燃油加油機(jī)水擊現(xiàn)象的研究

燃油加油機(jī)水擊現(xiàn)象的研究

加油機(jī)液壓系統(tǒng)水擊的預(yù)防與控制在加油機(jī)的原油系統(tǒng)中，由于管道中的體速變動(dòng)，許多急性壓力的交替增加，被稱為水勢(shì)（也被稱為“水錘”）。水擊產(chǎn)生的原因是當(dāng)液流突然停止時(shí),流動(dòng)液體和運(yùn)動(dòng)部件慣性使其運(yùn)動(dòng)能量變成由停止點(diǎn)開始的高壓波。它以接近于聲速的速度沿管路系統(tǒng)來回傳遞,系統(tǒng)內(nèi)瞬時(shí)出現(xiàn)了很高的壓力。正常工作狀態(tài)下,加油機(jī)中的油壓處于0.1~0.3MPa之間;而在加油機(jī)泵啟動(dòng)和停止、加油槍關(guān)閉瞬間、加油機(jī)定量加油以及電磁閥打開瞬間等工況下,系統(tǒng)中存在水擊現(xiàn)象。水擊不僅影響液壓系統(tǒng)的性能穩(wěn)定及工作可靠性,而且還會(huì)引發(fā)振動(dòng)和噪聲以及連接件松動(dòng)等問題,甚至能使管路破裂、液壓元件和測(cè)量?jī)x表損壞。在大流量的加油機(jī)系統(tǒng)中,后果還會(huì)更加嚴(yán)重。圖1為關(guān)斷加油槍時(shí),所產(chǎn)生的水擊沖力,致使加油機(jī)流量計(jì)安裝腳折斷及流量計(jì)殼體上蓋破裂的現(xiàn)場(chǎng)照片。為此,水擊分析、危害預(yù)測(cè)、防護(hù)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型以及正確的安裝調(diào)試,成了當(dāng)今各類液壓系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和實(shí)施各個(gè)階段中所必須考慮的重要內(nèi)容。國際水力研究協(xié)會(huì)(IAHR),曾于2000年4月發(fā)表了長(zhǎng)達(dá)780頁有關(guān)該領(lǐng)域綜合研究的報(bào)告。而國內(nèi)加油機(jī)行業(yè),普遍對(duì)水擊現(xiàn)象的危害缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和重視。加之這方面的研究資料匱乏,甚至在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9081-2001《機(jī)動(dòng)車燃油加油機(jī)》中,也找不到相應(yīng)的水擊測(cè)試和液壓安全方面的有關(guān)規(guī)定。為引起各方對(duì)水擊危害及其預(yù)防措施的重視,特將筆者對(duì)燃油加油機(jī)工作過程中的水擊效應(yīng)所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究以及降低水擊峰值壓力的方案,撰文供有關(guān)人員參考。1測(cè)試系統(tǒng)組成為了能夠完整記錄管道壓力全過程的變化,尤其要記錄下水擊壓力的最大值而不出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏現(xiàn)象,因此要求以較高的速度來采集壓力信號(hào)。本文中建立了下述測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。泵進(jìn)油口使用了SSI真空壓力傳感器,其量程為-0.1~0.5MPa、輸出1~5V、精度0.5%;泵出口使用了SSI2000-P51真空壓力傳感器,其量程為1.6MPa、輸出1~5V、精度0.5%;數(shù)據(jù)采集使用了研華PCL-1711數(shù)據(jù)采集卡,采樣頻率為1000~10000Hz,本實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置為1000Hz。加油機(jī)中所用流量計(jì)和葉片泵均為法國TOKEIUM產(chǎn)品。2損傷加油機(jī)潛泵機(jī)在泵啟動(dòng)、油槍關(guān)斷以及定量加油電磁閥打開的瞬間,加油機(jī)都會(huì)發(fā)生水擊現(xiàn)象,圖3、4、5為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:加油槍關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的瞬間水擊壓力峰值可達(dá)0.7MPa以上(潛泵機(jī)更高),是加油機(jī)正常加油工作壓力的4~5倍,沖擊所造成的損傷要遠(yuǎn)大于靜態(tài)壓力引起的材料變形所造成的損傷,且該沖擊在每次關(guān)斷加油槍時(shí)都要產(chǎn)生,這將會(huì)對(duì)加油機(jī)液壓部件產(chǎn)生反復(fù)的沖擊,從而損傷燃油加油機(jī)。因此,加油槍關(guān)斷瞬間所產(chǎn)生的水擊效應(yīng)需要認(rèn)真考慮及做進(jìn)一步研究。3加油槍關(guān)閉立即的水擊效果本文對(duì)加油機(jī)在不同工況條件下加油槍關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的水擊峰值壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如下:3.1壓力峰值與流量關(guān)系如圖6所示,壓力峰值隨流量的增大而升高。3.2射擊壓力峰值與管子長(zhǎng)度之間的關(guān)系圖7為不同管長(zhǎng)時(shí)的水擊壓力測(cè)試結(jié)果。可見,流量計(jì)出油口到油槍距離越長(zhǎng),壓力沖擊越大。3.3閥調(diào)定壓力加油機(jī)溢流閥起溢流限壓作用。如圖8所示,隨著溢流閥調(diào)定壓力的升高,關(guān)槍壓力水錘峰值增大。在本實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下,關(guān)槍時(shí)的壓力峰值是溢流閥調(diào)定壓力的2~4倍,因此應(yīng)考慮限定加油機(jī)泵溢流閥的調(diào)定壓力。4不同剛度系數(shù)主閥彈簧對(duì)油槍關(guān)斷時(shí)的影響如圖9所示,在加油機(jī)液壓系統(tǒng)中,加油槍實(shí)質(zhì)上充當(dāng)了一臺(tái)截止閥的腳色。當(dāng)扳動(dòng)手柄6時(shí),主閥4在頂桿5的推動(dòng)下被打開,壓力油通過主閥推開真空閥8從出油管10向容器注油,并在真空閥處形成負(fù)壓;由于該處經(jīng)通氣管9及出油管管口小孔與大氣相通,空氣通過小孔得以補(bǔ)充;油液加滿時(shí),槍口小孔被油液淹沒使空氣無法補(bǔ)入,所形成的負(fù)壓使與之相通的橡膠件側(cè)移,帶動(dòng)卡針脫開,自控桿7下移,手柄機(jī)構(gòu)失去了平衡,主閥在彈簧推動(dòng)下關(guān)閉,停止供油,完成關(guān)斷過程。油槍閥門瞬時(shí)關(guān)閉時(shí)的壓力變化可用茹科夫斯基公式近似計(jì)算:式中,ρ為流體密度,l為流量計(jì)出油口到油槍的距離,v0為管道內(nèi)液體的平均流速,ts為閥門的關(guān)閉時(shí)間。由此,可采取以下措施來減小油槍關(guān)閉時(shí)的水擊峰值壓力:1)減小流量計(jì)出油口到加油槍閥門的距離;2)在油槍到流量計(jì)的管路中間加上適當(dāng)?shù)木彌_或減壓裝置;3)降低管道內(nèi)液體的平均流速;4)延長(zhǎng)油槍閥門的關(guān)閉時(shí)間。理論數(shù)據(jù)表明,只要確保切斷液流的實(shí)際操作時(shí)間(即閉閥時(shí)間)為水錘相的5~10倍,就可以將實(shí)際水錘壓力限制在安全值以內(nèi),從而消除水擊的危害。在油槍打開和關(guān)閉時(shí),加油機(jī)會(huì)產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。主閥關(guān)閉速度越快,水擊峰值壓力也越大。因此,延長(zhǎng)油槍閥門關(guān)閉時(shí)間是減小油槍關(guān)閉時(shí)水擊峰值壓力最為有效的方法。從加油槍關(guān)斷原理可知,主閥關(guān)閉時(shí)間的快慢取決于主閥頂桿彈簧的剛度。剛度越大,則主閥關(guān)閉速度越快。在同樣實(shí)驗(yàn)條件下,以19mm規(guī)格的加油槍及不同剛度系數(shù)主閥彈簧,來測(cè)試加油槍關(guān)斷時(shí)的水擊峰值壓力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從測(cè)試結(jié)果可知,主閥彈簧剛度系數(shù)越小,關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的水錘峰值壓力越小。要減小加油機(jī)系統(tǒng)壓力沖擊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的危害,改進(jìn)油槍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),是最為直接和有效的方法。5油槍在運(yùn)行過程中的潛在效應(yīng)1)在泵啟動(dòng)和停止、加油槍關(guān)閉、加油機(jī)定量加油以及電磁閥打開瞬間等工況下,加油機(jī)存在“水錘”效應(yīng)。其中加