鄧帆，劉桓龍，于蘭英，柯堅(jiān)，王國(guó)志

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

液壓泵對(duì)液壓系統(tǒng)的重要性與心臟對(duì)于人一樣，它能為液壓系統(tǒng)提供源源不斷的動(dòng)能。但為了滿足特殊結(jié)構(gòu)和性能的使用需求，一些液壓泵具有一些“先天性缺陷”——吸油能力差。吸油能力差會(huì)降低泵的工作效率、產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象、降低油液的流動(dòng)性和增大泵的噪聲和振動(dòng)等。為了解決這些問題，現(xiàn)代工程機(jī)械運(yùn)用中已有很多方法來改善泵的吸油能力。比如，為油箱配置增壓裝置、改進(jìn)液壓泵吸油口結(jié)構(gòu)、將泵放入油箱液壓油2/3 高液面以下或縮短吸油管長(zhǎng)度和增大吸油管內(nèi)徑等。

前人的方法雖然都能讓液壓泵的吸油能力得到改善，但結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)改變較多，所需改進(jìn)成本較大。為此，作者提出了射流引流的解決辦法，射流補(bǔ)油裝置擁有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝、使用方便，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

1 原理分析

射流補(bǔ)油裝置的運(yùn)行原理是將裝置安裝于液壓泵的吸油管路段，利用系統(tǒng)的溢流能量驅(qū)動(dòng)裝置來輔助液壓泵吸油。這樣可以將系統(tǒng)中溢流的能量回收再利用，以提高能源的利用率。補(bǔ)油裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 補(bǔ)油裝置的結(jié)構(gòu)原理圖

補(bǔ)油裝置的作用就是利用高能量小流量流體驅(qū)動(dòng)補(bǔ)油裝置輔助液壓泵吸油，以此防止液壓泵吸空。

補(bǔ)油裝置高壓油接口與系統(tǒng)內(nèi)的溢流油液相接，用于驅(qū)動(dòng)補(bǔ)油裝置;當(dāng)壓力油通過噴嘴時(shí)，將會(huì)在噴嘴出口處產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)(相對(duì)于大氣壓)，引流接口與油箱相接，油箱內(nèi)的液壓油將會(huì)在大氣壓與噴嘴出口低壓的共同作用下被壓入射流裝置，并且在高速流體的帶動(dòng)下通過出油口送至液壓泵的吸油口。液壓泵在補(bǔ)油裝置的幫助下吸油能力將會(huì)得到改進(jìn)，避免了液壓泵由于供油不足而造成的吸空。

2 仿真與建模

影響補(bǔ)油裝置性能的主要因素包括噴嘴直徑大小、噴嘴結(jié)構(gòu)形式、噴嘴前后壓差和油箱接口位置等4 個(gè)方面。運(yùn)用FLUENT 軟件分析各因素對(duì)裝置性能的影響。分析油箱接口位置對(duì)射流裝置補(bǔ)油性能的影響時(shí)采用圖1 所示物理模型，分析噴嘴對(duì)引流能力的影響時(shí)不考慮補(bǔ)油油路，采用的物理模型如圖2所示。

圖2 局部模型

利用FLUENT 軟件對(duì)圖1 和圖2 進(jìn)行仿真計(jì)算，建立的計(jì)算模型分別如圖3 所示。

圖3 仿真計(jì)算模型

在FLUENT 的計(jì)算中，參考油液在管道和射流流動(dòng)中的計(jì)算，將會(huì)采用以下參數(shù)和計(jì)算模型:

(1)介質(zhì)為ISO32 液壓油;

(2)流體介質(zhì)為液壓油，流體為牛頓流體，不考慮重力對(duì)流動(dòng)的影響;

(3)數(shù)值計(jì)算方法采用有限元體積法中常用的SIMPLE 算法，解離散方程組。為了能更好地仿真射流現(xiàn)象，使用k－ε realizable 模型進(jìn)行仿真。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 裝置噴嘴直徑大小的影響

入口壓力邊界為2 MPa，出口壓力邊界為0.1 MPa，孔長(zhǎng)為6 mm，介質(zhì)為液壓油，管徑為30 mm，監(jiān)控線放置在噴嘴出口管道內(nèi)壁附近。

改變噴嘴直徑的大小，并通過觀察監(jiān)控線來分析不同孔徑對(duì)管內(nèi)壓力的影響，仿真計(jì)算結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 孔徑變化仿真計(jì)算圖

圖5 孔徑變化延伸仿真計(jì)算圖

由圖4 和圖5 可知:噴嘴直徑越大，噴嘴出口壓力越低，但當(dāng)孔徑大到一定程度時(shí)，出口壓力反而增加。但孔徑大小對(duì)低壓區(qū)所在區(qū)域的影響不大，孔徑越大，流量也越大，能耗增加。

3.2 裝置噴嘴結(jié)構(gòu)形式的影響

借鑒資料，影響孔射流真空度的因素主要是噴嘴的形式，而噴嘴形式主要有3 種——漸縮孔、漸擴(kuò)孔、直通孔，形狀如圖6 所示。

圖6 噴嘴不同形式的模型

對(duì)這3 種形式噴嘴進(jìn)行仿真計(jì)算，壓力差設(shè)置為2 MPa，結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可知:在相同的條件下，漸縮孔的噴嘴出口壓力要低于普通短孔和漸擴(kuò)孔，漸縮孔更加符合補(bǔ)油裝置的實(shí)際要求。

3.3 裝置噴嘴前后壓差的影響

利用部分模型，計(jì)算不同的噴嘴壓差對(duì)噴嘴出口壓力的影響，計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖7 不同孔的壓力計(jì)算圖

通過分析，噴嘴兩端壓差越大，噴嘴出口壓力越低，但是最低壓力值的位置沒有太大變化。由此計(jì)算可以知道:壓差對(duì)噴嘴引射能力有顯著影響。

圖8 不同壓差低壓區(qū)的影響圖

3.4 裝置油箱接口位置的影響

為了更真實(shí)地模擬出油箱接口的不同位置對(duì)補(bǔ)油裝置產(chǎn)生低壓區(qū)的影響，仿真采用的物理模型如圖1所示。

圖9 不同孔邊距產(chǎn)生的最低壓力圖

將孔邊距設(shè)定為變量，觀察不同孔邊距產(chǎn)生的壓力情況，在油箱接口的入口處設(shè)置壓力監(jiān)控線。設(shè)置入口壓力為1 MPa，油箱入口壓力為0.1 MPa，裝置出口壓力為0.1 MPa，比較監(jiān)控線上最低壓力值的大小來判斷影響。仿真計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。

通過對(duì)比圖9 的數(shù)據(jù)后得出:接油箱的油管位置越接近噴嘴，產(chǎn)生的壓力值越低。所以位置越靠近噴嘴，補(bǔ)油裝置的效果越好。

4 結(jié)論

通過對(duì)射流裝置各關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析，分別得出了各因素對(duì)裝置性能的影響。結(jié)論如下:

(1)在相同的邊界條件下，噴嘴直徑越大，噴嘴出口壓力越低，但當(dāng)孔徑大到一定程度時(shí)，出口壓力反而增加。

(2)對(duì)擁有相同最小孔徑的漸擴(kuò)孔、漸縮孔和直通孔，漸縮孔在噴嘴出口處產(chǎn)生的壓力值均低于普通短孔和漸擴(kuò)孔，所以漸縮孔的噴嘴有利于補(bǔ)油裝置補(bǔ)油。

(3)在射流裝置結(jié)構(gòu)不變的情況下，壓差越大，在噴嘴出口處的壓力就會(huì)越低，越有利于補(bǔ)油。

(4)當(dāng)壓力油管接口、供油管接口和送油管接口成T 型連接時(shí)，供油管接口離噴嘴越近，產(chǎn)生的壓力值越低，越有利于補(bǔ)油裝置補(bǔ)油。

［1］賈宗謨，穆界天，范宗霖，等．旋渦泵 液環(huán)泵 射流泵［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993．

［2］陸宏圻．噴嘴技術(shù)理論及應(yīng)用［M］．北京:水利電力出版社，1989．

［3］沈銀華，鄧松圣，張攀鋒．噴嘴參數(shù)對(duì)射流結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬［J］．水科學(xué)與工程技術(shù)，2007(2):6－9．

［4］馬飛，張文明．水射流擴(kuò)孔噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(6):576－580．