一种节能型低温气动增压泵的结构设计.pdf

2 0 1 3年 4月 第4 1卷 第7期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 3 Vo 1 ． 4 1 No ． 7 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 7 ． 0 3 2 一 种节能型低温气动增压泵的结构设计 王海涛 ，孙长乐，关广丰，熊伟 大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院，辽宁大连 1 1 6 0 2 6 摘要气动增压泵是一种常用的高压增压装置。为满足节能和低温环境两方面需求 ，提出一种单行程供气增压泵，使 压缩行程供给驱动气体，而吸气行程切断驱动气体。给出增压泵换向阀、高压活塞、进排气单向阀等关键部件的设计，使 之能够达到省气节能和低温密封的要求。并针对样机进行节能和低温实验 ，结果表明新增压泵可以省气3 0 ％。 关键词气动增压泵；节能 ；低温；结构设计 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 71 1 2 4 S t r uc t u r e De s i g n o f a Ty p e o f En e r g y s a v i ng a n d Lo w Te mp e r a t u r e Ga s Bo o s t e r WANG Ha i t a o ，S UN C h a n g l e ，GUA N Gu a n g f e n g，XI ONG We i C o l l e g e o f T r a n s p o r t a t i o n E q u i p m e n t s a n d O c e a n E n g i n e e r i n g ，D a l i a n Ma ri t i m e U n i v e r s i t y ， D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 6．C h i n a Ab s t r a c t Ga s b o o s t e r i s a t y p e o f c o mmo n u s e d h i g h - p r e s s u r e e q u i p me n t ． I n o r d e r t o me e t t h e n e e d s o f e n e r g y s a v i n g a n d l o w t e mp e r a t u r e ，a t y p e o f s i n g l e s t r o k e a i r s u p p l y b o o s t e r w a s p u t f o r w a r d，wh i c h c o u l d s u p p l y d ri v i n g g a s i n c o mp r e s s e d s t r o k e and c u t o ff d ri v i n g g a s i n s u c k s t r o k e ． T h e s t r u c t u r e d e s i g n o f d i r e c t i o n v a l v e ， h i 【g h p r e s s u r e p i s t o n， c h a r g e an d d i s c h arg e c h e c k v alv e we r e g i v e n，w h i c h c o u l d me e t t h e n e e d s o f e n e r gy s a v i n g a n d g o o d s e a l u n d e r l o w t e mp e r a t u r e ． E x p e r i me n t s o f e n e r gy s a v i n g a n d l o w t e m p e r a t u r e w e r e d o n e wi t h t h e s a mp l e o f t h e n e w b o o s t e r ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e n e w b oo s t e r c a n s a v e g a s 3 0 ％ ． Ke y wo r d s G a s b o o s t e r ； E n e r gy s a v i n g ； L o w t e mp e r a t u r e；S t r u c t u r e d e s i g n 工程实际中，有很多利用高压气体的领域，其 压力从十几兆帕到几百兆帕。通常利用气动增压泵 使低压气体增压到所需要的压力。气动增压泵无需 电源，利用压缩空气作为动力源，可以得到高达几 百兆帕的压力。它体积小，安全防爆 ，输 出压力和 流量可以无级调节 ，可压缩氮气、氢气、氧气 、二 氧化碳等多种气体 ，广泛用于各种需要高压气体的 场合。如 气体灌注，昂贵气体的残气 回收，汽车 生产中发动机整机 、冷却器的气密性测试 ，液压蓄 能器 的气囊 充气 ，塑料 工业 中的气 辅成 型 等 。 目 前 ，欧 美等发达 国家有 多家公 司 生产 气动 增 压泵产 品 ，但 是现有气 动增压 泵在 压缩 行程 和 吸气行 程都 提供驱动气体 ，并在做完功后将驱动气体全部排到 大气中，导致增压泵耗气量过大，极大地浪费了能 源 ，增加 了经济成本。另外 ，在我 国高纬度地 区， 室外最低温度可达 一 4 0℃，对于一般的密封件，低 温下其 分子运 动被 冻结 ，发生 硬化 失去 弹性 ，会 导 致密封失效 ，增压泵不能增压 ，当前市场产品尚不 能满足低温使用环境的要求。针对节能和低温的要 求 ，作者在现有增压泵产品的基础上设计 了能够减 少增压泵驱动气体消耗的气控换 向阀；同时，设计 了耐低温耐高压的密封结构。 1 气动增压泵工作原理 气动增压泵是 基于帕斯 卡原理进行工作 的，市场 上常见产 品的结构如图 1 所示 。 2 7 8 6 l 6 l 2 1 5 9 1 4 l 一 气控 换 向 阀 2 一 左先 导 阀 3 一 右先 导 阀 4 -- 驱动 腔 5 ---排气 腔 6 _ - 驱动 气缸 7 一 驱动 活塞 8 一 活塞 连杆 9 - - 增压 气缸 1 0 - - 增 压 活塞 l l 一 冷 却缸 套 1 2 --增压气缸端盖 1 3 - - - 进 气 单 向阀 l 4 _ 排气 单 向阀 1 5 _ - 排气消音器 1 6 _ _ 轴承呼吸器 一 进 气 压力 p B 一 排 气压 力 P ． 一驱动压力 图 1 气动增压泵结构原理图 其工作过程为接通驱动气源 P 。 ． 时，换 向阀 1 位于左位，驱动气体经换 向阀 P口和 A口进入驱动 无杆腔，推动驱动活塞 7进行压缩行程。在此行程 中，驱动有杆腔内气体经换 向阀 1的 B口和 R口排 到冷却缸套 1 1中，增压缸体 9内气体在高压活塞 1 2 的压缩下经排气单 向阀 1 4排出。当运动到压缩行程 收稿日期 2 0 1 2 0 2 0 5 作者简介王海涛 1 9 7 3 一 ，男，博士，副教授 ，主要研究方向为气压传动与控制。Em a i l w h t 8 1 0 v i p ． s i n a ． c o m。 第 7期 王海涛 等一种节能型低温气动增压泵的结构设计 1 1 3 末端时，驱动活塞 7 触碰到右先导阀3 ，使换向阀大 面积先导端通气，换向阀1换向至右位。驱动气体经 换 向 阀的 P口和 B口进 入驱 动有 杆腔 ，活塞 组 件 向 左运动，开始吸气行程。低压气体经进气单 向阀 1 3 进入增压腔 9内。在吸气行程中，驱动无杆腔内气体 经换 向阀的 A 口和 R口排 到冷却 缸套 1 1 ，最后 经消 音 器 1 5排放 到大气 。当活塞运 行到吸气行程末端 时 ， 驱动活塞触碰到左先导 阀 2 ，换 向阀 1大面积 先导端 气体被泄放，换向阀再次切换至左位 ，实现增压泵的 连续往复工作。 2 单行程供气节能方案设计 由前面气体增压泵工作过程的分析可知，气体增 压泵在压缩行程和吸气行程都供给驱动气体，但是在 压缩行程做功，而在吸气行程无负载、不做功。另一 方面 ，被增压的气体在吸气行程进入增压腔后对增压 活塞具有一定的推力，故可在吸气行程不给气体增压 泵提供驱动气体，仅依靠 进气对增压活塞 的推力进 行吸气行程 。基于 此 ，在 现有增压泵 的基础上设计 新型阀芯，使驱动气体在 压缩行程进入驱动元 杆腔 进行压缩行程 ，而在吸气 行程将驱动气源切 断 ，仅 依靠增压端进气对增压活 塞 的 推 力 来 驱 动 吸 气 行 程 ，实 现 了单 行 程 供 气 ， 从而节省 了吸气行 程驱动 气体的消耗 ，如图2所示。 3 增压泵结构设计 图2 单行程供气节能 型增压泵 原理图 作者设计 的增压泵驱动气体为压缩空气 ，压力 0 ． 2～1 ． 0 M P a 。被增压气体为氮气，最高输出压力为 2 0 MP a 。使用环境温度为 一 4 0～ 6 0℃ 。 3 ． 1总体 结构 设计 增压泵的总体结构如图 3 所示 ，高压进排气单向 阀组件布置在高压缸头部的高压端盖内，高压端盖由 螺纹结构直接紧固在高压缸上。高压缸组件由高压缸 筒和冷却外套组成。低压缸排出的气体从高压缸和冷 却外套间的腔室流过，用来冷却高压缸筒。低压缸组 件主要 由前后缸盖、缸套、驱动活塞和起动密封作用 的0形圈组成，由 4个长螺杆连接而成。气控换向 阀安装在高压缸与低压缸之间的缸盖上 ，这样有利于 气路布置。高压活塞杆与低压活塞间采用螺母固定。 前后先导阀分别布置在前后缸盖上，两者结构基本相 同。 图3 气动增压泵总体结构 3 ． 2关键部件设计 1 气控换向阀 单行程供气节能主要集中在气控换向阀阀芯的设 计上 ，图4为单行程供气新型阀的结构图。 无杆 腔 有 杆腔 阀杆 阀芯中 间套 阀套 阀体 图 4 单行程供气节能方案换向阀结构 该阀主要由阀体、阀套、阀芯、中间套和阀杆及 相应的密封圈组成。阀体与有杆腔侧端盖为一体 ，开 有通 向两驱动腔 的通气孔 。阀芯为中空结 构 ，表面沿 圆周方 向开有 排气孔 ，中间套位于 阀芯 内部 ，连通无 杆腔与有杆腔。接通驱动气源后，气源一路进入阀芯 左端，推动阀芯位于右位 ，另一路驱动气体经过阀芯 外部的环形腔和 B孔进入无杆腔 ，进行压缩增压行 程，A孔被封闭，有杆腔内气体经 D孔和阀杆与中 间套之 间的环形空 间排 出 ；压缩行程末 ，右先导 阀被 触动 ，气源进入 阀芯 右侧 ，推动阀芯移动至左位 ，进 气孔被封闭，无杆腔 内气体经 A孔、中间套与阀芯 之间的环形腔 、c孔进入有杆腔，活塞在进气压力作 用下进行吸气行程。阀杆安装在阀芯上，随着阀芯一 起运动 ，可以接计数器对增压泵动作次数进行计数 ， 并能根据阀芯动作情况判断增压泵是否正常工作。为 了使阀芯运动更容易控制 ，应尽量减小阀芯的壁厚和 阀杆的直径 ，以便降低它们的运动质量。图5为此新 第 7期 王海涛 等一种节能型低温气动增压泵的结构设计 1 1 5 表 1 单行 程供 气节能补气试验 结果对 比 从 图 1 1可见 ，两 阀芯补 气试验 的进 排气 曲线 近 乎重合 ；从表 1可很明显看 出，使用改进 阀芯 ，省 气 率在 3 0 ％ 以上 。 5结 论 作者提出了一种节能低温气动增压泵的设计方 案，并对增压泵主要部件的设计方法做了较为详细的 描述；针对节能要求 ，设计了新的气控换向阀，此阀 具有单行程供气的特点，可以省气 3 0 ％ ；针对低温 密封，选择了特殊材料的密封件 ，并设计 了合理的密 封结构 ，使增压泵在 一 4 0 ℃ 的低温环境下仍有 良好 的 密封性能 。 参考文献 【 1 】王旭． 新型节能气体增压器的研究[ D ] ． 大连 大连海事 大学 ， 2 0 0 9 ． 【 2 】熊伟 ， 王海涛， 王旭． 气驱气体增压器静态特性研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 1 0 48 ． 【 3 】黄迷梅． 液压气动密封与泄漏防治[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 4 】车恒德． 浅谈车 氏密封 [ J ] ． 液压气 动与密封 ， 1 9 9 9 1 2 3 6 4 1 ． 【 5 】陈社会． C形滑环式组合密封及其应用 [ J ] ． 液压与气 动 ， 2 0 0 1 6 2 42 6 ． 【 6 】陈社会． 直 角滑环式组合密封的密封机理及其应用 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 0 1 2 3 8 4 0 ． 上接第 9 0页 ’ 削力逐渐减小 。对试 验结果 进行 一元 线性 回归 分析 ， 建立 F 一 的经验公式 Y I 72 6 F 3 4 7 ． 1 6 一 。 cc6 5 0 Fz _ 1 4 7 ． 2 6 X ／3 -0,08 3 在式 3 中， 的指数分别为 一 0 ． 3 4和 一 0 ． 0 8 ， 两个指数均为负值，说明主切削力随切削速度的上升 而下 降 ，相 比较而言 ，Y T 7 2 6主切削力随切 削速度变 化的趋势更明显一些。由于两指数的绝对值均不大， 仅从 切削力 的角 度考 虑 ，用 刀具 Y T 7 2 6和 C C 6 5 0干 式车削渗碳淬硬钢 2 0 C r Mn T i 时，可以进一步提高切 削速度，陶瓷刀具 C C 6 5 0提高的空间更大。 5结束语 从 图 2 4和公式 1 一 3 可知 在用硬 质 合金刀 具 Y I 7 2 6和 陶瓷 刀具 C C 6 5 0加工 渗碳 淬硬 钢 2 0 C r M n T时 ，切削深度对切削力 的影响最大 ，进 给量 次之 ，切削速度对切削力的影响最小，且随切削深度 和进 给量 的增 大 ，切 削力 也 随之 增 大 ，切 削 速 度提 高，切削力有微弱的下降趋势。因而为了减小加工过 程中的切削力 ，可以在保证刀具耐用度的前提下，适 当提高切 削速度 和进给量 。以上试验证 明 对于 加工渗碳淬硬钢和通用钢 ，切削用量对切削力的影响 规律是基本相 同的。 参考文献 【 1 】杨广勇， 王育民． 金属切削原理与刀具[ M] ． 北京 北京 理工大学出版社 ， 1 9 9 4 ． 【 2 】 王西彬 ， 赵伯彦． 陶瓷刀具干切削淬硬钢的研究[ J ] ． 工 具技术 ， 1 9 9 8 ， 3 2 2 1 1 1 4 ． 【 3 】王 晓光 ， 刘 佳， 王 西彬 ， 等． 干式 车削 渗碳 淬 硬 钢 2 0 C r Mn T i 的试验研究[ J ] ． 工具技术， 2 0 0 4 ， 3 8 5 1 4 1 6． 【 4 】 周泽华． 金属切削理论 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 2 ． 【 5 】 K U R T A b d u l l a h ， S E K E R U l v i ． T h e E f f e c t o f C h a m f e r A n g l e o f P o l y Cr y s t a l l i n e C u b i c B o r o n Ni t r i d e C u t t i n g T o o l o n t h e Cu t t i n g F o r c e s a n d the T oo 1 S t r e s s e s i n F i n i s h i n g Ha r d T u r n i n g o f A I S I 5 2 1 0 0 S t e e l [ J ] ． Ma t e r i al s a n d D e s i g n ， 2 0 0 5 ， 2 6 4 3 5 1 3 5 6 ． 【 6 】袁哲俊． 金属切削实验技术 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 8 ． 【 7 】 王宗才． 基于高速切削的淬硬钢加工技术研究[ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 7 2 3 2 6 ． 【 8 】 崔晓彬 ， 赵军， 周咏辉， 等． 陶瓷刀具断续车削淬硬钢失 效演变机理研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 5 1 3 ．