車用往復(fù)式真空泵的計(jì)算模型研究

湯玲玲　宮艷晶　常東輝　劉晨晨

摘 要：【目的】往復(fù)式真空泵的應(yīng)用極為廣泛，為精準(zhǔn)測(cè)評(píng)其綜合性能，提出相應(yīng)性能指標(biāo)，構(gòu)建往復(fù)式真空泵計(jì)算模型?！痉椒ā筷U述車用往復(fù)式真空泵基本原理，根據(jù)泵體幾何參數(shù)、電機(jī)工作參數(shù)及進(jìn)排氣單向閥的壓力損失與干摩擦損失的影響，構(gòu)建計(jì)算往復(fù)式真空泵相關(guān)性能模型，對(duì)往復(fù)式真空泵的真空度、到達(dá)指定壓力所需時(shí)間和功耗進(jìn)行計(jì)算分析?！窘Y(jié)果】通過對(duì)某款往復(fù)式真空泵性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值間的誤差較小。【結(jié)論】研究表明往復(fù)式真空泵性能的計(jì)算模型具有較高精度。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式真空泵；計(jì)算模型；功率消耗

中圖分類號(hào)：TH36? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）09-0039-05

Abstract： [Purposes] Reciprocating vacuum pump is widely used. In order to accurately evaluate its comprehensive performance， the corresponding performance indexes are proposed， and the calculation model of reciprocating vacuum pump is constructed. [Methods] The basic principle of the reciprocating vacuum pump for vehicles was expounded. According to the influence of the geometric parameters of the pump body， the working parameters of the motor， the pressure loss and dry friction loss of the inlet and exhaust check valve， a model for calculating the related performance of the reciprocating vacuum pump was constructed to analyze the vacuum degree of the reciprocating vacuum pump， the time required to reach the specified pressure and the power consumption .[Findings] By calculating the performance of a reciprocating vacuum pump，the error between the calculated value and the measured value is small. [Conclusions] It shows that the calculation model of the performance of the reciprocating vacuum pump established in this paper has high accuracy.

Keywords： reciprocating vacuum pump; calculation model; power consumption

0 引言

車用往復(fù)式真空泵分為膜片式、葉片式和往復(fù)式。國(guó)內(nèi)常用的車用真空泵為葉片式真空泵，但其穩(wěn)定性很難得到保證，應(yīng)用范圍也受到限制［1-4］。相比之下，往復(fù)式真空泵的可靠性和耐久性更好，其綜合性能更優(yōu)［5］。

本研究通過闡述往復(fù)式真空泵的基本原理，確定車用真空泵的評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出往復(fù)式真空泵的制動(dòng)性能計(jì)算模型。為驗(yàn)證模型的精確性，對(duì)某型號(hào)往復(fù)式真空泵進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，本研究提出的計(jì)算模型具有較高精度，為往復(fù)式真空泵的制動(dòng)性能計(jì)算提供參考，具有一定的理論和實(shí)用價(jià)值。

1 往復(fù)式真空泵基本構(gòu)造和原理

往復(fù)式真空泵具有兩對(duì)平行的活塞—?dú)飧捉M件，如圖1所示。活塞頂部裝有排氣用的單向閥，進(jìn)氣閥和出氣閥之間的區(qū)域即為氣缸容積，同時(shí)配備密封圈、機(jī)座等組件［6-9］。

由圖1可知，往復(fù)式真空泵工作過程分為抽氣環(huán)節(jié)和排氣環(huán)節(jié)。電機(jī)提供動(dòng)力，使曲柄連桿帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在活塞由左到右過程中，左邊氣缸的體積增大，其氣體壓力變小。當(dāng)左邊氣缸壓力比抽氣口壓力小時(shí)，進(jìn)氣閥開啟，完成左邊氣缸的抽氣過程。同理可知，右邊氣缸的體積變小，氣缸內(nèi)壓力變大。當(dāng)排氣口氣壓小于右邊氣缸壓力時(shí)，排氣單向閥開啟，實(shí)現(xiàn)右邊氣缸排氣［10］。

2 往復(fù)式真空泵計(jì)算模型

基于對(duì)車用制動(dòng)助力性能及對(duì)能量消耗的考慮，本研究以極限真空度、達(dá)到指定真空度所需時(shí)間及功耗為評(píng)價(jià)真空泵性能的指標(biāo)［11］。

2.1 計(jì)算前假設(shè)

往復(fù)式真空泵計(jì)算模型建立時(shí)，因往復(fù)式真空泵的工作過程復(fù)雜，要進(jìn)行一些假設(shè)，用以簡(jiǎn)化計(jì)算過程。具體假設(shè)如下。①常溫下，將氣缸中的氣體視為理想氣體，氣體的膨脹和壓縮指數(shù)等于絕熱指數(shù)，設(shè)為恒定值。②在真空泵工作過程中，吸氣和排氣壓力保持不變，氣體溫度為常數(shù)。③對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的摩擦消耗用平均值來計(jì)算，考慮到真空泵中的溫度變化、容積效應(yīng)等因素對(duì)計(jì)算模型的影響較大，對(duì)抽氣速率也施加修正系數(shù)。

2.2 往復(fù)式真空的極限真空度計(jì)算

往復(fù)式真空泵具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，只用對(duì)一側(cè)活塞副進(jìn)行計(jì)算即可。氣缸處于抽氣階段時(shí)，進(jìn)氣單向閥開啟，隨著氣體不斷進(jìn)入氣缸，氣缸中的壓力會(huì)隨之降低，當(dāng)氣缸體積最大時(shí)，壓力處于最小值，一旦進(jìn)氣閥兩側(cè)的壓力保持平衡，進(jìn)氣閥立即關(guān)閉。當(dāng)氣缸處于排氣階段時(shí)，氣缸內(nèi)的氣體被不斷壓縮，當(dāng)壓力上升到極限值時(shí)，排氣閥關(guān)閉。此時(shí)，真空泵處于動(dòng)平衡狀態(tài)，既不排氣也不抽氣。該時(shí)刻真空泵伺服氣室壓力為極限壓力，相對(duì)應(yīng)的真空度為極限真空度［12］。

活塞運(yùn)動(dòng)達(dá)到或遠(yuǎn)離主軸側(cè)的極限位置分別為內(nèi)止點(diǎn)、外止點(diǎn)，內(nèi)、外止點(diǎn)間活塞掃過的空間為氣缸的工作容積[Vs]。當(dāng)真空泵處于平衡狀態(tài)時(shí)，活塞在內(nèi)止點(diǎn)時(shí)的氣缸壓力設(shè)為[Pin]，真空助力器伺服氣室的極限壓力設(shè)為[Plimt]，頂開進(jìn)氣單向閥所需壓力設(shè)為[Piv]。動(dòng)平衡時(shí)，壓力分布如圖2所示。

3 真空泵性能計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

真空泵試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。能用抽氣泵P1、電磁閥V1和V2來調(diào)節(jié)抽氣容器壓力，得到測(cè)試時(shí)的初始?jí)毫?。為模擬真空泵在不同環(huán)境下的氣壓變化，用抽氣泵P2和電磁閥V3來調(diào)節(jié)模擬氣室的氣壓。

真空泵通過真空軟管與抽氣容器和壓力模擬室相連，試驗(yàn)臺(tái)向電機(jī)提供12 V電壓。真空泵性能測(cè)試過程如下。①關(guān)閉電磁閥V1，抽氣泵P1進(jìn)行抽氣操作，當(dāng)抽氣容器內(nèi)的電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)，關(guān)閉電磁閥V2；②關(guān)閉電磁閥V3和V4，抽氣泵P2進(jìn)行抽氣，使壓力模擬室的壓力達(dá)到所需的壓力值；③開啟電磁閥V4進(jìn)行測(cè)試，壓力傳感器S1、S2分別與抽氣容器、壓力模擬氣室相連。壓力傳感器S1、S2可實(shí)時(shí)測(cè)得抽氣容器和壓力模擬室的壓力值，再將該壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)公式（13）可將壓力值換算為真空度。往復(fù)式真空泵測(cè)試過程的相關(guān)參數(shù)見表1。

3.1 極限真空度對(duì)比分析

通過測(cè)試試驗(yàn)可得極限真空度為0.842，所提出模型計(jì)算值為0.863，相對(duì)誤差為2.72%，表明所提出的計(jì)算方法具有較高的精度和可行性。

3.2 達(dá)到指定真空度的時(shí)間對(duì)比分析

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)繪制的真空度與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖5所示。比較實(shí)際測(cè)試的真空助力器伺服氣室達(dá)到不同真空度所需時(shí)間和計(jì)算模型達(dá)到不同真空度所需時(shí)間。

由圖5可知，計(jì)算數(shù)據(jù)與測(cè)試結(jié)果的吻合度較高。當(dāng)真空度為0.5時(shí)，計(jì)算得到所需時(shí)間為4.471 s，測(cè)試得到所需時(shí)間為4.679 s，相對(duì)誤差為3.598%；當(dāng)真空度為0.7時(shí)，計(jì)算得到所需時(shí)間為8.610 s，測(cè)試得到所需時(shí)間為8.897 s，相對(duì)誤差為3.004%；當(dāng)真空度為0.9時(shí)，計(jì)算得到的所需時(shí)間為15.473 s，測(cè)試得到所需時(shí)間為16.514 s，相對(duì)誤差為9.019%。綜上所述，達(dá)到指定真空度所需的計(jì)算時(shí)間和測(cè)試時(shí)間的誤差較小，所建模型的計(jì)算精度較高。

3.3 真空泵功耗對(duì)比分析

根據(jù)真空泵功耗表達(dá)式得到真空泵的功耗為151.12 W，實(shí)際測(cè)得真空泵電機(jī)功率為150 W，計(jì)算值和測(cè)量值的相對(duì)誤差為0.297%。對(duì)比結(jié)果表明，所提出的功耗計(jì)算模型與真空泵電機(jī)實(shí)際功耗相當(dāng)，具有較高的擬合精度。

4 結(jié)語

本研究對(duì)往復(fù)式真空泵的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行闡述，提出往復(fù)式真空泵的性能評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)極限真空度、達(dá)到指定真空度所需時(shí)間及真空泵功耗計(jì)算模型進(jìn)行研究。通過實(shí)際檢測(cè)某款往復(fù)式真空泵的性能參數(shù)，將其與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的誤差在5%以內(nèi)，表明所提出的計(jì)算模型與實(shí)際測(cè)量值之間具有較高的擬合度，為車用往復(fù)式真空泵設(shè)計(jì)提供一定參考和理論依據(jù)。

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