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摘要：本文以某柴油機(jī)冷卻水泵作為研究對(duì)象，針對(duì)實(shí)際測(cè)試時(shí)軸功率高、效率低且在售后有汽蝕等現(xiàn)象，進(jìn)行優(yōu)化分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，降低軸功率，提升效率和抗汽蝕性能。

關(guān)鍵詞：冷卻水泵；效率優(yōu)化；分析試驗(yàn)；驗(yàn)證

0引言

在冷卻系統(tǒng)中水泵是中心部件，為整個(gè)冷卻系統(tǒng)提供動(dòng)力源，對(duì)冷卻液加壓，強(qiáng)制冷卻液在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)，從而達(dá)到冷卻效果，在行業(yè)內(nèi)被喻為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的“心臟”。

1汽車水泵的結(jié)構(gòu)及原理

汽車水泵廣泛使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、排量大、重量輕且工作可靠的離心式水泵，一般由水泵殼體、軸承、水封、葉輪、法蘭、皮帶輪及其連接螺栓等部件構(gòu)成。其工作原理是水泵皮帶輪利用帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等輪系結(jié)構(gòu)，在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，使水泵葉輪旋轉(zhuǎn)，迫使葉輪入口處的冷卻液進(jìn)入葉輪，進(jìn)入葉輪中的冷卻液在葉輪驅(qū)動(dòng)下隨葉輪一起運(yùn)動(dòng)，并在離心力的作用下沿著葉輪的葉道被甩向葉輪的邊緣位置，在葉輪出口位置處被壓水室所收集，從出水管流出，強(qiáng)迫進(jìn)入冷卻水腔；同時(shí)，在葉輪中心部位由于冷卻液被甩出而形成低壓區(qū)域，散熱器中的冷卻液在壓力差的作用下，經(jīng)進(jìn)水口不斷的流入到葉輪中心，從而使冷卻液在冷卻系統(tǒng)中往復(fù)循環(huán)，加上電子風(fēng)扇的風(fēng)冷降溫，完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻任務(wù)。

2影響水泵效率和汽蝕的因素

由于冷卻水泵的周圍都會(huì)有很多個(gè)零部件，且其結(jié)構(gòu)必須服從發(fā)動(dòng)機(jī)的整體布置要求，因此水泵的進(jìn)出水流道、渦流室的形線和截面形狀、水泵的進(jìn)出水口布置、葉輪的外形等基本尺寸的確定等不能滿足正常的水力設(shè)計(jì)要求，從而會(huì)對(duì)水泵的性能及效率和汽蝕有一定影響。水泵的性能與葉輪的外徑、出口寬度、出口角有關(guān)，一般葉輪直徑越大、出口寬度、出口角度越大水泵的性能越高，但隨著水泵性能的提升，水泵的軸功率也急劇增加，從而使水泵效率降低，因此合理的布置邊界是很重要的，既要滿足水泵的性能，又要盡可能的降低軸功率，提升水泵的效率。水泵的汽蝕主要與水泵進(jìn)口處的壓力有關(guān)，進(jìn)口負(fù)壓是造成水泵汽蝕的主要原因，因此要改善汽蝕需要從根本上解決液體的流動(dòng)沖擊帶來(lái)的負(fù)壓，但水泵的進(jìn)水口徑因?yàn)槭馨l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的邊界限制，大多不能改變，此時(shí)需要對(duì)葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如開(kāi)式葉輪或半開(kāi)式葉輪改進(jìn)為閉式葉輪，調(diào)整結(jié)構(gòu)使葉輪處于流道的合理位置等，可以提升水泵的性能和效率，同時(shí)減少?zèng)_擊損失，從而使抗汽蝕能力進(jìn)一步提升。

3制定優(yōu)化方案

3.1葉輪優(yōu)化葉輪的結(jié)構(gòu)形式分為開(kāi)式、半開(kāi)式和閉式三種。根據(jù)不同的使用邊界選擇合適的結(jié)構(gòu)，與流道進(jìn)行匹配。根據(jù)客戶的要求，盡量不改變或小的改變（如現(xiàn)生產(chǎn)基礎(chǔ)補(bǔ)充加工）來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)滿足兩個(gè)系列水泵性能前提下，盡可能的提升水泵效率，降低汽蝕風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)理論計(jì)算，及應(yīng)用CFturbo設(shè)計(jì)分析，要達(dá)到客戶要求的水泵轉(zhuǎn)速3400r/min下流量600L/min時(shí)，水泵揚(yáng)程達(dá)到21m，葉輪直徑需要122mm～134mm之間才能達(dá)到效率最優(yōu)。在保持現(xiàn)有葉輪直徑保持115mm，水泵座連接尺寸不變的前提下，水泵葉輪設(shè)計(jì)要滿足現(xiàn)有的性能要求，水泵葉輪形線仍須采用雙曲率結(jié)構(gòu)的S型葉片，但葉片出口后彎曲率減小，且出口逐漸修薄，使葉片的形狀更符合流體流動(dòng)性能，降低水泵消耗功率；葉輪葉片的進(jìn)口部位向軸中心前伸，使葉片可以較早接觸液體并使液體進(jìn)入葉道做功，可以有效提升水泵的性能，降低沖擊損失。

3.2總成結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化對(duì)現(xiàn)有水泵結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)還有優(yōu)化的空間，如改變?nèi)~輪在流道中的位置，使葉片完全處于流道中，葉輪充分做功，提升水泵的性能，葉輪優(yōu)化為閉式葉輪后，修改泵座與葉輪配合的間隙，有效提升容積效率，降低損失，提升水泵效率，同時(shí)使液體流動(dòng)的更平穩(wěn)，從而降低汽蝕產(chǎn)生的概率。

4理論仿真分析

在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)方案確定后，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論仿真分析，并不斷進(jìn)行優(yōu)化，然后確定設(shè)計(jì)方案再進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終凍結(jié)設(shè)計(jì)方案并投入生產(chǎn)。對(duì)性能和汽蝕的計(jì)算主要是利用Creo進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和模型處理，然后使用Pumplink軟件對(duì)流體進(jìn)行仿真分析。

4.1確定計(jì)算邊界根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)邊界，對(duì)計(jì)算邊界的進(jìn)水口和出水口等進(jìn)行確認(rèn)。

4.2進(jìn)行網(wǎng)格劃分根據(jù)計(jì)算的要求，對(duì)計(jì)算邊界進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小與計(jì)算精度有關(guān)，一般選擇最小1mm的單元即可滿足泵的流體分析要求。

4.3對(duì)計(jì)算邊界進(jìn)行參數(shù)選定分析對(duì)象選擇離心式水泵，添加湍流和空化條件。流體方程選擇k-ε湍流方程，空化選擇對(duì)液體施加固定的氣體百分?jǐn)?shù)。其中數(shù)值方法和參數(shù)為了便于工程師的參數(shù)設(shè)定，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用軟件定制為默認(rèn)值。在進(jìn)行CFD理論分析時(shí)，根據(jù)不同的需要對(duì)流體的參數(shù)進(jìn)行定義，流體根據(jù)試驗(yàn)情況定義為清水，介質(zhì)溫度為80℃，同時(shí)將此溫度下的動(dòng)力粘度系數(shù)、汽化壓力等進(jìn)行定義，水的物理性能見(jiàn)表1，僅摘錄部分參數(shù)供參考。水泵的進(jìn)口定義為壓力入口，且選進(jìn)口總壓，定義為一個(gè)大氣壓，即101325Pa，水泵的出口定義為體積流量，輸入性能指標(biāo)要求的流量150L/min和64L/min時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速7200r/min和3600r/min分別進(jìn)行計(jì)算。

4.4使用pumplink對(duì)計(jì)算邊界進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行后處理參數(shù)和邊界選定后，設(shè)置迭代次數(shù)，即可開(kāi)始自動(dòng)求解。求解完成后可以對(duì)流體進(jìn)行壓力、流速等分別進(jìn)行顯示和讀取數(shù)據(jù)，并使結(jié)果已云圖或流場(chǎng)的方式顯示，通過(guò)計(jì)算的結(jié)果顯示可以判定出流體的穩(wěn)定性，一般壓力最低點(diǎn)應(yīng)為進(jìn)口部位，最高點(diǎn)應(yīng)為出口部位，若在流體中間出現(xiàn)大量高壓區(qū)，甚至大于出口壓力，則說(shuō)明流體發(fā)生了阻塞，在高壓區(qū)域需要進(jìn)行改進(jìn)；流體域內(nèi)液體的流速應(yīng)從葉輪入口部位到葉輪出口部位有顯著的增加，在流道擴(kuò)散管道處有明顯的減小趨勢(shì)。通過(guò)流場(chǎng)分析可以觀察液流在流體域的流動(dòng)情況，進(jìn)而分析優(yōu)化，改善流場(chǎng)，使液體流動(dòng)更順暢。

4.5整理計(jì)算結(jié)果

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并進(jìn)行單位換算。

5試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)方案制作快速成型樣件并根據(jù)JB/T8126.2相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，3#水泵為現(xiàn)生產(chǎn)件，1#、2#為改進(jìn)件。6結(jié)束語(yǔ)本文通過(guò)企業(yè)實(shí)例的改進(jìn)簡(jiǎn)單闡述了汽車水泵性能和汽蝕改進(jìn)的基本理論方法，介紹了理論仿真軟件的應(yīng)用，以及和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果相比對(duì)的最終凍結(jié)方案的方法，縮短了開(kāi)發(fā)周期，為企業(yè)節(jié)約了試制成本。

作者：蔣和團(tuán) 單位：河南省西峽汽車水泵股份有限公司