間，由于吸液閥的滯后關(guān)閉就導(dǎo)致有部分乳化液沿著吸液閥體縫隙倒流回液箱；當(dāng)柱塞處于吸液開始與排液終止瞬間，由于排液閥的滯后關(guān)閉就導(dǎo)致有部分乳化液沿著排液閥閥體縫隙倒流柱塞液腔內(nèi)，兩個時間段均造成流量損失。

圖3 吸液閥開啟量與柱塞位移曲線

圖4 排液閥開啟量與柱塞位移曲線

圖5 對峙式乳化液泵流量曲線

(2)圖5為對峙式乳化液泵流量曲線圖，乳化液泵總流量穩(wěn)定在400L/min左右，保持與額定流量基本一致，通過計算可得三曲拐六柱塞對峙式乳化液泵的容積效率為98.1%，完全符合國家煤炭行業(yè)關(guān)于煤礦用乳化液泵容積效率的規(guī)定(MT/T1882.2-2000)，公稱壓力在25～31.5MPa之間的乳化液泵滿載時容積效率不低于91%[10]，由此可知，新型結(jié)構(gòu)的對峙式乳化液泵結(jié)構(gòu)緊湊，運動平穩(wěn)，滿足生產(chǎn)需要。

3 液力端流場分析

閥芯的啟閉滯后嚴重影響泵的流量，同時它的結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響自身使用壽命和泵體振動噪聲[11]，采用Fluent對液力端重要核心部件閥芯進行錐頂角優(yōu)化，F(xiàn)luent是目前非常流行的CFD(計算流體力學(xué))軟件包，用于模擬各種復(fù)雜流動問題與物理現(xiàn)象，它具有強大的前處理及分析后處理功能且內(nèi)置豐富多樣的先進數(shù)值算法和物理模型。在航空航天、汽車設(shè)計、石油天然氣工業(yè)、渦輪機設(shè)計等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[12]。

在AutoCAD中繪制簡化后的閥隙流場(閥芯上移最大高度4mm)，并保存處理后保存為ACIS (*.sat)文件，將保存文件從GAMBIT中打開，用三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，指定必要邊界條件后導(dǎo)出Mesh(.msh)文件保存。選擇二維單精度求解器后讀入Mesh文件，選擇流體類型為水，入口流速設(shè)置為2.26m/s，對當(dāng)前排液閥閥芯(閥芯錐頂角90°)流場仿真結(jié)果如圖6所示，通過圖中可以看出流場速度最大處在閥芯底部拐角處，該處不斷的受液體的反復(fù)沖擊磨損最為嚴重，同時也嚴重影響了閥芯啟閉時的密封性能。為進一步研究閥芯錐頂角對閥隙流場的影響達到優(yōu)化設(shè)計的目的，在保持閥芯主要參數(shù)不變的情況下分別設(shè)計選取錐頂角為60°和120°，仿真分析后的流場速度云圖如圖7～圖8所示。

圖6 錐形閥(頂角90°)閥隙流場速度云圖

圖7 錐形閥(頂角60°)閥隙流場速度云圖

圖8 錐形閥(頂角120°)閥隙流場速度云圖

經(jīng)比對可知：圖8中120°錐頂角閥芯底部拐角處流場速度最小，受沖擊力也最小，延長閥芯使用壽命、降低泵體振動噪聲，在當(dāng)前流速和壓力下更適合對峙式乳化液泵。

4 結(jié)語

通過AMESim軟件對新型對峙式乳化液泵液壓系統(tǒng)進行仿真，獲得吸、排液閥運動與柱塞運動的關(guān)系，分析得出吸、排液閥滯后的原因主要是由乳化液具有可壓縮性引起，同時受曲軸轉(zhuǎn)速、閥芯質(zhì)量和閥芯上彈簧預(yù)緊力等因素的影響。通過泵的流量曲線計算出泵的容積效率為98.1%完全符合國家煤炭行業(yè)的規(guī)定，仿真的結(jié)果與試制樣機實測情況基本吻合，在同等壓力流量下三曲拐六柱塞新型對峙式乳化液泵占用空間少，與傳統(tǒng)同排量壓力的乳化液泵相比體積縮小30%～40%，結(jié)構(gòu)更為緊湊，在井下生產(chǎn)中優(yōu)勢更為明顯，同時運用Fluent對液力端重要核心部件閥芯進行錐頂角優(yōu)化，得到當(dāng)前壓力、流量下不同錐頂角度的流場速度云圖，比對后認定120°錐頂角最為合適，上述結(jié)果為對峙式乳化液泵的推廣和進一步整體優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。