基于導(dǎo)軌滑塊的隔膜泵改進(jìn)技術(shù)

王 君

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

我國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，無論是能源的產(chǎn)量規(guī)模還是消費(fèi)需求規(guī)模都十分巨大?？諝庠礋岜迷谀壳暗男履茉词袌?chǎng)應(yīng)用非常廣泛。隔膜泵是空氣源熱泵機(jī)組中不可缺少的定量輸送熱媒介質(zhì)的動(dòng)力部分，其能耗和效率會(huì)對(duì)空氣源熱泵機(jī)構(gòu)整機(jī)的效率起到非常重要的影響作用。隔膜泵是液壓柱塞泵的一種應(yīng)用形式，能耗也是衡量隔膜泵的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)。而目前我國(guó)甚至國(guó)際上對(duì)隔膜泵的效率以及能耗方面的研究比較薄弱，大部分是針對(duì)泵內(nèi)部的摩擦來進(jìn)行分析的，而對(duì)于泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改革尚沒有先例。市面上的隔膜泵結(jié)構(gòu)一般為偏心輪彈簧結(jié)構(gòu)和曲軸連桿結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在一些大型設(shè)備上應(yīng)用廣泛，但是存在能耗高以及占地空間大的弊端。

1 現(xiàn)用隔膜泵存在的弊端

針對(duì)空氣源熱泵的使用，現(xiàn)有隔膜泵亟需解決的問題，一是降低功率損耗，二是增大泵送流量。隔膜泵安裝在空氣源熱泵內(nèi)部，負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑的循環(huán)，其外形尺寸受機(jī)組的空間限制，所以在解決上述問題的同時(shí)，其外形尺寸不可有大范圍的變動(dòng)。根據(jù)目前市場(chǎng)泵的功率統(tǒng)計(jì)，家用空氣源熱泵的功率消耗為5 kW～6 kW，相對(duì)傳統(tǒng)供暖設(shè)備而言在功率消耗上的優(yōu)勢(shì)并不明顯。同時(shí)泵的功率損失大也會(huì)加快泵性能的衰退，降低隔膜泵的使用壽命，與此同時(shí)也不利于節(jié)能和環(huán)保。

1.1 偏心輪彈簧結(jié)構(gòu)

偏心輪彈簧結(jié)構(gòu)為隔膜泵較為傳統(tǒng)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其工作原理是電機(jī)通過蝸輪蝸桿的嚙合傳動(dòng)進(jìn)行減速，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給偏心軸，偏心軸帶動(dòng)圓柱滾子軸承做圓周運(yùn)動(dòng)。為了保證運(yùn)行的平穩(wěn)性，圓柱滾子軸承與泵的柱塞接觸的部位加工為平面。柱塞通過彈簧與圓柱滾子軸承的平面?zhèn)染o密接觸，圓柱滾子軸承在隨著偏心軸運(yùn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)柱塞向前運(yùn)動(dòng)壓縮液壓油進(jìn)行制冷劑的輸出過程。在柱塞的外側(cè)設(shè)有對(duì)應(yīng)參數(shù)的彈簧，當(dāng)偏心輪旋轉(zhuǎn)至下半圈時(shí)，柱塞的回程動(dòng)力是由彈簧力提供，液壓油腔容積變大進(jìn)行制冷劑的吸收過程。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過分析偏心輪彈簧結(jié)構(gòu)柱塞泵的工作過程不難看出，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，所占的體積較小，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工比較方便。但在柱塞的推程階段，也即在液壓油被壓縮的過程中需要克服彈簧力，這會(huì)產(chǎn)生一定的功率損耗。同時(shí)由于柱塞與圓柱滾子軸承的平面?zhèn)鹊拿娼佑|會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，不利于控制泵的油腔溫度。同時(shí)長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于在柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的開始和結(jié)束瞬間存在一定運(yùn)行沖擊，會(huì)出現(xiàn)圓柱滾子削平面?zhèn)扰c柱塞脫開的現(xiàn)象，使柱塞無法運(yùn)行完全的行程，并撞擊泵的內(nèi)側(cè)壁，出現(xiàn)運(yùn)行事故，損耗隔膜泵的壽命。

1.2 曲軸連桿機(jī)構(gòu)

曲柄連桿結(jié)構(gòu)是目前隔膜式隔膜泵應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)。與偏心軸彈簧結(jié)構(gòu)相比，曲軸連桿結(jié)構(gòu)不使用圓柱滾子軸承和彈簧，而是通過連桿來保持柱塞和偏心軸的連續(xù)運(yùn)行。如圖2所示，連桿結(jié)構(gòu)傳遞動(dòng)力強(qiáng)，工作過程穩(wěn)定連續(xù)不卡頓，并且在柱塞的整個(gè)往復(fù)行程中，無需克服彈簧力，沒有彈簧帶來的功率損耗。方便維護(hù)，能更換柱塞、所有軸承、蝸桿、蝸輪、柱塞密封圈。

但是曲軸連桿機(jī)構(gòu)的隔膜泵由于增加了連桿構(gòu)件，連桿與偏心軸的運(yùn)動(dòng)副內(nèi)部需要加軸承，連桿與柱塞的連接要增加十字頭構(gòu)件，再加上連桿本身長(zhǎng)度，這就會(huì)導(dǎo)致曲軸連桿結(jié)構(gòu)的隔膜泵的體積大大增加，所以在空氣源熱泵中，這種機(jī)構(gòu)隔膜泵應(yīng)用十分受限。另外在偏心軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過程中，連桿會(huì)產(chǎn)生豎向的分力，導(dǎo)致柱塞在運(yùn)行時(shí)發(fā)生翹頭的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致缸套內(nèi)部被破壞，同時(shí)也會(huì)加速柱塞密封圈的提前老化。

2 導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)

通過分析偏心輪彈簧結(jié)構(gòu)隔膜泵和曲軸連桿結(jié)構(gòu)隔膜泵，發(fā)現(xiàn)要保證柱塞能夠順暢不卡頓地在泵體中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，需要柱塞能夠始終緊密貼合在圓柱滾子軸承的平面?zhèn)壬希鲜鰞煞N結(jié)構(gòu)的隔膜泵中的彈簧以及連桿就是為了實(shí)現(xiàn)這一功能所設(shè)置的。針對(duì)空氣源熱泵機(jī)組的應(yīng)用需求，既要保證泵的運(yùn)行平穩(wěn)性和使用壽命，還要能夠降低功率損耗和外形體積，在詳細(xì)對(duì)比和計(jì)算之后，考慮把彈簧和連桿十字頭等機(jī)構(gòu)改為燕尾型的導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)，導(dǎo)軌滑塊的特殊結(jié)構(gòu)可以保證偏心輪和柱塞在整個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中始終保持緊密接觸。

2.1 直線導(dǎo)軌

直線導(dǎo)軌又稱線軌、滑軌等，用于高精度或高速的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，并且其導(dǎo)軌和滑塊的連接面為燕尾形狀，所以這種機(jī)構(gòu)可以承擔(dān)一定的扭矩。同時(shí)兩者的接觸副由滾珠構(gòu)成，把滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，可以降低摩擦損耗，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，滑塊內(nèi)部的圓弧溝槽在安裝時(shí)，由于鋼珠存在一定彈性變形及接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，即使安裝過程中存在少量的偏差，也能被線性滑塊內(nèi)部所吸收，所以直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)調(diào)心能力，從而能夠得到高精度并且穩(wěn)定的平滑往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于對(duì)生產(chǎn)制造精度嚴(yán)格管控，直線導(dǎo)軌尺寸能維持在一定范圍之內(nèi)，并且滑塊內(nèi)部有保持器的設(shè)計(jì)以防止鋼球脫落。

直線導(dǎo)軌的特點(diǎn)如下：

（1）自動(dòng)調(diào)心能力。安裝時(shí)，即由鋼柱的彈性變形及接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，即使安裝面有些偏差，也能被線軌滑塊內(nèi)部吸收，產(chǎn)生自動(dòng)調(diào)心能力的效果，從而得到高精度穩(wěn)定的平滑運(yùn)動(dòng)。

（2）具有互換性。由于生產(chǎn)制造精度嚴(yán)格管控，直線導(dǎo)軌尺寸能維持在一定的水準(zhǔn)內(nèi)，且滑塊有保持器的設(shè)計(jì)以防止鋼珠脫落，因此，部分系列精度的線軌和滑塊具有可互換性。

（3）所有方向均具有高剛性。運(yùn)用四列式圓弧溝槽，配合四列鋼珠等45°接觸角度，讓鋼珠達(dá)到理想的兩點(diǎn)接觸構(gòu)造，能承受來自上下和左右方向的負(fù)荷，必要時(shí)可施加預(yù)壓以提高剛性。

2.2 結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)，把直線導(dǎo)軌應(yīng)用在隔膜泵的結(jié)構(gòu)中，用其取代彈簧和連桿構(gòu)件。新結(jié)構(gòu)如圖4所示，把圓柱滾子軸承替換為D型輪，D型輪與偏心軸靠軸套的連接實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。線軌和滑塊分別按要求安裝在D型輪和柱塞上。

把偏心輪彈簧結(jié)構(gòu)中的圓柱滾子軸承改為D型輪和軸套組合的結(jié)構(gòu)，這樣既能實(shí)現(xiàn)D型輪和偏心軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也能使導(dǎo)軌有足夠的安裝空間。D型輪側(cè)面加工有螺栓孔，導(dǎo)軌與D型輪通過螺栓固定在一起，如圖5所示，導(dǎo)軌的長(zhǎng)度與D型輪高度相等?；瑝K部分安裝在柱塞體上，柱塞體一端加工有螺栓孔，并且需要預(yù)留安裝螺栓的空間，如圖6所示，通過螺栓固定滑塊和柱塞。滑塊和導(dǎo)軌配合在一起做上下相對(duì)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。此結(jié)構(gòu)可使柱塞與D型輪始終保持緊密接觸，并有效防止脫開。

2.3 導(dǎo)軌滑塊式隔膜泵的工作原理

更改后的隔膜泵的工作原理：電機(jī)通過蝸輪蝸桿的嚙合傳動(dòng)進(jìn)行減速，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給偏心軸，偏心軸帶動(dòng)D型輪做圓周運(yùn)動(dòng)，D型輪與偏心軸之間存在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其導(dǎo)軌側(cè)通過直線導(dǎo)軌與柱塞連接在一起，由于直線導(dǎo)軌的燕尾槽結(jié)構(gòu)，可以使其導(dǎo)軌側(cè)始終保持豎直運(yùn)行。直線導(dǎo)軌的滑塊和導(dǎo)軌通過滾珠副連接，隨著導(dǎo)軌和滑塊之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使柱塞隨導(dǎo)軌完成一個(gè)完整的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3 計(jì)算分析

以5 000 g/min流量的隔膜泵為例，設(shè)柱塞直徑=44.45 mm，偏心軸偏心量=12.75 mm，電機(jī)轉(zhuǎn)速=1 450 r/min，選取彈簧的工作力值為=468 N，蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為=11.5，隔膜泵的極限工作壓力為=3.8 MPa，計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

對(duì)上述參數(shù)的偏心輪彈簧結(jié)構(gòu)的隔膜泵進(jìn)行受力分析和計(jì)算，計(jì)算過程如下：

柱塞受力面積：

柱塞受力：

蝸輪扭矩：

蝸輪圓周力：

蝸桿軸向力：

蝸輪徑向力：

蝸桿徑向力：

蝸桿圓周力：

蝸輪軸向力：

蝸桿扭矩：

式中，為蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率，此處取值為0.8。

所需功率為

經(jīng)計(jì)算偏心輪彈簧結(jié)構(gòu)柱塞泵的耗費(fèi)功率為1.34 kW。

其中泵要克服彈簧力所損耗的功率

此參數(shù)的泵在克服彈簧力所損耗功率為25.08 W。經(jīng)過計(jì)算對(duì)比，流量為5 000 g/min的隔膜泵，當(dāng)其取消彈簧時(shí)，可以節(jié)省的功耗占比為2%左右。同時(shí)由于圓柱滾子軸承與柱塞側(cè)的摩擦力和彈簧力共存，更改結(jié)構(gòu)后的功耗能夠大大降低，這對(duì)整個(gè)空氣源熱泵機(jī)組的性能非常有利。

4 結(jié)束語(yǔ)

隔膜泵為液壓柱塞泵的一種，而液壓泵應(yīng)用范圍廣泛，尤其是在工作精度要求高，空間限制比較嚴(yán)格的場(chǎng)合有著非常普遍的應(yīng)用，另一方面液壓式柱塞泵也存在能效較低、耗能較大的缺點(diǎn)，所以傳統(tǒng)的隔膜式柱塞泵結(jié)構(gòu)亟需更為有效的改革。在本次研究過程中，通過對(duì)柱塞式隔膜泵結(jié)構(gòu)的調(diào)整，并對(duì)其進(jìn)行受力分析和計(jì)算，取消傳統(tǒng)的隔膜泵結(jié)構(gòu)中的彈簧，引入直線導(dǎo)軌這種機(jī)構(gòu)，使泵在功率損耗方面節(jié)省了2%的功率，有助于提高空氣源熱泵機(jī)組的能效比，使其應(yīng)用更為廣泛，有更好的實(shí)用性。同時(shí)在把偏心軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為柱塞的直線運(yùn)動(dòng)這一過程中，取消連桿十字頭，采用直線導(dǎo)軌的特殊結(jié)構(gòu)，大大減小了隔膜泵的外形尺寸，使空氣源熱泵機(jī)組的占地面積大大減少。在能效比和占地面積兩方面，使空氣源熱泵的大規(guī)模應(yīng)用相對(duì)于傳統(tǒng)供暖設(shè)備有了更好的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在隔膜式柱塞泵中引入直線導(dǎo)軌，其分析結(jié)果為未來柱塞泵的結(jié)構(gòu)升級(jí)和更進(jìn)一步的節(jié)能分析提供了一定的理論基礎(chǔ)。