往复泵泵阀的设计计算(一)——关于阀板运动方程及其近似解

往复泵液力端上的吸入阀和排出阀,总称为泵阀。泵阀是在阀板上、下液体压差的作用下自行开启,又在阀上载荷(弹簧力及阀板重量等)的作用下自行关闭的,因此,泵阀又称为往复泵的单向启闭自动阀。泵阀有各种各样的结构型式,常用的基本型式是:用于中、高压泵上的平板阀和锥形阀;用于低压大流量泵上的平板环形阀;用于计量泵上的自重球阀等。笔者将从最常用的锥形阀(包括平板阀)入手,建立它的运动方程,求得近似解、解决它的设计计算问题,而后再把这一结论推广应用于环形阀的设计计算问题并导出自重球阀设计计算经验公式。     

对往复泵自动阀设计计算方法的分析探讨(一)

随着工业技术的迅猛发展,对往复泵大型化、高速化的要求日趋迫切。解决这一问题,困难很多,其中之一就是往复泵自动阀(泵吸、排阀)的设计。因此,战斗在往复泵行业上的广大工农兵和技术人员都十分关心这个问题的进展。但是,直到目前,关于这个问题在国内外还没有找到较为实用而又完善的资料。这里发表了宝鸡水泵厂关于往复泵阀设计计算分析探讨的文章。该文是在总结、归纳国内外现有资料,并在分析、统计国内一些往复泵实际产品的基础上写成的。它较详细地介绍了泵阀运动方程的建立和求解办法,提出了对泵阀设计准则的看法,并对国内外现有关于泵阀的几个主要理论进行了分析、对比,因此是一篇阐明泵阀设计的较为完整的文章。在这篇文章中,作者提出了独创的见解。作者认为:泵阀的惯性力对其运动的影响不在于惯性力绝对值的大小,而在于惯性力与恢复力的比值μ(即文中所指的“惯性力影响系数”,“判别式”)。作者认为:通过合理选择泵的基本参数和泵阀的主要结构参数(包括弹簧),可以把μ值控制在任意范围内,而只要μ值被控制在一定范围内,μ≤30％,就可通过作者提出的简化方程足够精确地求解泵阀的运动参数,使泵阀结构参数与阀板运动直接联系起来。简化求解与精确解的误差不超过μ值。这样,只要μ值能反映泵阀工作的好坏,这就对泵阀的设计工程应用和泵的基本参数合理选择提出了有益的启示。用简化求解将能很容易地求出泵阀自由升程、落座速度、阻力损失、滞后角以及由滞后角引起的容积损失等泵阀设计极有意义的特征值。作者依据这些特征值提出了对泵阀设计的准则,对全面分析泵阀设计好坏也有一定的参考价值。但是由于基本方程的建立与简化求解过程、μ值的引出及其物理意义的说明,还有一些不完善之处,尤其是设计准则,没有相应的试验来证实,而只根据目前国内若干产品的统计、分析提出许用值。是否可行,还有疑问。为了引起往复泵行业广大工农兵、技术人员的广泛讨论,本刊现将此文发表出来,并提出一些问题供讨论: 1.方程的建立和推导,在数学和物理意义方面是否正确?μ值的引出是否合理?简化解误差估计是否在μ值范围内?μ值小能否反映泵阀工作正常、设计合理?μ值通常应限制在什么范围内?你们见到的正常工作泵阀μ值大多在什么范围?衡量泵阀好坏有哪些方面? 2.推举力系数换算办法是否合理? 3.用阀座孔直径代替阀板直径建立方程引起的误差是否可以忽略不计? 4.初始条件“理想化”是否可行?对泵阀最终特征值解的影响如何,可否略去不计? 5.泵阀簧T_(th)=T_0 Ch是否可认为T_(th)≈T_0?你们见到的泵阀,Ch值占T_(th)的比值通常有多大?是否在数量上Ch≈1/10T_(th)? 6.提出的设计准则是否合理?在目前试验工作还没有跟上来的情况下,采用统计、对比的办法确定许用值作为一个过渡办法是否可行? 我们希望读者能把各自的看法或问题意见写成稿件或函告本刊编辑组,以便开展讨论。     

关于《泵阀》计算公式的理论误差与适应范围及阀簧参数的选择

《对往复泵自动阀设计计算方法的分析探讨》一文(下称原文,见《化工与通用机械》1976年10—12期)与读者见面后,许多同志提出问题。原文中导出泵阀设计计算公式的阀板简化运动方程(符号意义见原文。下同):     

变刚度弹簧往复泵锥阀及其动态特性仿真

设计了变刚度弹簧往复泵自动锥阀,弹簧刚度是阀盘升程的函数。在阿道尔夫泵阀运动微分方程的基础上,考虑流体可压缩性对泵筒内流体连续流条件的影响,建立了变刚度弹簧往复泵自动锥阀阀盘运动规律的微分方程。以弹簧刚度是阀盘升程的线性函数为例,分析了变刚度弹簧往复泵锥阀阀盘的动力特性。仿真结果显示：弹簧刚度随升程的变化规律对阀盘的动力特性具有显著影响;在阀盘最大升程一定的条件下,与定刚度弹簧阀盘的动力特性相比,减函数变刚度弹簧阀盘的落座速度与滞后高度有所下降,有利于提高往复泵的容积效率,提高阀盘与阀座的疲劳寿命。     

往复泵水头损失及空化现象的数值仿真优化

为减轻往复泵的水头损失及空化现象，以提高吸入性能，根据魏斯特法尔理论分析了泵阀运动特性，基于阀盘结构和活塞冲次等参量，提出了水头损失和空化量的优化模型。采用Fluent动网格技术进行动态数值模拟，分析了各参量对吸入过程水头损失和空化现象的影响及其发展过程，优选出了最佳阀盘结构参数和活塞冲次，可有效减小液缸内的水头损失，降低因阀盘开启滞后而产生的空化现象，改善泵的吸入性能和汽蚀现象。得出了往复泵吸入过程水头损失最小、活塞端面的空化量最小时的阀盘锥角及最优的工作冲次，为往复泵的吸入特性研究提供了参考依据。     

连续小波变换在往复泵泵阀故障识别中的应用

探讨了小波变换在往复泵泵阀故障识别的应用。分析研究表明,通过对测取的往复泵阀箱上振动加速度信号的小波变换,可有效提取泵阀失效的故障信息,结合泵阀关闭位置信号的相位分析,可较为准确地判别三缸泵任一泵阀的故障,该方法用到的测量数据少,具有较为理想的诊断树现场往复泵泵阀状态监测与故障诊断具有重要意义。     

往复式油气混输泵组合阀滞后角的研究

针对实际组合阀的结构特点,结合相关工作参数,推导出了往复式油气混输泵组合阀滞后角的计算公式,得到了不同气液比下组合阀的滞后角.采用FLUENT软件中的VOF多相流模型及动态分层动网格模型,结合UDF将运动边界定义为活塞运动,对6组不同气液比下的组合阀滞后角进行了数值模拟,与理论计算结果比较,相当吻合.结果表明,往复泵输送油气两相介质时组合阀滞后角远远大于介质为纯液态的工况;随着介质气液比的增大,组合阀的滞后角不断增大.该研究可为往复式油气混输泵阀的设计计算提供一定的理论基础.     

“对往复泵自动阀设计计算方法的分析探讨”的讨论意见

本文主要针对“对往复泵自动阀设计计算方法的分析探讨”一文(见《化工与通用机械》1976年第10、11、12期,以下简称(《探讨》),提出一种在不忽略阀惯性力影响的条件下,使阀运动微分方程得以简便求解的新的分析和处理方法。     

往复泵泵阀失效分析

介绍了往复泵泵阀的结构及工作原理，通过对泵阀系统的失效机理研究及破坏形式分析提出了降低泵阀系统失效的措施。     

并联旁路阀的泵控缸电液系统设计与协同控制

泵控差动缸直驱技术是电液系统的主要发展趋势之一，其具有无节流损失、节能、成本低、可靠性高等优势，但存在流量不平衡、低速平稳性差、控制模式单一等问题。针对以上问题，提出了一种并联旁路阀的泵控差动缸电液控制系统，开展了泵阀协同控制策略研究。介绍了系统的结构，阐明了系统在多种模式下的工作原理；基于AMESim搭建了系统的仿真模型，建立了变速泵和旁路阀协同工作机制，根据调速曲线对泵和阀进行权重分配，以提高变速泵控直驱系统的低速稳定性。结果表明：通过泵阀协同控制，并联旁路阀的泵控差动缸系统能够在多种工作模式下工作，具有良好的工况适应性和低速稳定性，可实现液压缸的平稳快速启停和精确位置控制。     

基于ANSYS/PDS的往复泵泵阀阀盘的可靠性分析

为了验证阀盘的可靠性,结合阀盘的实际结构和和受力情况,运用ANSYS建立了阀盘有限元模型并进行应力计算,再根据应力-强度干涉理论,建立极限状态函数,利用ANSYS/PDS模块,选用蒙特卡罗(Monte Carlo)法对BW-250型往复泵泵阀阀盘进行强度可靠性分析。结果表明:阀盘可靠度为99.89%,其中阀盘直径和锥角对其可靠性影响最大。同时也表明运用该方法对阀盘进行可靠性分析是可行的,为阀盘的可靠性设计提供了新思路,具有一定工程应用价值。     

往复泵阀运动规律的研究

指出了往复泵阀运动规律推导过程及定义阀开启滞后角、滞后升高存在的问题．分析了产生问题的原因。对往复泵考虑魏斯特法尔现象时阀的运动进行了研究，得到阀的升程、速度、加速度运动规律，魏斯特法尔现象影响阀关闭时的滞后升高，但不影响阀开启滞后角。     

往复泵自动锥形阀运动规律的新模型与仿真

针对阿道尔夫往复泵泵阀精确运动微分方程在泵阀开启瞬时存在奇点的不足,综合考虑了液体可压缩性与泵阀运动的魏氏效应对液缸内液本连续流条件的影响,并考虑泵阀运动的动力特性,建立了描述往复锥形阀运动规律的精确运动微分方程,它是关于液缸内液体压力、泵阀升程与泵阀运动速度的一阶常微分方程组。该微分方程组在泵阀的整个运动周期内都不存在奇点。本文应用数值微分方法建立了泵阀运动规律的仿真算法。     

基于泵阀协调控制的电液位置伺服节能控制研究

针对阀控位置伺服系统能效低的问题,提出了协调控制泵的转速和进出阀开口的节能控制系统,并针对阻抗工况和超越工况,分别设计了不同节能控制策略。首先,根据系统原理,建立了泵阀协调控制的位置伺服系统数学模型,分析了系统存在的耦合问题;其次,在压力环上设计了前馈反馈控制器,提高了系统的控制效果;最后,利用AMESim和MATLAB联合仿真平台,搭建了泵阀协调控制的位置伺服系统,并进行了仿真分析。研究结果表明:泵阀协调控制的位置伺服系统能效远高于负载敏感系统;设计的前馈反馈控制器有效地减少了由系统耦合引起的压力波动,提高了压力的控制精度。     

多相位双缸双作用往复旋转泵设计

为满足电厂真空净油机排油泵的使用要求,研究双缸双作用往复泵和转子泵的原理和结构特点。提出以并联曲柄转块机构为运动原理,设计制造了新型多相位双缸双作用往复旋转泵样机。参考《机动往复泵试验方法》进行了新型泵的性能试验。结果说明新型泵满足设计要求。     

《泵设计手册》往复泵分册编写组成员会议在合肥召开

在安徽省机械局的领导和关怀下,《泵设计手册》往复泵分册编写组成员会议,于1975年3月20日至4月3日在合肥市召开。参加单位有本溪、重庆、宝鸡等水泵厂、上海大隆机器厂、芜湖东风通用机械厂、华东石油学院、甘肃工业大学和通用所共八个单位。与会代表认为:《泵设计手册》往复泵分     

基于CFD的压裂泵泵阀结构特性分析

针对压裂泵泵阀的使用寿命短,制约压裂泵朝高压、高冲次、大排量方向发展的现状,利用CFD软件对泵阀在不同升程和锥角下的内部流场进行数值计算,分析了泵阀锥角对阀隙流速、流量系数及稳态液动力的影响。结果表明:速度最大值发生在阀盘两底角处,泥浆颗粒因漩涡而堆积在阀座处,是泵阀失效的两个主要原因;在泵阀的升程一定时,泵阀锥角的增加对阀隙流速、液动力有减小的作用,而流量系数在锥角为120°时取得最大值。     

往复泵使用中的节能

使用往复泵能否节约能源,目前还有争议。为了说明这一问题,首先来看往复泵在两次世界“能源危机”前后的发展情况。日本学者神田直在“最近往复泵”一文中,根据《机械工学年鉴》对1972～1981年的各类泵产量、产值及增长率进行了一次统计。统计结果表明:各类泵总产量在十年期间约增长了一倍半,而往复泵在经过两次世界“能源     

机载泵阀协调控制EHA的设计与仿真分析

为了解决机载电静液作动器(EHA)响应速度与作动效率难以兼顾的问题,设计了一种泵阀协调控制的EHA并利用MATLAB/Simulink软件进行了建模与仿真分析。首先结合典型的变转速定排量EHA与直接驱动阀,阐述了系统的结构组成与工作原理,提出了根据飞行任务阶段不同而互为备份的3种工作模式;然后考虑到系统的复杂性与非线性,分别建立了泵控与阀控模式下的数学模型;最后根据某型飞行控制系统的性能要求,设计了系统的控制器并进行了仿真实验。结果表明,泵阀协调控制EHA具有较高的精确度和稳定性,同时阀控模式下系统的动态响应特性要明显优于泵控模式。     

往复泵故障示功图灰度矩阵法特征量研究

为了准确获取往复泵故障规律和特征量用以监控和诊断往复泵工作状态。本文通过人为实验模拟往复泵液力端泵阀漏失、弹簧断裂、柱塞磨损等6种典型故障,得到了往复泵在典型故障状态下的示功图并分析其产生原因和规律;利用MATLAB编程分别对6种故障状态下的示功图提取6组灰度矩阵特征向量,所得特征量样本数据通过支持向量机训练。结果表明,其故障自动识别率能达到95%以上,具有较高的诊断准确性,可作为往复泵在线监控和故障自动诊断的数据基础。