基于正交试验的高频电磁泵单向阀优化设计

吴永海，包海涛

（淮阴工学院交通工程学院，江苏 淮安 223003）

1 引言

在汽车、国防、航空航天等领域，由于技术的更新换代，对于往复泵在此领域应用朝着小型化、智能化、易于控制等方向发展[1]。论文研究的高频电磁泵是一种往复式柱塞泵，动力端采用一种新型电磁铁直接驱动活塞，和传统往复泵相比，省去中间传动机构，从而大大降低了机械摩擦损失，提高了泵工作可靠性与传递效率[2]。

单向阀在液压系统中，起到单向配流的作用，是核心部件。随着CFD 技术的发展，对于单向阀的设计和研究越来越成熟，使得流体的流动和阀芯之间复杂的流固耦合运动研究成为可能，为单向阀的设计分析奠定基础。文献[3-5]应用建立理论数学模型的方法，确定单向阀的开启程度对流量性能的影响。文献[4-6]研究了弹簧劲度系数对单向阀性能的影响，发现劲度系数越大，阀滞后关闭角减小，阀滞后高度降低。文献[7]应用CFD 技术对单向阀进行了流动数值模拟，分析了单向阀压力场和速度场，同时应用动网格技术研究了单向阀阀芯开启过程。然而对于高频电磁泵中的单向阀性能对于泵性能的研究较少，由于高频电磁泵工作频率高，对于单向阀的性能提出了更高的要求。针对高频电磁泵高频响应特点，针对单向阀结构特性，并通过CFD 瞬态仿真分析模型以及单向阀参数分析，深入研究了单向阀结构参数对电磁泵流量特性的影响，对单向阀参数进行设计优化，为提升高频电磁泵的性能奠定基础。

2 电磁泵结构及原理

2.1 工作原理

高频电磁泵采用单体往复式柱塞泵结构，其工作原理是某种新型电磁铁往复运动带动柱塞在活塞腔内往复直线运动，活塞腔体积做膨胀和压缩变化，进、出口单向阀交替打开与关闭，完成吸液和排液过程。其电磁结构示意图，如图1 所示。

2.2 单向阀方案设计

单向阀在电磁泵中作配流阀使用，单向通流的作用。根据电磁泵的高频响应特性，保证进、出的单向阀之间的匹配关系，以及零部件的工艺性和经济性，进、出口单向阀皆采用立柱式阀芯单向阀，实物图和工作示意图，如图2、图3 所示。

图2 立柱式阀芯单向阀实物图Fig.2 Physical Map of Check Valve

图3 立柱式阀芯单向阀原理结构示意图Fig.3 Column-Type Check Valve Principle Structure Schematic

3 网格划分和初始条件

研究对象为进、出口单向阀结构参数对高频电磁泵性能的影响。首先对高频电磁泵的工作原理和电磁泵内部结构进行简化处理，然后建立几何模型。为了减少动网格更新的数量，在Gambit建立了包括进液口、活塞腔、进、出口单向阀运动区域、出液孔道、出液口的电磁泵几何模型，并在运动区域划非结构网格，在非运动区域划分结构网格，为获得好的求解精度，并在局部区域进行细化网格，网格如图4 所示。

进、出口单向阀的运动规律是主要受液体压力变化和弹簧压缩变形后产生的弹簧力共同作用，促使阀芯打开和关闭。

在CFD 仿真软件FLUENT 中，根据流固耦合的基本理论和方法，借助DEFINE_CG_MOTION 宏来定义阀芯速度边界条件。受力情况可由牛顿第二定律来描述：

式中：m—单向阀阀芯质量；

v—阀芯运动速度；

Fflow—工质液体对单向阀阀芯的作用力；

Δp—阀芯上下表面压差；

Ac—阀芯有效作用面积，Ac=πD2/4（D 为有效直径）；

Fspring—弹簧变形后产生的弹簧力。

图4 数值模型网格划分示意图Fig.4 Diagram of Mesh Division of Numerical Model

4 正交试验

正交试验设计（Orthogonal Design）是利用基于正交表来安排与分析多因素试验的一种方法。利用数理统计与正交性原理相结合，能够合理安排多因素试验、降低试验次数、缩短试验周期、避免盲目性的一种科学方法。

正交试验设计方法最基本的术语为：

（1）试验指标，是试验考查的依据，为试验结果的特征量，试验过程中的因变量；

（2）试验因素，是试验研究过程中的自变量，是对试验产生影响的对比条件，通过分析可以得出因素对试验结果产生的影响大小，常用大写字母 A、B、C、D、E 等来表示；

（3）因素水平，是指试验中因素所处的具体状态或者情况，各因素在试验中所需要考虑的集中状态；

（4）交互作用，因素之间水平搭配对实验指标产生的影响[8]。

应用正交试验设计的方法探究单向阀参数对高频电磁泵流量特性的影响规律。

5 正交试验方案设计

由于进、出口单向阀皆采用相同规格的立柱式阀芯单线阀，针对出口处的单向阀参数进行研究。其中在单向阀在泵中做配流作用时，影响高频电磁泵流量特性的因素主要有，阀芯圆盘与出液孔直径的径孔比λ、单向阀阀芯的行程s、单向阀阀芯的质量m、以及弹簧刚度k 等。通过分析研究选取以下单向阀的结构参数作为试验因素：阀芯圆盘与出液孔直径的径孔比λ（A），单向阀阀芯的行程s（B），弹簧刚度k（C），通过以下试验可以得出上述单向阀几何参数对高频电磁泵净输出流量的影响规律。所选因素，如表1 所示。选用选择正交表L9（34）安排试验仿真，确定试验方案，如表2 所示。

表1 正交试验因素水平表Tab.1 Orthogonal Test Factor Level Table

表2 正交试验组合方案Tab.2 Orthogonal Test Combination Scheme

6 正交试验结果分析

评价指标选取高频电磁泵出口的经输出流量Q，9 个单向阀结构参数的高频电磁泵数值模拟结果，如表3 所示。为了评价3个单向阀因素对高频电磁泵流量特性的影响，寻找原因并优化方案，对正交实验进行了极差分析结果，如表4 所示。

表3 单向阀正交试验结果Tab.3 Orthogonal Test Results of Check Valve

表4 泵流量极差分析结果Tab.4 Analysis Results of Pump Flow Extreme Difference

图5 泵流量随单向阀参数水平的变化趋势Fig.5 Pump Flow Rate Changes with the Check Valve’s Parameter Level

从图6 可知，在出口单向阀开启之前，存在一定程度的跳动，原因是在单向阀阀芯开启之前，由于进口单向阀的和活塞腔内的结构特点，泵内流场的流体存在波动性，波动的冲击力作用在阀芯促使阀芯产生一定波动。极差分析结果，如表4、图5 所示，通过泵流量极差趋势R 可以看出，决定高频电磁泵净输出流量的因素因子主次顺序为C>B>A，即依次为单向阀弹簧的刚度、单向阀的行程、径孔比。最佳水平组合为A1.033B2.5C8000，根据单向阀因素水平对高频电磁泵性能的影响大小，对单向阀结构进行设计优化。

图6 不同组合单向阀的位移曲线Fig.6 Displacement Curves of Unidirectional Valves with Different Combinations

7 优化方案分析与试验验证

根据经过单向阀阀的正交试验设计得到的最佳单向阀方案，加工该参数的单向阀，并组装高频电磁泵样机。流量测试试验在高频电磁泵的流量特性测试平台上进行，如图7 所示。测试方法为：通过调节电磁泵控制系统，使高频电磁泵在50Hz 频率下正常工作，当其流量稳定的情况下，在精度为0.1g 的电子称上读取1min 泵稳态流量，并重复电磁泵测试10 组实验数据，取平均值并通过换算关系得到高频电磁泵单周期流量并与仿真计算得到的出口净输出流量相对比。

图7 高频电磁泵流量测试平台Fig.7 High-Frequency Electromagnetic Pump Flow Test Platform

图8 进口与出口的液体质量流量Fig.8 Liquid Mass Flow of Import and Export

由于已知方案中未有最佳方案单向阀的高频电磁泵瞬态仿真分析的组合，根据单向阀的参数在FLUENT 进行分析，得到的进出口流量曲线，如图8 所示。对曲线积分后可以得到仿真值为1.76g，与试验中最小值1.496g 同比增加了17.65%。通过实验测得值为1.59g，仿真值相比误差为9.65%。由于高频电磁泵样机装配以及试验中测试的误差，上述误差在合理范围之内，验证了仿真模型的准确性，可知通过正交试验设计优化后的单向阀可以有效地提升高频电磁泵的性能。

8 结论

根据流体力学理论对电磁泵动态特性进行了研究分析，建立流量测试试验平台，验证了仿真模型可行性，并应用正交试验设计的方法对单向阀进行了优化设计，研究了单向阀结构参数对电磁泵特性的影响。通过正交试验的结果表明，确定单向阀的径孔比为1.033、行程为2.5mm、刚度为8000N/mm 时，能够使进出口单向阀参数进行匹配，泵的净输出流量同比增加17.65%，有效地提升高频电磁泵的性能，也为高频电磁泵的进一步应用打下基础。