转子泵出口球阀动态特性计算与分析.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 l 6期 机床与液压 MACHI NE TOOL＆ HYDRAUL I C S Au g ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ． 1 6 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 6 ． 0 2 4 转子泵出 口球 阀动态特性计算与分析 张生昌 ，杨琳 ，邓鸿英 ，一 ，马 艺 ，王熠 东 1 ．浙江工业大学机械工程学院，浙江杭 州 3 1 0 0 3 2 ；2 ．过程装备及其再制造教 育部工程研究中心 ， 浙江杭 州 3 1 0 0 3 2 ；3 ．特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江杭 州 3 1 0 0 3 2 摘要利用 F L U E N T软件的动网格技术，通过对转子泵出口球阀的运动特性及转子泵 内部流场进行仿真计算和可视化 分析 ，得到出口球阀运动参数的变化曲线和转子泵内部流场的分布情况。仿真分析结果表明3组球阀的速度、升程、受 力 随转子的转动呈周期性变化 ；由于初始 条件和边界条件不 同，所得仿真 曲线 与球 阀运 动规律 的数 学模 型计算 曲线 有所不 同，但变化趋势是一致的；在转子相互啮合区，压力值最小，变化梯度最大 ，且最小值随转子的转动而变化。 关键词转子泵；出口球阀；动态特性 中图分类号T E 9 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 6 0 7 5 3 Dy n a mi c Cha r a c t e r i s t i c s An a l y s i s o n Ex p o r t Ba l l Va l v e o f Ro t o r Pu mp Z HANG S h e n g c h a n g ， ，YANG L i n ，DE NG Ho n g y i n g ’ - ，MA Yi ， ，WANG Z h a o d o n g 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 3 2 ， C h i n a ； 2． En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Pr o c e s s Eq u i p me n t a n d I t s Re ma n u f a c t u r i n g，Mi n i s t r y o f Ed uc a t i o n， Ha n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 3 2 ， C h i n a ；3 ． K e y L a b o r a t o r y o f S p e c i a l P u r p o s e E q u i p m e n t a n d A d v a n c e d Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ，Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 3 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Us i n g d y n a mi c me s h mo d e l o f f e r e d b y FL UEN T，n u me ri c a l s i mu l a t i o n a n d v i s u a l a n a l y s i s w e r e c o n d u c t e d o n t h e mo t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h r e e g r o u p s e x p o r t b all v alv e a n d t h e fl o w fi e l d o f t h e r o t o r p u mp ． Mo v e me n t p ara me t e m c u r v e o f e x p o r t b all v a l v e a n d fl o w fi e l d d i s t ri b u t i o n o f r o t o r p u mp we r e o b t a i n e d ． S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t s p e e d ，l i f t a n d f o r c e o f t h r e e g r o u p s b all v a l v e a r e p e rio d i c a l c h a n g e s w i t h t h e r o t a t i o n o f t h e r o t o r ． B e c a u s e o f t h e d i ff e r e n c e s o f t h e i n i t i a l a n d b o u n d a r y c o n d i t i o n s ，t h e o b t a i n e d c u r v e s an d the ma t h e ma t i c al mo d e l c u r v e s o f t h e b all v alv e are d i f f e r e n t ，b u t t h e c h a n g e t r e n d s are c o n s i s t e n t ；i n t h e r o t o r mu t u al e n g a g e me n t a r e a s ，p r e s s u r e v alu e i s t h e mi n i mu m a n d g r a d i e n t c h an g e i s t h e ma x i mu m，a n d t h e mi n i mu m i s als o c h a n g i n g w i t h t h e r o t a t i o n o f t h e r o t o r ． Ke y wo r d s R o t o r p u mp；E x p o rt b a l l v alv e ； Dy n a mi c c h ara c t e ri s t i c s 长期 以来 ，国内外 出现 了很 多种油气 混输泵 ，有 螺杆泵 、轴流泵 、液环泵 、叶片泵 、转子泵等 ⋯。但 在含气量较大工况 时 ，上述 油气混 输泵极易产生气阻 失效。针对传统混输泵 产品存在的缺陷，提出了一 种新型 内压缩转 子式 油气 混输泵。通过在该泵 出口处 增设 3组 出口球 阀 ，从而消 除了气 阻 ，增 添了内压缩 特性 ，提 高 了油气 混输 功 能 与泵 效率 ，且 可 防止 回 流、降低冲击噪声。 鉴于目前尚无转子泵出口球 阀理论与设计技术， 拟应用动态数值模拟的相关理论及借鉴往复泵球阀最 新发展成果 ，根据转 子泵工作特性 ，对转子泵 出口球 阀在 实际工作 过程 中的运动情况和 内部流场 的分布情 况进行仿真分析与可视化研究，揭示转子泵出口球阀 的运动规律，为其理论分析与设计提供参考和借鉴。 1 球阀运动规律的数学模型 为便 于 对 转 子 泵 出 口球 阀运 动 规 律 的 数 学 模 型 进行理论研究 ，假设 1 不考虑流体在液缸内流动的摩阻损失； 2 液缸内各点的流体压力及密度都相同； 3 流体动力学封闭方程为均熵流场 ； 4 不考虑泵腔内的余隙容积； 5 不考虑液缸 、转子 的变形 。 选择实型转子泵球阀的结构如图 1 所示。根据球 阀运动微 分方程 、液缸 内流体 流动微分方程及初始条 件 ，可推导出描 述球阀运动规律 的数学模型 。其常微 分方程组如下 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 2 5 作者简介张生昌 1 9 5 6 一 ，男，学士，教授级高级工程师 ，主要从事多相流泵的理论研究与产品开发。Em a i l s x b j y a n g l i n 1 6 3 ． c o m。 7 6 机床 与液压 第 4 2卷 f 却 一警 一 警 [ ]啬 I 一 g I d t m 一 匪 薯 图 1 球阀结构示意图 球阀的仿真条件如下阀座孔半径 r 0 ． 0 3 2 I l l ， 阀座半 锥角 6 4 5 。 ，阀座倒 角长度 Z 0 ． 0 0 5 m；阀球 半径 R 0 ． 0 4 5 m，阀 球 材 质 钢 的密 度 P 7 8 5 0 k g ／ m 。液压油 密度 P 8 5 6 k g ／ m 。 利用 MA T L A B软件 ，采用龙格一库塔方法对 上述微分方程组进行数值计算 ，求解得球阀升程、速 度 随时间的变化 曲线分别如 图 2 、图 3所示 。 2 1 ． 8 胄 1 ． 6 曼1 ． 4 鸯l _ 2 驰1 术0 ． 8 衢 0 ． 6 匿0 ． 4 0． 2 0 f 昌 酱 匿 图2 数值计算阀球 图 3 数值计算阀球 升程变化曲线 速度变化曲线 分析以上变化曲线图可知随着排液过程的进 行，阀球的升程越来越大，但升程变化速率减小，当 阀球达到最大升程 以后 ，将悬浮于升程最大值附近的 某一固定高度；在球阀开启瞬间，阀球获得很高的开 启速度而呈跳跃式开启，此后，阀球速度逐渐减小， 当阀球达到最大升程时，速度近似减小为零且保持恒 定 。 2 实体建模与阀球动态特性分析 2 ． 1 实体 建模 该泵的仿真条件如下 转子外径 R 0 ． 1 6 m，转 子 内径 r 0 ． 0 9 5 m，转子宽度 B 0 ． 1 2 m，转 子外圆 包角 8 8 。 ，内 圆包 角 O ／ 8 4 。 ；泵 转 速 ／t 5 0 0 r ／ m i n ，泵流 量 为 Q8 0 m ／ h ；进 口压 力 P 0 ． 3 MP a ，出 口压力 P d 1 ． 5 M P a 。 根据转子泵及出口球阀的结构设计总图，且考虑 到实际数值模拟的可行性与真实性，将实体的计算模 型合理简化为二维模型，利用 C A D建立模型，再利 用 F L U E N T前处理软件 G A M B I T生成转 子泵及 出 口球 阀的计算 网格 ，同时用 F L U E N T软件所提供 的动 网格 技术以及用户 自定义函数 U D F 进行动态仿真计 算 。动态模拟的流体计算区域 网格划分如图4所 示 。 阀球 阀球 球 3 图4 流体计算区域网格划分 2 ． 2 阀球动态特性分析 对 F L U E N T计算得到 的数据进 行分析 ，得 到 3组阀球的速度、升程、受力 曲线 ，分别如图 5 、6 、 7所示 。 第 l 6期 朱佳炜 等 基于VC 的烟流排管架控制系统设计 1 2 3 4结 论 烟流排管架运动控制系统在现场调试的过程 中， 进行 了指 定 位 移 下 的运 行 ，如 5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 、 3 o o o m m等位移状况下的运行情况。如表 1 所示。 表 1 烟流排管架直线运动机构运行时测得数据值m m 由表 1可知，运动位移误差值在 0 0 ． 2 m m之 间 ，满足项 目的设计任务书要求的定位精度。调试运 行证实了烟流排管架运动控制机构在硬件和软件的 设计上都能够较好地满足烟流排管架控制系统要求 ， 并具有 良好的可靠性和稳定性。 5讨论 限于各种主观客观原因，文中的研究还存在很多 的不足 ，有待于未来进一步开展 的研究 1 在 运动 机构 的功 能设 置 中 ，只 考虑 了以梯 形曲线为主的运动方式，而在实际情况中，三角形曲 线和 s 形曲线也较为常见，因此在这方面需要进一步 拓 展 ； 2 对于运动控制系统的总体方案，没有在直 线 运动机构上安装直线位移传感器 ，从而没有 能够 实 现位移精度 的在线交互标定 。 3 该运动控制系统通过增量式脉冲编码器来 实现位置反馈。由于增量式脉冲编码器在长期工作 中 会出现累计误差且断电后其位置信息将重新计数，以 至于该运动控制系统在实际工作时需要时刻保存当前 位移值和经过一定时间间隔后进行回零点操作，这个 给实际操作带来了一定的不便。 参考文献 [ I ]高煊， 何广平． 基于 V C 的四轴运动控制卡软件系统 开发研究[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 9 6 2 5 2 8 ． [ 2 ]蒋书运， 祝书龙． 带滚珠丝杆副的直线导轨结合部动态 刚度特性[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 0， 4 6 1 9 2 9 9 ． [ 3 ]武永利． 滚珠丝杠的选用与校核[ J ] ． 机械制造与研究 ， 2 0 0 3 5 4 1 4 3 ． [ 4 ]陈曼龙． 滚柱丝杠副的结构形式及选用[ J ] ． 机械工程 师， 2 0 0 7 1 0 1 1 21 1 3 ． [ 5 ]孙鑫． V C深入详解 [ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ]周超， 殷爱华 ， 冯虎田． 滚珠丝杠副综合性能动态测量系 统设计[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 2 4 3 2 3 5 ． [ 7 ]周宏斌， 宋现春， 姜洪奎． 基于 P C I 数据采集卡的滚珠丝 杆螺距误差动态测量系统[ J ] ． 组合机床与自动化加工 技术， 2 0 1 1 9 6 3 6 6 ． [ 8 ]关林君， 裴海龙 ， 贺跃帮． 基于运动控制卡的两轴转台控 制系统研究[ J ] ． 计算机工程与设计， 2 0 1 1 ， 3 2 3 8 6 3 8 6 6 ． [ 9 ]北京阿尔泰科技发展有限公司． P C I 1 0 1 0运动控制卡硬 件使用说明书[ 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