燃油叶片泵性能的影响因素试验研究

柯希林，王中任

（湖北文理学院 机械与汽车工程学院，襄阳 441053）

燃油叶片泵性能的影响因素试验研究

柯希林，王中任

（湖北文理学院 机械与汽车工程学院，襄阳 441053）

为了优化适用于易汽化介质的新型叶片式泵的结构，搭建了一套实验装置，测试了各种材料和配合间隙下的性能。采用红外热像仪，对泵体磁力耦合区的温度场进行了测量。研究结果表明，泵体和泵杆采用45#钢调质，泵芯采用 H62黄铜，单边间隙0.01～0.02mm比较合理。采用红外热像仪监测定转子摩擦发热，对于优化输油泵结构参数，提高加油机寿命，具有较好的应用价值。

燃油叶片泵；材料；间隙；红外热像仪

0 引言

在加油机中，泵是一种核心部件，其作用是：在电机的作用下，负责将油液从油罐吸入加油机，并通过溢流阀保持加油机液压系统的压力平衡。叶片泵的发明已经有130年的历史，其输送效率问题一直是困扰其工程应用的关键[1]。据测算：这种叶片式泵泵送汽油和乙醇汽油效率不超过25%，泵送柴油效率不超过40%[2]。而在典型的液压传动过程一般的泵的效率可达到80%以上，因此燃油泵送设备的性能还有较大的提升空间。国内外许多加油机制造商只注意了产品的性能和安全，忽视了加油机的能源消耗问题在，从目前很少有文献研究叶片泵的容积效率也可见一斑。文献[3]和文献[4]对叶片泵的泵送效率有研究，但所用的是高粘度的液压油。文献[5]以低粘度的汽油和柴油为研究介质，研究了叶片泵泵送效率与转速的关系，对提高叶片泵的输送效率提出了建议。但以上文献都没有涉及到叶片泵核心部件的制造工艺问题。本文针对泵体、泵芯和泵杆材料及配合间隙进行研究，拟搭建测量，将红外热像仪测温用来检测摩擦生热，最终目的是优选核心零部件的材料和制造工艺。

1 试验装置与方法

通过对乙醇汽油等易汽化介质的泵送特性进行了深入研究，在此基础上研制出了适用于乙醇汽油等易汽化介质的新型叶片式泵，如图1所示。其基本原理是采用了空心叶片结构，在吸油阶段可以随时为吸油空腔增加的体积补充油液，以免易汽化油液发生汽蚀，从而提高了泵的容积效率；在出油阶段，空心叶片的末端的高低结构和内定子半开结构又能很好地配合起来，防止油液回流、泄漏。 所设计的输油泵为离心式转子叶片泵，其工作原理类似于普通离心式叶片泵，但其结构在普通转子叶片泵的基础上大有改进。与现有加油机油泵相比，容积效率可提高到60%～70%；磁力耦合结构的创新，有效解决了动密封带来的泄露问题，同时起到了很好的柔性过载保护作用；优化后的原理样机可有效降低噪声、振动等不利因素，可油气分离并回收，减少环境污染的同时提高了安全性。

在机理研究基础上，需要从系统设计、材料以及制造工艺对该系统进行全方位优化和测试验证。

图1 输油泵原理样机

在搭建好试验台架的基础上，对已试制好的三套不同配合材料、表面处理状态及配合间隙的试验样机完成组装并分别进行试验，三套泵体试验机的具体组合情况如表1所示。通过对样机运行过程中不同转速下的温度、压力、噪音、流量等关键试验数据的综合处理分析，为最终确定材料和结构参数提供依据。

表1 试验机组合数据表

图2 实验装置原理简图

本试验旨在通过三台试验样机在不同转速下，调节真空压力的值，测量管路系统的工作压力、流量、温度及噪音，图2为实验装置原理图。采用变频器改变输出给电机的电源频率来实现电动机的调速；通过节流阀和泵体组件里的溢流阀配合使用来改变系统的真空压力值。用红外热像仪测量泵体磁力耦合区的最高温度。图3为测试实验装置现场图。

图3 实验装置

为了研究定转子不同材料和不同间隙对于性能的影响，搭建了一套测试系统，并采用红外热像仪，对泵体磁力耦合区的温度场进行测量，为最终确定合适的材料和结构尺寸提供可视化支持。红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量,反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应,因此可以广泛应用于各种温度场的测量[6～8]。

2 结果与分析

2.1 1号实验样机测试结果

对1号试验样机进行试验，分别在电机为1440r/min、1200r/min和1000r/min的转速下，调节不同梯度的系统真空压力，记录不同转速下的泵体磁力耦合区的温度、流量、工作压力及噪音等数据，如图4所示以真空压力为-0.035MPa时的红外温度数据图像。从温度图像看，电机转速越高，磁力耦合区的温度越高。

图4 不同转速下真空压力为-0.035MPa时红外图像

不同转速下真空压力对试验因变量的影响如图5所示。从图中可以看出，一定的真空压力下，转速越高，容积效率越高，但能耗也越大。而不同转速下，真空压力对工作压力几乎没有影响，而对噪声的影响则比较明显。

图5 不同转速下真空压力对试验因变量的影响

2.2 2号试验样机的结果

2号实验样机的红外测温结果如图6所示，在定转子材料和1号泵相同的情况下，增加配合间隙，可以有效地减少摩擦和降低温度。

图6 2号样机在1440rpm的速度下的温度场

图7 不同转速下真空压力对试验因变量的影响

图7表示了不同的转速下真空压力对性能的影响。图7(a)表明，在真空压力一定的情况下转速越高，泵的容积效率越高；图7(b)显示，在真空压力一定的情况下转速为1440r/min时泵的噪音相对最小；图7(c)表明，图在真空压力一定的情况下，转速不同其工作压力均在系统要求范围内；图7(d)则显示，在真空压力一定的情况下，转速越高相对能耗也越高。

2.3 3号试验样机测试结果

从图8可以看出，当泵芯采用H62黄铜时，即使配合间隙减小到0.01～0.02mm，仍然能有效地减小摩擦力和摩擦温度。可见，定转子材料的一硬一软且有合适的硬度差，能有效地抑制高速旋转时材料的粘连。较小的间隙则能保证良好的密封和自吸性能。

图8 3号样机在1440rpm的速度下的温度场

在转速为1440r/min不变的情况下，等梯度调节真空压力值并记录好实验数据，经处理分析后结果如图9所示。真空压力数值增大时，系统流量呈递增趋势，同时噪音也呈递增趋势。系统工作压力均在试验要求的范围内波动，符合实验要求；在保证工作压力能稳定在0.2MPa以下时流量能满足38L/min，噪音低于70dB，均符合试验设计理念和新产品的预期性能要求。

图9 因变量在电机定速下随真空压力的变化趋势

3 结论

通过试验测量三套实验样机在运行过程中的温度、压力、流量、噪音等数据分析，发现3号样机在材质选用和特殊处理以及间隙配合上更具合理性，即泵体和泵杆采用45号钢调质，而泵芯采用较软的H62黄铜材料，可以有效避免粘连，而采用较小的0.01～0.02mm配合间隙，能够有效提升气密性。由此可见，采用红外热像仪监测定转子摩擦发热，对于优化油泵结构参数，提高加油机寿命，具有较好的应用价值。

[1] http://en.Wikipedia.org /wiki /Gas pump[EB/OL].

[2] ALIBE RT M,DENEEN D,HE R ZOG S,et al.Impact of Hydromechanical Losses on Hydraulic Pump Ef fi ciency[J].STLE Annual Meeting(Las Vegas, Nevada,May19),2010.

[3] KARASSIC I J,MESSINA J P,COOPER P,et al.Pump Handbook[M].New York: McGraw-Hill,2001.

[4] ESPOSITO A.Fluid Power with Applications[M].Miami:Prentice Hall Publisher,2008.

[5] 王志泳,刘亚俊,王维.燃油叶片泵容积效率与转速关系研究[J].机床与液压,2014,42(11).

[6] 刘元林,梅晨,唐庆菊,芦玉梅.红外热成像检测技术研究现状及发展趋势[J].机械设计与制造,2015(1):260-266.

[7] 王中任,李宽元,胡玉琴,陶媛.采用红外热像仪的自回转车刀切削温度的实验研究[J].制造业自动化,2015,37(4):77-78,85.

[8] 王中任,黎冬阳,阮班超,等.金属反光表面的发射率的测定实验研究[J].机械设计与制造,2016(6):226-228.

Experimental study on affecting factors of fuel vane pump

KE Xi-lin, WANG Zhong-ren

TH31

A

1009-0134(2017)04-0074-04

2017-01-05

柯希林（1992 -），男，本科，研究方向为机械设计与制造。