乳化液泵液力端的特性研究.pdf

论文题目乳化液泵液力端的特性研究 专业机械工程 硕 士 生康帆签名 指导教师李海宁签名 李雪伟签名 摘要 乳化液泵是煤矿综采工作面液压支柱与液压支架的动力源， 其性能的优劣对液压支 架工作的经济性和可靠性有着重大影响。近年来，随着综采技术的不断进步，综合采煤 装备和技术能力都有所提高，要求乳化液泵站能够提供的压力和流量更高。传统的设计 方法费时、费力，有时甚至不能实现开发高性能泵的目标。系统仿真技术作为结构优化 设计的关键技术，为乳化液泵的优化设计研究提供了有效的技术支持。该技术能够从元 件设计出发，同时考虑摩擦和液体介质本身的性能，适用于机械、液压系统的仿真研究 以及进一步的设计优化。 本文结合了传统的设计方法和系统仿真技术，根据乳化液泵的相关理论知识，建立 泵容积损失的数学模型；利用 AMESim 软件系统仿真的方法，建立柱塞泵的系统模型， 对比两种模型的分析结果，达到优选泵的参数、改良结构设计的目的。 论文以乳化液泵容积效率的影响因素为出发点， 突出泵阀滞后和液体压缩性引起的 容积损失。首先，建立曲轴转速与容积损失相关的数学模型，分析泵的设计参数及曲轴 转速对容积效率的影响， 计算 RBW315/31.5 型乳化液泵的容积损失； 其次， 利用 AMESim 系统仿真软件，建立柱塞泵的系统模型，分析吸液阀与排液阀的启闭与曲轴转速间的关 系，探讨泵阀打开和关闭滞后与泵容积效率的关系。并且通过设置不同的曲轴转速， 得 出相应的泵阀滞后角及对应的容积损失；最后综合运用数学模型与仿真实验的结果， 根 据煤炭行业标准中对乳化液泵容积效率的要求， 确定泵在正常供液能力下的最佳曲轴转 速范围。用以提高乳化液泵的性能，为乳化液泵的设计、研究提供方法思路，对大流量 乳化液泵的研究和设计具有重要意义。 关 键 词乳化液泵；容积效率；曲轴转速；AMESim；仿真 研究类型应用研究 Subject Research on the properties of emulsion pump hydraulic end Speciality Mechanical Engineering Name Kang FanSignature Instructor Li HainingSignature Li XueweiSignature ABSTRACT Emulsion pump as a power source in fully mechanized coal face hydraulic prop and hydraulic support, have great influence on the perance of the hydraulic support operating economy and reliability. In recent years, with the continuous development of coal mine integrated technology of coal mining capacity and equipment technology, put forward higher requirements on the perance of emulsion pump, the design of the traditional time-consuming, laborious, and sometimes even can not realize the development of high perance pump target. System simulation technology, as the key technology of structure optimization design, provides effective technical support for the optimization design of emulsion pump. The technology which can be starting from the component design, considering the properties of friction and liquid medium itself, applies to simulation research for mechanical, hydraulic system and further optimization of the design. In this article, combined with traditional design and the system simulation technology, based on theoretical knowledge of emulsion pump, we established the mathematical model of pump volume loss; using AMESim simulation software system, we established plunger pump system model. By comparing the analysis results of the two models, we achieve the purposes of optimizing parameters and improving structural design of pumps. The factors that influence the volumetric efficiency of emulsion pump as the starting point, highlight the volume loss caused by the valve delay and liquid compressed ,to establish the mathematical model of crankshaft rotation speed and volume loss, analyzing the effect on volume efficiency of the pump design parameters and the crankshaft speed,calculate the volume loss of determine pump. At the same time, using AMESim system simulation software to establish the system of emulsion pump, analysis the relation between the suction valve and drain valve closing with the crankshaft speed; the pump volumetric efficiency with the pump valve open and close delay. Finally according to the operation requirements of the emulsion pump volumetric efficiency, synthetically utilizing the result with the mathematical model and the simulation experiment, obtain the best crankshaft speed range under the normal feed liquid of the pump. It is important to the research and design on the high flow of emulsion pump, provide the s for the research and design on emulsion pump, in order to improve the perance of emulsion pump. Key wordsEmulsion pump. Volumetric Efficiency. Crankshaft Speed. AMESim. Simulation ThesisApplication Research 目 录 I 目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 课题研究背景及意义...................................................................................................1 1.1.1 研究背景.............................................................................................................1 1.1.2 研究意义.............................................................................................................1 1.2 乳化液泵的研究现状及发展趋势...............................................................................2 1.3 课题的主要工作...........................................................................................................3 1.4 小结................................................................................................................................4 2 乳化液泵的基础理论.............................................................................................................5 2.1 基本工作原理................................................................................................................5 2.2 柱塞运动分析和泵的流量............................................................................................6 2.3 泵阀基本原理................................................................................................................7 2.4 泵阀运动分析................................................................................................................8 2.4.1 乳化液对泵阀的作用力......................................................................................8 2.4.2 泵阀运动方程......................................................................................................9 2.5 小结..............................................................................................................................10 3 乳化液泵的容积效率研究...................................................................................................11 3.1 泵的容积效率..............................................................................................................11 3.2 建立容积损失的数学模型..........................................................................................12 3.2.1 液体压缩性或膨胀造成的容积损失................................................................12 3.2.2 泵阀滞后造成的容积损失................................................................................14 3.3 小结..............................................................................................................................16 4 乳化液泵系统模型的建立...................................................................................................17 4.1 AMESim 软件介绍..................................................................................................... 17 4.1.1AMESim 的功能............................................................................................... 17 4.1.2AMESim 的基本特性....................................................................................... 18 4.1.3 运用 AMESim 软件仿真的步骤.....................................................................19 4.2 RBW315/31.5 型乳化液泵介绍................................................................................. 22 4.2.1 结构特点...........................................................................................................22 4.2.2 泵的主要参数...................................................................................................23 4.3 建立往复泵的系统模型.............................................................................................23 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 4.3.1 物理模型分析...................................................................................................23 4.3.2 构建仿真模型...................................................................................................24 4.4 小结.............................................................................................................................30 5 仿真结果分析.......................................................................................................................31 5.1 乳化液泵的动态特性.................................................................................................31 5.1.1 吸排液阀的开启、关闭过程............................................................................31 5.1.2 冲击现象............................................................................................................32 5.2 柱塞运动分析.............................................................................................................33 5.3 滞后现象对泵性能的影响分析.................................................................................34 5.3.1 吸液阀启闭特性................................................................................................34 5.3.2 不同曲轴转速下的滞后角................................................................................35 5.3.3 容积效率与容积效率曲线................................................................................37 5.4 小结.............................................................................................................................41 6 结论与展望...........................................................................................................................42 6.1 结论.............................................................................................................................42 6.2 展望.............................................................................................................................42 致 谢.........................................................................................................................................44 参考文献...................................................................................................................................45 附 录.........................................................................................................................................48 1 绪论 1 1 绪论 随着煤矿综采能力的持续提高以及煤矿开采装备技术的不断发展， 要求乳化液泵的 性能越来越高。通常采用的物理实验的方法，不仅费工费时，参数变化困难，更严重的 是，有时甚至达不到设计研究的目标要求。 随着计算机技术的不断发展出现了建模和仿真技术， 该项技术的产生为非线性复杂 系统的精确研究，开辟了新的局面。研究者可以运用建模和仿真技术，更全面的分析研 究设计方案。再将分析结果归纳总结，用于指导新设备的设计和老设备的优化。不仅为 设计工作提供了新的方法路径，同时提高了分析研究的质量，并且大大减小了产品研究 开发的周期。 1.1 课题研究背景及意义 1.1.1 研究背景 近些年来，国产的综合机械化采煤设备，无论是从产品质量、设备性能，还是测试 手段上均有了很大的提高。但是，由于材料、工艺、设计及管理等方面的不足，我国目 前在综采技术发展，设备维护，质量稳定性，科学管理等方面与煤炭发达国家相比仍存 在较大差距，这些都制约了我国煤炭企业效益的提高 [1][2]。其中煤矿乳化液泵的技术发 展是制约我国综采设备的一个重要指标。 乳化液泵是综采工作面液压支柱与液压支架的动力源， 是采煤工作面的关键设备之 一，其额定流量与额定压力对液压支架的移动速度有着很大的影响 [2]。 上世纪末期，随着五柱塞矿用乳化液泵的研制成功，改变了传统设计上依靠增加柱 塞直径来增大泵流量的方法，通过增加柱塞数目实现了增大泵流量的目的。然而，随着 煤矿综合机械化采煤技术的持续发展，要求矿用乳化液泵的流量越来越大，从结构设计 上来讲，就要求泵组件及阀体的尺寸更大，结构缺陷也就越来越突出。因此，从对乳化 液泵的性能方面进行优化就显得尤为重要。 1.1.2 研究意义 乳化液泵是一种把机械能转变为液压能的能量转换装置， 为综采工作面液压支架支 撑顶板、调架护壁、推溜移架、侧护防滑、防倒等动作提供动力。另外在一些综采工作 面，采煤机的牵引链张紧千斤顶、可弯曲刮板输送机的紧链液压马达、工作面上、下出 口处超前支护用的单体液压支柱及桥式转载机的固定与推移千斤顶等， 都是依靠乳化液 泵提供的高压乳化液工作的。由此可见，乳化液泵是煤矿井下现代化综采工作面的关键 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 设备之一，乳化液泵工作状态的好坏与安全生产密不可分。因此，保障乳化液泵井下正 常运行是煤矿安全作业的一个关键因素。 高产高效是综合机械化采煤的发展趋势，提高支架的移架速度，是实现高效生产的 关键问题所在[3][4]。要解决这样的问题，需要从两方面同时着手一方面增大系统过液 能力；另一方面提高泵站供液能力。但液压支架移架速度提高的同时，给顶板和溜槽带 来了冲击，这不利于特定地质条件下的顶板管理和溜槽寿命的维护。从提高泵站的供液 能力着手，主要考虑的是乳化液泵的排出管内流量。 随着科学技术的不断发展，运用仿真技术研究不同工况下的系统特性，通过结果分 析确定最佳的参数匹配， 分析产生缺陷的原因并对结构进行优化设计,大大缩短了产品的 开发周期，缩减了开发的成本。AMESim 仿真技术的诞生正适应了这样的需求，为控制 系统、 机械和流体动力学提供了优越、 完善的仿真环境和灵活的解决问题方案。 AMESim 以其强大的仿真与分析能力，在各领域得到了广泛的应用[7]。因此，运用 AMESim 仿真 技术，研究分析乳化液泵的性能具有实际可行性的意义。 影响乳化液泵出口流量大小的因素主要有泵本身参数和传输过程中的流量脉动。 通 常用流量的脉动率来衡量流量脉动的大小， 影响流量的脉动率的最大的因素是乳化液泵 吸、排液阀的开启和关闭滞后角。当泵阀的滞后角加大时，整个泵的流量的脉动率会急 剧的加大， 由此引起的流量损失也就增大。 而且在煤矿用的高压的往复泵的众多组件中， 吸、 排液阀是非常重要的并且容易损坏的组件之一。 考虑到往复泵在现场使用的过程中， 吸入阀往往先于排出阀损坏[5][6]，故特别加入了吸入管路的研究。而曲轴转速限制着泵 阀开启和关闭的周期。因此，运用 AMESim 仿真技术，建立由曲轴、连杆、柱塞、吸、 排液阀组成的乳化液泵系统模型，实现往复泵吸入过程的仿真，探讨泵在正常吸入状况 下，并且满足乳化液泵容积效率设计要求的前提下，吸、排液阀开启量与曲轴转速的关 系，计算不同曲轴转速下的容积损失，最终确定最佳曲轴转速范围。对提高乳化液泵性 能具有很大的现实意义。 1.2 乳化液泵的研究现状及发展趋势 与国外乳化液泵的使用情况相比，我国综合采煤工作面大多采用五柱塞的结构。 设 计思路主要集中在通过增大柱塞直径的方法来增加泵的供液流量。 压力大多是31.5MPa。 然而，随着煤矿综采技术的不断发展，对乳化液泵的要求更加严格，这样的乳化液泵就 不能满足大流量电液控制系统的供液要求[8][9]。 在过去的三十年里，我国在乳化液泵站的设计以及制造技术方面，取得了长足的发 展，主要的技术参数取得了巨大的进步，逐步向高可靠性、大流量、智能化的方向发展。 还可以根据系统的压力及流量控制泵站开停[10][11]。 目前，国内在乳化液泵方面的研究，主要集中在对乳化液泵的部件所做的研究。 研 1 绪论 3 究方向主要有曲柄、滑块的性能研究，泵站节能问题、测试方法及发热问题[13]。在往复 泵的众多组件中， 泵阀至关重要的零部件之一， 对乳化液泵的使用性能的影响相当重要。 然而，由于泵阀结构组成和工作过程非常复杂，因此，对其进行优化设计十分不易。 针对乳化液泵泵阀设计、结构优化、故障诊断等方面的分析研究，已经得到了一定 的成果中国矿业大学李锐等，使用FLUENT中动态网格的方法，对乳化液泵的泵头做 了分析，从而得出了泵在排液过程中，柱塞面上所承受的压力、阀口的流速随着时间变 化的规律，并且绘制出了柱塞面所受压力的变化曲线以及阀口流速实时的曲线[14]。 中原石油勘探局特种车辆修造总厂的戴相富等，综合考虑影响泵阀运动的因素， 建 立了描述往复泵自动锥形阀运动规律的精确运动微分方程， 并且建立了泵阀运动规律的 仿真模型，实现了对模型的求解。通过多工况的仿真计算，找到了泵内压力在开启和关 闭阶段有明显压力波动的主要因素，并进一步弄清了压力波动的规律，对指导各种泵的 设计具有重要指导意义[15]。 太原理工大学的刘金丽、廉自生，采用AMESim软件，建立了K35055M 型号乳化 液泵的液压系统的模型， 分析研究了柱塞的位移与吸液阀和排液阀的打开和闭合的特性 进行了分析，通过模型仿真，绘制出了往复泵的流量曲线，分析仿真结果，计算泵的容 积效率，对研究乳化液泵的动态性能，起到了非常重要的作用[16]。 此外，由德国公司生产的一款乳化液泵，该型号的乳化液泵，泵头的结构采用阶梯 式的液压端，也就是吸、排液阀的轴线相互平行但不在同一条轴线上，吸液阀和排液阀 的启闭速度快是卡马特泵的突出优点，泵阀在关闭时刻的滞后角相对较小，从而减小了 回流损失和关闭冲击[17]。 1.3 课题的主要工作 阀门是乳化液泵内极为关键的部件，其工作性能对泵的性能及可靠性有着直接影 响。容积效率是乳化液泵的一项重要技术性能指标，容积效率的高低是检验和衡量乳化 液泵质量的主要标准[18]。所以，无论是新或改进旧的往复泵，对泵阀以及容积效率的研 究都是很有意义的。 本论文的主要工作是利用AMESim仿真技术，建立RBW315/31.5型矿用乳化液泵的 运动学模型，对乳化液泵在工作过程中的性能进行研究，探讨不同曲轴下的柱塞、乳化 液、吸液阀和排液阀，以及滞后角之间的关系，研究提高曲轴转速对泵吸排液性能和容 积效率的影响，最终优化曲轴转速，进而提高泵的供液能力。通过仿真，得到乳化液泵 泵阀开启量与曲轴转角的样条曲线，探究泵阀滞后发生的时刻和相应的曲轴转角，计算 滞后造成的容积损失，确定泵的容积效率，同时分析研究吸排液阀的物理参数与乳化液 泵的容积效率的关系，探究以上问题对乳化液泵的输出性能的影响情况。论文的主要工 作的主要内容可以概括为以下几个方面 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 1 论述本课题研究的背景和意义，研究现状及发展趋势； 2 介绍乳化液泵的工作原理和基础理论知识，选择结构参数； 3 分析乳化液泵容积效率的影响因素，建立容积损失的数学模型； 4 利用AMESim软件建立泵的液压系统的仿真模型，并设置参数，运行仿真； 5 绘制样条曲线，分析各参数及曲轴转速对泵容积效率的影响； 6 结合数学模型，计算容积效率，从而确定最佳曲轴转速范围。 1.4 小结 本章节对乳化液泵研究的背景及意义做了简单论述， 同时阐述了目前乳化液泵在国 内外的研究现状和发展趋势， 讲述课题研究的意义， 最后对课题主要工作内容做了总结。 2 乳化液泵的基础理论 5 2乳化液泵的基础理论 运用仿真技术构建乳化液泵系统模型，对乳化液泵的液力端进行分析研究。首先要 对乳化液泵的基础理论有充分的认识，并且能够将理论知识运用于课题研究中，清楚该 理论与课题分析之间的关系，以便对课题进行更深入的研究分析。 2.1 基本工作原理 乳化液泵一般采用往复式柱塞泵，以乳化液为工作介质，工作原理见图 2.1 所示。 电机驱动使曲轴 1 依据图示箭头方向旋转，曲轴带动连杆 2 的运动，连杆驱动滑槽 4 内 的滑块 3，再带动柱塞 5 做往复直线运动，将曲轴的旋转运动转换为柱塞的直线运动。 当柱塞做向左的运动，工作腔 6 内将形成低压或真空，这样，在大气压的作用下， 吸液阀 9 打开，油箱中的乳化液，依次流经吸液口 10，吸液阀 9，进入工作腔内。此时 由于排液管道内介质乳化液的压力作用，排液阀 7 闭合，完成了泵的吸液过程。 当柱塞随着曲轴的转动向右运动的过程中，柱塞腔内的容积减小，腔内的传递介质 因受到柱塞挤压的作用，腔内的压力迅速增高。理论上，能够及时的使乳化液泵的进液 阀关闭，出液阀打开，传递介质就被顺利的挤出柱塞腔体，再经过主要的进液管道输送 到采煤工作面液压支架， 完成了排液过程。 曲轴连续的旋转， 柱塞就连续进行往复运动， 不断的交替出现吸液和排液[19][20]。 1-曲轴；2-连杆；3-滑块；4-滑槽；5-柱塞；6-缸体；7-排液阀 8-排液口；9-进液阀； 10-进液口 需要注意的是，乳化液泵的单个柱塞若是吸液，就不可能同时排液，所以单柱塞泵 的排液量是非常不均匀的。因此，为了能够使得往复泵的排液量相对均匀，一般都采用 多柱塞结构的泵，如三柱塞式、四柱塞和五柱塞式，论文选择的 RBW315/31.5 就是一 种五柱塞式的泵。 通过曲轴旋转运动的带动， 柱塞分别在各自的腔内做吸液和排液运动， 输出端经集液器将高压乳化液汇集，再输出给外界负载液压支架。 图 2.1 乳化液泵的工作原理图 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 2.2 柱塞运动分析和泵的流量 1 柱塞的运动方程 往复泵曲柄传动的示意图见 2.2 所示，其中曲轴以角速度做逆时针方向的旋转。 不妨设 x为柱塞在某一时刻的位移，0x时，柱塞运动到距离主轴承中心最远的位置； Sx时，运动到离主轴承中心最近的位置。则柱塞运动规律如下[20][21] 则有柱塞运动的位移         2cos1 4 cos1rx2.1 柱塞运动速度         2sin 2 sinru2.2 柱塞加速度 2coscos 2  ra2.3 式中r传动端曲柄的半径，m；  传动端曲柄的转角，rad；t； 连杆比； lr；l为连杆长度； 曲柄运动的角速度，rad/s； 2 泵的排量和流量 乳化液泵的理论排量，是指在不考虑任何容积损失的情况下，在曲轴旋转一周的时 间内，柱塞腔内容积的变化率，称为乳化液泵理论排量。在实际试验中，通常将柱塞往 复运动一次，乳化液泵能够排出的液体体积，视作泵的理论排量。泵的理论排量如下 2 4 2dkzqth  rmL/2.4 式中k结构常数，cm ； 图 2.2 柱塞泵的曲柄传动示意 2 乳化液泵的基础理论 7 d柱塞的直径，cm； z 柱塞数。 泵的理论流量是在不计任何容积损失和负载的情况下， 每分钟能够输出传递介质的 体积，称为泵的理论流量。 3 10nqQ thth min/L2.5 式中n曲轴转速，min/r； 实际流量是单位时间内在泵出口处实际测得的液体体积， 称为乳化液泵的实际的流 量，也就是泵在有负载的情况下，每分钟能够输出传递介质的体积 vth QQ2.6 式中 v 乳化液泵的容积效率。 在泵的实际运行中，瞬时流量是不均匀的随时间而变化。但是，在液压泵连续转动 时，每转中各瞬时的流量却按同一规律重复变化，产生流量脉动。又由于柱塞的速度是 瞬时变化的，导致泵的流量脉动并不是均匀的，也存在着流量脉动。 2.3 泵阀基本原理 泵阀的工作过程，由打开和闭合两部分组成。吸液阀开启吸液阀阀芯的两侧通常 充满乳化液，由于柱塞运动工作腔内的压力降低，阀芯两端就产生压差，当工作腔的压 力低到一定程度时，产生的液体压力克服阀芯弹簧力，吸液阀打开，介质流入工作腔； 吸液阀关闭当柱塞吸液返回运