基于正交試驗的高頻電磁泵單向閥優(yōu)化設(shè)計

吳永海，包海濤

（淮陰工學(xué)院交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

1 引言

在汽車、國防、航空航天等領(lǐng)域，由于技術(shù)的更新?lián)Q代，對于往復(fù)泵在此領(lǐng)域應(yīng)用朝著小型化、智能化、易于控制等方向發(fā)展[1]。論文研究的高頻電磁泵是一種往復(fù)式柱塞泵，動力端采用一種新型電磁鐵直接驅(qū)動活塞，和傳統(tǒng)往復(fù)泵相比，省去中間傳動機構(gòu)，從而大大降低了機械摩擦損失，提高了泵工作可靠性與傳遞效率[2]。

單向閥在液壓系統(tǒng)中，起到單向配流的作用，是核心部件。隨著CFD 技術(shù)的發(fā)展，對于單向閥的設(shè)計和研究越來越成熟，使得流體的流動和閥芯之間復(fù)雜的流固耦合運動研究成為可能，為單向閥的設(shè)計分析奠定基礎(chǔ)。文獻[3-5]應(yīng)用建立理論數(shù)學(xué)模型的方法，確定單向閥的開啟程度對流量性能的影響。文獻[4-6]研究了彈簧勁度系數(shù)對單向閥性能的影響，發(fā)現(xiàn)勁度系數(shù)越大，閥滯后關(guān)閉角減小，閥滯后高度降低。文獻[7]應(yīng)用CFD 技術(shù)對單向閥進行了流動數(shù)值模擬，分析了單向閥壓力場和速度場，同時應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù)研究了單向閥閥芯開啟過程。然而對于高頻電磁泵中的單向閥性能對于泵性能的研究較少，由于高頻電磁泵工作頻率高，對于單向閥的性能提出了更高的要求。針對高頻電磁泵高頻響應(yīng)特點，針對單向閥結(jié)構(gòu)特性，并通過CFD 瞬態(tài)仿真分析模型以及單向閥參數(shù)分析，深入研究了單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對電磁泵流量特性的影響，對單向閥參數(shù)進行設(shè)計優(yōu)化，為提升高頻電磁泵的性能奠定基礎(chǔ)。

2 電磁泵結(jié)構(gòu)及原理

2.1 工作原理

高頻電磁泵采用單體往復(fù)式柱塞泵結(jié)構(gòu)，其工作原理是某種新型電磁鐵往復(fù)運動帶動柱塞在活塞腔內(nèi)往復(fù)直線運動，活塞腔體積做膨脹和壓縮變化，進、出口單向閥交替打開與關(guān)閉，完成吸液和排液過程。其電磁結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。

2.2 單向閥方案設(shè)計

單向閥在電磁泵中作配流閥使用，單向通流的作用。根據(jù)電磁泵的高頻響應(yīng)特性，保證進、出的單向閥之間的匹配關(guān)系，以及零部件的工藝性和經(jīng)濟性，進、出口單向閥皆采用立柱式閥芯單向閥，實物圖和工作示意圖，如圖2、圖3 所示。

圖2 立柱式閥芯單向閥實物圖Fig.2 Physical Map of Check Valve

圖3 立柱式閥芯單向閥原理結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Column-Type Check Valve Principle Structure Schematic

3 網(wǎng)格劃分和初始條件

研究對象為進、出口單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對高頻電磁泵性能的影響。首先對高頻電磁泵的工作原理和電磁泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行簡化處理，然后建立幾何模型。為了減少動網(wǎng)格更新的數(shù)量，在Gambit建立了包括進液口、活塞腔、進、出口單向閥運動區(qū)域、出液孔道、出液口的電磁泵幾何模型，并在運動區(qū)域劃非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在非運動區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，為獲得好的求解精度，并在局部區(qū)域進行細化網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖4 所示。

進、出口單向閥的運動規(guī)律是主要受液體壓力變化和彈簧壓縮變形后產(chǎn)生的彈簧力共同作用，促使閥芯打開和關(guān)閉。

在CFD 仿真軟件FLUENT 中，根據(jù)流固耦合的基本理論和方法，借助DEFINE_CG_MOTION 宏來定義閥芯速度邊界條件。受力情況可由牛頓第二定律來描述：

式中：m—單向閥閥芯質(zhì)量；

v—閥芯運動速度；

Fflow—工質(zhì)液體對單向閥閥芯的作用力；

Δp—閥芯上下表面壓差；

Ac—閥芯有效作用面積，Ac=πD2/4（D 為有效直徑）；

Fspring—彈簧變形后產(chǎn)生的彈簧力。

圖4 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Diagram of Mesh Division of Numerical Model

4 正交試驗

正交試驗設(shè)計（Orthogonal Design）是利用基于正交表來安排與分析多因素試驗的一種方法。利用數(shù)理統(tǒng)計與正交性原理相結(jié)合，能夠合理安排多因素試驗、降低試驗次數(shù)、縮短試驗周期、避免盲目性的一種科學(xué)方法。

正交試驗設(shè)計方法最基本的術(shù)語為：

（1）試驗指標，是試驗考查的依據(jù)，為試驗結(jié)果的特征量，試驗過程中的因變量；

（2）試驗因素，是試驗研究過程中的自變量，是對試驗產(chǎn)生影響的對比條件，通過分析可以得出因素對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響大小，常用大寫字母 A、B、C、D、E 等來表示；

（3）因素水平，是指試驗中因素所處的具體狀態(tài)或者情況，各因素在試驗中所需要考慮的集中狀態(tài)；

（4）交互作用，因素之間水平搭配對實驗指標產(chǎn)生的影響[8]。

應(yīng)用正交試驗設(shè)計的方法探究單向閥參數(shù)對高頻電磁泵流量特性的影響規(guī)律。

5 正交試驗方案設(shè)計

由于進、出口單向閥皆采用相同規(guī)格的立柱式閥芯單線閥，針對出口處的單向閥參數(shù)進行研究。其中在單向閥在泵中做配流作用時，影響高頻電磁泵流量特性的因素主要有，閥芯圓盤與出液孔直徑的徑孔比λ、單向閥閥芯的行程s、單向閥閥芯的質(zhì)量m、以及彈簧剛度k 等。通過分析研究選取以下單向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為試驗因素：閥芯圓盤與出液孔直徑的徑孔比λ（A），單向閥閥芯的行程s（B），彈簧剛度k（C），通過以下試驗可以得出上述單向閥幾何參數(shù)對高頻電磁泵凈輸出流量的影響規(guī)律。所選因素，如表1 所示。選用選擇正交表L9（34）安排試驗仿真，確定試驗方案，如表2 所示。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Orthogonal Test Factor Level Table

表2 正交試驗組合方案Tab.2 Orthogonal Test Combination Scheme

6 正交試驗結(jié)果分析

評價指標選取高頻電磁泵出口的經(jīng)輸出流量Q，9 個單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的高頻電磁泵數(shù)值模擬結(jié)果，如表3 所示。為了評價3個單向閥因素對高頻電磁泵流量特性的影響，尋找原因并優(yōu)化方案，對正交實驗進行了極差分析結(jié)果，如表4 所示。

表3 單向閥正交試驗結(jié)果Tab.3 Orthogonal Test Results of Check Valve

表4 泵流量極差分析結(jié)果Tab.4 Analysis Results of Pump Flow Extreme Difference

圖5 泵流量隨單向閥參數(shù)水平的變化趨勢Fig.5 Pump Flow Rate Changes with the Check Valve’s Parameter Level

從圖6 可知，在出口單向閥開啟之前，存在一定程度的跳動，原因是在單向閥閥芯開啟之前，由于進口單向閥的和活塞腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)特點，泵內(nèi)流場的流體存在波動性，波動的沖擊力作用在閥芯促使閥芯產(chǎn)生一定波動。極差分析結(jié)果，如表4、圖5 所示，通過泵流量極差趨勢R 可以看出，決定高頻電磁泵凈輸出流量的因素因子主次順序為C>B>A，即依次為單向閥彈簧的剛度、單向閥的行程、徑孔比。最佳水平組合為A1.033B2.5C8000，根據(jù)單向閥因素水平對高頻電磁泵性能的影響大小，對單向閥結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化。

圖6 不同組合單向閥的位移曲線Fig.6 Displacement Curves of Unidirectional Valves with Different Combinations

7 優(yōu)化方案分析與試驗驗證

根據(jù)經(jīng)過單向閥閥的正交試驗設(shè)計得到的最佳單向閥方案，加工該參數(shù)的單向閥，并組裝高頻電磁泵樣機。流量測試試驗在高頻電磁泵的流量特性測試平臺上進行，如圖7 所示。測試方法為：通過調(diào)節(jié)電磁泵控制系統(tǒng)，使高頻電磁泵在50Hz 頻率下正常工作，當其流量穩(wěn)定的情況下，在精度為0.1g 的電子稱上讀取1min 泵穩(wěn)態(tài)流量，并重復(fù)電磁泵測試10 組實驗數(shù)據(jù)，取平均值并通過換算關(guān)系得到高頻電磁泵單周期流量并與仿真計算得到的出口凈輸出流量相對比。

圖7 高頻電磁泵流量測試平臺Fig.7 High-Frequency Electromagnetic Pump Flow Test Platform

圖8 進口與出口的液體質(zhì)量流量Fig.8 Liquid Mass Flow of Import and Export

由于已知方案中未有最佳方案單向閥的高頻電磁泵瞬態(tài)仿真分析的組合，根據(jù)單向閥的參數(shù)在FLUENT 進行分析，得到的進出口流量曲線，如圖8 所示。對曲線積分后可以得到仿真值為1.76g，與試驗中最小值1.496g 同比增加了17.65%。通過實驗測得值為1.59g，仿真值相比誤差為9.65%。由于高頻電磁泵樣機裝配以及試驗中測試的誤差，上述誤差在合理范圍之內(nèi)，驗證了仿真模型的準確性，可知通過正交試驗設(shè)計優(yōu)化后的單向閥可以有效地提升高頻電磁泵的性能。

8 結(jié)論

根據(jù)流體力學(xué)理論對電磁泵動態(tài)特性進行了研究分析，建立流量測試試驗平臺，驗證了仿真模型可行性，并應(yīng)用正交試驗設(shè)計的方法對單向閥進行了優(yōu)化設(shè)計，研究了單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對電磁泵特性的影響。通過正交試驗的結(jié)果表明，確定單向閥的徑孔比為1.033、行程為2.5mm、剛度為8000N/mm 時，能夠使進出口單向閥參數(shù)進行匹配，泵的凈輸出流量同比增加17.65%，有效地提升高頻電磁泵的性能，也為高頻電磁泵的進一步應(yīng)用打下基礎(chǔ)。