DP160—4型液压驱动隔膜泵方案设计.pdf

2 0 1 0年 6月 第3 8 卷 第 l 2期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAULI CS J u n ． 2 0 1 0 V0 1 ． 3 8 No ．1 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 2 ． 0 1 7 D P 1 6 0 4型液压驱动隔膜泵方案设计 张洪生，李向荣，谷敏永，迟明 兰州理工大学，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要介绍 D P 1 6 0 ， 4液压驱动隔膜泵的设计方案，用新型的液压缸驱动机构取代传统机械式隔膜泵的曲柄连杆机构。 重点阐明隔膜泵动力端的工作原理，分析活塞的运动规律。活塞在运动过程 中，可实现匀速往复直线运动，这将使得隔膜 泵体积减小、成本降低，并且输出泥浆压力、流量比较平稳，并提高了容积效率。 关键词液压缸驱动；隔膜泵；活塞 中图分类号T E 9 4 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 2 0 4 6 2 Sc h e me De s i g n o f DP1 6 0- 4 Hy dr a u l i c - dr i v e n Di a ph r a g m Pump ZHANG Ho n g s h e n g， LI Xi a n g r o n g， GU Mi n y o n g， CHI Mi n g L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t r o d u c e d p r o g r a m o n d e s i g n o f D P1 6 0 - 4 h y d r a u l i c d riv e n d i a p h r a g m p u mp， d i a p h r a g m p u mp wi t h t r a d i t i o n a l me - c h a n i c al d e s i g n e d o f t h e c r a n k c o n n e c t i n g r o d me c h a n i s m w a s c h a n g e d b y a n e w t y p e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r d ri v e n ． I t i s f o c u s e d o n t h e p ri n c i p l e o f mo t i v e c a r r y ， a n d a n a l y s i s o n t h e mo v e me n t o f t h e p i s t o n ． P i s t o n s i n t h e c a mp a i g n p r o c e s s ， t h e a c h i e v e me n t o f u n i f o r m l i n e a r mo t i o n b a c k a n d f o r t h，wh i c h w i l l all o w t o r e d u c e t h e s i z e o f d i a p h r a g m ， c o s t r e d u c t i o n， a n d o u t [ u t t h e mu d p r e s s u r e ， fl o w r a t e r e l a t i v e l y s t a b l e a n d i n c r e a s e t h e v o l u me t ric e ffic i e n c y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c d riv e n； D i a p h r a g m p u mp； P i s t o n 隔膜泵在煤炭 、冶金 、化工 、电力等行业发挥着 重要作用 ，特点是在泵的液力端设一隔膜，将浆料和 驱动液压油缸隔开 ，避 免活塞 、缸套 、活塞 杆等重要 部件的磨损， 通过活塞在活塞缸里往复运动，使隔膜 室内产生压力变化 ，实现吸料和排料功能，从而实现 高温、高腐蚀、固液两相介质的远距离输送。隔膜泵 的驱动形式大多为传统的机械式曲柄连杆机构，由于 由曲柄连杆机构转变来的往复直线运动是一种近似正 弦曲线的运动，导致料浆的吸入和排出流量也是一种 近似正弦 曲线运动 ，使得泵 的流量脉动性很 大。且 曲 柄连杆机构 的运动 副间磨 损故 障 是隔膜 泵 的常见 故 障，过大的磨损间隙会导致振动和噪声 ，产生巨大的 冲击载荷，加速运动副的磨损，甚至会导致连杆、活 塞杆折断等 ，往往给企业造成 巨大 的经济损失 ⋯。因 此 ，采用性价 比高的新 型隔膜泵来代替传统的机械式 隔膜泵 已成为科技 发展 的趋势 。 1 设计方案 图 1 传统隔膜泵动力端原理示意图 传统隔膜泵动力 端为曲柄连杆机构 ，其原理示意 图如图 1 所示 。 它是由电动机带动皮带轮使偏心轮旋转 ，偏心轮 带动连杆 ，使十字头、活塞及活塞杆作往复运动，活 塞 的运动通过推进液系统带动隔膜运动 ，从而完成 吸 入排出料浆的工作 。 为寻求性能更好 和结 构合理 的隔膜泵 以满足企业 的使用要求，研究设计了一种新型的液压驱动隔膜 泵。该新型泵利用液压缸直接驱动泵缸 活塞 ，简化 了 减速装置及机械传动装置。因此，新型液压驱动隔膜 泵体积比机械式隔膜泵要小很多，主要由动力端部分 定量泵 、液控 换 向阀 、先 导溢 流 阀、单 向调 速 阀、 电磁阀、液压缸等和液 力端部分 泵头、泵缸、 泵缸活塞 、吸入 阀、排 出阀等 组成 。 液压驱动隔膜泵与传统的机械传动式隔膜泵相 比，具有 以下优点 1 用液压缸活塞的直线运动代替通过曲柄连 杆机构转换的直线运动，可有效地提高系统的机械效 率。 2 液 压缸活 塞运行 速度 比较平稳 ，驱动力 稳 定 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 2 5 基金项目 甘肃省 自然基金资助项 目 0 7 1 0 R J Z A 0 5 6 作者简介张洪生 1 9 6 2 一 ，男，副教授，高级工程师，硕士研究生导师，主要从事石油矿场机械的研究。电话 1 3 91 9 49 2 95 7， E ma i l l i ． x r 2 0 08 1 63 ．c o rn。 第 1 2期 张洪生 等D P 1 6 0 ． 4型液压驱动隔膜泵方案设计 4 7 3 液压缸 冲次 低 ，行程 长 ，使 得 液 压 缸 隔膜 泵泵头系统的吸、排单向阀换 向平稳，隔膜运行平 稳，吸空现象大大减少。 在分析 现有 隔膜泵原 理及 动力端工作特点 的基础 上，提出D P 1 6 0 ． 4液压驱动隔膜泵的工作原理和方 案设计。该设计的关键是用液压缸代替传统的曲柄连 杆机构，并能实现 自动往复运动。 2 D P 1 6 0 4液压驱动隔膜泵主要技术参数 额定排量 1 6 0 m ／ h ，额定 压力 4 M P a ，活塞 直径 2 4 0 m m，活塞冲程 8 0 0 m m，活塞冲次 1 0 m i n ～。 3 液压隔膜泵动力端系统工作原理 液压隔膜泵动力端 系统如 图 2所示 ，其油 源为定 量 液压泵 2 ，可 同时 向液压 缸 I和 Ⅱ及 液控 换 向 阀 5 和 1 O供油 ，供 油压 力 由先 导式 溢流 阀 3设 定 ，行程 开关 8 和 9用于控制液压缸 I 活塞的行程，行程开关 1 3和 1 4用 于控 制液压缸 Ⅱ活塞 的行 程 ，电磁 换 向阀 5和 1 0两端的单 向节流阀的作用是控制和调节换向 阀阀芯的移动速度 ，从而控制调节 活塞 的换 向时间和 换 向速度 。 1 一 滤油器2 一定量液 压泵3 一先 导式 溢 流 阀4 一 手动换 向阀5 、1 0 一 电磁换 向阀6 、7 、1 1 、1 2 一单 向调 速 阀8 、9 、1 3 、1 4 一 行程 开关 1 5 、2 2 、2 4 、 2 9 一吸入阀1 6 、2 l 、2 3 、3 O 一排出阀1 8 、1 9 、2 6 、 2 7 一隔膜腔 1 7 、2 0 、2 5 、2 8 一隔膜 I、 Ⅱ、Ⅲ、 Ⅳ一液压缸 图2 D P 1 6 0 4液压驱动隔膜泵液压系统设计简图 当电磁铁 1 Y A通 电时 ，电磁换 向阀 5为左 位 机 能，液压缸 I 左腔为高压腔 ，右腔为低压回油腔，推 动活塞 I向右 移动 。活塞 I 运 行至 液压 缸 I的右 端 时 ，固定在 活塞 杆 上 的机械 撞块 碰 触 触点 行程 开 关 9 ，使得 1 Y A失电，活塞 I 停 留。与此同时，电磁铁 3 Y A得 电 ，液 压 缸 Ⅱ活 塞 Ⅱ向右 移 动。活塞 运 行 至 液压缸 Ⅱ的右端 时 ，固定在 活塞杆 上的机械撞块 碰触 触点行 程 开关 1 4 ，使 得 3 Y A失 电，活塞 Ⅱ停 留， 2 Y A得 电 ，活塞 I向左 移动 。活塞 I运 行 至液 压缸 I 的左端时，固定在活塞杆上的机械撞块碰触触点行 程开关 8 ，使得 2 Y A失电，活塞 I停留， 4 Y A得电， 活塞 Ⅱ向左移动 。固定在活塞杆上 的机械撞块碰触触 点行程开关 l 3 ，使得 4 Y A失 电，活塞 Ⅱ停留，1 Y A 得电 ，开始下一次循环 。从而实现 系统 的 自动换 向。 4动 力端 活塞 运动 规律 理 论分析 4 ． 1速度 变化 规律 活塞在一个工作循环 中经历加速 、恒速 、减速和 停留4个阶段。假设活塞在加速和减速阶段加速度不 变 ，活塞在 一个运动循环过程 中的速度方程如下 加速阶段 t 0 ． 2 9 t 0t ≤0 ． 2 1 恒速阶段 ￡ 0 ． 5 8 0 ． 2 ≤1 ． 5 2 减速 阶段 t ， 一 0 ． 2 9 t 1 ． 5 t ≤1 ． 7 3 停 留阶段 4 t 0 1 ． 7t ≤3 4 由上述方程 可知 ，活塞在加速和减速阶段的运动 速度 是 时 间 t 的一 次 函数 ，在 恒 速 阶段 则 为一 常 数 ，两活塞运动的速度循环图如图 3 a 所示。 o． 2 ．0 ． 2 a 速度循环图 图3 活塞运动的速度和加速度循环图 4 ． 2加速 度 变化 规律及 加 速度 循 环 图 活塞运动的加速度 n就是活塞运动 的速度 对时 间 t 的一 次导数 。因此 ，活塞在一个工作循 环过程 中 的加 速度方程如下 加速阶段 0 ． ￡ 0 ． 2 9 0 t ≤O ． 2 5 恒速阶段 口 2 t 0 0 ． 2 t ≤1 ． 5 6 减速阶段 下转第 8 0页 8 O 机床与液压 第3 8 卷 的承载能力与节流器的节流比有关 。由于轴承运行 时 要求较高的主轴回转精度，以小偏心率 s 40 ． 3为例， 对于毛细管节流器的轴承，当偏心率 0 ． 2～ 0 ． 3且 ／ 3 2 时 ，能获得 最大 的承 载能力 。因而在设 计静 压 轴承时 ，毛细管 节流 比 13 2 ； 对 于小 孔 节流器 的轴 承，在小偏心率情况下 ，当131 ． 7～ 2 ． 5时，能获得 较高的油膜承载能力； 3 在 小偏心 率 下 ，滑 阀和薄 膜反馈 节 流器 的静压轴承承载能力远大于小孔和毛细管节流器的静 压轴承的承载能力 。 由图 4分析可知 1 毛 细 管节 流 器 的静 压轴 承 油膜 刚 性最 差 、 小孔次之 ，滑阀和薄膜反馈节流器的静压 轴承理论上 具有无穷大刚度。 2 在小偏 心率 占0 ． 0 5时 ，薄膜 、滑 阀 阀节流 器的节流 比 13对 轴承 油膜 刚度 影 响较小 ；在 偏心 率 8 0 ． 0 5时，当节流 比／ 3 2和 ／ 3 2 ． 5时，采用薄 膜 、滑阀阀节流器 的静压轴承最有最大 的油膜刚度 。 4 当节流 比131 ． 7和 2时 ，采 用毛细管 、 小孔节流器的静压轴承只在 较小时具有较高的油膜 刚度 ，油膜刚度 随着偏心率 s的增加而下降。在小偏 心率 0 ． 0 5情况下 ，薄膜 、滑 阀反馈节流器的静 压 轴承油膜 刚度 随偏心率 的增加有较大下降 ，当达到 8 0 ． 0 5 后其油膜刚度基本保持不变。 5结论 1 静压轴承的承载性能受节流器影响大，采 用毛细管 、小孔节流器的静压轴承承载能力较小 ；采 用薄膜与滑 阀反馈节 流器的静压 轴承承载 性能较 高 ， 理论上具有无穷大油膜刚性。 2 采用毛细管、小孔节流器的静压轴承只在 小偏心率 一般为 0 ． 3 情 况下具有 较大 的油膜 刚性 。 3 各种 节流方 式下 ，节 流 比对 承 载能力 的影 响是很 明显 的。毛细管和小孔节流器 的最佳节流比为 卢1 ． 7或 卢 2 ，这在生产中也得 到了验证 。 参考文献 【 1 】王剑鹰． 重载荷静压轴承及其供油系统设计[ J ] ． 精密 制造与 自动化， 2 0 0 6 4 4 1 4 2 ． 【 2 】 周述奇， 权威， 王建民． 薄膜反馈节流静压轴承模糊优化 设计[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 4 3 5 6 5 8 ． 【 3 】李荛中， 王有远． 缝隙节流器地设计与应用[ J ] ． 航空制 造技术 ， 2 0 0 4 2 9 0 9 1 ． 【 4 】赵军， 付纯连， 王钢． 固定节流小孔在组合机床液压系统 中的应用[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 1 9 9 9 1 2 464 9． 【 5 】 孟心斋 ， 孟昭焱． 节流性能优异的新型液体静压支承节 流器[ J ] ． 中国工程科学， 2 0 0 5 ， 7 3 4 9- 5 2 ． 【 6 】机床设计手册编写组． 机床设计手册[ M] ． 北京 机械工 业出版社 ， 1 9 8 0 ． 8 8 3 38 5 5 ． 上接第 4 7页 a 一 0 ． 2 9 1 ． 5 ≤1 ． 7 7 停 留阶段 o t 0 1 ． 7t ≤3 8 由上述方程可知 ，活塞 在加速和减速阶段 的加速 度 0均为常数 ，在恒速和停 留阶段则均为 0 ，两 活塞 运动的加速度循环 图如 图 3 b 所示 。 由上述分析知 ，两活塞在一个运动循环过程中均 经历加速、恒速、减速和停留4个阶段 ，并且一个活 塞的减速和死点停留阶段 刚好是另一个活塞的加速和 恒速阶段。若 能保证 两 油缸 活塞恒 速运 动 的速度 相 同，加速和减速的时间及加速度数值相同，则可使两 油缸活塞运动的速度曲线叠加后为一条水平直线。 5结论 D P 1 6 0 - 4隔膜泵采用一种新 型的液压缸驱动动力 端来代替传统动力端，用液压缸活塞的直线运动代替 通过曲柄连杆机构转换的直线运动，可有效地提高系 统的机械效率。液压缸活塞运行速度比较平稳，驱动 力大 ，同时液压缸冲次低，行程长 ，使得液压缸隔膜 泵泵头 系统 的吸 、排 单 向阀换 向平 稳 ，隔膜 运 行平 稳，吸空现象大大减少。因此，整个隔膜泵体积大大 减小，输出泥浆压力、流量比较平稳 ，容积效率高。 参考文献 【 1 】肖理， 段 志善， 史丽晨． 隔膜泵磨损故障动力学分析 [ J ] ． 装备制造技术， 2 0 0 8 1 3 9 4 0 ． 【 2 】张洪生， 陈强． 双缸单作用液压隔膜泵动力端设计方案 [ J ] ． 排灌机械， 2 0 0 8 ， 2 6 5 2 7 2 9 ． 【 3 】王存洋， 刘银． 液压缸驱动式泥浆泵的研究[ J ] ． 凿岩机 械气动工具 ， 2 0 0 7 2 2 62 9 ． 【 4 】 王新华， 王建新 ， 齐明侠 ， 等． 液压驱动往复泵活塞运动 特性分析[ J ] ． 石油机械， 2 0 0 2 ， 3 0 5 2 2 2 7 ． 【 5 】张利平． 液压控制系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 6 ． 1 ． 上接第5 0页 参考文献 【 1 】许益民． 电液比例控制系统分析与设计[ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 2 0 0 5 3 0 3 1 ． 【 2 】 芮丰． 液压支架试验台升降装置中四缸同步系统的研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 1 2 46 ． 【 3 】田富俊， 周恩涛， 周士昌． 非对称油缸施力系统状态变量 模型的建立[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 2 6 5 6 7 ． 【 4 】龚跃明． 电液数字伺服同步系统的研究[ D] ． 杭州 浙江 工业大学 ， 2 0 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