高压海水泵阀配流系统响应特性研究.pdf

2 0 1 3年 7月 第4 1 卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 3 Vo 1 ． 4l No ． 1 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 3 ． 0 0 4 高压海水泵阀配流系统响应特性研究 王国志 ，陈林 ，刘桓龙 ，俞祖英 ，蒲志林 1 ．西南交通大学机械 工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 1 ；2 ．四川海洋特种技术研究所 ，四川成都 6 1 0 0 4 3 摘要针对 4 5 MP a 超高压海水径向柱塞泵在试验中没有泄漏却流量不足的问题进行分析，主要原因是吸入不足和容 积效率低下。进水阀的结构不合理会增加水吸入阻力，造成吸入不足；柱塞直径和行程与配流阀的弹簧刚度、预紧力、泵 转速等不相匹配会导致阀配系统响应滞后，配流阀无法及时开启和关闭，导致吸入不足，容积效率低下。通过仿真计算 ， 对影响吸入特性和容积效率的参数进行优化，可指导海水泵设计和改进、缩短研发周期和降低研发成本。 关键词超高压海水泵；阀配流系统；容积效率 ；响应特性 中图分类号T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 3 0 1 33 Re s e a r c h o n Re s po n s e Ch a r a c t e r i s t i c s o f Hi g h Pr e s s u r e Se a W a t e r Pump Va l v e Ty pe Sy s t e m W ANG Gu o z h i ， CHEN Li n ， LI U Hu a n l o n g ， YU Zu y i n g ， P U Zh i l i n 1 ． S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a ； 2 ． S i c h u a n I n s t i t u t e o f S p e c i a l S e a T e c h n o l o g y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 4 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p r o c e s s o f 4 5 MP a s e a wa t e r p i s t o n p u mp ’ S t e s t ， t h e q u e s t i o n t h a t t h e fl o w wa s i n s u f fi c i e n t w i t h o u t l e a k a g e w a s a n a l y z e d ． T h e ma i n r e a s o n s w e r e i n a d e q u a c y i n h ala t i o n a n d l o w v o l u me t r i c e f fi c i e n c y ． T h e u n r e a s o n a b l e i n l e t v alv e s t r u c t u r e c a n i n c r e a s e wa t e r s u c t i o n r e s i s t an c e，c a u s i n g i n s u f fic i e n t i n h ala t i o n ； t h e mi s ma t c h a mo n g p l u n g e r d i a me t e r ，s t r o k e a n d s p rin g s t i ff n e s s ， p r e l o a d，p u mp s p e e d ， wi l l c a u s e t h a t t h e v alv e s y s t e m r e s p o n s e i s l a g ，v a l v e c a n ’ t b e o p e n e d a n d c l o s e d w i t h o u t d e l a y， S O i n h ala t i o n i s l e s s a n d v o l u me t r i c e ffic i e n c y i s l o w． T h r o u g h s i mu l a t i o n， t h e p a r a me t e r s a ff e c t i n g i n h a l a t i o n c h a r a c t e ris t i c s a n d v o l u me t ric e ffi c i e n c y we r e o p t i mi z e d ． I t p r o v i d e s t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d e s i g n a n d i mp r o v e me n t o f p u mp ， t h e d e v e l o p me n t c y c l e c a n b e s h o r t e n e d an d t h e d e v e l o p me n t c o s t i s r e d u c e d ． Ke y wo r d s H Jig h p r e s s u r e s e a w a t e r p u mp；Valv e t y p e s y s t e m ；Vo l u me t r i c e ffi c i e n c y ； Re s p o n s e c h ara c t e ris t i c s 针对海水泵在试验过程中出现的容积效率低下问 题进行分析 ，主要有两方面的原因 1 进 口阀的 吸人特性不足 ； 2 弹簧和阀片组成的系统反应滞 后。进水阀的结构不合理会导致吸人不足，柱塞直径 和行程与配流阀的弹簧刚度、预紧力、泵转速等不相 匹配会导致阀配系统响应滞后，容积效率无法得到保 证。为了使泵获得最佳性能，通过仿真对上述参数进 行优化，得到一个最佳匹配关系。 作者以某研究所研发的4 5 MP a 径向柱塞泵为例， 建立仿真模型，通过仿真研究上述参数对泵的容积效 率以及 自吸能力的影响，建立上述参数之间的匹配关 系 。 1 海水泵结构 图 1 所示为 4 5 M P a 超高压海水径向柱塞泵的结 构图，电机带动偏心轴旋转，旋转的偏心轴带动和轴 承接触的柱塞做往复直线运动。海水泵共 2排 1 8个 柱塞，每个柱塞分别配有 1 个进水阀和出水阀。 l 一偏心轴2 一前端盖3 一出水阀4 一柱塞安装架5 一外套 6 一 进 水 阀7 一 柱 塞8 一 柱塞 缸套9 一后 端 盖 图 1 海水泵结构 如图 1 所示位置，当柱塞在回复弹簧的作用下向 下运动时，柱塞腔内产生局部真空 ，使进水单向阀开 收稿 日期 2 0 1 2一 O 5 3 0 基金项 目国家 8 6 3计划项目 2 0 0 9 A A 0 9 3 3 0 3 作者简介王国志 1 9 6 9 一 ，男，博士，副教授，研究方向为机械电子工程。E～ ma i l l i n s h a o 0 9 2 7 v i p ． q q ． c o m。 l 4 机床与液压 第4 1卷 启、出水阀关闭，海水被吸入柱塞腔内；当柱塞在轴 承推动下向上运动时，柱塞腔内的海水被压缩 ，腔内 压力增加，进水阀关闭，排水阀开启。 2 海水泵计算仿真 2 ． 1 建立模型 在 A M E S i m软件中建立超高压径向柱塞泵的仿真 模型。其进水单 向阀模型和出水单向阀模型如图2所 示，原海水泵共 2排 1 8个柱塞，简化模型为 1排 9 个柱塞，为了使模型看起来简洁，将进水阀和出水阀 模型做成如图3 所示的超级组件。 ④ a 进 口阀 b 出 口阀 图2 进、出水阀HC D模型 L a 进 1 3 阀 b 出 口阀 图 3 进、出水阀超级组件模型 海水泵模型如 图4所示 。 图4 海水泵模型 2 ． 2 参数 设 置 海水泵主要设计参数电机转速为 1 0 0 0 r ／ m i n ， 柱塞直 径 为 7 m m，行 程 为 9 m m，输 出压 力 为 4 5 M P a ，额定流量 5 L ／ m i n ，工作介质为海水，海水密 度为 1 0 1 6 k g ／ m 。 仿真参数进水阀进水 口直径为 4 m m，弹簧刚 度 为 0 ． 3 N ／ m m，初始 预紧 力为 0 ． 4 N，阀芯 质量 为 0 ． 8 g ，出水 阀出水 E l 直径为 5 m m，阀芯 质量为 1 g 。 泵进水口压力为大气压，运行时间为 0 ． 3 s ，采样周 期 为 0 ． 0 0 0 2 s 。 2 ． 3 结果仿真 经过仿真运行，得到进水阀的入 口流量和泵的输 出流量曲线如图5 、图6所示。 ．曼 面 图5 进水阀入口流量 图6 泵的输出流量 由图可知存在几个问题。 1 柱塞腔吸水过程 中，阀芯开启困难 ，吸人 不足，流量不稳定，脉动较大； 2 阀片不能及时关闭，进水阀出现 “ 负流量” 现 象。 分析上述 问题可知 吸水过程 中，进水 口压力太 小，弹簧刚度和初始预紧力太大，导致阀芯开启 困 难，开度小，进水阀阀口水流速太快 ，且阀口直径偏 小，海水进入受到的阻力太大 ，导致吸入困难；弹簧 刚度、初始预紧力和阀芯质量与转速不匹配，导致阀 芯响应延迟严重，减小了吸入量，增加了泄漏量，导 致容积效率低。 2 ． 4 参数优化 针对试验和仿真中出现的问题，对仿真参数进行 修改。在仿真中发现 ，阀芯的质量越小，阀的响应越 快，滞后性得到了缓解。为了尽可能降低 阀芯的质 量，在满足强度的情况下，改用密度小的轻型材料 ， 并对结构进行修改，增大流水孔道面积，减小了进水 的阻力。改进后进水阀阀板质量为 0 ． 4 g ，出水 阀阀 芯质量 为 0 ． 7 g 。 同时，提高进水 口压力一方面可以有效消除海水 的汽化现象、降低脉动，另一方面提高了泵的输出流 量 。海水泵进 口最高压力可以为 3 M P a ，取最大值 ，并 在几何结构允许下增大进水阀阀口直径，可以改善阀 配系统的吸人特性 ，阀口直径增加至5 m l n 。 太大的弹簧 刚度和初始预紧力会使 阀芯开启困 难 ，阀口开度很小，不利于海水的吸入；太小的弹簧 刚度和初始预紧力会使阀配系统响应滞后严重，不利 于阀的及时开启和关闭，对容积效率影响大。经过仿 真计 算，弹簧 刚 度取 0 ． 1 N ／ ra m，初始 预 紧力 取 0 ． 3 N。 进行参数优化后，得到的进水阀入口流量和泵的 流量曲线如图7 、图8 所示。 第 1 3期 王国志 等 高压海水泵阀配流系统响应特性研究 1 5 目 蚓 媲 _ 图7 优化后进水 阀入 口流量 图8 优化后泵的 输 出流量 优化后，进水阀的阀芯运动平稳 ，人 口流量波动 减小；泵的输出流量增大 ，容积效率增大，流量的脉 动特性明显减小。 3试验验证 按照优化 工况下进行实 在相 同的 图9 优化后泵的输出流量 由图9可知 随之输出压力的增大，输出流量开 始降低 ；优化后的流量明显高于改进前 ，吸入特性和 容积效率得到了提高 ，优化是有效的。 4结论 在 A M E S i m中建立超高压海水泵的仿真模型，通 过计算和参数优化，根据优化参数修改海水泵零件结 构进行试验 ，得到 了如下结论 1 提高进水 口压力，可 以缓解吸入过程 中的 海水汽化，改善吸人特性，增加容积效率和降低流量 脉动 ； 2 海水泵 的阀配系统的参数匹配对阀配系统 的吸人特性和容积效率有着很大的影响，需要根据实 际情况 进行优 化。 参考文献 【 1 】 汪菲． 基于A M E S i m的顶驱用轴向柱塞泵仿真[ J ] ． 机械 科学与技术， 2 0 1 1 1 1 1 8 1 71 8 2 1 ． 【 2 】 刘谦， 阮俊， 陈磊 ， 等． 斜轴式海水柱塞泵的研制[ J ] ． 机 床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 3 6 2 6 4 ． 【 3 】王东， 李壮云， 朱玉泉． 海水柱塞泵配流阀的设计与研究 [ J ] ． 阀门， 2 0 0 2 4 9一l 2 ． 【 4 】苏欣平． 超高压径向柱塞泵 的设计计算[ J ] ． 液压与气 动， 2 0 0 6 8 6 46 6 ． 【 5 】胡国庆， 李世伦 ， 葛跃峥， 等． 海水柱塞泵动态性能的仿 真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 4 8 6 8 8 ． 【 6 】徐灏． 机械设计手册 2 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 6． 【 7 】邹云飞， 刘晋川． 径向柱塞泵配流方式的研究进展[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 1 1 1 4 ． 惊天液压又成功制定一项行业标准 由惊天液压主持起草制定的 液压锤 钎杆行业标准获工业和信息化部批准发布。本标准由全国土方机械标 准化技术委员会 S A C ／ T C 3 3 4 归口，中国机械工业联合会提出，按照 G B ／ T 1 ． 1 - 2 0 0 9给出的规则，由安徽惊天液 压智控股份有限公司、天津工程机械研究院负责起草 ，此标准为首次制定。 该标准规定了液压锤用钎杆的术语和定义、分类、要求 、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等方 面内容，适用于纯液压式、液气联合式和氮爆式液压锤的钎杆。通过此行业标准制定实施 ，进一步完善了钎杆行业 的准入机制 ，规范了市场竞争，对淘汰不符合标准的生产企业，提升市场中的钎杆产品整体质量 ，有效促进行业良 性发展起到了积极的推动作用。 惊天液压作为国内知名的液压锤生产企业，此次牵头起草行业标准，掌握主要零部件的标准制定权 ，不仅体现 了公司较高的核心技术竞争力 ，展示了企业在行业利润链中的优势地位，也为本公司在行业标准项 目的组织和实施 方面积累了宝贵的经验 ，有力地促进了企业标准制定修订水平的提高，对促进企业创新、提升企业竞争力和知名 度，具有十分重要的意义。 近年来 ， 公司高度重视参与制修订国家、行业标准和地方标准，积极推动建立标准技术体系，提升行业技术标 准水平 ，提高产品质量及技术含量，掌握市场话语权。截至目前，公司先后参与制定国家标准1 项 土方机械遥 控拆除机 、行业标准2项 液压锤 、 液压锤一钎杆 。 内容来源 中国路 面机械 网