对峙式乳化液泵液力端特性仿真研究

张金龙，薛朝文，周哲波

(1.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室，安徽 淮南 232001)

随着国民经济发展，煤炭开采的机械化程度越来越高，注重煤炭产量的同时更要重视煤矿生产安全，乳化液泵作为井下液压支架的动力源，它在机械化采煤安保工作中具有十分重要作用，乳化液泵性能的好坏将直接影响到综采效率的高低[1-3]，BRW400/31.5型对峙式乳化液泵采用曲柄双连杆结构的新型乳化液泵，它的稳定应用将为乳化液泵设计提供新的思路。

1 对峙式乳化液泵的工作原理

矿用乳化液泵传动结构为典型的曲柄连杆滑块机构，外部电机带动曲轴旋转推动连杆，转化为柱塞直线往复运动，从而实现乳化液泵吸、排液的功能[4]。与现有乳化液泵采取的单曲拐单柱塞结构型式不同，新型BRW400/31.5对峙式乳化液泵采用单曲柄双连杆结构，即曲轴上同一曲拐水平对称放置两个连杆，该乳化液泵由三组同结构曲柄双连杆机构组成，电机带动曲轴旋转每60°则有一柱塞行程达到极值完成吸液或者排液，曲拐绕曲轴轴线旋转一周对称布置的连杆带动柱塞各完成一次吸排液，增强泵体运行平稳性，降低振动产生的噪声，在同等排量和压力下由于布置紧凑缩小了泵体尺寸(与传统同排量压力的乳化液泵相比体积缩小30%～40%)，提升能量利用率，更少的占用井下可操作的有限空间[5]，已制样机如图1所示。

图1 对峙式乳化液泵样机

2 对峙式乳化液泵系统仿真

曲柄双连杆结构在一些设备上应用已很成熟，在矿用乳化液泵上尚未应用，除研究传动结构外液力端稳定性研究工作也很迫切，选用AMESim对对峙式乳化液泵系统进行仿真，AMESim(LMS Imagine.Lab AMESim)软件是由法国IMAGINE公司研发应用于多学科领域的高级工程建模仿真软件。该软件拥有一套4 500个多领域模型的标准应用库，用户在模型库中选择相匹配的模型组成所要分析的系统，可以在组成的系统中对单个元件或系统的稳态等多性能进行研究，AMESim定位于工程实际应用，广泛应用于液压系统、制动系统、燃油喷射、动力传动、冷却系统和机电系统。它让使用者更专注于谖锢硐低本身的设计摆脱繁琐的数学建模，迅速达到建模仿真的目的，还可对使用者的设计进行分析和优化，从而缩短开发周期，降低开发成本[6]。

2.1 建立对峙式乳化液泵模型

启动AMESim后软件进入草图设置模式(Sketch模式)，在当前模式下创建BRW400/31.5型对峙式乳化液泵液压系统的仿真模型，该乳化液泵是由柱塞、连杆、曲轴、进液阀和排液阀等组成的三曲拐六柱塞卧式泵，添加其它必要的液压元件，在子模型模式(Submodels模式)中根据泵的实际工况给每个元件设置子模型，组成液压系统仿真模型[7-9]，如图2所示。

图2 对峙式乳化液泵液压系统模型

2.2 模型参数设置

系统搭建完成之后，进入Parameter模式给每个子模型设置对应的真实参数。BRW400/31.5型对峙式乳化液泵采用三曲拐六柱塞卧式结构，其主要参数见表1所示。

表1 对峙式乳化液泵主要技术参数

在对峙式乳化液泵液压模型的参数设置时，吸、排液阀相关具体参数的设置对系统仿真的结果影响很大，设定吸(排)液阀直径为51mm、吸(排)液阀阀杆直径为0mm、吸(排)液阀质量为0.1kg、吸(排)液阀的弹簧刚度为2N/mm、弹簧行程为4mm。曲轴转速、曲柄半径、柱塞直径按照表1设置。

2.3 运行仿真

参数设置过后即可进入运行仿真模式，将仿真运行时间设定为0.6s，设置通信间隔为0.001s后开始运行，得仿真结果如下：

(1)图3为对峙式乳化液泵曲柄连杆柱塞机构中的一组，在正常工作状态下柱塞位移与吸液阀开启量随时间变化曲线，从图中观察可知两条曲线呈现出规则性周期变化，吸液阀在启闭时有滞后性，开启时滞后0.011s；关闭时滞后0.03s。图4为该柱塞与相配合的排液阀的变化曲线，从图中观察两条曲线同样呈规则性周期变化，排液阀的启闭也存在滞后的情况，开启时滞后0.018s；关闭时滞后0.021s。分析可知：吸(排)液阀产生滞后的主要原因是由乳化液(5%的油和95%的水混合而成)具有可压缩性引起的，同时也受曲轴转速、阀芯重量和阀芯上弹簧预紧力的影响。吸、排液阀启闭的滞后直接影响乳化液泵的流量，滞后时间越长流量损失就越为严重。液力端表现如下：当对峙式乳化液泵六柱塞处于排液开始与吸液终止瞬间，由于吸液阀的滞后关闭就导致有部分乳化液沿着吸液阀体缝隙倒流回液箱；当柱塞处于吸液开始与排液终止瞬间，由于排液阀的滞后关闭就导致有部分乳化液沿着排液阀阀体缝隙倒流柱塞液腔内，两个时间段均造成流量损失。

图3 吸液阀开启量与柱塞位移曲线

图4 排液阀开启量与柱塞位移曲线

图5 对峙式乳化液泵流量曲线

(2)图5为对峙式乳化液泵流量曲线图，乳化液泵总流量稳定在400L/min左右，保持与额定流量基本一致，通过计算可得三曲拐六柱塞对峙式乳化液泵的容积效率为98.1%，完全符合国家煤炭行业关于煤矿用乳化液泵容积效率的规定(MT/T1882.2-2000)，公称压力在25～31.5MPa之间的乳化液泵满载时容积效率不低于91%[10]，由此可知，新型结构的对峙式乳化液泵结构紧凑，运动平稳，满足生产需要。

3 液力端流场分析

阀芯的启闭滞后严重影响泵的流量，同时它的结构设计会影响自身使用寿命和泵体振动噪声[11]，采用Fluent对液力端重要核心部件阀芯进行锥顶角优化，Fluent是目前非常流行的CFD(计算流体力学)软件包，用于模拟各种复杂流动问题与物理现象，它具有强大的前处理及分析后处理功能且内置丰富多样的先进数值算法和物理模型。在航空航天、汽车设计、石油天然气工业、涡轮机设计等领域都有广泛的应用[12]。

在AutoCAD中绘制简化后的阀隙流场(阀芯上移最大高度4mm)，并保存处理后保存为ACIS (*.sat)文件，将保存文件从GAMBIT中打开，用三角形网格和四边形网格进行网格划分，指定必要边界条件后导出Mesh(.msh)文件保存。选择二维单精度求解器后读入Mesh文件，选择流体类型为水，入口流速设置为2.26m/s，对当前排液阀阀芯(阀芯锥顶角90°)流场仿真结果如图6所示，通过图中可以看出流场速度最大处在阀芯底部拐角处，该处不断的受液体的反复冲击磨损最为严重，同时也严重影响了阀芯启闭时的密封性能。为进一步研究阀芯锥顶角对阀隙流场的影响达到优化设计的目的，在保持阀芯主要参数不变的情况下分别设计选取锥顶角为60°和120°，仿真分析后的流场速度云图如图7～图8所示。

图6 锥形阀(顶角90°)阀隙流场速度云图

图7 锥形阀(顶角60°)阀隙流场速度云图

图8 锥形阀(顶角120°)阀隙流场速度云图

经比对可知：图8中120°锥顶角阀芯底部拐角处流场速度最小，受冲击力也最小，延长阀芯使用寿命、降低泵体振动噪声，在当前流速和压力下更适合对峙式乳化液泵。

4 结语

通过AMESim软件对新型对峙式乳化液泵液压系统进行仿真，获得吸、排液阀运动与柱塞运动的关系，分析得出吸、排液阀滞后的原因主要是由乳化液具有可压缩性引起，同时受曲轴转速、阀芯质量和阀芯上弹簧预紧力等因素的影响。通过泵的流量曲线计算出泵的容积效率为98.1%完全符合国家煤炭行业的规定，仿真的结果与试制样机实测情况基本吻合，在同等压力流量下三曲拐六柱塞新型对峙式乳化液泵占用空间少，与传统同排量压力的乳化液泵相比体积缩小30%～40%，结构更为紧凑，在井下生产中优势更为明显，同时运用Fluent对液力端重要核心部件阀芯进行锥顶角优化，得到当前压力、流量下不同锥顶角度的流场速度云图，比对后认定120°锥顶角最为合适，上述结果为对峙式乳化液泵的推广和进一步整体优化设计提供依据。