液压电机泵中孔板离心泵的增压效应分析

液压电机泵中孔板离心泵的增压效应分析

邱娟

泾县市场监督管理局市场监督综合行政执法大队 安徽省 宣城市 242500

摘要：作为新型液压动力单元，液压电机泵将电动机、孔板离心泵以及液压泵结合了起来，且其结构十分紧凑，运行效率相对较高，不会产生噪音以及泄露等问题。液压离心泵当中的孔板离心泵会产生增压情况，所以本文利用仿真等方式分析了孔板离心泵的增压效应，并根据不同进油方式对孔板离心泵的影响对液压电机泵的流道进行了优化，以期为液压电机泵性能的改善提供帮助。
关键词：电机泵；离心泵；增压效应

前言：

液压技术在工农业生产中具有重要意义，液压电机泵应用了液压技术，可以促进诸多行业的发展。对液压电机泵中孔板离心泵的增压效应进行分析有利于简化液压动力单元，优化电机泵的性能，因此本文对孔板离心泵的增压效应进行了简要分析。

1.液压电机泵概述

市面上的液压电机泵将电动机与液压泵结合了起来，应用了油流冷却方式，降低了油液渗漏的几率。国外对液压电机泵的研究较早，技术较为成熟，但我国对液压电机泵的研究较晚，还没有成熟的技术与经验，所以需要解决内部流动数值模拟、电机与泵的融合设计、流道结构的优化设计以及散热等问题^【1】。

2.液压电机泵主泵吸油流场仿真与结构优化

2.1液压电机泵结构与原理

液压电机泵主要是由液压泵、孔板离心泵以及电动机共同构成的。液压电机泵当中的电机定子中有绕组，可以产生电磁转矩，从而促进转子的转动。同时，电机泵的转子应用了鼠 笼转子这种结构形式。在运行过程中，液压电机泵的壳体内部有大量的油液，此时转子会产生电磁转矩，促进另一个电机转子以及主泵转子的运动，从而完成吸油以及排油工作。在吸油过程中，油液会通过进油口进入到泵体当中并通过吸油流道进入到孔板离心泵的油腔当中，最后通过孔板离心泵的增压作用将油液输送至主泵的吸油口处。在排油过程中，油液会通过主泵产生高压，油液就会通过排油腔被排出。液压电机泵壳体当中的油流在循环流动过程中会消耗一定的热量，且油流会进入到孔板离心泵的油腔当中，这会加大主泵的吸油阻力，导致油泵出现吸空等问题。在主泵的吸油腔中设置孔板离心泵可以利用其增压作用保障主泵吸油。

2.2不同进油方式下孔板离心泵增压作用仿真

可以利用Fluent流场仿真技术对孔板离心泵的增压作用进行仿真处理。在应用这种技术时需要针对不同进油方式下液压电机泵的主泵吸油流场构建数学模型，并利用CFD软件进行仿真分析。液压电机泵内流体的流动会受到质量守恒、能量守恒以及动量守恒等守恒定律的影响。同时，在液压电机泵运行过程中，内部油液的流速较快，且多处于湍流状态中，但是油液的密度不会出现明显变化，所以可以将密度看作常数，之后再利用不可压缩湍流模型进行仿真计算^【2】。其次，油液在流动过程中具有三维性，为了进行流场仿真需要对液压电机泵的工作状态进行简化，并对油液进行一些假设。即假设油液的流道十分光滑，油液流动不会受到粗糙度的影响；假设油液流动属于定常流动，即其流速不会受到时间的影响；流动性能不会受到重力势能的较大影响等。仿真模型较为复杂，所以需要利用网格进行模型划分，并进行计算。从计算结果来看，仿真模型中的雷诺数Re比临界雷诺数Re_cri（2000-3000）更大，所以液压电机泵中的油液处于紊流状态中，符合紊流模型方程：

k=1.5*（v*I）² （1）

公式(1)为紊流动能方程，其中的k指的是油液的入口速度，I指的是紊流强度。

ε=C_u^0.75*（2）

公式（2）为紊流能量损失耗散方程，其中的C_u是系数，为0.09，l指的是紊流长度，ε指的是紊流能量损失耗散。

需要根据这些方程进行计算，从而增强计算的准确性。

其次，从液压电机泵的运行状况来看，可以将仿真模型的进口边界条件设置为压力进口，且进口相对压力为0MPa，将出口边界条件设置为速度出口，并根据主泵在1475r/min时的输出流量计算出口速度的大小。具体公式为：

V= （3）

公式当中的v为孔板离心泵的出口速度，A为孔板离心泵的出口截面积， Q为输出流量。

2.3流道结构优化与仿真

在运行过程中，孔板离心泵会对油液做功，从而增加油液能量，所以无法利用静压分布云图反应孔板离心泵对吸油流场的全面影响。因此，需要利用伯努利方程进行计算，并利用总压云图分析流场仿真结果。从分析结果来看，若想增强液压电机泵结构的合理性，提升电机泵的散热效果就需要优化液压电机泵的内部流道。同时，需要省去两个进油口，对液压电机泵的进油结构进行优化，从而延长油液的流动长度^【3】。其次，需要在不改变电机功率的基础上缩小电机转子的轴向尺寸，降低电子转机对油液的搅动作用与旋转作用。此外，应加大油液流动路径的宽度，增强油液流动的顺畅性。在对流道结构进行优化后进行了仿真分析，从仿真结果来看液压电机泵进油口的压力为负值，所以油液可以更快速地进入到电机泵当中。而油液从进油口流至孔板离心泵的油腔中时其总压不断减小，这是因为吸油流道的内部有一定的阻力。此外，孔板离心泵会对油液做功，加大油液的动能，继而加大孔板离心泵外侧的总压。总之，在对流道进行改进之后孔板离心泵的总压上升了30000Pa，可有效改善主泵的吸油性能。

3.孔板离心泵在不同转速下的增压作用

液压电机泵的转速也会对孔板离心泵的增压作用产生影响，因此需要对这一情况进行仿真分析。

3.1油液粘度对主泵吸油流场产生的影响

液压油可以为液压电机泵的运行提供能量，但是需要合理控制液压油的粘度。在运行过程中，液压电机泵的功率损失会转变为热量，就会提高液压泵的温度。在这一过程中液压油的温度会不断变化，而温度变化会对液压油的粘度产生影响，所以在进行仿真分析时需要综合考虑温度与粘度因素。其次，液压泵的敏感性非常强，所以液压油的温度也会影响到液压泵的性能参数，因此需要根据温度以及压力等因素分析液压泵的性能参数。

3.2计算模型

在仿真试验过程中，需要在液压电机泵中加入适量的液压油并将液压油的温度从33.4设置度提升为36.9摄氏度，根据液压油的粘温特性曲线获取液压油的动力粘度。同时，需要将液压电机泵的进口边界条件设置为压力进口，将出口边界条件设置为速度出口，并将出口的相对压力设置为0MPa。

3.3仿真结果

第一，液压电机泵的主泵吸油流场。油液在液压电机泵中的流动十分顺畅，会先经过定子、转子以及孔板离心泵，最后进入主泵的吸油腔中。且吸油道中的油液流速为0.18m/s，孔板离心泵外侧的油液流速为6.6m/s，这是因为孔板离心泵对油液进行了做功^【4】。第二，液压电机泵主泵吸油流场在不同转速下的情况。主泵吸油流场的径向截面属于对称分布，且进油口出的压力为负压，这就说明油液可以快速进入到主泵的吸油流道当中，且在进入孔板离心泵的过程中总压不断下降，这就说明吸油流道产生了一定的阻力。当液压电机泵的转速不断提高时，孔板离心泵的增压作用会不断增强，可以对油液做功继而增加油液的动能。若液压电机泵的转速不断减缓时，孔板离心泵的增压作用会不断下降。
结语：

在对孔板离心泵的增压作用进行理论分析与数值仿真后发现，油流在壳体当中循环流动时会消耗一些热量，加大主泵的吸油阻力，在主泵当中设置孔板离心泵可以解决这一问题。而转速会对孔板离心泵的增压作用产生一定影响，二者成正比关系。可以根据这些情况对液压电机泵进行优化，从而促进其发展与应用。

参考文献：
[1]娄正坤,朱碧海,姬增起,何贵元.变量型阀配流柱塞式液压电机泵的研制[J].液压与气动,2018(05):58-62.

[2]王金林,冀宏,任春宇,张锡文,任威,张继铭,曹巧会.带孔板离心泵的电机叶片泵样机效率分析[J].液压与气动,2017(06):93-97.

[3]朱碧海,钱鹏程,姬增起.双斜盘阀配流轴向柱塞式液压电机泵配流特性和变量原理的研究[J].机械工程学报,2018,54(20):220-234.

[4]姬增起,朱碧海,娄正坤,钱鹏程.液压电机泵中“短粗型”浸液转子的阻力矩研究[J].液压与气动,2018(02):20-26.