液壓隔膜計量泵液壓模型的仿真結(jié)果分析

王明虎

（浙江愛力浦科技股份有限公司，浙江臺州 317100）

0 引言

液壓隔膜計量泵作為高新技術(shù)設(shè)備，在各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。液壓隔膜計量泵的壓力是其核心技術(shù)特征之一，與其他普通類型的往復(fù)泵對比具有明顯差異，該設(shè)備的排出壓力并非泵本身的固有屬性，主要受到管路特性影響，也可以理解為：計量泵本身排出壓力的變化幅度會受到外部管路阻力因素影響[1]。

1 液壓隔膜計量泵的動態(tài)特性

1.1 吸入閥、排出閥的開啟和關(guān)閉過程以及壓力變化

常規(guī)情況下，液壓隔膜計量泵處于正常供液壓力狀態(tài)時，輸出壓力值p2=1.3 MPa，n=60 r/min，在這樣的工況下施行仿真試驗，測得液壓隔膜計量泵的虛擬樣機在實際工作過程中的腔內(nèi)壓力變化曲線（圖1），以及吸入、排出閥裝置閥芯對應(yīng)的開啟量曲線（圖2）。

圖1 工作腔壓力變化曲線

圖2 吸入、排出閥運動位移曲線

以液壓隔膜計量泵的實際工作腔壓力變化為基礎(chǔ)，對其曲線圖進行研究可知，在吸入行程中，設(shè)備工作腔內(nèi)的工作壓力處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，一直維持在常壓水平，0.52 s 之后即t=0.52 s 時，設(shè)備的吸入閥裝置閉合，而柱塞繼續(xù)推進，導(dǎo)致工作腔內(nèi)壓迅速升高，直到t=0.55 s 排出閥打開，工作腔的壓力達到最大值1.3 MPa，之后保持這個穩(wěn)定壓力，與計量泵初始額定工作壓力相近；當t=1.02 s 時，排液閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時吸液行程開始，壓力立即下降，此后又進入到下一階段的循環(huán)作業(yè)[2]。

由圖2 液壓隔膜計量泵吸入、排出閥運動位移曲線可知，吸入與排出閥保持著獨特的運動規(guī)律，兩曲線之間的間隔部分數(shù)為0.01 s，就此可知設(shè)備運行存在滯后現(xiàn)象。

1.2 泵閥沖擊現(xiàn)象

設(shè)定液壓隔膜計量泵的輸出壓力值p2=1.3 MPa，此時全流量輸出環(huán)節(jié)的曲柄實際轉(zhuǎn)速n 分別設(shè)定為60 r/min、l00 r/min，在這樣的設(shè)定下，為保證可以得到更加清晰的泵閥運動速度變化規(guī)律曲線。n=60 r/min時的仿真時間點位是2.5 s，n=100 r/min 狀態(tài)下的仿真時間標準為1.5 s。借助AMESim 完成后續(xù)仿真測試實驗，得出計量泵吸入閥運動速度曲線如圖3、圖4所示。

圖3 吸入閥閥芯運動速度曲線（n=60 r/min）

圖4 排出閥閥芯運動速度曲線（n=100 r/min）

液壓隔膜計量泵排出閥裝置運動速度曲線如圖5、圖6 所示。對計量泵運行仿真模型曲線趨于穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)進行詳實記錄，然后以圖5、圖6 為基礎(chǔ)進行分析。在n=60 r/min 時，泵的吸入閥裝置正式開啟，同時還會持續(xù)吸入設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)液體，在此期間計量泵會按照0.52 m/s 速度開啟，同時繼續(xù)按較高水平的加速度完成后續(xù)環(huán)節(jié)的限位裝置撞擊指令；在泵處于關(guān)閉狀態(tài)時，會以0.28 m/s 的初始額定速度繼續(xù)對閥座執(zhí)行撞擊指令。在此期間，如果排液閥裝置保持開啟狀態(tài)并排出部分介質(zhì)液體的時間點，還會按照0.41 m/s 的設(shè)備初始啟動速度繼續(xù)對限位裝置形成撞擊作用，關(guān)閉后，速度會再次回到0.38 m/s，并持續(xù)撞擊閥座[3]。在n=100 r/min 時，吸入閥裝置會立即開啟并持續(xù)吸入介質(zhì)液體，在此瞬間，會按照0.45 m/s 的速度繼續(xù)對限位裝置進行撞擊，在關(guān)閉并撞擊閥座時的速度約為0.46 m/s。在此期間，排液閥裝置處于開啟狀態(tài)，并在排出介質(zhì)液體的瞬間按照0.20 m/s 的速度對限位裝置進行持續(xù)撞擊，此后，在后續(xù)關(guān)閉環(huán)節(jié)會再次回轉(zhuǎn)到0.25 m/s 的初始設(shè)定速度保持運動，并對閥座進行持續(xù)撞擊[4]。

圖5 排出閥閥芯運動速度曲線（n=60 r/min）

圖6 排出閥閥芯運動速度曲線（n=100 r/min）

1.3 液壓隔膜計量泵柱塞的運動分析

在液壓隔膜計量泵處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，設(shè)備額定輸出壓力標準p2=1.3 MPa，設(shè)備曲柄初始轉(zhuǎn)速n 設(shè)定標準分別為60 r/min、80 r/min、100 r/min、120 r/min，使用AMESim 進行批量處理，經(jīng)過仿真實驗后可得到此時計量泵設(shè)備曲柄實際轉(zhuǎn)速下的最終柱塞速度曲線（圖7）。

圖7 不同曲柄轉(zhuǎn)速下的柱塞速度曲線

由圖7 可知，柱塞速度表現(xiàn)為周期性變化，同時，柱塞繼續(xù)按照正弦曲線形式保持規(guī)律運動，在曲柄實際轉(zhuǎn)速n=60 r/min 時，對應(yīng)的柱塞速度最高值標準為V1max=0.065 m/s，設(shè)備運動周期T1=1.0 s；當n2=80 r/min時，V2max=0.086 m/s，T2=0.75 s；當n3=100 r/min 時，V3max=0.11 m/s，T3=0.6 s；當n4=120 r/min 時，V4max=0.13 m/s，T4=0.5 s。

2 滯后現(xiàn)象對液壓隔膜計量泵性能的影響分析

在液壓隔膜計量泵設(shè)備處于正常工作狀態(tài)時，泵閥會按周期性規(guī)律啟閉，即可順利完成計量泵設(shè)備對工作介質(zhì)的所有吸排任務(wù)[5]。

在液壓隔膜計量泵設(shè)備中的柱塞向前運動并到達前止點以后，此時的柱塞又會再次向后運動，并再次進入到泵的吸入環(huán)節(jié)，在此期間，因為計量泵設(shè)備中的泵閥裝置存在響應(yīng)的情況，所以，排出閥無法及時關(guān)閉，導(dǎo)致吸入閥受到影響，無法順利打開，最終形成滯后問題[6]。其中，工作介質(zhì)腔內(nèi)空間的壓力值會在柱塞吸入行程的推動過程中持續(xù)下降，對應(yīng)的吸入閥閥芯裝置則會在工作腔內(nèi)空間壓力下降到一定值以后，受到兩端壓差的影響，隨即開啟，在這樣的情況下，工作介質(zhì)腔即可準備待輸送介質(zhì)環(huán)節(jié)。

2.1 吸入閥的啟閉特性

初始參數(shù)條件下，對曲柄轉(zhuǎn)速n 依次設(shè)定為60 r/min、80 r/min、100 r/min，然后執(zhí)行統(tǒng)一的批量處理，為保證仿真結(jié)果的穩(wěn)定性，特設(shè)定仿真運行時間標準為1.5 s，設(shè)定間隔時間為0.001 s，設(shè)備吸入閥閥芯位置運動曲線如圖8 所示。

圖8 不同曲軸轉(zhuǎn)速下的吸入閥開啟量

由圖8 可知，在曲柄轉(zhuǎn)速不同的情況下，吸入閥最高標準位移量均可達到5 mm。在曲柄轉(zhuǎn)速設(shè)定為n1=60 r/min 后，此時吸入閥裝置的啟閉周期為T1=0.55 s；當曲柄實際轉(zhuǎn)速標準為n2=80 r/min 時；吸入閥裝置啟閉周期T2=0.40 s；當曲柄實際轉(zhuǎn)速標準為n3=100 r/min時，吸入閥裝置啟閉周期T3=0.33 s，此時設(shè)備開啟量均按照周期性變化發(fā)展。經(jīng)過仿真分析可知，曲柄自身轉(zhuǎn)速越高，則最終吸入閥裝置的開閉頻率越快，對應(yīng)的閥芯開啟速度越快[7]。

2.2 不同曲柄轉(zhuǎn)速下的滯后角

將液壓隔膜計量泵的初始輸出壓力標準設(shè)定為p2=1.3 MPa 時，設(shè)備處于穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，設(shè)定最終仿真運行時間標準為2.0 s，對應(yīng)運行間隔時間設(shè)定為0.001 s，曲柄轉(zhuǎn)速設(shè)定為n=60 r/min。按照上述設(shè)定方式，經(jīng)過運行仿真后得到吸入閥與排出閥不同時刻的啟閉量曲線（圖9）。

圖9 曲柄轉(zhuǎn)速為60 r/min 時吸入、排出閥的開啟量變化曲線

由圖9 可知，吸入閥裝置的關(guān)閉和排出閥在打開之后和排出閥裝置的關(guān)閉與吸入閥打開后，每項指令動作的完成均存在一定的時間間隔，造成這種情況的主要原因為，在設(shè)備的吸入閥正式打開以后，此時曲柄轉(zhuǎn)角設(shè)定為π，在這樣的情況下液壓隔膜計量泵設(shè)備會進入排液作業(yè)階段，此時排出閥裝置會因為吸入閥裝置并未處于關(guān)閉狀態(tài)而無法執(zhí)行打開操作，因此會出現(xiàn)吸入閥裝置的關(guān)閉滯后問題和排出閥裝置的開啟滯后問題；在曲柄轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)至0 后，計量備則會再次轉(zhuǎn)入到下一個環(huán)節(jié)的吸液循環(huán)中，此時吸入閥裝置會因為排出閥并未處于完全關(guān)閉狀態(tài)而無法打開，因此會出現(xiàn)排出閥裝置的關(guān)閉滯后問題和吸入閥裝置的開啟滯后問題[8]。

3 結(jié)束語

綜上所述，在運動狀態(tài)不穩(wěn)定的情況下，液壓隔膜計量泵中的泵閥裝置和閥芯裝置會對限位裝置和設(shè)備內(nèi)的閥座形成撞擊作用，這是泵頭噪聲問題的主要來源。在此期間，設(shè)備吸入閥與排出閥裝置的正常運動速度會在曲柄轉(zhuǎn)速的變化下發(fā)生改變，并呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，因此，在轉(zhuǎn)速加快的同時，閥芯對閥座形成的撞擊頻率也會升高。同時，在轉(zhuǎn)速提高的過程中，閥的速度變化同樣比較劇烈，并且加速度變化尤為突出，因此，此時閥的開啟量慣性力會出現(xiàn)大幅度增加，更加容易形成沖擊、振動以及噪聲問題，這是造成計量泵設(shè)備泵閥流量損失的核心原因之一。