一种乳化液泵的变量方式探讨

袁利才

(中国煤炭科工集团太原研究院，山西太原 030006)

一种乳化液泵的变量方式探讨

袁利才

(中国煤炭科工集团太原研究院，山西太原 030006)

介绍了一种卧式五柱塞变量乳化液泵的结构及其变量控制原理，对变量过程中的主要受力部件曲轴进行了有限元分析，同时利用AMESim对变量过程中泵的流量脉动进行仿真分析，重点分析了该结构的可行性与实用性。

乳化液泵;变量;有限元分析;AMESim

乳化液泵是井下综采工作面液压支架的动力源，随着综采技术的发展，要求矿用乳化液泵的流量及压力不断增大，但综采面液压支架的用液量是随机变化的，为了保持供液压力相对稳定，乳化液泵工作时通常采用外置卸载阀进行间断性的加载、卸载。此时卸载阀以泵的全流量工作，不断的开关动作会对系统以及泵本身造成较大的压力冲击，产生振动和噪声，降低了设备的寿命。现在有一种发展趋势是将变频技术引入泵站，通过控制电机转速来改变泵的流量 (可达额定流量的55%～100%)，但在系统所需流量为额定流量的55%以下时仍需要使用外置卸载阀卸载，成本较高、控制系统复杂。因此，研究一种本身能够变量的乳化液泵具有一定的实用价值。

1 变量乳化液泵的结构及控制原理

1.1 变量乳化液泵的结构

乳化液泵的变量方式是通过改变柱塞的有效工作数量而实现变量，具体实现方式是通过将吸液阀芯屏蔽实现内卸载从而使泵变量工作。其原理如图1所示:排液阀芯由于系统液压力而闭合，当控制阀口无压力油进入时，控制阀杆顶开吸液阀芯使吸液阀处于常开状态，柱塞吸入乳化液后又从吸液口排出，处于卸载状态。从而使变量泵的流量可以达到额定流量的60%、80%及100%，当系统不需要乳化液时还可实现完全空载。

图1 变量乳化液泵的结构图

1.2 变量乳化液泵的控制原理

该变量泵采用电液控制方式有以下几种状态实现流量的改变，其原理如图2所示，有以下几种状态: (1)空载状态，当电机工作时，各电磁阀未通电的情况下，控制阀杆顶开吸液阀芯，泵处于空载状态，此时只消耗很小的能量，达到了节能的目的;(2)加载状态，二位三通电磁阀1通电，当需要较小流量时，给电磁阀2通电，润滑泵提供的压力油经过液控换向阀5进入控制阀8、9、10，油压大于弹簧弹力时使控制阀杆回缩，相应的吸液阀芯及泵头正常吸排液，此时流量可以达到额定流量的60%;同理，当电磁阀3或4也通电时流量可达到泵额定流量的80%;电磁阀3与4同时通电时排出额定流量。

图2 变量乳化液泵的控制原理图

2 泵变量时曲轴各曲拐的空间分布

该变量泵额定流量为500 L/min，额定压力为31.5 MPa。当其变量为400 L/min时，按电机功率计算其最大压力可达39.38 MPa;当变量为300 L/min时，其压力甚至可以达到52.5 MPa。但在实际工作中系统最高压力为40 MPa，因此在以下的仿真中柱塞端压力按最高40 MPa设置。柱塞行程为76 mm、柱塞直径为55 mm，泵的转速为600 r/min，则泵的理论流量为541.69 L/min。

五柱塞泵正常工作时，其曲拐空间分布为:曲拐2、3、4、5与曲拐1的角度分别为144°、288°、72°、216°。确定曲拐空间分布的最重要依据是曲轴的受力情况是否合理，下面对变量时泵的曲轴受力进行仿真分析。

2.1 泵流量为额定流量60%的情况

当泵流量为额定流量的60%时，只有3个柱塞端加载压力，根据曲拐最佳空间分布总共有五种组合分别为曲拐1－2－5、3－4－5、1－2－3、1－4－5、2－3－4。利用SolidWorks及其动力与有限元分析插件对这5种组合进行动力学及有限元分析。得出曲轴受力情况如图3—4所示。可以看出当柱塞1－2－5加载时曲轴最大应力为141.8 MPa(与柱塞1－4－5加载时曲轴最大应力相差不到1%)，但柱塞2－3－4加载时曲轴最大应力为253.6 MPa(与柱塞3－4－5、1－2－3加载时曲轴最大应力相差小于10%)。限于篇幅这里只列出柱塞1－2－5与2－3－4加载时曲轴应力图。

图3 柱塞1－2－5加载时曲轴应力图解

图4 柱塞2－3－4加载时曲轴应力图解

因此，当泵流量为额定流量的60%时，最好使柱塞1－2－5或1－4－5加载，这样就能减小曲轴应力，另外，曲轴所用材料的屈服强度为930 MPa，故曲轴是安全的。

2.2 泵流量为额定流量80%的情况

当泵流量为额定流量的80%时，只有4个柱塞端加载压力，根据2.1节分析结果，总共有3种最优组合分别为曲拐1－2－3－5、1－2－4－5、1－3－4－5加载。通过仿真分析得出曲轴受力情况，从图5—7中可以看出当柱塞1－2－3－5加载时其曲轴最大应力为232 MPa，相比柱塞1－2－4－5或1－3－4－5加载时约为170 MPa的曲轴应力大了很多。故当所需流量为额定流量的80%时，柱塞1－2－4－5或1－3－4－5加载时曲轴应力最小。

图5 柱塞1－2－3－5加载时Von Mises应力表

图6 柱塞1－2－4－5加载时曲轴Von Mises应力表

图7 柱塞1－3－4－5加载时曲轴Von Mises应力表

3 变量时流量特性分析

运用AMESim软件对乳化液泵的流量特性曲线进行仿真分析，可以得出泵变量时的流量曲线，为泵的优化设计提供依据。

3.1 额定流量时，泵的流量曲线

图8所示曲线为五柱塞全部加载时泵的流量曲线，可以看出总的流量曲线基本稳定，其值在理论值541.69 L/min的6.2%范围内波动。

图8 额定流量时，泵的流量曲线

3.2 流量为额定值60%时的流量曲线

图9所示为柱塞1－2－5加载时，泵的流量特性曲线，可以看出泵的流量波动比较大，最大流量达到了534 L/min，超过了理论流量325 L/min的64%，最小流量仅为175 L/min，这是由于曲拐之间的固定相位差所导致的，这种情况下必须合理选用蓄能器来对流量脉动进行调节。

在系统排液口增设4 L的蓄能器，其进油管径为15 mm、长度为0.5 m，气体压力设置为21 MPa，进行仿真得到泵的流量曲线如图10所示。流量在理论流量的1.3%范围内波动，其脉动对泵及系统的冲击很小。

3.3 流量为额定值80%时的流量曲线

图11所示为柱塞1－2－4－5加载时，泵的流量特性曲线，可以看出其波动也很大，最大流量为550 L/min，最小流量为165 L/min。采用与第3.2节相同参数的蓄能器来重新进行仿真，其流量曲线如图12所示。在理论值433 L/min的1.2%范围内波动，泵的流量及压力脉动很小。

图11 流量为额定值的为80%时的曲线

图12 配置蓄能器后流量80%时的流量曲线

由上面3种情况分析可知:当泵变量工作时，必须配置合适的蓄能器，这样就可以很好地缓和流量及压力脉动，使泵平稳运行。

4 结论

通过以上分析及讨论可以得出如下结论:(1)通过内卸载方式可以很方便地实现泵的变量控制，卸载冲击小、结构简单;(2)通过仿真分析，可以得出变量时最佳的柱塞加载工作方式，这有利于泵的长期运行;(3)变量时，泵的流量脉动很大，对泵及系统的运行非常不利，但配置合适的蓄能器后，其流量及压力脉动就会控制在合理的范围内;(4)在井下单泵流量满足最大流量要求，但又要求小范围变量的时候可以使用这种变量泵;(5)这种变量泵再通过变频器调速，其流量可以达到泵额定流量的33%～100%，变量范围更广。总的来说，这种变量泵大大降低了系统成本及系统控制难度，有很好的推广应用价值。

［1］商广辉，戴陶珍.乳化液泵站的变频控制系统［J］.煤矿机械，2010，3(3):152－154.

［2］江玲玲.基于AMESim的液压系统动态特性仿真与优化研究［D］.绵阳:西南科技大学，2007.

［3］李玉涛，裴守智.两级变量卧式三柱塞泵的研制［J］.煤矿开采，1996，9(3):26－27.

A Variable Mode Study of Emulsion Pump

YUAN Licai
(Taiyuan Institute，China Coal Technology and Engineering Group，Taiyuan Shanxi 030006，China)

The structure and variable control principle of a kind of horizontal five plunger variable emulsion pump were introduced.The finite element analysis(FEA)was made for the crankshaft which bearing the main loads，at the same time，the flow fluctuation was analyzed with simulation by using AMESim while variable pump working.The feasibility and practicability of this structure were analyzed mainly.

Emulsion pump;Variable;Finite element analysis;AMESim

TH137

A

1001－3881(2014)9－121－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.033

2013－04－23

袁利才 (1975—)，男，硕士，高级工程师，主要从事矿用乳化液泵站及液压元件的设计与开发。E－mail: wangjunxiuygp@163.com。