張洪生，繳文會(huì)，張宏利，崔繼強(qiáng)

(1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730050;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

隔膜泵作為一種先進(jìn)的料漿輸送設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于石油、電力、冶金等行業(yè)。由于采用了橡膠隔膜將輸送介質(zhì)與驅(qū)動(dòng)介質(zhì)隔開(kāi)，不僅使輸送介質(zhì)無(wú)外泄，而且使輸送的顆粒性介質(zhì)與泵、活塞等零部件不接觸，免除了固體顆粒對(duì)泵造成的嚴(yán)重磨損。因而它在提高泵的環(huán)保節(jié)能指標(biāo)的同時(shí)，也延長(zhǎng)了泵的壽命，使泵的性能穩(wěn)定性及可靠性都得到很大提高[1]。然而，現(xiàn)有隔膜泵動(dòng)力端的驅(qū)動(dòng)形式大多是傳統(tǒng)的機(jī)械式曲柄連桿機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致料漿的瞬時(shí)流量和壓力按正弦曲線(xiàn)波動(dòng)，脈動(dòng)量大，因而無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)的要求[2]。

作者在研究現(xiàn)有隔膜泵動(dòng)力端運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的液壓動(dòng)力端;進(jìn)而從全局角度出發(fā)，研究了液壓缸系統(tǒng)與變量泵系統(tǒng)之間流量匹配和協(xié)調(diào)控制的原理和方法，并給出了實(shí)現(xiàn)方案。文中所提出的新型動(dòng)力端的設(shè)計(jì)方法，可以有效克服傳統(tǒng)動(dòng)力端的固有缺陷，具有重要的理論研究和實(shí)用價(jià)值。

1 新型液壓動(dòng)力端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1.1 傳統(tǒng)動(dòng)力端結(jié)構(gòu)及工作規(guī)律

傳統(tǒng)隔膜泵動(dòng)力端為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其原理示意圖如圖1所示[3]。它是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)偏心輪機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，引起連桿的擺動(dòng)和活塞的往復(fù)移動(dòng)，并借助推進(jìn)液系統(tǒng)帶動(dòng)隔膜凹凸運(yùn)動(dòng)，完成料漿的吸入和排出。隔膜工作位置的控制由進(jìn)排放油管、隔膜位置探桿和探頭來(lái)完成。三缸單作用泵的曲柄互成120°相位角，主軸旋轉(zhuǎn)一周，輸送液體3次，所以排量曲線(xiàn)有3條正弦曲線(xiàn)，泵的瞬時(shí)排量是各條排量曲線(xiàn)在相同時(shí)刻縱坐標(biāo)長(zhǎng)度之和，如圖2所示[4]。經(jīng)相加可以看出傳統(tǒng)三缸單作用隔膜泵的排量必然存在一定的流量不均勻度，隔膜泵運(yùn)行過(guò)程中也存在著一定的流量脈動(dòng)。

圖1 傳統(tǒng)隔膜泵原理圖

圖2 傳統(tǒng)三缸單作用隔膜泵排量時(shí)序圖

1.2 新型液壓動(dòng)力端運(yùn)動(dòng)規(guī)律

在分析現(xiàn)有隔膜泵工作原理及動(dòng)力端工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，改變動(dòng)力端液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3所示。圖中曲線(xiàn)A、B、C分別代表動(dòng)力端3個(gè)液壓缸隨時(shí)間變化的速度曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)T為液壓缸完成一個(gè)沖程運(yùn)動(dòng)的周期，縱坐標(biāo)v為液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度。這樣在1個(gè)沖程周期內(nèi)，就單個(gè)缸而言，活塞的運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)階段:勻加速運(yùn)動(dòng)→勻速運(yùn)動(dòng)→勻減速運(yùn)動(dòng)。為滿(mǎn)足系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的條件必須使:

(1)單個(gè)缸勻加速運(yùn)動(dòng)的末速度等于勻速運(yùn)動(dòng)的速度;

(2)單個(gè)缸勻加速運(yùn)動(dòng)的初速度等于勻減速運(yùn)動(dòng)的末速度等于0;

(3)單個(gè)缸勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度值等于勻減速運(yùn)動(dòng)的加速度值，但符號(hào)相反;

(4)3個(gè)缸的運(yùn)動(dòng)周期和幅值相同，但依次相差120°的相位角。

通過(guò)對(duì)任意時(shí)刻3個(gè)缸料漿排出量和吸入量的疊加，不難看出3條曲線(xiàn)疊加后變成直線(xiàn)，吸入量與排出量相等，隔膜泵流量均勻。

圖3 新型液壓動(dòng)力端排量時(shí)序圖

1.3 新型液壓動(dòng)力端運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)現(xiàn)方式

由圖3可知，隔膜泵的任何一個(gè)流量值都會(huì)對(duì)應(yīng)著一條速度曲線(xiàn)和相應(yīng)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。在曲線(xiàn)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)過(guò)程中，可以直接利用液壓缸的勻速運(yùn)行速度和液壓缸行程之間的關(guān)系[5]，計(jì)算出某一時(shí)刻液壓缸的運(yùn)行速度，然后按定時(shí)時(shí)間間隔的方式存儲(chǔ)這一曲線(xiàn)。但這種直接利用存儲(chǔ)速度曲線(xiàn)來(lái)控制液壓缸運(yùn)行速度的方法，存在以下問(wèn)題:

(1)動(dòng)力端液壓缸為直動(dòng)式速度控制系統(tǒng)，必須增加位置對(duì)中控制系統(tǒng)，以防止撞缸現(xiàn)象的發(fā)生，這將增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

(2)隔膜泵在運(yùn)行過(guò)程中，要改變隔膜泵的流量，必須對(duì)3個(gè)液壓缸進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)還要對(duì)存儲(chǔ)的速度曲線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，這對(duì)生產(chǎn)的正常進(jìn)行也造成了一定的影響。

因此，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為了在正常生產(chǎn)過(guò)程中能夠改變隔膜泵的流量，可以對(duì)圖3中的速度曲線(xiàn)進(jìn)行積分運(yùn)算得到一條位移－時(shí)間曲線(xiàn)，然后，利用這一位移－時(shí)間曲線(xiàn)設(shè)計(jì)出一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生液壓缸運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)。

2 新型液壓動(dòng)力端的工作原理

新型液壓動(dòng)力端系統(tǒng)分為兩大部分:動(dòng)力端液壓缸系統(tǒng)和變量泵系統(tǒng)。其具體的結(jié)構(gòu)如圖4所示，油源為變量液壓泵，可同時(shí)向液壓缸8、21、34 供油，供油壓力由系統(tǒng)的負(fù)載壓力決定。元件1、14、27是根據(jù)圖3積分運(yùn)算得出的位移－時(shí)間曲線(xiàn)設(shè)計(jì)的3個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)，固定在同一個(gè)軸上，并依次相差120°的相位角。

圖4 新型液壓隔膜泵原理圖

系統(tǒng)工作時(shí)凸輪軸在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下以一定的速度勻速旋轉(zhuǎn)，引起與凸輪相連的位置信號(hào)產(chǎn)生電位器2、15、28 電壓信號(hào)u1、u2、u3的變化。液壓缸位置控制信號(hào)u1、u2、u3和位置反饋電位器9、22、35的反饋信號(hào)作差產(chǎn)生3個(gè)偏差信號(hào)e1(t)、e2(t)、e3(t)，并以此作為控制器的輸入?？刂破鞯妮敵鲂盘?hào)，經(jīng)放大器4、17、30的比例放大、電壓電流轉(zhuǎn)換后，推動(dòng)電液比例換向閥6、19、32的閥芯發(fā)生位移，并產(chǎn)生液壓缸所需的液壓流量。二通壓力補(bǔ)償器5、18、31 用于穩(wěn)定電液比例換向閥進(jìn)、出油口兩端的壓差，確保閥流量只與閥口開(kāi)度有關(guān)。位置反饋電位器3、16、29形成電液比例換向閥閥芯位移的內(nèi)反饋，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。隔膜泵動(dòng)力端變量泵系統(tǒng)采用壓差檢測(cè)反饋型電液比例流量控制泵。在文獻(xiàn)[6]中詳細(xì)介紹了這種泵的結(jié)構(gòu)和工作原理。如圖4所示，變量泵40輸出的流量由電液比例節(jié)流閥42 調(diào)節(jié)控制，電液比例節(jié)流閥的開(kāi)口量與輸入電流成正比。節(jié)流閥進(jìn)、出口的壓力分別作用于調(diào)節(jié)控制閥44的兩端。調(diào)節(jié)控制閥是一種特殊的定差溢流閥，主要起到兩個(gè)作用:一方面保持比例節(jié)流閥兩端的壓差基本不變;另一方面產(chǎn)生調(diào)節(jié)壓力，調(diào)節(jié)變量泵的變量機(jī)構(gòu)自動(dòng)適應(yīng)比例節(jié)流閥的調(diào)節(jié)流量。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)，控制閥44處于平衡狀態(tài)，其閥芯上的力平衡方程為[6]:

式中:p為泵的出口壓力;pL為節(jié)流閥42 出口的負(fù)載壓力;AR為控制閥44 兩端作用面積;ka2為控制閥44的調(diào)節(jié)彈簧剛度;y0為控制閥44的彈簧預(yù)壓縮量;y為控制閥44的閥芯位移量。

由式(1)可以看出，當(dāng)控制閥44 平衡時(shí):

故在控制閥44 右端彈簧預(yù)壓縮量調(diào)定的情況下，(p－pL)基本為一定值。即節(jié)流閥的進(jìn)出口壓差基本恒定，不受負(fù)載壓力變化的影響。當(dāng)節(jié)流閥的輸入電流設(shè)定時(shí)，這種泵的輸出流量只與比例節(jié)流閥的輸入電流成正比，并且不受負(fù)載變化的影響。

3 動(dòng)力端液壓缸－變量泵系統(tǒng)流量匹配方案

根據(jù)以上液壓動(dòng)力端的工作原理，給出隔膜泵動(dòng)力端全局流量匹配的實(shí)現(xiàn)方案。如圖4所示，當(dāng)設(shè)定好隔膜泵的流量后，3個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)繞固定軸勻速旋轉(zhuǎn)，并由位置信號(hào)產(chǎn)生電位器產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信號(hào)。位置反饋電位器3、16、29分別檢測(cè)3個(gè)電液比例換向閥閥芯位移量，并將檢測(cè)到的電位信號(hào)uA、uB、uC輸入到計(jì)算機(jī)，由uA、uB、uC計(jì)算出此時(shí)主閥閥芯位移量xA、xB、xC。由電液比例換向閥的節(jié)流特性分析[7]可知，在比例方向閥中，與輸入信號(hào)成比例的是閥芯位移，比例方向閥閥口的輸出流量由下式計(jì)算:

式中:Q為比例方向閥單個(gè)閥口的輸出流量(m3/s);K為與比例方向閥節(jié)流孔口形狀、油液密度和油溫相關(guān)的系數(shù)，在一定的介質(zhì)溫度下，K可視為常數(shù);A(i)為比例方向閥單個(gè)控制閥口的通流面積(m2)，與控制信號(hào)的大小有關(guān);

式中:W為閥口的面積梯度;xv為閥芯位移;Δp為比例方向閥單個(gè)閥口的壓降。

由于動(dòng)力端液壓缸采用的3個(gè)電液比例換向閥的規(guī)格相同，所以在任意時(shí)刻通過(guò)3個(gè)比例方向閥閥口的流量之和可用下式表示:

式中:Q'為3個(gè)比例方向閥閥口的流量之和;QA為A缸比例方向閥單個(gè)閥口的輸出流量(m3/s);QB為B缸比例方向閥單個(gè)閥口的輸出流量(m3/s);QC為C缸比例方向閥單個(gè)閥口的輸出流量(m3/s)。

當(dāng)不考慮系統(tǒng)的流量泄漏時(shí)，電液比例節(jié)流閥流量(即變量泵流量)與比例換向閥流量之間的匹配方程為:

式中:Q1為電液比例節(jié)流閥流量;K1為與電液比例方向閥節(jié)流孔口形狀、油液密度和油溫相關(guān)的系數(shù)，在一定的介質(zhì)溫度下，K1可視為常數(shù);x1為電液比例節(jié)流閥閥芯位移;Δp1為電液比例節(jié)流閥閥口壓降。

因此，通過(guò)調(diào)節(jié)x1，使Q1始終近似滿(mǎn)足式(6)，就實(shí)現(xiàn)了變量泵流量與動(dòng)力端液壓缸流量的匹配。

4 結(jié)論

在深入研究當(dāng)前隔膜泵動(dòng)力端運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種新的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了分析，確定了按位置－時(shí)間進(jìn)行動(dòng)力端控制的方案。作者還對(duì)動(dòng)力端液壓缸和變量泵系統(tǒng)的工作原理分別進(jìn)行了研究，進(jìn)而從全局角度出發(fā)提出了隔膜泵動(dòng)力端全局流量匹配的原理和方法。

作者設(shè)計(jì)的新型液壓動(dòng)力端具有流量脈動(dòng)小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能、一次性制造成本低、占地面積小、力－慣性比大等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但從目前液壓技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)的工作原理來(lái)看，新型液壓動(dòng)力端的設(shè)計(jì)仍然存在以下缺點(diǎn):(1)液壓缸本身的密封、泄漏等問(wèn)題一直困擾著設(shè)計(jì)人員和用戶(hù)，有待進(jìn)一步解決[8];(2)隔膜泵動(dòng)力端液壓缸系統(tǒng)采用了按位置控制的方案，要得到液壓缸的運(yùn)行速度需進(jìn)行微分運(yùn)算，但微分運(yùn)算會(huì)帶來(lái)“噪聲”問(wèn)題[9]。

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【2】張洪生，李向榮，谷敏永，等.DP160-4型液壓驅(qū)動(dòng)隔膜泵方案設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2010，38(6):46－47.

【3】凌學(xué)勤.往復(fù)式活塞隔膜泵[J].礦山機(jī)械，2002(11):25－27.

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