雙作用往復(fù)泵的擾力分析

劉原勇，魏修亭

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

雙作用往復(fù)泵的擾力分析

劉原勇，魏修亭

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

針對(duì)雙作用往復(fù)泵的擾力計(jì)算問(wèn)題，利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，對(duì)雙作用往復(fù)泵的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了不同軸段的擾力計(jì)算方程，得到了總的擾力計(jì)算方法.通過(guò)實(shí)例計(jì)算仿真，得到了雙作用往復(fù)泵擾力的變化規(guī)律.仿真結(jié)果表明：雙作用往復(fù)泵具有自身的平衡，不會(huì)對(duì)基礎(chǔ)帶來(lái)擾力引起的振動(dòng)，不需要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行特別加固.

雙作用往復(fù)泵；擾力；計(jì)算仿真

往復(fù)泵是通過(guò)工作腔內(nèi)柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)改變工作腔的容積，從而將液體排出的一種流體機(jī)械，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在農(nóng)業(yè)、石油、礦山和建筑行業(yè)中均得到廣泛應(yīng)用.往復(fù)泵主要采用圓形配置，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)其運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了研究[1-4].往復(fù)泵中零部件運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的擾力會(huì)引起設(shè)備的振動(dòng)，影響設(shè)備的工作性能和使用壽命.對(duì)此，一些學(xué)者針對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了擾力分析，得到了相關(guān)計(jì)算方法[5-7].本文主要對(duì)雙作用往復(fù)泵的擾力進(jìn)行分析，得出擾力的計(jì)算方法.

1 主運(yùn)動(dòng)分析

雙作用柱塞泵的主運(yùn)動(dòng)采用雙柱塞對(duì)置結(jié)構(gòu)的曲柄雙滑塊機(jī)構(gòu)，每一曲柄連接兩個(gè)連桿和兩個(gè)柱塞(結(jié)構(gòu)尺寸相同)，其簡(jiǎn)圖如圖1所示.圖1中，曲柄做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，柱塞往復(fù)移動(dòng)，連桿的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng).為計(jì)算方便，根據(jù)質(zhì)量等效原理將連桿的質(zhì)量等效到曲柄和柱塞上.

圖1 主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

整個(gè)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的不平衡質(zhì)量ma為

(1)

往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量分為左、右兩部分，用mb1和mb2表示，且

(2)

(3)

式中：ml2，mr2為左、右連桿的質(zhì)量；ml3，mr3為左、右柱塞的質(zhì)量；m1為曲柄的質(zhì)量；l為連桿的長(zhǎng)度；lc為連桿的質(zhì)心到曲柄銷(xiāo)中心的距離.

2 擾力計(jì)算

雙作用柱塞泵采用圓形配置，原動(dòng)件為曲軸，每個(gè)偏心軸段作為曲柄，其軸線(xiàn)分布在半徑為r的圓周上，相鄰兩個(gè)軸段的夾角為q.故主運(yùn)動(dòng)的曲柄長(zhǎng)度為r，曲柄和柱塞運(yùn)動(dòng)方向的夾角為j+qi，i=0，1，2，3，…，n，n為曲柄的個(gè)數(shù).

2.1 每一軸段的擾力分析

若曲軸以等角速度w回轉(zhuǎn)，每一軸段主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的不平衡質(zhì)量和往復(fù)移動(dòng)的質(zhì)量均會(huì)產(chǎn)生慣性力，如圖2所示.

圖2 主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)慣性力

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生的慣性力為

Pai=mairω2

(4)

兩邊柱塞的加速度不同，通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析可知兩柱塞的加速度分別為:

(5)

(6)

所以，往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生的慣性力分別為：

Plbi=-mb1iali=-mb1irω2[cos(φ+θi)-

(7)

Prbi=-mb2iari=mb2irω2[cos(φ+θi)+

(8)

將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的不平衡質(zhì)量和往復(fù)移動(dòng)的質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力合成，在豎直方向上的力為

Pzi=mairω2sin(φ+θi)

(9)

水平方向上的力為

Pxi=mairω2cos(φ+θi)+

(10)

所以，一諧和二諧豎直擾力分別為：

Pz1i=mairω2sin(φ+θi)

(11)

Pz2i=0

(12)

一諧和二諧水平擾力分別為：

Px1i=mairω2cos(φ+θi)

(13)

(14)

2.2 曲軸上總的擾力計(jì)算

計(jì)算作用于整個(gè)曲軸上的擾力，需要將每個(gè)軸段的擾力合成.一、二諧豎直和水平擾力分別為：

3 實(shí)例分析

以9DW27016Ⅰ注水泵為例進(jìn)行擾力分析，其基本參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 9DW27016Ⅰ注水泵的基本參數(shù)

項(xiàng)目數(shù)值主軸轉(zhuǎn)速/r·min-1n=270柱塞布置方式18個(gè)柱塞對(duì)稱(chēng)布置相鄰兩曲柄夾角/(°)160曲柄質(zhì)量/kgm1=94．47柱塞質(zhì)量/kgm3=43．64曲柄長(zhǎng)度/mmr=90連桿長(zhǎng)度/mml=555連桿質(zhì)量/kgml2=62．8，mr2=72．51

利用上述公式可以計(jì)算出每一個(gè)曲柄在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的擾力變化情況.每一軸段上的擾力變化情況如圖3～圖5所示.

圖3 一諧豎直擾力變化曲線(xiàn)

圖4 一諧水平擾力變化曲線(xiàn)

圖5 二諧水平擾力變化曲線(xiàn)

從圖3～圖5可以看出，在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中，擾力是呈周期性變化的，各曲柄上的擾力相差160°，其作用點(diǎn)在各曲柄的中心位置.最大擾力Pz1max= 14 317N，Px1max= 23 508N，Px2max= 1 490N.

曲軸的擾力變化情況如圖6～圖8所示.從圖6～圖8可以看出，在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中，總擾力是呈周期性變化的，最大擾力均很小，可以忽略.

圖6 曲軸一諧豎直擾力變化曲線(xiàn)

圖7 曲軸一諧水平擾力變化曲線(xiàn)

圖8 曲軸二諧水平擾力變化曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)雙作用往復(fù)泵的擾力分析可知：雙作用往復(fù)泵曲軸的每個(gè)軸段的擾力都呈周期性變化；其曲軸的總擾力很小，可以忽略，所以雙作用往復(fù)泵具有自身的平衡，不會(huì)對(duì)基礎(chǔ)帶來(lái)擾力引起的振動(dòng).

[1]余祖耀，李壯云，聶松林，等.水液壓柱塞泵陶瓷柱塞的可靠性設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，20(4)：12-14.

[2]余祖耀，李壯云，楊曙東,等.水液壓柱塞泵靜壓支承設(shè)計(jì)方法的理論研究[J].機(jī)械工程師，2002(12)：27-29.

[3]余祖耀，李壯云，楊曙東，等. 水液壓柱塞泵滑靴球鉸副存在的問(wèn)題和改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 工 程 設(shè) 計(jì) 學(xué) 報(bào)，2002，9(3)：116-118.

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[5]吳鐵奎.三缸單作用往復(fù)式活塞泵擾力及擾力矩相位角的研究[J].科技咨詢(xún)，2012(14):114-115.

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(編輯：郝秀清)

Analysis of disturbing force of double-acting reciprocating pump

LIU Yuan-yong, WEI Xiu-ting

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China)

In order to analyze disturbing force calculation of double-acting reciprocating pump, kinematics and dynamics theory of mechanism were used, the main mechanism of double-acting reciprocating pump was analyzed, calculating equations of different shaft-sections were deduced, and the general calculating method was achieved. The disturbing force change law was achieved through computational simulation of examples. The result shows that double-acting reciprocating pump had its own equilibrium， it won’t bring vibration caused by disturbing force to foundation, and particular reinforcement of foundation wasn’t needed.

double-acting reciprocating pump； disturbing force；computational simulation

2015-01-15

劉原勇，男，liuyuanyong@sdut.edu.cn

1672-6197(2015)06-0043-03

TH

A