高压海水泵阀配流系统响应特性研究

Research on Response Characteristics of High Pressure Sea W ater PumpValve Type SystemWANG Guozhi ，CHEN Lin ，LIU Huanlong ，YU Zuying ，PU Zhilin(1.Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.Sichuan Institute of Special Sea Technology，Chengdu Sichuan 610043，China)Abstract：In the process of 45 MPa seawater piston pumpS test，the question that the flow was insuficient without leakage wasanalyzed. The main reasons were inadequacy inhalation and low volumetric eficiency. The unreasonable inlet valve structure can in-crease water suction resistan ce，causing insuficient inhalation； the mismatch among plunger diameter，stroke and spring stifness，preload，pump speed，wil cause that the valve system response is lag，valve cant be opened and closed without delay，SO inhalationis less and volumetric eficiency is low. Through simulation，the parameters afecting inhalation characteristics and volumetric eficien-cy were optimized.It provides theoretical basis for the design and improvement of pump，the development cycle can be shortened andthe development cost is reduced。

Keywords：H Jigh pressure sea water pump；Valve type system；Volumetric eficiency；Response characteristics针对海水泵在试验过程中出现的容积效率低下问题进行分析，主要有两方面的原因： (1)进口阀的吸人特性不足；(2)弹簧和阀片组成的系统反应滞后▲水阀的结构不合理会导致吸人不足，柱塞直径和行程与配流阀的弹簧刚度、预紧力、泵转速等不相匹配会导致阀配系统响应滞后，容积效率无法得到保证。为了使泵获得最佳性能，通过仿真对上述参数进行优化，得到-个最佳匹配关系。

作者以某研究所研发的45 MPa径向柱塞泵为例，建立仿真模型，通过仿真研究上述参数对泵的容积效率以及自吸能力的影响，建立上述参数之间的匹配关系。

1 海水泵结构图1所示为45 MPa超高压海水径向柱塞泵的结构图，电机带动偏心轴旋转，旋转的偏心轴带动和轴承接触的柱塞做往复直线运动。海水泵共2排 18个柱塞，每个柱塞分别配有 1个进水阀和出水阀。

l-偏心轴 2-前端盖 3-出水阀 4-柱塞安装架 5-外套6-进水阀 7-柱塞 8-柱塞缸套 9-后端盖图 1 海水泵结构如图1所示位置，当柱塞在回复弹簧的作用下向下运动时，柱塞腔内产生局部真空，使进水单向阀开收稿 日期 ：2012-O5-30基金项 目：国家 863计划项目 (2009AA093303)作者简介：王国志 (1969-)，男，博士，副教授，研究方向为机械电子工程。E～mail：linshao0927###vip.qq.com。

· l4· 机床与液压 第41卷启、出水阀关闭，海水被吸入柱塞腔内；当柱塞在轴承推动下向上运动时，柱塞腔内的海水被压缩，腔内压力增加，进水阀关闭，排水阀开启。

2 海水泵计算仿真2.1 建立模型在AMESim软件中建立超高压径向柱塞泵的仿真模型。其进水单向阀模型和出水单向阀模型如图2所示，原海水泵共2排 18个柱塞，简化模型为 1排9个柱塞，为了使模型看起来简洁，将进水阀和出水阀模型做成如图3所示的超级组件。

④(a)进 口阀 (b)出口阀图2 进、出水阀HCD模型- L(a)进 1：3阀 (b)出口阀图 3 进、出水阀超级组件模型海水泵模型如图4所示。

图4 海水泵模型2.2 参数设置海水泵主要设计参数：电机转速为1 000 r/min，柱塞直径 为 7 mm，行 程为 9 mm，输 出压力为 45MPa，额定流量5 L/min，工作介质为海水，海水密度为 1 016 kg/m 。

仿真参数：进水阀进水口直径为4 mm，弹簧刚度为0.3 N/mm，初始预紧力为 0.4 N，阀芯质量为0.8 g，出水阀出水El直径为 5 mm，阀芯质量为 1 g。

泵进水口压力为大气压，运行时间为0.3 s，采样周期为0.000 2 s。

2.3 结果仿真经过仿真运行，得到进水阀的入口流量和泵的输出流量曲线如图5、图6所示。

.曼面图5 进水阀入口流量 图6 泵的输出流量由图可知存在几个问题。

(1)柱塞腔吸水过程中，阀芯开启困难，吸人不足，流量不稳定，脉动较大；(2)阀片不能及时关闭，进水阀出现 负流量”现象。

分析上述问题可知 ：吸水过程中，进水口压力太小，弹簧刚度和初始预紧力太大，导致阀芯开启困难，开度小，进水阀阀口水流速太快，且阀口直径偏小，海水进入受到的阻力太大，导致吸入困难；弹簧刚度、初始预紧力和阀芯质量与转速不匹配，导致阀芯响应延迟严重，减小了吸入量，增加了泄漏量，导致容积效率低。

2.4 参数优化针对试验和仿真中出现的问题，对仿真参数进行修改。在仿真中发现，阀芯的质量越小，阀的响应越快，滞后性得到了缓解。为了旧能降低阀芯的质量，在满足强度的情况下，改用密度小的轻型材料，并对结构进行修改，增大流水孔道面积，减小了进水的阻力。改进后进水阀阀板质量为0.4 g，出水阀阀芯质量为0.7 g。

同时，提高进水口压力-方面可以有效消除海水的汽化现象、降低脉动，另-方面提高了泵的输出流量。海水泵进 口最高压力可以为3 MPa，取最大值，并在几何结构允许下增大进水阀阀口直径，可以改善阀配系统的吸人特性，阀口直径增加至5 mln。

太大的弹簧刚度和初始预紧力会使阀芯开启困难，阀口开度很小，不利于海水的吸入；太小的弹簧刚度和初始预紧力会使阀配系统响应滞后严重，不利于阀的及时开启和关闭，对容积效率影响大。经过仿真计算，弹簧刚度取 0.1 N/ram，初始预紧力取0.3 N。

进行参数优化后，得到的进水阀入口流量和泵的流量曲线如图7、图8所示。

第 13期 王国志 等：高压海水泵阀配流系统响应特性研究 ·15·目蚓媲 图7 优化后进水阀入口流量图8 优化后泵的输出流量优化后，进水阀的阀芯运动平稳，人口流量波动减小；泵的输出流量增大，容积效率增大，流量的脉动特性明显减校3 试验验证按照优化工况下进行实在相同的图9 优化后泵的输出流量由图9可知：随之输出压力的增大，输出流量开始降低；优化后的流量明显高于改进前，吸入特性和容积效率得到了提高，优化是有效的。

4 结论在AMESim中建立超高压海水泵的仿真模型，通过计算和参数优化，根据优化参数修改海水泵零件结构进行试验，得到了如下结论 ：(1)提高进水口压力，可以缓解吸入过程中的海水汽化，改善吸人特性，增加容积效率和降低流量脉动；(2)海水泵的阀配系统的参数匹配对阀配系统的吸人特性和容积效率有着很大的影响，需要根据实际情况进行优化。