燃油葉片泵性能的影響因素試驗研究

柯希林，王中任

（湖北文理學院 機械與汽車工程學院，襄陽 441053）

燃油葉片泵性能的影響因素試驗研究

柯希林，王中任

（湖北文理學院 機械與汽車工程學院，襄陽 441053）

為了優化適用于易汽化介質的新型葉片式泵的結構，搭建了一套實驗裝置，測試了各種材料和配合間隙下的性能。采用紅外熱像儀，對泵體磁力耦合區的溫度場進行了測量。研究結果表明，泵體和泵桿采用45#鋼調質，泵芯采用 H62黃銅，單邊間隙0.01～0.02mm比較合理。采用紅外熱像儀監測定轉子摩擦發熱，對于優化輸油泵結構參數，提高加油機壽命，具有較好的應用價值。

燃油葉片泵；材料；間隙；紅外熱像儀

0 引言

在加油機中，泵是一種核心部件，其作用是：在電機的作用下，負責將油液從油罐吸入加油機，并通過溢流閥保持加油機液壓系統的壓力平衡。葉片泵的發明已經有130年的歷史，其輸送效率問題一直是困擾其工程應用的關鍵[1]。據測算：這種葉片式泵泵送汽油和乙醇汽油效率不超過25%，泵送柴油效率不超過40%[2]。而在典型的液壓傳動過程一般的泵的效率可達到80%以上，因此燃油泵送設備的性能還有較大的提升空間。國內外許多加油機制造商只注意了產品的性能和安全，忽視了加油機的能源消耗問題在，從目前很少有文獻研究葉片泵的容積效率也可見一斑。文獻[3]和文獻[4]對葉片泵的泵送效率有研究，但所用的是高粘度的液壓油。文獻[5]以低粘度的汽油和柴油為研究介質，研究了葉片泵泵送效率與轉速的關系，對提高葉片泵的輸送效率提出了建議。但以上文獻都沒有涉及到葉片泵核心部件的制造工藝問題。本文針對泵體、泵芯和泵桿材料及配合間隙進行研究，擬搭建測量，將紅外熱像儀測溫用來檢測摩擦生熱，最終目的是優選核心零部件的材料和制造工藝。

1 試驗裝置與方法

通過對乙醇汽油等易汽化介質的泵送特性進行了深入研究，在此基礎上研制出了適用于乙醇汽油等易汽化介質的新型葉片式泵，如圖1所示。其基本原理是采用了空心葉片結構，在吸油階段可以隨時為吸油空腔增加的體積補充油液，以免易汽化油液發生汽蝕，從而提高了泵的容積效率；在出油階段，空心葉片的末端的高低結構和內定子半開結構又能很好地配合起來，防止油液回流、泄漏。 所設計的輸油泵為離心式轉子葉片泵，其工作原理類似于普通離心式葉片泵，但其結構在普通轉子葉片泵的基礎上大有改進。與現有加油機油泵相比，容積效率可提高到60%～70%；磁力耦合結構的創新，有效解決了動密封帶來的泄露問題，同時起到了很好的柔性過載保護作用；優化后的原理樣機可有效降低噪聲、振動等不利因素，可油氣分離并回收，減少環境污染的同時提高了安全性。

在機理研究基礎上，需要從系統設計、材料以及制造工藝對該系統進行全方位優化和測試驗證。

圖1 輸油泵原理樣機

在搭建好試驗臺架的基礎上，對已試制好的三套不同配合材料、表面處理狀態及配合間隙的試驗樣機完成組裝并分別進行試驗，三套泵體試驗機的具體組合情況如表1所示。通過對樣機運行過程中不同轉速下的溫度、壓力、噪音、流量等關鍵試驗數據的綜合處理分析，為最終確定材料和結構參數提供依據。

表1 試驗機組合數據表

圖2 實驗裝置原理簡圖

本試驗旨在通過三臺試驗樣機在不同轉速下，調節真空壓力的值，測量管路系統的工作壓力、流量、溫度及噪音，圖2為實驗裝置原理圖。采用變頻器改變輸出給電機的電源頻率來實現電動機的調速；通過節流閥和泵體組件里的溢流閥配合使用來改變系統的真空壓力值。用紅外熱像儀測量泵體磁力耦合區的最高溫度。圖3為測試實驗裝置現場圖。

圖3 實驗裝置

為了研究定轉子不同材料和不同間隙對于性能的影響，搭建了一套測試系統，并采用紅外熱像儀，對泵體磁力耦合區的溫度場進行測量，為最終確定合適的材料和結構尺寸提供可視化支持。紅外熱像儀是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量,反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應,因此可以廣泛應用于各種溫度場的測量[6～8]。

2 結果與分析

2.1 1號實驗樣機測試結果

對1號試驗樣機進行試驗，分別在電機為1440r/min、1200r/min和1000r/min的轉速下，調節不同梯度的系統真空壓力，記錄不同轉速下的泵體磁力耦合區的溫度、流量、工作壓力及噪音等數據，如圖4所示以真空壓力為-0.035MPa時的紅外溫度數據圖像。從溫度圖像看，電機轉速越高，磁力耦合區的溫度越高。

圖4 不同轉速下真空壓力為-0.035MPa時紅外圖像

不同轉速下真空壓力對試驗因變量的影響如圖5所示。從圖中可以看出，一定的真空壓力下，轉速越高，容積效率越高，但能耗也越大。而不同轉速下，真空壓力對工作壓力幾乎沒有影響，而對噪聲的影響則比較明顯。

圖5 不同轉速下真空壓力對試驗因變量的影響

2.2 2號試驗樣機的結果

2號實驗樣機的紅外測溫結果如圖6所示，在定轉子材料和1號泵相同的情況下，增加配合間隙，可以有效地減少摩擦和降低溫度。

圖6 2號樣機在1440rpm的速度下的溫度場

圖7 不同轉速下真空壓力對試驗因變量的影響

圖7表示了不同的轉速下真空壓力對性能的影響。圖7(a)表明，在真空壓力一定的情況下轉速越高，泵的容積效率越高；圖7(b)顯示，在真空壓力一定的情況下轉速為1440r/min時泵的噪音相對最小；圖7(c)表明，圖在真空壓力一定的情況下，轉速不同其工作壓力均在系統要求范圍內；圖7(d)則顯示，在真空壓力一定的情況下，轉速越高相對能耗也越高。

2.3 3號試驗樣機測試結果

從圖8可以看出，當泵芯采用H62黃銅時，即使配合間隙減小到0.01～0.02mm，仍然能有效地減小摩擦力和摩擦溫度。可見，定轉子材料的一硬一軟且有合適的硬度差，能有效地抑制高速旋轉時材料的粘連。較小的間隙則能保證良好的密封和自吸性能。

圖8 3號樣機在1440rpm的速度下的溫度場

在轉速為1440r/min不變的情況下，等梯度調節真空壓力值并記錄好實驗數據，經處理分析后結果如圖9所示。真空壓力數值增大時，系統流量呈遞增趨勢，同時噪音也呈遞增趨勢。系統工作壓力均在試驗要求的范圍內波動，符合實驗要求；在保證工作壓力能穩定在0.2MPa以下時流量能滿足38L/min，噪音低于70dB，均符合試驗設計理念和新產品的預期性能要求。

圖9 因變量在電機定速下隨真空壓力的變化趨勢

3 結論

通過試驗測量三套實驗樣機在運行過程中的溫度、壓力、流量、噪音等數據分析，發現3號樣機在材質選用和特殊處理以及間隙配合上更具合理性，即泵體和泵桿采用45號鋼調質，而泵芯采用較軟的H62黃銅材料，可以有效避免粘連，而采用較小的0.01～0.02mm配合間隙，能夠有效提升氣密性。由此可見，采用紅外熱像儀監測定轉子摩擦發熱，對于優化油泵結構參數，提高加油機壽命，具有較好的應用價值。

[1] http://en.Wikipedia.org /wiki /Gas pump[EB/OL].

[2] ALIBE RT M,DENEEN D,HE R ZOG S,et al.Impact of Hydromechanical Losses on Hydraulic Pump Ef fi ciency[J].STLE Annual Meeting(Las Vegas, Nevada,May19),2010.

[3] KARASSIC I J,MESSINA J P,COOPER P,et al.Pump Handbook[M].New York: McGraw-Hill,2001.

[4] ESPOSITO A.Fluid Power with Applications[M].Miami:Prentice Hall Publisher,2008.

[5] 王志泳,劉亞俊,王維.燃油葉片泵容積效率與轉速關系研究[J].機床與液壓,2014,42(11).

[6] 劉元林,梅晨,唐慶菊,蘆玉梅.紅外熱成像檢測技術研究現狀及發展趨勢[J].機械設計與制造,2015(1):260-266.

[7] 王中任,李寬元,胡玉琴,陶媛.采用紅外熱像儀的自回轉車刀切削溫度的實驗研究[J].制造業自動化,2015,37(4):77-78,85.

[8] 王中任,黎冬陽,阮班超,等.金屬反光表面的發射率的測定實驗研究[J].機械設計與制造,2016(6):226-228.

Experimental study on affecting factors of fuel vane pump

KE Xi-lin, WANG Zhong-ren

TH31

A

1009-0134(2017)04-0074-04

2017-01-05

柯希林（1992 -），男，本科，研究方向為機械設計與制造。