0 引言
三缸单作用柱塞泵广泛应用于石油开发、水利水电、矿山开采等领域,利用工作腔容积的周期性变化输送高压流体,由于其高效的特点,已成为流体输送应用较广的通用设备之一[1,2].
排出压力和输出流量是三缸单作用柱塞泵的重要液力特性参数,动力端中曲轴、连杆等复杂部件的结构参数决定了泵的排出压力和输出流量参数.本文在三缸单作用柱塞泵运动及受力分析的基础上,分析动力端结构参数对柱塞泵液力特性的影响,对于柱塞泵动力端结构的优化具有一定的实践意义.
1 三缸单作用柱塞泵工作原理
三缸单作用柱塞泵主要由动力端和液力端组成.动力端主要由箱体、压盖、曲轴、轴瓦、连杆、十字头等组成,带有减速装置的柱塞泵动力端还设有传动轴及齿轮组件.液力端主要由泵头体、进排液阀、阀座、柱塞及填料函组成.
三缸单作用柱塞泵通过驱动设备(电机或柴油机)驱动曲轴转动,或由传动轴及齿轮组件驱动曲轴转动,通过连接在曲轴上的轴瓦、连杆、十字头,由于曲轴三组曲拐呈120°交错分布,从而带动三根柱塞做交替往复直线运动,由于柱塞与填料密封的配合,使泵头的工作腔内交替形成局部真空或高压,使泵头内的进、排液阀组做出相应的开启或关闭动作,相应的完成吸液和排液的过程.
2 三缸单作用柱塞泵动力端参数与液力特性
排出压力和输出流量是三缸单作用柱塞泵最主要的两个液力特性参数,前者体现了泵送流体具备的能量,后者代表了泵送流体的体积.柱塞泵动力端主要部件的结构强度直接决定柱塞泵承载泵送流体压力的能力,而结构参数又影响柱塞泵泵送流体流量的稳定性.
图2以三缸单作用柱塞泵中的某一缸为对象,显示了三缸单作用柱塞泵运动机构简图与主要结构参数.
2.1 柱塞泵的交变载荷承载能力
由图2可知,输送流体的液力F通过柱塞、十字头部件传递给十字头销中心点,此外,十字头往复运动产生的惯性力IW也作用于十字头销中心点,在不考虑十字头运动过程的摩擦力的前提下,输送流体液力和十字头惯性力叠加在一起统称为综合柱塞力F综合[3].
通过分解综合柱塞力,可以将其分解成与十字头滑到垂直的侧向力N,及沿连杆中心线的连杆力Pc.连杆力沿连杆中心线作用于曲柄销中心点,可以分解为沿曲柄的切向力T和径向力R,一般来说,在忽略重力和旋转摩擦力的情况下,曲轴所受外力主要是径向力.
上述各外力表达为:
式中:A为柱塞截面积,mm²;
P为液体排出压力,kgf/cm²;
mw为十字头质量,kg;
r为曲柄半径,mm;
ω 为曲柄角速度;
φ为曲柄转角,逆时针旋转为正值;
β 为连杆摆角度;
λ 为曲柄半径r与连杆L的比值.
2.2 柱塞泵的流量特性
由于三缸单作用柱塞泵三组曲拐呈120°交错布置,带动三组柱塞交替完成吸液和排液动作,并且只有曲柄转角处于排出相位偏角时才会排出流体.因此,三缸单作用柱塞泵的输出流量是三缸输出流量的叠加.
以图2为例的三缸单作用柱塞泵中的某一缸分析,柱塞瞬时速度u 可表示为下式,正值代表泵处在排出过程,负值表示泵处在吸入过程[4].
式中: x为柱塞运动位移,mm;
φ为曲柄转角,逆时针旋转为正值;
r 为曲柄半径,mm;
ω 为曲柄角速度;
λ 为曲柄半径r与连杆L的比值.
则该缸的瞬时输出流量q可以表示为:
式中:A为柱塞截面积,mm².
综合考虑三缸之间的相位偏角差值,泵的三缸瞬时输出流量可表示为:
第一缸瞬时排出流量q1:
第二缸瞬时排出流量q2:
三缸单作用柱塞泵的瞬时排出流量Q通过式(7)~式(9)式叠加获得,由下式表示:
2.3 动力端结构参数与液力特性分析
通过式(1)~式(7)分析可知:1)柱塞泵排出压力时,尤其在排出压力最大时,液力的反馈是对柱塞泵动力端强度的考验,而曲柄和连杆的承载能力是体现泵排出压力能力的保证;2)随着柱塞泵曲柄转角的不断变化,曲柄和连杆的受力是呈一定规律变化的交变载荷,且只有在柱塞泵曲柄转角处于输出液体相位偏角时,曲柄和连杆才会承载交变载荷,同时,三组曲柄和连杆的受力是相对独立的;3)从连杆力Pc和曲柄径向力R来看,影响曲柄和连杆受力的参数较多,但对于特定的柱塞泵,即使不改变影响泵名义流量的技术参数,如柱塞截面积、泵的转速、曲柄直径等,改变曲柄和连杆的连杆比参数,对于柱塞泵承载交变载荷能力具有影响作用.
再者,从式(8)~式(13)式分析可知:1)柱塞泵输出液体时,流量特性反映了柱塞泵动力端的运动特性,动力端曲柄和连杆运动参数变化率是体现泵输出流量平稳的前提;2)柱塞泵的输出流量不是由某一组柱塞作用决定的,而是多组柱塞复合作用叠加产生的,均是在曲柄转角处于输出液体相位偏角时,柱塞泵才会输出流量,并且柱塞泵的输出流量并不是恒定不变的,而是随着曲柄转角的变化呈周期性的变化;3)从柱塞泵流量叠加公式来看,柱塞泵的输出流量存在脉动变化的特点,脉动变化的幅度直接影响柱塞泵输出流量的稳定性,除了柱塞泵截面积、泵的转速、曲柄直径等影响泵名义流量的技术参数以外,改变曲柄和连杆的连杆比参数,都会对影响柱塞泵输出流量的稳定性.
3 实例分析
以某型三缸单作用柱塞泵为例,其主要技术参数如表1所示.柱塞截面积、曲柄半径、泵的转速等基本参数决定了泵名义流量;泵的动力端承受交变载荷能力即决定泵的排出压力.
3.1 交变载荷承载能力与液体输出压力
按照前述分析,柱塞泵的排出压力成为了动力端曲柄和连杆的受力根源.保持动力端曲柄半径参数不变,改变连杆比参数,并以曲柄转角增幅10°计算曲柄径向力R和连杆受力Pc,计算结果如图3和图4所示.
通过曲柄径向受力和连杆受力的分析可知:1)曲柄和连杆的受力过程是随着曲柄转角变化的,而并非恒定不变的,三组曲柄和连杆之间是相互独立的;2)通过曲柄受力和连杆受力的曲线图可以看出,对于三缸单作用柱塞泵的每一组曲柄和连杆,两者受力的最大值均发生在曲柄和连杆带动相应的柱塞由吸液过程转换至排液过程,通过计算分析可以得出最大受力值时的曲柄相位偏角;3)通过保持曲柄半径参数不变,改变曲柄直径与连杆长度的比值λ,较小的连杆比会使得曲柄径向受力和连杆受力得到改善,因此根据柱塞泵技术参数的设计,可以通过改变动力端曲柄和连杆的比值,获得较为理想的曲柄径向受力和连杆受力.
3.2 运动特性与流量脉动特性
按照前述分析,柱塞泵的输出流量是随曲柄的转角变化呈周期性规律的,而且输出流量不是由某一缸的曲轴和连杆带动相应的柱塞运动决定,是综合三缸瞬时输出流量获得的.保持动力端曲柄半径参数不变,改变连杆比参数,并以曲柄转角增幅10°计算柱塞泵的瞬时输出流浪,计算结果如图5和图6所示.
通过流量脉动分析可知:1)三缸单作用柱塞泵的输出流量是具有脉动的特点,流量脉动是柱塞泵结构所决定的;2)从瞬时流量曲线可以看出,柱塞泵在曲柄转角变化的周期内,存在流量峰值和流量谷值,通过计算分析可以得出出现极限值对应的相位偏角,对于多泵并联工程应用可以有效地进行极限值的互补;3)通过保持曲柄半径参数不变,改变曲柄直径与连杆长度的比值λ,较小的连杆比会获得较小脉动的流量特性,主要是较长的连杆使得连杆带动柱塞运动速度变换平稳,从而使得柱塞泵的流量脉动小,因此根据柱塞泵技术参数的设计,可以通过改变动力端曲柄和连杆的比值,获得较为理想的柱塞泵流量脉动特性.
4 结论
三缸单作用柱塞泵动力端曲轴和连杆的比值结构参数能够影响柱塞泵的排出压力和输出流量特性,在柱塞泵结构设计时,应注重动力端结构参数的优化,并结合动力端几何尺寸的合理性,获得较为理想的连杆比参数,优化三缸单作用泵的承载交变载荷能力和平稳流量脉动特性.
参考文献:
[1] 张生昌,方宏生,郑英臣,等.新型组合式隔膜泵用三拐曲轴的研究[J].流体机械,2009,37(12):35-38.
[2] 薛胜雄,等.高压水射流技术工程[M].合肥:合肥工业大学出版社,2006:100-106.
[3] 叶晓琰,张军辉,蒋小平,等.基于ANSYS-FATIGUE的曲轴疲劳寿命计算[J].流体机械,2011,39(4):44-48.
[4] 《往复泵设计》编写组.往复泵设计[M].北京:机械工业出版社,1987:11-24.
