三缸單作用柱塞泵動(dòng)力端參數(shù)與液力特性

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1、三缸單作用柱塞泵動(dòng)力端參數(shù)與液力特性 　　0 引言 　　三缸單作用柱塞泵廣泛應(yīng)用于石油開發(fā)、水利水電、礦山開采等領(lǐng)域,利用工作腔容積的周期性變化輸送高壓流體,由于其高效的特點(diǎn),已成為流體輸送應(yīng)用較廣的通用設(shè)備之一[1,2]. 　　排出壓力和輸出流量是三缸單作用柱塞泵的重要液力特性參數(shù),動(dòng)力端中曲軸、連桿等復(fù)雜部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了泵的排出壓力和輸出流量參數(shù).本文在三缸單作用柱塞泵運(yùn)動(dòng)及受力分析的基礎(chǔ)上,分析動(dòng)力端結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柱塞泵液力特性的影響,對(duì)于柱塞泵動(dòng)力端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有一定的實(shí)踐意義. 　　1 三缸單作用柱塞泵工作原理 　　三缸單作用柱塞

2、泵主要由動(dòng)力端和液力端組成.動(dòng)力端主要由箱體、壓蓋、曲軸、軸瓦、連桿、十字頭等組成,帶有減速裝置的柱塞泵動(dòng)力端還設(shè)有傳動(dòng)軸及齒輪組件.液力端主要由泵頭體、進(jìn)排液閥、閥座、柱塞及填料函組成. 　　三缸單作用柱塞泵通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備(電機(jī)或柴油機(jī))驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng),或由傳動(dòng)軸及齒輪組件驅(qū)動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)連接在曲軸上的軸瓦、連桿、十字頭,由于曲軸三組曲拐呈120交錯(cuò)分布,從而帶動(dòng)三根柱塞做交替往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),由于柱塞與填料密封的配合,使泵頭的工作腔內(nèi)交替形成局部真空或高壓,使泵頭內(nèi)的進(jìn)、排液閥組做出相應(yīng)的開啟或關(guān)閉動(dòng)作,相應(yīng)的完成吸液和排液的過(guò)程. 　　2 三缸單作用柱塞泵動(dòng)力端參數(shù)與液力特性 　　排

3、出壓力和輸出流量是三缸單作用柱塞泵最主要的兩個(gè)液力特性參數(shù),前者體現(xiàn)了泵送流體具備的能量,后者代表了泵送流體的體積.柱塞泵動(dòng)力端主要部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接決定柱塞泵承載泵送流體壓力的能力,而結(jié)構(gòu)參數(shù)又影響柱塞泵泵送流體流量的穩(wěn)定性. 　　圖2以三缸單作用柱塞泵中的某一缸為對(duì)象,顯示了三缸單作用柱塞泵運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖與主要結(jié)構(gòu)參數(shù). 　　2.1 柱塞泵的交變載荷承載能力 　　由圖2可知,輸送流體的液力F通過(guò)柱塞、十字頭部件傳遞給十字頭銷中心點(diǎn),此外,十字頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力IW也作用于十字頭銷中心點(diǎn),在不考慮十字頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程的摩擦力的前提下,輸送流體液力和十字頭慣性力疊加在一起統(tǒng)稱為綜合柱塞力

4、F綜合[3]. 　　通過(guò)分解綜合柱塞力,可以將其分解成與十字頭滑到垂直的側(cè)向力N,及沿連桿中心線的連桿力Pc.連桿力沿連桿中心線作用于曲柄銷中心點(diǎn),可以分解為沿曲柄的切向力T和徑向力R,一般來(lái)說(shuō),在忽略重力和旋轉(zhuǎn)摩擦力的情況下,曲軸所受外力主要是徑向力. 　　上述各外力表達(dá)為: 　　式中:A為柱塞截面積,mm²; P為液體排出壓力,kgf/cm²; mw為十字頭質(zhì)量,kg; r為曲柄半徑,mm; ω 為曲柄角速度; φ為曲柄轉(zhuǎn)角,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正值; β 為連桿擺角度; λ 為曲柄半徑r與連桿L的比值. 　　2.2 柱塞泵的流量特性 　　由于三缸

5、單作用柱塞泵三組曲拐呈120交錯(cuò)布置,帶動(dòng)三組柱塞交替完成吸液和排液動(dòng)作,并且只有曲柄轉(zhuǎn)角處于排出相位偏角時(shí)才會(huì)排出流體.因此,三缸單作用柱塞泵的輸出流量是三缸輸出流量的疊加. 　　以圖2為例的三缸單作用柱塞泵中的某一缸分析,柱塞瞬時(shí)速度u 可表示為下式,正值代表泵處在排出過(guò)程,負(fù)值表示泵處在吸入過(guò)程[4]. 　　式中: x為柱塞運(yùn)動(dòng)位移,mm; φ為曲柄轉(zhuǎn)角,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正值; r 為曲柄半徑,mm; ω 為曲柄角速度; λ 為曲柄半徑r與連桿L的比值. 　　則該缸的瞬時(shí)輸出流量q可以表示為: 　　式中:A為柱塞截面積,mm². 　　綜合考慮三缸之間的

6、相位偏角差值,泵的三缸瞬時(shí)輸出流量可表示為: 　　第一缸瞬時(shí)排出流量q1: 　　第二缸瞬時(shí)排出流量q2: 　　三缸單作用柱塞泵的瞬時(shí)排出流量Q通過(guò)式(7)~式(9)式疊加獲得,由下式表示: 　　2.3 動(dòng)力端結(jié)構(gòu)參數(shù)與液力特性分析 　　通過(guò)式(1)~式(7)分析可知:1)柱塞泵排出壓力時(shí),尤其在排出壓力最大時(shí),液力的反饋是對(duì)柱塞泵動(dòng)力端強(qiáng)度的考驗(yàn),而曲柄和連桿的承載能力是體現(xiàn)泵排出壓力能力的保證;2)隨著柱塞泵曲柄轉(zhuǎn)角的不斷變化,曲柄和連桿的受力是呈一定規(guī)律變化的交變載荷,且只有在柱塞泵曲柄轉(zhuǎn)角處于輸出液體相位偏角時(shí),曲柄和連桿才會(huì)承載交變載荷,同時(shí),三組曲柄和連桿的受力是相對(duì)獨(dú)立的

7、;3)從連桿力Pc和曲柄徑向力R來(lái)看,影響曲柄和連桿受力的參數(shù)較多,但對(duì)于特定的柱塞泵,即使不改變影響泵名義流量的技術(shù)參數(shù),如柱塞截面積、泵的轉(zhuǎn)速、曲柄直徑等,改變曲柄和連桿的連桿比參數(shù),對(duì)于柱塞泵承載交變載荷能力具有影響作用. 　　再者,從式(8)~式(13)式分析可知:1)柱塞泵輸出液體時(shí),流量特性反映了柱塞泵動(dòng)力端的運(yùn)動(dòng)特性,動(dòng)力端曲柄和連桿運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化率是體現(xiàn)泵輸出流量平穩(wěn)的前提;2)柱塞泵的輸出流量不是由某一組柱塞作用決定的,而是多組柱塞復(fù)合作用疊加產(chǎn)生的,均是在曲柄轉(zhuǎn)角處于輸出液體相位偏角時(shí),柱塞泵才會(huì)輸出流量,并且柱塞泵的輸出流量并不是恒定不變的,而是隨著曲柄轉(zhuǎn)角的變化呈周期性

8、的變化;3)從柱塞泵流量疊加公式來(lái)看,柱塞泵的輸出流量存在脈動(dòng)變化的特點(diǎn),脈動(dòng)變化的幅度直接影響柱塞泵輸出流量的穩(wěn)定性,除了柱塞泵截面積、泵的轉(zhuǎn)速、曲柄直徑等影響泵名義流量的技術(shù)參數(shù)以外,改變曲柄和連桿的連桿比參數(shù),都會(huì)對(duì)影響柱塞泵輸出流量的穩(wěn)定性. 　　3 實(shí)例分析 　　以某型三缸單作用柱塞泵為例,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.柱塞截面積、曲柄半徑、泵的轉(zhuǎn)速等基本參數(shù)決定了泵名義流量;泵的動(dòng)力端承受交變載荷能力即決定泵的排出壓力. 　　3.1 交變載荷承載能力與液體輸出壓力 　　按照前述分析,柱塞泵的排出壓力成為了動(dòng)力端曲柄和連桿的受力根源.保持動(dòng)力端曲柄半徑參數(shù)不變,改變連桿比參數(shù)

9、,并以曲柄轉(zhuǎn)角增幅10計(jì)算曲柄徑向力R和連桿受力Pc,計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示. 　　通過(guò)曲柄徑向受力和連桿受力的分析可知:1)曲柄和連桿的受力過(guò)程是隨著曲柄轉(zhuǎn)角變化的,而并非恒定不變的,三組曲柄和連桿之間是相互獨(dú)立的;2)通過(guò)曲柄受力和連桿受力的曲線圖可以看出,對(duì)于三缸單作用柱塞泵的每一組曲柄和連桿,兩者受力的最大值均發(fā)生在曲柄和連桿帶動(dòng)相應(yīng)的柱塞由吸液過(guò)程轉(zhuǎn)換至排液過(guò)程,通過(guò)計(jì)算分析可以得出最大受力值時(shí)的曲柄相位偏角;3)通過(guò)保持曲柄半徑參數(shù)不變,改變曲柄直徑與連桿長(zhǎng)度的比值λ,較小的連桿比會(huì)使得曲柄徑向受力和連桿受力得到改善,因此根據(jù)柱塞泵技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì),可以通過(guò)改變動(dòng)力端曲柄和連

10、桿的比值,獲得較為理想的曲柄徑向受力和連桿受力. 　　3.2 運(yùn)動(dòng)特性與流量脈動(dòng)特性 　　按照前述分析,柱塞泵的輸出流量是隨曲柄的轉(zhuǎn)角變化呈周期性規(guī)律的,而且輸出流量不是由某一缸的曲軸和連桿帶動(dòng)相應(yīng)的柱塞運(yùn)動(dòng)決定,是綜合三缸瞬時(shí)輸出流量獲得的.保持動(dòng)力端曲柄半徑參數(shù)不變,改變連桿比參數(shù),并以曲柄轉(zhuǎn)角增幅10計(jì)算柱塞泵的瞬時(shí)輸出流浪,計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示. 　　通過(guò)流量脈動(dòng)分析可知:1)三缸單作用柱塞泵的輸出流量是具有脈動(dòng)的特點(diǎn),流量脈動(dòng)是柱塞泵結(jié)構(gòu)所決定的;2)從瞬時(shí)流量曲線可以看出,柱塞泵在曲柄轉(zhuǎn)角變化的周期內(nèi),存在流量峰值和流量谷值,通過(guò)計(jì)算分析可以得出出現(xiàn)極限值對(duì)應(yīng)的相位偏

11、角,對(duì)于多泵并聯(lián)工程應(yīng)用可以有效地進(jìn)行極限值的互補(bǔ);3)通過(guò)保持曲柄半徑參數(shù)不變,改變曲柄直徑與連桿長(zhǎng)度的比值λ,較小的連桿比會(huì)獲得較小脈動(dòng)的流量特性,主要是較長(zhǎng)的連桿使得連桿帶動(dòng)柱塞運(yùn)動(dòng)速度變換平穩(wěn),從而使得柱塞泵的流量脈動(dòng)小,因此根據(jù)柱塞泵技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì),可以通過(guò)改變動(dòng)力端曲柄和連桿的比值,獲得較為理想的柱塞泵流量脈動(dòng)特性. 　　4 結(jié)論 　　三缸單作用柱塞泵動(dòng)力端曲軸和連桿的比值結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠影響柱塞泵的排出壓力和輸出流量特性,在柱塞泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注重動(dòng)力端結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化,并結(jié)合動(dòng)力端幾何尺寸的合理性,獲得較為理想的連桿比參數(shù),優(yōu)化三缸單作用泵的承載交變載荷能力和平穩(wěn)流量脈動(dòng)特性. 　　參考文獻(xiàn): 　　[1] 張生昌,方宏生,鄭英臣,等.新型組合式隔膜泵用三拐曲軸的研究[J].流體機(jī)械,2009,37(12):35-38. 　　[2] 薛勝雄,等.高壓水射流技術(shù)工程[M].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2006:100-106. 　　[3] 葉曉琰,張軍輝,蔣小平,等.基于ANSYS-FATIGUE的曲軸疲勞壽命計(jì)算[J].流體機(jī)械,2011,39(4):44-48. 　　[4] 《往復(fù)泵設(shè)計(jì)》編寫組.往復(fù)泵設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987:11-24.