液壓隔膜計量泵液壓模型的仿真結果分析

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設備，在各個領域發揮著重要作用。液壓隔膜計量泵的壓力是其核心技術特征之一，與其他普通類型的往復泵對比具有明顯差異，該設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特性

1.1 吸入閥、排出閥的開啟和關閉過程以及壓力變化

常規情況下，液壓隔膜計量泵處于正常供液壓力狀態時，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壓力變化曲線（圖1），以及吸入、排出閥裝置閥芯對應的開啟量曲線（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，對其曲線圖進行研究可知，在吸入行程中，設備工作腔內的工作壓力處于相對穩定的狀態，一直維持在常壓水平，0.52 s 之后即t=0.52 s 時，設備的吸入閥裝置閉合，而柱塞繼續推進，導致工作腔內壓迅速升高，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，排液閥處于關閉狀態，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作業[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律，兩曲線之間的間隔部分數為0.01 s，就此可知設備運行存在滯后現象。

1.2 泵閥沖擊現象

設定液壓隔膜計量泵的輸出壓力值p2=1.3 MPa，此時全流量輸出環節的曲柄實際轉速n 分別設定為60 r/min、l00 r/min，在這樣的設定下，為保證可以得到更加清晰的泵閥運動速度變化規律曲線。n=60 r/min時的仿真時間點位是2.5 s，n=100 r/min 狀態下的仿真時間標準為1.5 s。借助AMESim 完成后續仿真測試實驗，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定時的數據進行詳實記錄，然后以圖5、圖6 為基礎進行分析。在n=60 r/min 時，泵的吸入閥裝置正式開啟，同時還會持續吸入設備內的介質液體，在此期間計量泵會按照0.52 m/s 速度開啟，同時繼續按較高水平的加速度完成后續環節的限位裝置撞擊指令；在泵處于關閉狀態時，會以0.28 m/s 的初始額定速度繼續對閥座執行撞擊指令。在此期間，如果排液閥裝置保持開啟狀態并排出部分介質液體的時間點，還會按照0.41 m/s 的設備初始啟動速度繼續對限位裝置形成撞擊作用，關閉后，速度會再次回到0.38 m/s，并持續撞擊閥座[3]。在n=100 r/min 時，吸入閥裝置會立即開啟并持續吸入介質液體，在此瞬間，會按照0.45 m/s 的速度繼續對限位裝置進行撞擊，在關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，并在排出介質液體的瞬間按照0.20 m/s 的速度對限位裝置進行持續撞擊，此后，在后續關閉環節會再次回轉到0.25 m/s 的初始設定速度保持運動，并對閥座進行持續撞擊[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定工作狀態時，設備額定輸出壓力標準p2=1.3 MPa，設備曲柄初始轉速n 設定標準分別為60 r/min、80 r/min、100 r/min、120 r/min，使用AMESim 進行批量處理，經過仿真實驗后可得到此時計量泵設備曲柄實際轉速下的最終柱塞速度曲線（圖7）。

圖7 不同曲柄轉速下的柱塞速度曲線

由圖7 可知，柱塞速度表現為周期性變化，同時，柱塞繼續按照正弦曲線形式保持規律運動，在曲柄實際轉速n=60 r/min 時，對應的柱塞速度最高值標準為V1max=0.065 m/s，設備運動周期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備處于正常工作狀態時，泵閥會按周期性規律啟閉，即可順利完成計量泵設備對工作介質的所有吸排任務[5]。

在液壓隔膜計量泵設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節，在此期間，因為計量泵設備中的泵閥裝置存在響應的情況，所以，排出閥無法及時關閉，導致吸入閥受到影響，無法順利打開，最終形成滯后問題[6]。其中，工作介質腔內空間的壓力值會在柱塞吸入行程的推動過程中持續下降，對應的吸入閥閥芯裝置則會在工作腔內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，工作介質腔即可準備待輸送介質環節。

2.1 吸入閥的啟閉特性

初始參數條件下，對曲柄轉速n 依次設定為60 r/min、80 r/min、100 r/min，然后執行統一的批量處理，為保證仿真結果的穩定性，特設定仿真運行時間標準為1.5 s，設定間隔時間為0.001 s，設備吸入閥閥芯位置運動曲線如圖8 所示。

圖8 不同曲軸轉速下的吸入閥開啟量

由圖8 可知，在曲柄轉速不同的情況下，吸入閥最高標準位移量均可達到5 mm。在曲柄轉速設定為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，此時設備開啟量均按照周期性變化發展。經過仿真分析可知，曲柄自身轉速越高，則最終吸入閥裝置的開閉頻率越快，對應的閥芯開啟速度越快[7]。

2.2 不同曲柄轉速下的滯后角

將液壓隔膜計量泵的初始輸出壓力標準設定為p2=1.3 MPa 時，設備處于穩定運轉狀態時，設定最終仿真運行時間標準為2.0 s，對應運行間隔時間設定為0.001 s，曲柄轉速設定為n=60 r/min。按照上述設定方式，經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，吸入閥裝置的關閉和排出閥在打開之后和排出閥裝置的關閉與吸入閥打開后，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，在設備的吸入閥正式打開以后，此時曲柄轉角設定為π，在這樣的情況下液壓隔膜計量泵設備會進入排液作業階段，此時排出閥裝置會因為吸入閥裝置并未處于關閉狀態而無法執行打開操作，因此會出現吸入閥裝置的關閉滯后問題和排出閥裝置的開啟滯后問題；在曲柄轉角旋轉至0 后，計量備則會再次轉入到下一個環節的吸液循環中，此時吸入閥裝置會因為排出閥并未處于完全關閉狀態而無法打開，因此會出現排出閥裝置的關閉滯后問題和吸入閥裝置的開啟滯后問題[8]。

3 結束語

綜上所述，在運動狀態不穩定的情況下，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備內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，設備吸入閥與排出閥裝置的正常運動速度會在曲柄轉速的變化下發生改變，并呈現出正比例關系，因此，在轉速加快的同時，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，這是造成計量泵設備泵閥流量損失的核心原因之一。