三缸单作用隔膜泵新型液压动力端研究.pdf

2 0 1 3年 3月 第4 1 卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Ma t ． 2 01 3 V0 I ． 41 No ． 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 1 1 三缸单作用隔膜泵新型液压动力端研究 张洪生 ，缴文会 ，张宏利 ，崔继强 1 ．兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0； 2 ．上海大学机电工程与 自动化 学院，上海 2 0 0 0 7 2 摘要针对 目前石油、冶金、电力等行业中常用的隔膜泵存在流量脉动大，无法满足复杂环境下作业要求等问题 ，以 三缸单作用隔膜泵为研究对象 ，设计一种新型的液压动力端。该液压动力端主要由液压缸系统和变量泵系统组成。液压缸 系统推动隔膜泵动力端按特定的规律运动，有效解决了料浆吸人和排出过程中流量脉动的问题。变量泵系统采用电液比例 流量控制泵，其供油流量与液压缸系统所需流量相同，供油压力由负载压力决定。并从电液比例换 向阀的节流特性分析出 发，给出了全局流量匹配与协调的原理与方法 ，同时给出了实现方案。研究表明这种新型液压动力端具有流量脉动小、 结构简单、节能、一次性制造成本低、占地面积小、力一惯性比大等优点。 关键词三缸单作用隔膜泵；液压动力端；液压缸系统；变量泵系统；流量匹配 中图分类号 T E 8 3 2 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 5 0 4 0 4 De s i g n o f Ne w Hy d r a ul i c Po we r En d f o r Th r e e Cy l i n de r a n d Si n g l e Fun c t i o n Di a p hr a g m Pu mp 。 Z HANG Ho n g s h e n g ，J I AO We n h u i ，Z HANG Ho n g l i ，C UI J i q i a n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri 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 Ga ns u 7 3 0 0 5 0， Chi na； 2 ． S c h o o l o f Me c h a t r o n i c a n d A u t o m a t i c ，S h a n g h a i U n i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Di a p h r a g m p u mp s w h i c h a r e u s e d i n p e t r o l e u m ， me t a l l u r g y ， e l e c t ri c a l p o we r a n d s o me o t h e r i n d u s t r i e s ， h a v e t h e p r o b l e m o f fl o w p u l s a t i o n a n d c a n ’ t s a t i s f y t h e o p e r a t i o n d e ma n d i n c o mp l i c a t e d e n v i r o n me n t ． Ai mi n g a t t h e p r o b l e m ，t a k i n g t h e t h r e e c y l i n d e r a n d s i n g l e f u n c t i o n d i a p h r a g m p u m p a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ，a n e w h y d r a u l i c p o w e r e n d w a s d e s i g n e d w h i c h w a s c o mp o s e d o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r s y s t e m a n d v a r i a b l e d i s p l a c e me n t p u mp s y s t e m．T h e h y d r a u l i c c y l i n d e r s y s t e m p u s h e d t h e d i a p h r a g m p u mp ’ S h y d r a u l i c e n d t o mo v e wi t h a s p e c i f i c r u l e ， a n d t h e p r o b l e m o f fl o w p u l s a t i o n c a u s e d b y i n h ali n g a n d d i s c h a r g i n g s l u r r y wa s s o l v e d e f f e c t i v e l y ． I n t h e v a ri a b l e d i s p l a c e me n t p u mp s y s t e m， t h e e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l f o l l o w c o n t r o l p u mp wa s a d o p t e d wh o s e s u p p l y flo wr a t e w a s t h e s a me a s t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ’ S d e ma n d a n d t h e s u p p l y p r e s s u r e wa s d e ma n d e d b y t h e l o a d p r e s s u r e ． A t l a s t ， f r o m t h e an a l y s i s o f t h r o t t l e c h a r a c t e ris t i c o f e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l d i r e c t i o n al c o n t r o l v a l v e ，t h e p ri n c i p l e a n d me t h o d o f g l o b al fl o w r a t e ma t c h i n g a nd c o o r d i na t i o n we r e g i v e n wi t h t he i mpl e me n t a t i o n s c h e me ． The r e s e arc h s h o ws t ha t t he n e w h y dr a ul i c po we r e n d ha s t h e a d v a n t a g e s o f s mall fl o w p u l s a t i o n ， s i mp l e s t ru c t u r e ， e n e r g y s a v i n g，l o w ma n u f a c t u r i n g c o s t ，l e s s o c c u p i e d a r e a a n d b i g f o r c e i n e rti a l r a t i o ． Ke y wo r d s T h r e e c y l i n d e r a n d s i n g l e f u n c t i o n d i a p h r a g m p u mp； Hy d r a u l i c p o we r e n d ； Hy d r a u l i c c y h n d e r s y s t e m ； Va r i a b l e d i s p l a c e me n t p u mp s y s t e m； F l u x ma t c h i n g 隔膜泵作 为一种先进 的料浆输送设备 ，被广泛应 用于石油、电力 、冶金等行业。由于采用了橡胶隔膜 将输送介质与驱动介质隔开，不仅使输送介质无外 泄，而且使输送的颗粒性介质与泵、活塞等零部件不 接触 ，免除了固体颗粒对泵造成的严重磨损。因而它 在提高泵 的环保 节能 指标 的 同时 ，也 延长 了泵 的 寿 命，使泵的性能稳定性及可靠性都得到很大提高 。 然而 ，现有隔膜泵动力端 的驱动形式大多是传 统的机 械式曲柄连杆机构 ，导致料 浆的瞬时流量和压力按正 弦曲线 波动 ，脉动量大 ，因而无法满足 当今复杂环境 下作业的要求 。 作者在研究现有隔膜泵动力端运动规律的基础 上 ，设计 了一种新型 的液压 动力端 ；进而从全局角度 出发 ，研究 了液压缸系统与变量泵 系统之 间流量匹配 收稿 日期 2 0 1 2 0 22 1 基金项目甘肃省自然科学基金资助项目 0 7 0 3 B - 0 4 作者简介张洪生 1 9 6 2 一 ，教授级高级工程师，主要从事石油机械 自动化开发与改进研究工作。Em a i l z h h s h 1 6 3 ． c o n。通信作者 缴文会 ，E m a i l m e i l i w e n h u i h o t m a i l ． c o n。 第5期 张洪生 等三缸单作用隔膜泵新型液压动力端研究 4 1 和协调控制的原理和方法，并给出了实现方案。文 中所提出的新型动力端的设计方法，可以有效克服传 统动力端的固有缺陷，具有重要的理论研究和实用价 值 。 1 新型液压动力端的运动规律 1 ． 1 传统动力端结构及工作规律 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 。它是由电动机带动偏心轮机构 旋转 ，引起连杆 的摆动和活塞 的往复移动 ，并借助 推进液系统带动隔膜 凹凸运动，完成料浆的吸入和 排出。隔膜工作位置的控制 由进排放油管、隔膜位 置探杆和探头来完成。三缸单作用 泵的 曲柄互成 1 2 0 。 相位角，主轴旋转一周 ，输送液体 3次 ，所 以 排量曲线有 3条正弦曲线 ，泵的瞬时排量是各条排 量曲线 在相 同时 刻 纵 坐标 长 度 之 和 ，如 图 2所 示 。经相加可以看出传统三缸单作用隔膜泵的排 量必然存在一定的流量不均匀度 ，隔膜泵运行过程 中也 存在着 一定 的流量脉动 。 1 一偏心轮2 一连杆3 一滑块4 一活塞5 一进排放油管 6 一探杆7 一探头8 一隔膜 9 一出料阀1 O 一进料阀 图 1 传统隔膜泵原理图 图2 传统三缸单作用隔膜泵排量时序图 1 ． 2新 型液 压动 力端 运动规 律 在分析现有隔膜泵工作原理及动力端工作特点的 基础上 ，改变动力端液 压缸 的运动规 律如 图 3所示 。 图中曲线 A 、 、 B、C分别代表动力端 3个液压缸随时 间变化的速度 曲线，横坐标 为液压缸完成一个冲 程运动的周期，纵坐标 为液压缸的运动速度。这样 在 1 个冲程周期内，就单个缸而言 ，活塞的运动分为 3 个阶段 匀加速运动一匀速运动一匀减速运动。为 满足系统连续运动的条件必须使 1 单个缸匀加速运动的末速度等于匀速运动 的速度 2 单个缸匀加速运动的初速度等于匀减速运 动的末速度等于0 ； 3 单个缸匀加速运动的加速度值等于匀减速 运动的加速度值，但符号相反 ； 4 3 个缸的运动周期和幅值相同，但依次相差 1 2 0 。 的相位 角。 通过对任意时刻 3个缸料浆排出量和吸入量的叠 加，不难看出3条曲线叠加后变成直线，吸入量与排 出量相等，隔膜泵流量均匀。 排 出 吸入 图3 新型液压动力端排量时序图 1 ． 3 新型液压动力端运动规律的实现方式 由图3可知，隔膜泵的任何一个流量值都会对应 着一条速度曲线和相应的一个运动周期。在曲线的计 算机存储过程中，可以直接利用液压缸的匀速运行速 度和液压缸行程之间的关系 ，计算出某一时刻液压 缸的运行速度，然后按定时时间间隔的方式存储这一 曲线。但这种直接利用存储速度曲线来控制液压缸运 行速度的方法 ，存在以下问题 1 动力端液压缸为直动式速度控制系统，必 须增加位置对中控制系统，以防止撞缸现象的发生， 这将增加系统 的复杂程度。 2 隔膜泵在运行过程 中，要改变隔膜泵的流 量，必须对3个液压缸进行复位，同时还要对存储的 速度曲线数据进行更新，这对生产的正常进行也造成 了一定 的影 响。 因此 ，为了简化系统的结构，同时也为了在正常 生产过程 中能够改变 隔膜泵 的流量 ，可以对 图 3中的 速度曲线进行积分运算得到一条位移 一 时间曲线，然 后 ，利用这一位移 一时间曲线设计 出一个 凸轮机构来 产生液压缸运动的控制信号。 2 新型液压动力端的工作原理 新型液压动力端系统分为两大部分 动力端液压 缸系统和变量泵系统。其具体的结构如图4所示 ，油 源为变量液压泵 ，可同时向液压缸 8 、2 1 、3 4供油， 供油压力由系统的负载压力决定。元件 1 、1 4 、2 7是 根据图3积分运算得出的位移 一时间曲线设计的3个 凸轮机构，固定在同一个轴上 ，并依次相差 1 2 0 。 的 相位角 。 4 2 机床与液压 第4 l 卷 1 、1 4 、2 7 凸轮 机构 2 、1 5 、2 8 一 位 置信号 产 生电位 器 3 、1 6 、2 9 _ 一位 置反馈 电位 器 4 、1 7 、3 O 一 放 大器 5 、1 8 、31 二通 压 力补 偿器 6 、1 9 、3 2 一电流 比例 换 向阀 7 、2 0 、3 3 一梭 阀 8 、2 1 、3 4一 动 力端液 压 缸 9 、2 2 、3 5 一 位 置传 感器 1 0 、2 3 、3 6 ～ 液力 端液 压缸 l l 、2 4 、3 7 ～隔膜 腔 l 2 、2 5 、3 8 ～ 排浆 阀 l 3 、2 6 、3 9 ～ 进浆 阀 4 0 变量 泵 4 l溢流 阀 4 2 一 一 电液 比例 节流 阀 4 3 放 大器 4 4 调节 控制 阀 图 4新 型液压隔膜泵原理 图 系统工作时凸轮轴在伺服电机的带动下以一定的 定工作时，控制阀4 4处于平衡状态，其阀芯上的力 速度匀速旋转，引起与凸轮相连的位置信号产生电位 平衡方程为。 。 器 2 、1 5 、2 8电压信号 ， 、M 、“ ， 的变化。液压缸位 P P A k y 0 Y 1 置控制信号 u 、u 、 和位置反馈电位器 9 、2 2 、3 5 式中 P为泵的出口压力； P 为节流阀4 2出口的负载 的反馈信号作差产生 3个偏差信 号 e t 、e t 、 压力； A 为控制阀4 4两端作用面积； k 为控制阀4 4 e ￡ ，并以此作为控制器的输入。控制器的输出信 的调节弹簧刚度； Y o 为控制阀4 4的弹簧预压缩量 ； Y 号，经放大器 4 、1 7 、3 0的比例放大、电压电流转换 为控制阀4 4的阀芯位移量。 后 ，推动 电液 比例 换 向阀 6 、1 9 、3 2的 阀芯 发生 位 由式 1 可 以看 出，当控制 阀 4 4平衡时 移，并产生液压缸所需的液压流量。二通压力补偿器 5 、l 8 、3 l 用于稳定电液比例换 向阀进、出油 口两端 的压差 ，确保阀流量 只与阀 口开度有关 。位置反馈 电 位器 3 、1 6 、2 9形成 电液 比例换 向阀阀芯位 移的 内反 馈 ，提高了系统的动态特性。隔膜泵动力端变量泵系 统采用压差检测反馈型电液比例流量控制泵。在文献 [ 6 ]中详细介绍了这种泵的结构和工作原理。如图4 所示 ，变量泵4 0输出的流量由电液比例节流阀4 2调 节控制，电液 比例节流阀的开 口量与输入电流成正 比。节流阀进、出口的压力分别作用于调节控制阀 4 4的两 端。调 节控 制 阀 是一 种特 殊 的定 差 溢 流 阀， 主要起到两个作用一方面保持比例节流阀两端的压 差基本不变；另一方面产生调节压力，调节变量泵的 变量机构 自动适应比例节流阀的调节流量。当系统稳 k a y 0 pp L 2 故在控制阀4 4右端弹簧预压缩量调定的情况下， p P 基本 为一定值 。即节流阀的进 出口压差基本 恒定 ，不受负载压力变化 的影响 。当节流阀的输入 电 流设定时，这种泵的输出流量只与比例节流阀的输入 电流成正比，并且不受负载变化的影响。 3 动力端液压缸 一变量泵系统流量匹配方案 根据以上液压动力端的工作原理，给出隔膜泵动 力端全局流量匹配的实现方案。如图4所示，当设定 好隔膜泵的流量后，3个凸轮机构绕固定轴匀速旋 转，并由位置信号产生电位器产生相应的电压信号。 位置反馈电位器 3 、1 6 、2 9分别检测 3个电液比例换 向阀阀芯位移量，并将检测到的电位信号 “ 、IZ 、 第 5期 张洪生 等三缸单作用隔膜泵新型液压动力端研究 4 3 输入到计算机 ，由 ／ Z u 、u 计算出此时主阀阀 芯位移量 、 。由电液比例换向阀的节流特性 分析 可知，在比例方向阀中，与输人信号成比例的 是阀芯位移，比例方向阀阀口的输出流量由下式计算 QK i ,／ S p - 3 式中 Q为比例方向阀单个阀口的输出流量 m ／ s ； K为与比例方向阀节流孑 L 口形状、油液密度和油温相 关的系数，在一定 的介质 温度下， K可视 为常数； A i 为比例方 向阀单个控 制阀 口的通流面积 m ， 与控制信号的大小有关； A i W x 4 式中 为阀口的面积梯度； 为阀芯位移； A p为比 例方向阀单个阀口的压降。 由于动力端液压缸采用的3个电液比例换向阀的 规格相同，所以在任意时刻通过 3个比例方向阀阀口 的流量之和可用下式表示 Q Q AQ BQ cK W A B c ／ A p 5 式中 Q 为3个比例方向阀阀口的流量之和； Q 为 A 缸比例方向阀单个阀13的输出流量 m ／ s ； Q 为 B 缸比例方向阀单个阀13的输出流量 m ／ s ； Q 为 c 缸比例方向阀单个阀口的输出流量 m ／ s 。 当不考虑系统的流量泄漏时，电液比例节流阀流 量 即变量泵流量与比例换 向阀流量之间的匹配 方程为 Q Q 6 Q 1 K l W 1 1 ,／ a p 1 7 式中 Q 为电液比例节流阀流量； K 为与电液比例方 向阀节流孔 口形状 、油液密度和油温相关 的系数 ，在 一 定的介质温度下 ， 可视为常数； 为电液比例节 流阀阀芯位移； △ p 。 为电液比例节流阀阀13压降。 因此，通过调节 ，使 Q 始终近似满足式 6 ， 就实现 了变量泵流量与动力端液压缸流量的匹配 。 4结论 在深入研究 当前隔膜泵动力端运动规律的基础 上，设计一种新的运动规律 ，并对其实现方式进行了 分析，确定了按位置 一时间进行动力端控制的方案。 作者还对动力端液压缸和变量泵系统的工作原理分别 进行了研究，进而从全局角度出发提出了隔膜泵动力 端全局 流量 匹配 的原理和方法 。 作者设计的新型液压动力端具有流量脉动小 、结 构简 单 、节 能、一 次 性 制造 成 本 低 、 占地 面 积小 、 力 一 惯性比大等优点，具有很强的市场竞争力。但从 目前液压技术的发展和系统的工作原理来看，新型液 压动力端的设计仍然存在以下缺点 1 液压缸本 身的密封、泄漏等问题一直困扰着设计人员和用户， 有待进一步解决 ； 2 隔膜泵动力端液压缸系统采 用了按位置控制的方案，要得到液压缸的运行速度需 进行微分运算，但微分运算会带来 “ 噪声”问题 。 参考文献 【 1 】 解海． D P 1 0 0 - 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