应用单向阀配流的高频往复泵的流量特性分析及优化设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院 作者:李 洋

  针对智能材料驱动的往复泵中应用单向阀配流时遇到的流量瓶颈问题,研究单向阀对高频往复泵整体流量特性的影响规律,并对泵系统的关键参数进行优化设计。建立锥形单向阀内部流体和刚体的动力学模型,以及应用该类型单向阀进行配流的往复泵系统的模型。对柱塞运动频率不同、单向阀结构参数相同的泵系统的工作过程进行仿真,分析单向阀的频宽对于泵系统输出流量的限制;对柱塞运动频率不同、单向阀结构参数随柱塞运动频率改变的泵系统的工作过程进行仿真,分析单向阀频响满足系统要求的前提下,泵的输出流量仍然存在瓶颈的原因。通过仿真比较,指出对系统进行伺服流量调节的较优方案是对柱塞的往复运动进行调幅控制。以泵系统的流量和容积效率为目标,采用粒子群优化算法,对系统的关键参数进行优化,得到一定条件下,被动配流泵系统相应目标的最优值。

  前言

  单向阀作为基本部件,在液压系统中有着广泛的应用。在近几年关于各种新型液压作动器的研究中,智能材料驱动的液压容积伺服作动器是热点之一,并且在其中常将单向阀作为配流阀来使用,为智能材料驱动的往复泵提供单向的配流功能。

  智能材料驱动的往复泵多采用电致伸缩或磁致伸缩等作为驱动材料,由这些材料组成的驱动机构的特点是输出位移小,输出力大,动态响应快。在这类泵的应用中,智能材料工作在几十到几百赫兹的频率范围内,系统能达到如此高的工作频率,已经远远超出了一般的液压系统对于单向阀的频响要求,如果单向阀的被动响应不能够及时地配合智能材料驱动泵的吸排油动作,整个泵系统的性能就会受到很大的影响。

  事实上,MAUCK 等已经注意到了单向阀的频响对智能材料泵性能的影响;SIROHI 等给出了采用频响不同的两种单向阀后,智能材料泵频率-流量的曲线对比,描述了单向阀频响的改变对泵系统性能的影响;CHAUDHURI 等对于智能材料驱动的往复泵在不同频率时的输出流量仿真和试验的结果进行讨论,认为泵输出流量的影响因素除包含单向阀的频响外,还包含流体惯性、磁路特性及机械惯性和摩擦等因素。智能材料泵中单向阀的作用越来越受到重视,各种不同的单向阀被设计出来,并应用于微排量的智能材料泵。

  另一方面,从单向阀的性能对流体传输系统影响的角度,也有很多的研究成果。STONE对提升阀的流量和液动力特性进行了分析和试验验证,POOL 等研究了核电站供水系统中,对由回转式单向阀启闭产生的水击压力进行预测的方法;美国机械工程师协会(ASME)专门成立了研究单向阀的使用与维护的工作小组,跟踪记录了20 世纪80~90 年代,美国核电站供水系统所使用的单向阀的可靠性方面的数据,并分析了各类型单向阀的故障原因及模式。

  对于单向阀的应用研究,还包括对油田上采用的直线抽油机的泵阀流量特性的研究,以及在流体介质为气体的机械驱动与传动回路中单向阀特性影响的研究。

  在智能材料驱动的往复泵中,应用单向阀的止回功能,对泵系统进行配流,使液压能按照预定的方向由泵向负载输出。智能材料的结构及力学特性,决定了这类系统中单向阀的工况为开关频率高、周期流量小,这与传统液压系统中单向阀的工况不同。其中,高频的启闭对单向阀阀芯的动态响应能力提出了更高的要求,而周期流量很小则加剧了系统整体流量特性对于单向阀动态响应的敏感性,每个周期内即使单向阀流量特性发生细微的变化,也会对系统产生很大的影响。大量关于智能材料驱动的往复泵的试验结果证明,单向阀的特性对于泵系统整体的流量特性有着至关重要的影响。因此十分有必要,对高频往复泵中,单向阀的配流过程和对于系统流量特性的影响规律进行细致深入的研究,找出关键的影响因素,探寻系统的性能上限。

1、单向阀配流的往复泵系统数学模型

  1.1、锥形单向阀的建模

  这里采用锥形提升阀作为典型的单向阀对象进行建模,建模的思路是以阀口为分界,将单向阀内部流场分为上游和下游两部分,两部分具有各自的流态与静压力(图1)。

阀口的几何参数及两侧压力

图1 阀口的几何参数及两侧压力

结论

  (1) 单向阀配流的往复泵系统的流量特性,与单向阀动态特性、柱塞运动的频率及行程、柱塞腔容积,以及油箱压力等诸多因素有关。

  (2) 该类泵系统的流量特性的关键,在于柱塞运动速度与吸排油单向阀启闭的配合。单向阀是被动式的压力敏感阀,柱塞往复运动引起的柱塞腔压力变化,是其阀芯弹簧系统的驱动来源,因此其响应特性与柱塞的运动情况密切相关,这是该类泵系统与主动配流泵系统的主要区别。

  (3) 柱塞运动频率不超过单向阀阀芯自身谐振频率时,泵系统能够完成正常吸排油,但泵系统的输出流量与柱塞运动频率间的线性度较差。当柱塞运动频率超过单向阀阀芯自身谐振频率后,由于阀芯响应的滞后,会引起配流逻辑关系的错位,使泵系统出现零输出流量甚至是负输出流量,功能失效。

  (4) 当柱塞运动频率在一定范围内时,其运动行程与输出流量之间具有较好的线性度。因此,当将这种泵系统应用于容积伺服变量控制的时候,通过改变柱塞行程的方式是较为理想的选择。

  (5) 受限于油箱压力,吸油单向阀的驱动力较低,是系统流量特性的瓶颈所在。且由于吸排油单向阀的工况不同,需要匹配设计吸油单向阀和排油单向阀的动态特性,确保它们在不同驱动力下的响应一致,以使它们配合工作时,泵系统流量特性达到最优。

  (6) 受结构和动态特性的限制,被动配流泵系统的流量输出不能像主动配流泵系统那样,在不考虑功率限制的情况下,随柱塞运动频率的增加而无限制增加,且柱塞运动频率较高时,被动配流的容积效率与主动配流相比,存在较大差距。

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