基于射流原理的液壓泵補油裝置特性研究

鄧帆，劉桓龍，于蘭英，柯堅，王國志

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

液壓泵對液壓系統的重要性與心臟對于人一樣，它能為液壓系統提供源源不斷的動能。但為了滿足特殊結構和性能的使用需求，一些液壓泵具有一些“先天性缺陷”——吸油能力差。吸油能力差會降低泵的工作效率、產生氣蝕現象、降低油液的流動性和增大泵的噪聲和振動等。為了解決這些問題，現代工程機械運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、改進液壓泵吸油口結構、將泵放入油箱液壓油2/3 高液面以下或縮短吸油管長度和增大吸油管內徑等。

前人的方法雖然都能讓液壓泵的吸油能力得到改善，但結構或系統改變較多，所需改進成本較大。為此，作者提出了射流引流的解決辦法，射流補油裝置擁有結構簡單，安裝、使用方便，成本低廉等優點。

1 原理分析

射流補油裝置的運行原理是將裝置安裝于液壓泵的吸油管路段，利用系統的溢流能量驅動裝置來輔助液壓泵吸油。這樣可以將系統中溢流的能量回收再利用，以提高能源的利用率。補油裝置的結構如圖1所示。

圖1 補油裝置的結構原理圖

補油裝置的作用就是利用高能量小流量流體驅動補油裝置輔助液壓泵吸油，以此防止液壓泵吸空。

補油裝置高壓油接口與系統內的溢流油液相接，用于驅動補油裝置;當壓力油通過噴嘴時，將會在噴嘴出口處產生一個低壓區(相對于大氣壓)，引流接口與油箱相接，油箱內的液壓油將會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下通過出油口送至液壓泵的吸油口。液壓泵在補油裝置的幫助下吸油能力將會得到改進，避免了液壓泵由于供油不足而造成的吸空。

2 仿真與建模

影響補油裝置性能的主要因素包括噴嘴直徑大小、噴嘴結構形式、噴嘴前后壓差和油箱接口位置等4 個方面。運用FLUENT 軟件分析各因素對裝置性能的影響。分析油箱接口位置對射流裝置補油性能的影響時采用圖1 所示物理模型，分析噴嘴對引流能力的影響時不考慮補油油路，采用的物理模型如圖2所示。

圖2 局部模型

利用FLUENT 軟件對圖1 和圖2 進行仿真計算，建立的計算模型分別如圖3 所示。

圖3 仿真計算模型

在FLUENT 的計算中，參考油液在管道和射流流動中的計算，將會采用以下參數和計算模型:

(1)介質為ISO32 液壓油;

(2)流體介質為液壓油，流體為牛頓流體，不考慮重力對流動的影響;

(3)數值計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象，使用k－ε realizable 模型進行仿真。

3 仿真結果及分析

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，孔長為6 mm，介質為液壓油，管徑為30 mm，監控線放置在噴嘴出口管道內壁附近。

改變噴嘴直徑的大小，并通過觀察監控線來分析不同孔徑對管內壓力的影響，仿真計算結果如圖4 和圖5 所示。

圖4 孔徑變化仿真計算圖

圖5 孔徑變化延伸仿真計算圖

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

3.2 裝置噴嘴結構形式的影響

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、漸擴孔、直通孔，形狀如圖6 所示。

圖6 噴嘴不同形式的模型

對這3 種形式噴嘴進行仿真計算，壓力差設置為2 MPa，結果如圖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孔，漸縮孔更加符合補油裝置的實際要求。

3.3 裝置噴嘴前后壓差的影響

利用部分模型，計算不同的噴嘴壓差對噴嘴出口壓力的影響，計算結果見圖8。

圖7 不同孔的壓力計算圖

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。由此計算可以知道:壓差對噴嘴引射能力有顯著影響。

圖8 不同壓差低壓區的影響圖

3.4 裝置油箱接口位置的影響

為了更真實地模擬出油箱接口的不同位置對補油裝置產生低壓區的影響，仿真采用的物理模型如圖1所示。

圖9 不同孔邊距產生的最低壓力圖

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

通過對比圖9 的數據后得出:接油箱的油管位置越接近噴嘴，產生的壓力值越低。所以位置越靠近噴嘴，補油裝置的效果越好。

4 結論

通過對射流裝置各關鍵影響因素進行分析，分別得出了各因素對裝置性能的影響。結論如下:

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

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

(3)在射流裝置結構不變的情況下，壓差越大，在噴嘴出口處的壓力就會越低，越有利于補油。

(4)當壓力油管接口、供油管接口和送油管接口成T 型連接時，供油管接口離噴嘴越近，產生的壓力值越低，越有利于補油裝置補油。

［1］賈宗謨，穆界天，范宗霖，等．旋渦泵 液環泵 射流泵［M］．北京:機械工業出版社，1993．

［2］陸宏圻．噴嘴技術理論及應用［M］．北京:水利電力出版社，1989．

［3］沈銀華，鄧松圣，張攀鋒．噴嘴參數對射流結構影響的數值模擬［J］．水科學與工程技術，2007(2):6－9．

［4］馬飛，張文明．水射流擴孔噴嘴內部流場的數值模擬［J］．北京科技大學學報，2006，28(6):576－580．