張馳 周平運(yùn)

摘 要：針對(duì)柱塞泵在應(yīng)用過程中流體運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定的問題，設(shè)計(jì)一種新型穩(wěn)流柱塞泵閥芯結(jié)構(gòu)。四缸四沖程式柱塞泵由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力帶動(dòng)偏心輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給水加壓。選用石墨/ZTA陶瓷基復(fù)合材料作為缸體材料來解決水環(huán)境下柱塞泵易磨損問題。針對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型以及工作原理進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：柱塞泵;四沖程;偏心輪;旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào)：TH322 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.04.010

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于農(nóng)田灌溉設(shè)備的研究與使用也越來越多。水壓泵作為農(nóng)田灌溉的重要設(shè)備，人們對(duì)水壓泵的生產(chǎn)與研發(fā)也日益增多[1]。相較于油壓泵所使用的液壓油具有更加穩(wěn)定的理化性質(zhì)，水介質(zhì)對(duì)于水壓泵的材料理化性能以及強(qiáng)度要求更高。王慧等[2]采用理論分析的方法研究了滑靴副紊流下水膜靜壓支承特性，發(fā)現(xiàn)不同介質(zhì)下滑靴的靜壓支承特性并不相同，僅考慮水膜的支承剛度，壓降系數(shù)應(yīng)取0.7715，而不是傳統(tǒng)值2/3。劉永鐸等[3]利用計(jì)算機(jī)建模對(duì)偏置式徑向柱塞馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)馬達(dá)滑靴滑移性能較好，啟動(dòng)和制動(dòng)迅速，能正反轉(zhuǎn)切換，輸出扭矩大，在低速、重載下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)行平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和沖擊，而且加工和維修難度較低。

本文針對(duì)柱塞泵，從結(jié)構(gòu)上對(duì)柱塞泵閥芯進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用四缸四沖程結(jié)構(gòu)，利用偏心輪機(jī)構(gòu)同時(shí)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1 四缸四沖程式柱塞泵傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

四缸四沖程式柱塞泵主要借鑒了汽車的四沖程式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸機(jī)構(gòu)[4-7]，曲軸機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。四個(gè)偏心輪機(jī)構(gòu)沿軸向排列，相鄰偏心軸在異面圓周方向的夾角相差90°（如圖1）。在同一時(shí)間，各個(gè)沖程相鄰兩兩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相反，保證在每個(gè)時(shí)刻泵的吸水量等于排水量，水流源源不斷的從入水口進(jìn)入，從排水口排出。從而使各時(shí)刻排水量與吸水量基本相同，達(dá)到穩(wěn)定水流的目的。

通過理論推導(dǎo)計(jì)算，得到了柱塞的位移、速度、加速度的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程可以求出柱塞在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。經(jīng)分析可知，在相同的幾何參數(shù)和運(yùn)動(dòng)條件下，對(duì)稱曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的速度和加速度最大值比偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的相應(yīng)值大，并且隨著偏置量e的增大，偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的速度和加速度最大值將進(jìn)一步減小。表明馬達(dá)的活塞缸偏置和增大偏置量e對(duì)改善徑向柱塞的運(yùn)動(dòng)性能是有利的。

1.3 缸體材料的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中缸體是一個(gè)非常特殊的元件，在高速運(yùn)動(dòng)的環(huán)境下，缸體在摩擦磨損和水侵蝕的雙重作用下使用壽命會(huì)大大降低，極大地增加了修理成本和泵體的穩(wěn)定使用性能。本設(shè)計(jì)考慮到陶瓷基符合材料性能的穩(wěn)定性，選用石墨/ZTA陶瓷基復(fù)合材料，石墨含量為10%，該材料的摩擦系數(shù)為0.38，強(qiáng)度極限σb=480 MPa。缸體的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3。

1.4 整流器的設(shè)計(jì)

由于四缸四沖程式柱塞泵有四個(gè)閥口進(jìn)行排水，4個(gè)閥口進(jìn)行吸水，如果只采用管道與閥口進(jìn)行配合，會(huì)導(dǎo)致管線雜亂無章，影響柱塞泵在實(shí)際生產(chǎn)中的使用。基于以上考慮，設(shè)計(jì)一個(gè)能與泵體直接配合的整流器，讓4個(gè)不同的吸水閥口匯聚到一條管路，四個(gè)不同的排水閥口匯聚到另一條管路，整流器與8個(gè)閥口直接配合，整流器下端與整流器底面中線處開8個(gè)圓孔洞，與安裝在缸體上的單向閥配合。利用如圖4所示的管路，將各個(gè)閥口連接起來，最后將所有管路與外表面聯(lián)通。

2 工作原理

四缸四沖程式柱塞泵的設(shè)計(jì)主要借鑒了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)理念，利用四個(gè)活塞交替往復(fù)運(yùn)動(dòng)來為水提供液壓動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩傳遞給曲軸，曲軸帶動(dòng)偏心軸做圓周運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通過連接在偏心輪上的連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在排水過程中，連桿在偏心軸帶動(dòng)下推動(dòng)柱塞在缸體內(nèi)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，使缸體內(nèi)的水不斷在柱塞推力作用下從缸體上的單向閥口推出缸體，從而實(shí)現(xiàn)為水加壓的效果。在吸水過程中，連桿在偏心軸帶動(dòng)下拉動(dòng)柱塞向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，水從對(duì)應(yīng)流向的單向閥內(nèi)被吸入，之后在缸體內(nèi)完成加壓過程（如圖5）。

四個(gè)柱塞在同一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)兩兩相反，兩個(gè)處于吸水狀態(tài)兩個(gè)處于排水狀態(tài)，以保證在同一時(shí)刻進(jìn)水量與出水量的統(tǒng)一。從而實(shí)現(xiàn)在每個(gè)時(shí)間段泵都在吸水和排水，而且吸水排水的量基本相同，從而更好地為液壓系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力。由于吸水和排水的量基本相同，四沖程式柱塞泵的水流更加穩(wěn)定，機(jī)體的振動(dòng)也比較小，整個(gè)機(jī)器的運(yùn)行也更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）通過偏心輪機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而利用柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)給水加壓。通過采用將偏心輪機(jī)構(gòu)中偏心軸放置的角度相差90°的形式，實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間進(jìn)水量與出水量相同的設(shè)計(jì)目的。

（2）通過將四沖程柱塞泵缸體材料改變?yōu)槭?ZTA陶瓷基復(fù)合材料，使四沖程柱塞泵具有自潤滑的功能，可以應(yīng)用到復(fù)雜水質(zhì)環(huán)境中，抗腐蝕效果好，解決金屬材料在海水中易生銹腐蝕磨損的問題，使用壽命增長，拆裝更為方便。

（3）通過設(shè)計(jì)整流裝置，使得四沖程式柱塞泵在安裝時(shí)只需要一進(jìn)一出兩個(gè)管，大大節(jié)省了所占空間，也使工人們?cè)诎惭b時(shí)更加方便。

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