基于射流原理的液压泵补油装置特性研究

邓帆，刘桓龙，于兰英，柯坚，王国志

(西南交通大学机械工程学院，四川成都610031)

液压泵对液压系统的重要性与心脏对于人一样，它能为液压系统提供源源不断的动能。但为了满足特殊结构和性能的使用需求，一些液压泵具有一些“先天性缺陷”——吸油能力差。吸油能力差会降低泵的工作效率、产生气蚀现象、降低油液的流动性和增大泵的噪声和振动等。为了解决这些问题，现代工程机械运用中已有很多方法来改善泵的吸油能力。比如，为油箱配置增压装置、改进液压泵吸油口结构、将泵放入油箱液压油2/3 高液面以下或缩短吸油管长度和增大吸油管内径等。

前人的方法虽然都能让液压泵的吸油能力得到改善，但结构或系统改变较多，所需改进成本较大。为此，作者提出了射流引流的解决办法，射流补油装置拥有结构简单，安装、使用方便，成本低廉等优点。

1 原理分析

射流补油装置的运行原理是将装置安装于液压泵的吸油管路段，利用系统的溢流能量驱动装置来辅助液压泵吸油。这样可以将系统中溢流的能量回收再利用，以提高能源的利用率。补油装置的结构如图1所示。

图1 补油装置的结构原理图

补油装置的作用就是利用高能量小流量流体驱动补油装置辅助液压泵吸油，以此防止液压泵吸空。

补油装置高压油接口与系统内的溢流油液相接，用于驱动补油装置;当压力油通过喷嘴时，将会在喷嘴出口处产生一个低压区(相对于大气压)，引流接口与油箱相接，油箱内的液压油将会在大气压与喷嘴出口低压的共同作用下被压入射流装置，并且在高速流体的带动下通过出油口送至液压泵的吸油口。液压泵在补油装置的帮助下吸油能力将会得到改进，避免了液压泵由于供油不足而造成的吸空。

2 仿真与建模

影响补油装置性能的主要因素包括喷嘴直径大小、喷嘴结构形式、喷嘴前后压差和油箱接口位置等4 个方面。运用FLUENT 软件分析各因素对装置性能的影响。分析油箱接口位置对射流装置补油性能的影响时采用图1 所示物理模型，分析喷嘴对引流能力的影响时不考虑补油油路，采用的物理模型如图2所示。

图2 局部模型

利用FLUENT 软件对图1 和图2 进行仿真计算，建立的计算模型分别如图3 所示。

图3 仿真计算模型

在FLUENT 的计算中，参考油液在管道和射流流动中的计算，将会采用以下参数和计算模型:

(1)介质为ISO32 液压油;

(2)流体介质为液压油，流体为牛顿流体，不考虑重力对流动的影响;

(3)数值计算方法采用有限元体积法中常用的SIMPLE 算法，解离散方程组。为了能更好地仿真射流现象，使用k－ε realizable 模型进行仿真。

3 仿真结果及分析

3.1 装置喷嘴直径大小的影响

入口压力边界为2 MPa，出口压力边界为0.1 MPa，孔长为6 mm，介质为液压油，管径为30 mm，监控线放置在喷嘴出口管道内壁附近。

改变喷嘴直径的大小，并通过观察监控线来分析不同孔径对管内压力的影响，仿真计算结果如图4 和图5 所示。

图4 孔径变化仿真计算图

图5 孔径变化延伸仿真计算图

由图4 和图5 可知:喷嘴直径越大，喷嘴出口压力越低，但当孔径大到一定程度时，出口压力反而增加。但孔径大小对低压区所在区域的影响不大，孔径越大，流量也越大，能耗增加。

3.2 装置喷嘴结构形式的影响

借鉴资料，影响孔射流真空度的因素主要是喷嘴的形式，而喷嘴形式主要有3 种——渐缩孔、渐扩孔、直通孔，形状如图6 所示。

图6 喷嘴不同形式的模型

对这3 种形式喷嘴进行仿真计算，压力差设置为2 MPa，结果如图7 所示。

由图7 可知:在相同的条件下，渐缩孔的喷嘴出口压力要低于普通短孔和渐扩孔，渐缩孔更加符合补油装置的实际要求。

3.3 装置喷嘴前后压差的影响

利用部分模型，计算不同的喷嘴压差对喷嘴出口压力的影响，计算结果见图8。

图7 不同孔的压力计算图

通过分析，喷嘴两端压差越大，喷嘴出口压力越低，但是最低压力值的位置没有太大变化。由此计算可以知道:压差对喷嘴引射能力有显著影响。

图8 不同压差低压区的影响图

3.4 装置油箱接口位置的影响

为了更真实地模拟出油箱接口的不同位置对补油装置产生低压区的影响，仿真采用的物理模型如图1所示。

图9 不同孔边距产生的最低压力图

将孔边距设定为变量，观察不同孔边距产生的压力情况，在油箱接口的入口处设置压力监控线。设置入口压力为1 MPa，油箱入口压力为0.1 MPa，装置出口压力为0.1 MPa，比较监控线上最低压力值的大小来判断影响。仿真计算结果如图9 所示。

通过对比图9 的数据后得出:接油箱的油管位置越接近喷嘴，产生的压力值越低。所以位置越靠近喷嘴，补油装置的效果越好。

4 结论

通过对射流装置各关键影响因素进行分析，分别得出了各因素对装置性能的影响。结论如下:

(1)在相同的边界条件下，喷嘴直径越大，喷嘴出口压力越低，但当孔径大到一定程度时，出口压力反而增加。

(2)对拥有相同最小孔径的渐扩孔、渐缩孔和直通孔，渐缩孔在喷嘴出口处产生的压力值均低于普通短孔和渐扩孔，所以渐缩孔的喷嘴有利于补油装置补油。

(3)在射流装置结构不变的情况下，压差越大，在喷嘴出口处的压力就会越低，越有利于补油。

(4)当压力油管接口、供油管接口和送油管接口成T 型连接时，供油管接口离喷嘴越近，产生的压力值越低，越有利于补油装置补油。

［1］贾宗谟，穆界天，范宗霖，等．旋涡泵 液环泵 射流泵［M］．北京:机械工业出版社，1993．

［2］陆宏圻．喷嘴技术理论及应用［M］．北京:水利电力出版社，1989．

［3］沈银华，邓松圣，张攀锋．喷嘴参数对射流结构影响的数值模拟［J］．水科学与工程技术，2007(2):6－9．

［4］马飞，张文明．水射流扩孔喷嘴内部流场的数值模拟［J］．北京科技大学学报，2006，28(6):576－580．