高效節(jié)能往復(fù)式蚌線結(jié)構(gòu)水泵的應(yīng)用

摘 要：本文主要介紹了蚌線運(yùn)動機(jī)構(gòu)在往復(fù)式水泵上的應(yīng)用，分析比較了蚌線運(yùn)動機(jī)構(gòu)與常規(guī)往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)水泵在機(jī)械效率、容積效率和水力效率上的不同，并結(jié)合水和高粘度流體介質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：水泵；蚌線結(jié)構(gòu)；節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.004

1 前言

節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境是我國的基本國策之一，是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式的必由之路，2016年我國一次能源消費(fèi)量為43.6億噸標(biāo)煤，我國每年能源消耗量占世界能源消耗量的20%多，而每消耗1噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能源僅創(chuàng)造14000元人民幣的GDP，單位GDP能耗是世界平均水平的2.5倍，美國的3.3倍，日本的7倍，同時(shí)高于巴西、墨西哥等發(fā)展中國家。因此節(jié)能減排是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃大綱的首要內(nèi)容，特別針對電力、鋼鐵、有色、造雪、石油化工、污水處置等高耗能行業(yè)提出了愈加嚴(yán)厲的控制措施。

“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了大力實(shí)施節(jié)能技術(shù)改造，運(yùn)用余熱余壓利用等技術(shù)形成節(jié)能能力3200萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤能力，工業(yè)水泵作為各行業(yè)流體運(yùn)送關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵、有色、造雪、石油化工、污水處置等行業(yè)，占據(jù)著耗能的首要位置，依據(jù)通用機(jī)械工業(yè)協(xié)會的計(jì)算，泵耗電量占我國總發(fā)電量的20%左右，優(yōu)化改進(jìn)工業(yè)水泵結(jié)構(gòu)類型，由旋轉(zhuǎn)離心泵升級成為高效率、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的往復(fù)泵，越來越得到逐步推廣，節(jié)能的水泵的推廣應(yīng)用一年可節(jié)約百萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這對緩解治理以火力發(fā)電為主的京津冀地區(qū)日益嚴(yán)重的霧霾有著不可估量的作用。

2 蚌線機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

工業(yè)高壓水泵領(lǐng)域驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般為多級離心泵和常規(guī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，多級離心泵效率一般在40～60%左右，由于效率低下長遠(yuǎn)來看屬于淘汰的技術(shù)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示，記曲柄OB的長度為r，連桿AB長度為1，曲柄繞固定點(diǎn)O以角速度旋轉(zhuǎn)，由連桿帶動的活塞在豎直平面內(nèi)作往復(fù)直線運(yùn)動。往復(fù)運(yùn)動就是研究活塞的運(yùn)動位移X、速度v和加速度與和時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系，這對水泵性能參數(shù)如效率、脈動有直接關(guān)聯(lián)。

蚌線無連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動如圖2所示，蚌線結(jié)構(gòu)把活塞和連桿功能集合成一個(gè)活塞體零件，新增一個(gè)質(zhì)量較輕的圓滑塊替代連桿，這樣活塞體零件做完全的直線運(yùn)動，沒有擺動，圓滑塊做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，O為曲軸中心，A和A'為活塞連桿體中心，B為曲柄與圓滑塊連接中心，B圍繞O點(diǎn)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，A點(diǎn)和A'點(diǎn)分別帶動活塞做豎直和水平直線運(yùn)動，B為AA'中點(diǎn)，AA'=2OB=2e（e為圓滑塊偏心距），蚌線活塞的運(yùn)動位移Xb、速度Vb和加速度與曲軸旋轉(zhuǎn)角度和時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系分別為：

3 蚌線機(jī)構(gòu)運(yùn)動特點(diǎn)及效率

從蚌線機(jī)構(gòu)與常規(guī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞位移、速度和加速度對比可以看出，蚌線機(jī)構(gòu)各特征參數(shù)均與轉(zhuǎn)速的二次項(xiàng)（即和）無關(guān)，從速度對比圖可以發(fā)現(xiàn)蚌線機(jī)構(gòu)比常規(guī)機(jī)構(gòu)的最大速度小3～4%，最大速度的降低可以降低摩擦功的損失，在上止點(diǎn)前后90°，蚌線機(jī)構(gòu)比常規(guī)機(jī)構(gòu)速度?。幌轮裹c(diǎn)前后90°，蚌線機(jī)構(gòu)比常規(guī)機(jī)構(gòu)速度大，這使得蚌線水泵在壓水時(shí)刻（180-360°曲軸轉(zhuǎn)角）水力效率比常規(guī)活塞連桿機(jī)構(gòu)水泵大（最大速度點(diǎn)大6～8%），對于粘性流體的吸入和排出慣性建立有益，水力摩阻系數(shù)相對小些，帶來的節(jié)能優(yōu)勢更明顯。

從蚌線機(jī)構(gòu)與曲柄連桿的運(yùn)動加速度曲線對比可以看出，兩種機(jī)構(gòu)同時(shí)在上止點(diǎn)達(dá)到最大值，蚌線機(jī)構(gòu)比常規(guī)機(jī)構(gòu)加速度在上止點(diǎn)變化小且均勻，在上止點(diǎn)， 蚌線機(jī)構(gòu)比常規(guī)機(jī)構(gòu)小25～30%，這樣有利于在出水時(shí)刻整個(gè)機(jī)構(gòu)的受力平衡，在下止點(diǎn)，蚌線機(jī)構(gòu)比常規(guī)機(jī)構(gòu)加速度大25～30%，由于此時(shí)刻為進(jìn)水時(shí)候，有利于提高進(jìn)水速度。蚌線機(jī)構(gòu)比常規(guī)機(jī)構(gòu)的加速度變化小且均勻，意味著水頭加速度更為柔和，對于泵閥的沖擊也更柔和，有利于泵進(jìn)、出閥可靠性的提高。

作為衡量水泵能量損失的指標(biāo)，效率主要由三部分組成容積效率、水力效率、機(jī)械效率。

3.1 容積效率

對于蚌線機(jī)構(gòu)水泵由于，經(jīng)過估算，對于蚌線往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)水泵比常規(guī)活塞連桿機(jī)構(gòu)容積損失率2少了1%。

3.2 水力效率

蚌線機(jī)構(gòu)比常規(guī)機(jī)構(gòu)的最大速度小2.9～4.1%，由于水力效率是速度二次方的關(guān)系，因此綜合考慮蚌線機(jī)構(gòu)水泵比常規(guī)機(jī)構(gòu)水泵整個(gè)水力效率提高1.5～3%。

3.3 機(jī)械效率

由于蚌線無連桿機(jī)構(gòu)摩擦副數(shù)量較少，活塞做直線往復(fù)運(yùn)動，沒有側(cè)向力，常規(guī)機(jī)中占機(jī)械摩擦最大的活塞和缸套摩擦功大大降低，根據(jù)相關(guān)蚌線機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)和空壓機(jī)研制的成功經(jīng)驗(yàn)，以及國外發(fā)動機(jī)和空壓機(jī)相關(guān)產(chǎn)品介紹，常規(guī)轉(zhuǎn)速內(nèi)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率一般為 0.78～0.92，而蚌線結(jié)構(gòu)的機(jī)械效率為 0.83～0.96。對于水泵蚌線機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率需要進(jìn)一步通過試驗(yàn)來驗(yàn)證。

綜上所述蚌線無連桿機(jī)構(gòu)水泵容積效率、水力效率、機(jī)械效率比常規(guī)蚌線機(jī)構(gòu)水泵均高，具體分布通過本課題試驗(yàn)結(jié)合公式驗(yàn)證。

3.4 水力脈動

工業(yè)上需要流體介質(zhì)的瞬時(shí)速度穩(wěn)定，因此對于多缸往復(fù)泵而言水力脈動因子（瞬時(shí)速度/平均速度）也是評價(jià)泵性能一個(gè)重要的參數(shù)，從圖5可以看出三缸直蚌線往復(fù)泵水力脈動無因次流動曲線為6個(gè)間隔均勻的正弦波，呈60度曲軸轉(zhuǎn)角重復(fù)，波峰波谷疊加，脈動幅度大幅降低，脈動無因次系數(shù)最大為1，最小為0.86，流量不均勻系數(shù)0.14，常規(guī)三缸的脈動無因次系數(shù)最大為1.03，最小為0.76，流量不均勻系數(shù)高達(dá)0.27，隨著缸數(shù)的最多，直蚌線往復(fù)泵的流量不均勻系數(shù)優(yōu)勢更加明顯，流量不均勻系數(shù)的降低對流體介質(zhì)出口壓力的穩(wěn)定，設(shè)備的振動損耗都有明顯幫助。

4 試驗(yàn)分析

根據(jù)直蚌線的原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了某六缸往復(fù)式水泵結(jié)構(gòu)原理如圖6所示，其中對于水泵，輸出流量和壓力基本相同的情況下，六缸直蚌線水泵比五缸曲柄連桿水泵效率提高近3.1%，每小時(shí)大約節(jié)電3kwh。而在輸送介質(zhì)為高粘度的苯胺（常溫粘度3.7×10-2Pa·s），效率提高近3.5%，進(jìn)一步驗(yàn)證了直蚌線機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律對高粘度流體的水力效率提高有幫助。

5 結(jié)論

通過理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，無論在水力效率、容積效率、機(jī)械效率還是水力脈動上參數(shù)上，直蚌線機(jī)構(gòu)運(yùn)動機(jī)構(gòu)在水泵及高粘度流體泵節(jié)能上的巨大優(yōu)勢，總效率能提高3%以上，節(jié)能效果明顯，如果在全行業(yè)普遍推廣將產(chǎn)生一定的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱俊華.往復(fù)泵設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：74-76.

[2]黎正中.用于曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動件及其內(nèi)燃機(jī)、壓縮機(jī)[P].中國專利：CN201010581946.3，2010-12-06.

[3]潘忠德.基于CATIA的直蚌線發(fā)動機(jī)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35（06）：730-731.

[4]黎正中.一種I型曲柄圓滑塊機(jī)構(gòu)及其內(nèi)燃機(jī)、壓縮機(jī)[P].中國專利：CN201010581951.4，2010-12-06.

作者簡介：張東英（1980-），女，遼寧鐵嶺人，研究生，講師，主要研究方向：節(jié)能技術(shù)及其發(fā)展方向。endprint