淺述SB手動(dòng)泵的設(shè)計(jì)

蔣金泉

（四川杰特機(jī)器有限公司， 四川 簡(jiǎn)陽(yáng) 641400）

手動(dòng)泵是靠人力操作，將手動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的一種小型液壓設(shè)備，它攜帶方便、性能穩(wěn)定、安全可靠，不需能源，在室內(nèi)外均可作業(yè)。手動(dòng)泵廣泛應(yīng)用在船舶工業(yè)、煤礦機(jī)械、石油、化工、冶金、建筑、電力、軍工、以及重型機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域。

SB手動(dòng)泵是特殊設(shè)計(jì)配套靜化器使用的產(chǎn)品，要求排量大，重量輕（1.5kg內(nèi)），攜帶方便，防腐性好，實(shí)用可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，它比一般手動(dòng)泵技術(shù)條件要求高，特別是整泵重量不超過(guò)1.5kg是設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，它的設(shè)計(jì)制造難點(diǎn)在于每個(gè)零件都要考濾它的強(qiáng)度和重量，并達(dá)到體積小，重量輕，外形美觀，使用可靠的效果，特別要適用于背負(fù)攜帶，野外作業(yè)，這就給設(shè)計(jì)和制造增加了一定的難度。

1 已有手動(dòng)泵現(xiàn)狀。國(guó)內(nèi)眾多廠家生產(chǎn)的手動(dòng)泵的用途、性能特點(diǎn)都差別不大，只是在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外觀造型上有所不同，泵閥的設(shè)計(jì)也不統(tǒng)一，有平板閥、錐閥、球閥等，各具產(chǎn)品特色。但與SB手動(dòng)泵相比較仍然存在體積大、偏重，不防腐，攜帶不便等缺點(diǎn)，達(dá)不到SB手動(dòng)泵技術(shù)條件。要滿足SB手動(dòng)泵的特殊使用性能，就只有全新設(shè)計(jì)。

2 SB手動(dòng)泵設(shè)計(jì)（見(jiàn)手動(dòng)泵結(jié)構(gòu)圖）

2.1 參數(shù)確定

根據(jù)靜化器阻力所需壓力，確定工作壓力P=0.5～0.8MPa，流量Q=80ml/次，最大施力T<180N。為了各參數(shù)匹配合理，滿足泵防腐、輕便的條件，由流量Q=πd2S/4確定柱塞直徑d和柱塞行程S，由最大施力T=πd2PL1/4（L1+L2）確定手柄長(zhǎng)度L，由此可確定各零件尺寸和泵的外形尺寸。

2.2 主要零件設(shè)計(jì)

（1）泵體設(shè)計(jì)：泵體是本產(chǎn)品中主要承受液壓的零件之一。由于它的形狀復(fù)雜、壁厚不均、內(nèi)有T型交孔、應(yīng)力集中大，因此，它的設(shè)計(jì)合理性對(duì)其壽命有很大影響。通常防腐產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一般情況下泵體都采用不銹鋼材料鍛造或銅材鑄造，但對(duì)于本產(chǎn)品就達(dá)不到重量指標(biāo)的要求。鑒于本產(chǎn)品的特殊性，經(jīng)過(guò)科學(xué)分析，在設(shè)計(jì)上選用比重比較輕的高強(qiáng)度鋁合金材料精密鑄造，在滿足泵體承受液壓力所需強(qiáng)度外設(shè)計(jì)盡量減薄壁厚，減小余隙容積，做到過(guò)流性能好，整體布局合理，外形美觀。這樣，泵體設(shè)計(jì)就滿足了既防腐又輕便的要求，比常態(tài)化設(shè)計(jì)減輕2/3以上重量。

泵體最小壁厚的確定，由壁厚公式：δ=PD/2[σ]-P mm 可得。

式中：δ-壁厚，mm； P- 泵體內(nèi)最大工作壓力，MPa；D-泵體內(nèi)徑，mm； [σ]-材料許用應(yīng)力，MPa。

（2）柱塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：柱塞設(shè)計(jì)的基本要求是①有足夠的剛度和強(qiáng)度；②表面光潔、硬度高，耐磨性好。本泵根據(jù)流量參數(shù)Q確定的柱塞直徑d較大，設(shè)計(jì)上選用不銹鋼材料在保證剛度和強(qiáng)度的條件下采用薄壁空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣可達(dá)到減輕柱塞重量的目的。在制造上提高表面硬度和粗造度，以此來(lái)提高柱塞密封壽命。

柱塞最小截面壓應(yīng)力校核 ：σy=Pmax/f ≤ [σy]MPa 。

式中：σy-最小截面壓應(yīng)力，MPa； Pmax-最大柱塞力，N；

f-最小截面面積，mm； [σy]-許用應(yīng)力，MPa。

（3）閥組設(shè)計(jì)：閥組是往復(fù)泵工作過(guò)程的直接組成件，也是往復(fù)泵中最重要的易損件之一。它的設(shè)計(jì)好壞直接影響泵的工作性能和使用壽命。閥組的種類和結(jié)構(gòu)型式繁多，有平板閥、錐形閥、環(huán)形閥、自重閥等。根據(jù)產(chǎn)品的用途，輸送介質(zhì)，使用條件和泵的結(jié)構(gòu)形式來(lái)選擇設(shè)計(jì)。本泵要求防腐性好、重量輕是設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，而泵的實(shí)際工作介質(zhì)條件又比較差，為了滿足靜化器所需的流量參數(shù) ，泵的容積效率也是重點(diǎn)研究的對(duì)象。因此，本泵閥組設(shè)計(jì)要掌握的原則是：①能及時(shí)啟、閉，減小回流損失；②密封可靠，減小或避免關(guān)閉后的漏損；③保證足夠的強(qiáng)度和剛度并控制重量；④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便、工藝性好；⑤工作平穩(wěn)可靠，壽命長(zhǎng)。

本泵在考濾上述因素后對(duì)進(jìn)水閥設(shè)計(jì)采用下導(dǎo)向錐形閥形式，并盡量減輕零件重量，它的設(shè)計(jì)雖然給工藝加工增加了難度，但比現(xiàn)有錐閥設(shè)計(jì)重量輕，工作可靠。其優(yōu)點(diǎn)有：進(jìn)水通道大，流道平滑，水力阻力小，過(guò)流能力強(qiáng)，余隙容積小，密封性能好等。在出水閥設(shè)計(jì)上主要重點(diǎn)考濾閥工作可靠，密封性能好，重量輕等因素。由于本泵使用環(huán)境惡劣，輸送水質(zhì)差，常伴有泥污，泵的出水通道也比進(jìn)水小很多，出水閥就不能按照進(jìn)水閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其重量指標(biāo)也不允許。如果按照現(xiàn)有泵閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工作中可能出現(xiàn)閥被泥污卡住而影響工作。為了克服各不利因素，本出水閥設(shè)計(jì)采用平板閥結(jié)構(gòu)，考濾到它的密封性能，在閥的端面設(shè)計(jì)嵌入O形密封圈作為密封面，這不僅提高了閥的密封性能，而且降低了零件加工難度，提高了閥的使用壽命。如在閥工作失效后，只須更換O形密封圈就能繼續(xù)工作，降低了本泵易損件成本。為了解決泥污水過(guò)流問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中利用泵體出水孔端面作為密封面，利用出口接頭內(nèi)孔作為閥工作導(dǎo)向孔（大間隙配合），既省略了閥座零件，也滿足泥污水過(guò)流問(wèn)題，這就大大簡(jiǎn)化了出水閥設(shè)計(jì)。 此閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，重量輕，工藝性好，密封可靠，成本低，壽命長(zhǎng)。

閥隙過(guò)流面積：f=πd0hsiaαmm2

式中：f-閥座孔當(dāng)量截面積，mm2；d0-閥座孔當(dāng)量直徑，mm；

h-閥板軸向升程， mm；α-錐形閥的錐角之半，rad。

閥隙流速：

V=Q/ fμ=Q/πd0hsiaαμX10-6， m/s

式中：V-閥隙流速，m/s ； Q-理論流量，m3/s；μ-閥隙流量系數(shù)，0.7～0.9。

（4）手柄設(shè)計(jì)：手柄雖然在往復(fù)泵中不屬于主要關(guān)鍵零件，但它在本泵中還是主要研究的對(duì)象，在本泵重量指標(biāo)參數(shù)中起到重要作用。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)最大柱塞力F=πd2P/4確定手柄最大施力T=FL1/L1+L2，然后確定手柄直徑并進(jìn)行強(qiáng)度校核，在滿足強(qiáng)度的條件下，盡量去掉多余的材料，達(dá)到最輕重量標(biāo)準(zhǔn)。本產(chǎn)品主要設(shè)計(jì)思路在野外工作，為了滿足背負(fù)攜帶方便的條件，手柄設(shè)計(jì)成折疊式，分為手柄桿和力臂桿，用銷軸和滑套聯(lián)接，工作時(shí)手柄桿與力臂桿成一直線時(shí)滑動(dòng)滑套固定成一整體，起到快速聯(lián)接；工作后松下滑套脫離手柄桿與力臂桿聯(lián)接處就可快速折疊，方便背負(fù)攜帶和存放。

結(jié)語(yǔ)

本手動(dòng)泵組裝后與現(xiàn)有手動(dòng)泵比較，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)精練，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)化了零件組合，減少了泵的零件組成，打破了現(xiàn)有產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。在主關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)上不受傳統(tǒng)影響，大膽創(chuàng)新。從零件材料的選擇到設(shè)計(jì)加工，都科學(xué)論證，精工制造，最終產(chǎn)品達(dá)到了體積小、重量輕、攜帶方便、外形美觀。經(jīng)室內(nèi)和野外分別試驗(yàn)，產(chǎn)品都達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具備了泵性能可靠，輸送水源不受泥污影響，而且泵容積效率高，滿足靜化器使用要求。整個(gè)泵選用防腐材料制造，并且重量在1.4kg左右，最大施力T<120N，產(chǎn)品達(dá)到了防腐性好、操作輕便，重量輕等技術(shù)條件指標(biāo)。本手動(dòng)泵設(shè)計(jì)是成功的。

結(jié)語(yǔ)

SB手動(dòng)泵是特殊用途下開發(fā)的全新產(chǎn)品，它反應(yīng)了手動(dòng)泵在不斷發(fā)展進(jìn)步和應(yīng)用范圍的不斷拓展。

[1]往復(fù)泵設(shè)計(jì)編寫組，往復(fù)泵設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2]高壓水射流技術(shù)與工程[M].合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[3]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].石油化工工業(yè)出版社，1978.