海水柱塞泵动态性能的仿真研究

　　座阀配流式径向柱塞泵具有密封性能好、对污染不敏感,输出压力高等优点。但是当采用海水为介质时,常常会出现吸入不足、效率低下和流量脉动大等问题。这主要是由于柱塞直径和行程与配流阀的弹簧刚度、预紧力、阀芯结构、泵转速等不相匹配,以及进口压力过低所导致的。为了使泵获得最佳性能,必须通过仿真对上述参数进行优化,得到一个最佳匹配关系。作者以自行研制的三柱塞海水柱塞泵为例,建立仿真模型,通过仿真研究上述参数对泵的容积效率以及自吸能力的影响,建立上述参数之间的匹配关系。

　　1 海水柱塞泵的结构原理

　　图1所示为阀配流式柱塞泵的结构图,电机带动曲轴旋转,曲轴上三个曲柄互成120b,连杆套在曲轴上,与柱塞通过螺钉铰接,使曲轴的旋转运动转换为柱塞的直线运动。泵头每个柱塞端分别有两个配流阀,一个作为进水口,一个作为出水口。当柱塞在连杆的带动下朝右运动时,柱塞腔内产生局部真空,使进水口单向阀开启,海水被吸入柱塞腔内。当柱塞在连杆的带动下朝左运动时,柱塞腔容积减小,被吸进的海水受压,推动出水单向阀开启,排出海水。

　　2 海水柱塞泵仿真分析

　　2.1 建立模型 

　　在AMESim的草图模式下建立海水柱塞泵液压系统的仿真模型。考虑了海水柱塞泵的具体要求,完成了系统模型的搭建,然后在子模型模式中根据实际需要为每个元件选择了一个数学模型,即子模型,建立如图2所示的海水柱塞泵模型。

　　2.2 设置参数

　　在参数模式下为每个子模型设置参数。设计的海水柱塞泵主要参数如下:额定流量4 L/min,最高压力10MPa,电机功率0175 kW,电机转速3 000 r/min,柱塞数目3个,柱塞行程4 mm,柱塞直径12 mm,工作液为海水。

　　设定初始仿真参数如下:海水汽化压力为01012MPa (相对压力时表示为-01088 MPa),海水密度1 000 kg/m3,柱塞直径12mm,行程4mm,吸入/排出阀直径10mm,吸入/排出阀弹簧刚度3N/mm,初始预压力3 N,阀芯质量413 g,阀芯开度015 mm,锥阀直径10mm,锥长3mm,半锥角30b,泵吸入排出压力均为大气压。

　　2.3 典型实例的仿真

　　在运行模式中设置运行时间为011 s,采样周期为01001 s。点击开始运行,得到如图3)5所示的仿真结果。

　　可以看出,按上述参数设计的柱塞泵存在以下几个问题:

　　(1)当柱塞腔吸液时随着腔内压力的降低,会导致海水汽化现象的发生。

　　(2)泵的排出流量小,容积效率低,脉动大。分析上述仿真曲线可知:导致气蚀发生的原因,主要是由于海水的汽化压力高,而泵的进口压力设为大气压,比较低,所以当泵吸入时很容易就达到了海水的汽化压力使其汽化。而泵容积效率低、脉动大的一个原因是由水的汽化引起的,而另外一个原因则是由于吸入/排出阀的弹簧、阀芯结构与泵的输出流量不匹配所导致的。下面通过提高泵的进口/出口压力、改变弹簧参数和阀芯结构进行仿真,对泵的性能进行优化。