变转速液压电机泵中孔板离心泵的增压作用_冀宏

DOI:10.13295/j.cnki.jlut.2014.01.019

第４０卷第１期２０１４年２月

兰　州　理　工　大　学　学　报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ　　　　ｙｇｙ　

Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．１

Ｆｅｂ．２０１４

（）１６７３５１９６２０１４０１００３７０４　　文章编号：－－－

变转速液压电机泵中孔板离心泵的增压作用

冀　宏，张继铭，王金林，王文璐，孙东宁

（）兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州　７３００５０

摘要：液压电机泵主要是由电动机、孔板离心泵及主泵（高压叶片泵）集成为一体的新型液压动力单元，在主泵吸油腔前端设置孔板离心泵是利用其增压作用提高主泵进口压力，保证主泵充分吸油．建立液压电机泵中孔板离心泵进行不同转速条件下的流场仿真计算，分析转速对液压电机泵中孔板离心泵增压作用的影响．研的内部流场模型，

究表明：孔板离心泵出口总压随着转速的上升不断增大，孔板离心泵出口（主泵吸油腔进口）总压最大值可以表征／孔板离心泵对主泵的补油效果，当转速高于１总压最大值快速升高并呈线性增加趋势，当转速上０００ｒｍｉｎ以后，　／升至２总压最大值相对增大１０００ｒｍｉｎ时，５．５倍．　关键词：液压电机泵；孔板离心泵；变转速；增压作用中图分类号：ＴＨ１３７　　文献标识码：Ａ

Ｃｈａｒｉｎｅｆｆｅｃｔｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕａｌｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｏｒｔｌａｔｅｕｍ　　－ｐ　　　ｇｇｇｐｐｐ　　

ｕｎｄｅｒｖａｒｉａｂｌｅｓｅｅｄｍｏｔｏｒｕｍ－ｐ　　ｐｐ　

，，ＷＡＮＧ，ＷＡＮＧ　，ＪＩＨｏｎＺＨＡＮＧＪｉｉｎＪｉｎｌｉｎＷｅｎｌｕＳＵＮＤｏｎｎｉｎ　　－ｍ　－－　－ｇｇｇｇ

（，，）ＣｏｌｌｅｅｏｆＥｎｅｒａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｉｎｅｅｒｉｎＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖ．ｏｆＴｅｃｈ．Ｌａｎｚｈｏｕ３００５０，Ｃｈｉｎａ　　　　　　　７ｇｇｙｇｇ　

：ＡｂｓｔｒａｃｔＥｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒｕｍｉｓａｎｏｖｅｌｉｎｔｅｒａｔｅｄｈｄｒａｕｌｉｃｏｗｅｒｕｎｉｔｗｈｉｃｈｉｓｍａｉｎｌｃｏｍｏｓｅｄｏｆａｎ　－ｐ　　　　　　　　　　　ｐｇｙｐｙｐ　　

，ｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒａｐｏｒｔｃｅｎｔｒｉｆｕａｌａｎｄａｍａｉｎａｈｉｈｖａｎｅ．Ｔｈｅｌａｔｅｕｍｕｍｒｅｓｓｕｒｅｕｍｏｒｔ　－ｐ　　　　　　－ｐ　　　－ｇｇｐｐｐｐ（ｐｐ）ｐ　ｌａｔｅｃｅｎｔｒｉｆｕａｌｕｍｉｓｓｅｔｉｎｔｈｅｆｒｏｎｔｏｆｏｉｌｓｕｃｔｉｏｎｃａｖｉｔｏｆｔｈｅｍａｉｎｕｍｔｏｉｍｒｏｖｅｔｈｅｒｅｓｓｕｒｅｏｆ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｐｇｐｐｙｐｐｐｐ　　　ｔｈｅｉｎｌｅｔｏｆｔｈｅｍａｉｎｕｍｂｕｔｉｌｉｚｉｎｔｈｅｃｈａｒｉｎｅｆｆｅｃｔａｎｄｅｎｓｕｒｅｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｏｉｌｓｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｉｎ　　　　　　　　　　　　　　ｐｐｙｇｇｇ　　　　ｕｍＴｈｅｏｒｔｌａｔｅｕｍｕｍｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｅｎｔｒｉｆｕａｌｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒｉｓｓｅｔ　　　　　　　－ｐ　　　　　－ｐ　ｐｐ．ｐｐｐｐｇ　　

ｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｕｎｄｅｒｖａｒｉａｂｌｅｓｅｅｄｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｍａｒａｔｉｖｅａｎａｌｓｉｓｏｎｏｒｔｌａｔｅｃｅｎｔｒｉｆｕａｌｕ　　　　　　　　　　　　　－ｐ　ｐｐｙｐｇｐ，

ｕｍｒｅｓｓｕｒｅｏｒｔｏｒｔｃｈａｒｉｎｅｆｆｅｃｔｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｔｏｔａｌｏｎｔｈｅｏｕｔｌｅｔｏｆ　　　　　　　　　　　　　　－ｐｐｐｐｐｇｇ　　ｌａｔｅｃｅｎｔｒｉｆｕａｌｕｍｔｈｅｉｎｌｅｔｏｒｔｏｆｔｈｅｍａｉｎｕｍｅｎｈａｎｃｅｓｃｏｎｔｉｎｕａｌｌｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｒｏｔａ　　　　　　　　　　　　　－ｐｇｐｐ（ｐｐｐ）ｙ　ｔｉｏｎａｌｓｅｅｄａｎｄｉｔｓｍａｘｉｍｕｍｖａｌｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｓｔｈｅｏｉｌｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｏｆｔｈｅ　　　　　　　　　　　　　　ｐｐ

／ｔｏｔａｌｉｎｃｒｅａｓｅｓｒａｉｄｌａｎｄｌｉｎｅａｒｌｗｈｅｎｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｅｅｄｉｓｈｉｈｅｒｔｈａｎ１０００ｒｍｉｎａｎｄｉｔｒｅｌｒｅｓｓｕｒｅ　　　　　　　　　　　　　　　－ｐｙｙｐｇｐ　　／ａｔｉｖｅｌｉｎｃｒｅａｓｅｓｂ１５．５ｔｉｍｅｓｗｈｅｎｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｅｅｄｒｅａｃｈｅｄ２０００ｒｍｉｎ．　　　　　　　　ｙｙｐ　　

：；Ｋｅｗｏｒｄｓｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒｕｍｏｒｔｌａｔｅｃｅｎｔｒｉｆｕａｌｕｍｖａｒｉａｂｌｅｓｅｅｄｃｈａｒｉｎｅｆｆｅｃｔ　－ｐ－ｐ　　　ｐ；ｐｇｐｐ；ｐｇｇｙ　　

液压泵、孔板离心泵集成　　液压电机泵将电动机、

为一体，具有结构紧凑、静音、效率高等突出优点，具有广阔的应用前景，液压电机泵已经成为液压动力

］１５－单元一个重要的发展及研究方向［文献［获得．６］

］献［采用试验方法研究了油液的黏度、泵轴转速等７参数对离心油泵性能的影响．

通过改变转速对液压电机泵输出流量进行调节可以大幅降低能量的损耗，具有显著的节能优势．液压泵包括液压电机泵在内，在高速运转过程中会出在液压电机泵主泵吸油腔前端现吸油不足的情况，

设置孔板离心泵，就是利用孔板离心泵的增压作用使主泵吸油充足，防止因吸油不足而产生气穴噪声．通过建立液压电机泵中孔板离心泵的内部流场模型，并进行不同转速条件下的流场仿真计算，对其总

了孔板离心泵主要结构参数对其升压效果与效率的并总结出了孔板离心泵的设计原则；文影响规律，

２０１３０５１４　　收稿日期：－－

，甘肃省科技支撑计５１０７５１９４）　　基金项目：国家自然科学基金（

）划（１０１１ＧＫＣＡ０４１

，男，陕西宁陕人，博士，教授，博导．１９７２　　作者简介：冀　宏（－）

·兰３８·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　州理工大学学报　　　　　　　　　　　　　　　第４０卷

压分布进行对比分析，分析变转速对孔板离心泵增压作用的影响规律．本研究为变转速液压电机泵的研究与设计提供了理论依据．

方向相反；Ａ－Ａ截面上离心管与主轴中心轴线夹角为４５°

．

１　液压电机泵结构

图１给出的是液压电机泵主要结构．液压电机泵主要是由三相异步电动机、孔板离心泵、主泵（高压叶片泵）组成．孔板离心泵６与主轴８集成在一通过螺栓与转子套９连接，整个转子套压装在电起，

机转子内部

．

（）

孔板离心泵实物图ａ

（）孔板离心泵结构图ｂ

出油口；主泵；进油口；电机定子；电机转子；１．２．３．４．５．孔板离心泵；吸油流道；主轴；转子套６．７．８．９．

图１　液压电机泵结构图

Ｆｉ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｍｏｔｏｒｕｍ　　　　－ｐｇｐ

图２　孔板离心泵结构

ｏｒｔｌａｔｅｕｍＦｉ．２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕａｌ　　－ｐ　　ｇｐｇｐｐ

２　计算模型及边界条件

２．１　计算模型

为了节省计算成本及时间，只对液压电机泵中孔板离心泵内部的流体区域进行建模，图３给出的是孔板离心泵内部流场的三维仿真计算模型．计算主泵区域为从孔板离心泵进口至孔板离心泵出口（吸油腔进口）的流体区域．采用四面体网格对孔板离心泵内部流场模型进行网格划分，对离心管与出口处流动变化剧烈的部分进行网格细化，总网格数为网格质量为０．为分析不同转速对孔板离５９６万，７５．

心泵增压作用的影响规律，表１给出了５种转速工况下的计算模型

．

液压电机泵通电工作时，液压油充满整个壳体，电动机产生电磁转矩，带动电机转子５旋转，电机转子５通过主轴８把电磁转矩传递到主泵２上；液压油通过进油口３进入到液压电机泵中，流经壳体与通过孔板离心泵６作电机定子４之间的吸油流道，

主泵２排出的高压用把液压油输送至主泵吸油腔，

油经出油口１排出．油液在液压电机泵内循环流动，带走工作过程中产生的热量，起到冷却作用（油冷）同时此种冷却方式增加了主泵的吸油阻力，导致其吸油不足甚至吸空，在主泵吸油腔前端设置孔板离心泵目的就是为了解决主泵吸油不足的问题．

图２给出了孔板离心泵的实物图与结构图．孔板离心泵与一般的离心泵相比具有其独特的优势，孔板离心泵与主轴集成在一起，直接在主轴上设置通油斜孔来实现传统离心泵复杂叶轮对流体的旋转离心作用，应用于液压电机泵中来提升主泵进口压力，改善主泵吸油性能．孔板离心泵的设计与加工难度相比于传统离心泵大大降低，并具有结构简单、可，靠性高等优点．孔板离心泵具体结构见图２ｂ６个离轴向截面心管相对于主轴中心轴线旋转对称分布，，上离心管的径向偏角为６与孔板离心泵的旋转０°

图３　孔板离心泵内部流场三维几何模型

ｉ．３　Ｔｈｅ３ｅｏｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆ　Ｆ　－Ｄ　　　　　　　ｇｇ

ｏｒｔｌａｔｅｕｍｃｅｎｔｒｉｆｕａｌ－ｐ　　ｐｐｐｇ

·３第１期　　　　　　　　　　　冀　宏等：变转速液压电机泵中孔板离心泵的增压作用　　　　　　　　　　　　　　　９·

表１　计算模型

Ｔａｂ．１　Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ　　

模型１　２　３　４　５　

（·ｍ转速／ｒｉｎ－１）

２０００　　１５００　　１０００　　７５０　５００　

－１）（进口速度／ｍ·ｓ

０．０９６０．０７００．０４４０．０３００．０１７

２．２　边界条件

使用定常时均Ｎ采用ａｖｉｅｒｓｔｏｋｅｓ控制方程，－将模型的进口边Ｓｔａｎｄａｒｄｋ　－ε湍流模型进行计算．

液压电机泵所使用的主泵界条件设置为速度进口，

为Ｅ进口ｔｏｎｉｃｋｅｒｓ公司生产的Ｖ２０叶片泵泵芯，－Ｖ速度大小根据主泵在此转速下的输出流量计算得出（）；见表１孔板离心泵的出口（即主泵吸油腔进口）边界条件设置为自由出流；孔板离心泵的流道壁面及离心管壁面设置为旋转壁面；油液密度为８６０

３

／，查询黏温特性曲线８可得工作油液在ｋｍｇ

·ｓ，动力黏度为０．收３３．３℃时的黏度取值，０４７Ｐａ－６

敛精度为１０．

［］

３　仿真结果及分析

液压电机泵工作时，孔板离心泵对油液作功，增加了油液的能量，因而使用静压分布云图不能够全面反映转速对孔板离心泵内部流场的影响规律，根

９］

：据伯努利方程的物理意义［

２

ｚ＋＋＝Ｈ２ｇρｇ

表示单位质量流体所具有的总机械能等于位置势

能、动能与压强势能之和．在流场仿真中不考虑位置用总压作为孔板离心泵内流体各处的势能的影响，

能量（即压力势能与动能之和）变化的评定标准，以下流场仿真结果均使用总压云图来进行分析．３．１　孔板离心泵内部总压分布

、、／图４给出的是转速分别为２０００１０００５００ｒｍｉｎ　　时的孔板离心泵内部总压分布云图．由图可见，孔板油液进离心泵流场径向截面上总压呈轴对称分布，入孔板离心泵时总压值变化不大，离心管进口处的总压较低，并沿着离心管道进口向离心管出口逐渐升高，离心管出口区域沿径向由主轴中心向外表面总压逐渐升高，由于旋转离心力的作用，在离心管出口区域最外侧压力达到最高值．通过孔板离心泵对流体作功，使得流体从孔板离心泵进口至孔板离心泵出口的动能增加，造成离心管外侧总压大幅增加，孔板离心泵增压作用显著．

／对比分析图４，当ｎ＝２通过孔板０００ｒｍｉｎ时，

　

）图４　孔板离心泵总压分布云图（Ｐａ

Ｆｉ．４　Ｔｏｔａｌｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｏｒｔｌａｔｅｃｅｎｔｒｉｆｕａｌ　　　　－ｐ　ｐｐｇｇ

（）ｕｍＰａｐｐ

（离心泵作功，流体总压上升了６孔板２１７９．０３０Ｐａ　；离心泵中离心管出口、进口总压差值）ｎ＝１０００　／；流体总压上升了１ｒｍｉｎ时，６０２８．５３３Ｐａｎ＝５００　

／，流体总压上升了３总压相对ｍｉｎ时，９８１．５５８Ｐａｒ　降低非常明显．总压云图的变化表明，随着转速的下降，孔板离心泵对流体作功减少，油液动能下降，导致离心管出口（即主泵吸油腔进口）的总压降低，孔板离心泵增压作用明显减弱．３．２　孔板离心泵出口总压分布

图５给出了孔板离心泵出口处的总压分布云图．液压电机泵通电工作时，孔板离心泵按逆时针方向转动，孔板离心泵出口处的总压呈旋转对称分布，

·兰４０·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　州理工大学学报　　　　　　　　　　　　　　　第４０卷

；出口总压最大值上升了２在此过程１５１１．４００Ｐａ　／中，总压最大值并非线性增大，转速从５００ｒｍｉｎ上／升至１总压最大值升高相对较０００ｒｍｉｎ的过程中，　／平缓，转速大于１孔板离心泵出口０００ｒｍｉｎ以后，　随着转速的增大，孔板离心泵的总压开始快速上升．

为主泵充分供油，提高主泵的吸增压效果明显提高，油性能．

４　结论

）孔板离心泵的增压作用随着转速的升高而１

增强，能够为主泵充分供油，提高主泵吸油性能．）转速由５／／００ｒｍｉｎ上升至２０００ｒｍｉｎ的过２　

孔板离心泵出口总压最大值相对增大１程中，５．５倍，当处于较低转速时，总压最大值升高相对平缓，／当转速大于１出口总压最大值开始快０００ｒｍｉｎ后，　速上升并呈线性增加趋势，孔板离心泵增压作用显著．

）孔板离心泵结构简单，有良好的增压作用，３

可以作为辅助泵推广应用于现有液压泵当中，以保证主泵充分吸油．

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）图５　孔板离心泵出口总压分布云图（Ｐａ

ｉ．５　Ｔｏｔａｌｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｏｕｔｌｅｔｏｒｔｏｆ　Ｆ　　　　　　ｇｐｐ

（）ｏｒｔｌａｔｅｃｅｎｔｒｉｆｕａｌｕｍＰａ－ｐ　　ｐｇｐｐ

流体由于旋转离心力的作用，流至出口处时仍有径向速度，造成出口处的总压分布并不均匀，左侧压力右侧压力低，并沿着孔板离心泵的旋转方向逐渐高，

增大．孔板离心泵出口总压最大值随转速的升高而增大．

孔板离心泵出口总压最大值可以表征孔板离心泵对主泵的补油效果．图６给出的是孔板离心泵出口总压最大值随转速的变化曲线．分析曲线可以得知：随着转速的上升，出口总压最大值不断上升．转／／速由５００ｒｍｉｎ上升至２０００ｒｍｉｎ的变化过程中

，　

图６　出口总压最大值随转速变化曲线

ｒｅｓｓｕｒｅｏｒｔＦｉ．６　Ｍａｘｉｍｕｍｏｆｔｏｔａｌｉｎｏｕｔｌｅｔｃｈａｎｉｎ　　　　　　　ｐｐｇｇｇ

ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｅｅｄｗｉｔｈ　　ｐ