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液压隔膜计量泵流量调节的研究与设计

时间:2016-01-16  作者:郭金平 王宁飞 王钊

摘要:利用液压隔膜计量泵活塞往复运动的特性,借助箱体油路、调节杆和活塞的配合关系,实现了高压腔液压油的循环脉动冲击,进而有效控制了液压隔膜计量泵的进出口流量,达到了流量精确调节的目的。
论文关键词:液压隔膜计量泵,箱体油路,调节杆,活塞,脉动冲击

1 概述

计量泵包括柱塞泵和隔膜泵,隔膜泵又分为机械传动隔膜泵、液压传动隔膜泵和电磁隔膜泵。表1给出了不同隔膜计量泵各自的优缺点。

通过比较可以看出,液压隔膜计量泵耐高压,计量精度高,运转平稳并且隔膜不容易破裂,长久可靠,突破了机械隔膜泵低压的局限性,并能充分发挥液压隔膜计量泵大流量的优

表1 不同隔膜计量泵的优缺点比较

特点 种类

电磁隔膜计量泵

液压隔膜计量泵

机械隔膜计量泵

优点

可全自动或手动控制

高速运转时隔膜不易损坏

计量精度高,安装维修方便,可部分更换零件

体积小,不占面积

运转时机械脉动平稳性很好

机器运转时稳定性好

流量小

压力高,精度高

价格便宜

价格便宜

防腐性良好

能承受高压

缺点

流量调节范围小

精度没有机械计量泵高

容易泄露

不能承受中压及其以上压力

易受潮,由IC板控制,

故障时可能整块IC板或

整台都必须换

势。也正是由于这些原因,液压隔膜计量泵在近年来受到越来越多的青睐,国内外厂商纷纷把液压隔膜计量泵的生产作为研发的重中之重,千方百计的把液压隔膜计量泵的传动机构、调节机构和活塞组合变得更加简单、灵活、经济可靠。为了满足流量无级调节的要求,使得流量调节部分成为一个独立开发的模块得到不断发展。现已开发出了手动控制、电动伺服控制、气动伺服控制和变频控制等调节方式,以满足各种配置的需要,通过改变行程、转速或行程和转速均改变来调节,通过对泵的行程机构相衔接的电动伺服机构或气动伺服机构的控制实现对计量泵流量的电气自动调节。本文开发的调节机构手动、电动均可根据需要进行控制。

2 背景技术

传统的流量调节大多采用改变隔膜泵往复运动的冲程长度的方式,在偏心轮中心孔附加另一套偏心调节装置,用来抵消偏心轮带来的偏心效果。最为典型的是N轴调节机构,如图1所示。

液压隔膜计量泵流量调节的研究与设计

图1 N轴调节机构示意图

1.下套筒2.连杆套3.偏心套4.推力球轴承5.压紧环6.调节杆7.上套筒8.N轴9.偏心轮10.连杆11.蜗杆12.蜗轮13.调节支座

此计量泵的工作原理是,电机与蜗杆通过联轴器连接,经过蜗轮使下套筒减速转到,通过下套筒内的滑键带动N轴转动,因偏心套与N轴的轴颈一起转动,从而驱动连杆作往复运动。偏心套偏心距调节:利用手动、电动或气动转动泵体上端的调节杆,因调节杆与调节座之间为螺纹联接,调节座不动,故使调节杆沿轴向移动,调节杆通过推力球轴承带动N轴在上套筒、下套筒内移动,从而到达改变偏心距的目的,最终实现泵的行程调节。但是N轴调节机构由于结构形状复杂、加工工艺性差、容易产生应力集中等缺点,使得该计量泵的加工和使用性能大大降低。此外,在N轴行程调节机构中,传动方式是由蜗杆、蜗轮带动可调偏心距的偏心轮将圆周运动转化为往复运动,N轴依靠上、下套筒支承,由于加工套筒时,两个套筒同轴度实际公差存在加工误差,不可能相同,导致对中性较差。上、下套筒采用深沟球轴承支承,轴向定位精度低,蜗轮容易产生轴向窜动,使蜗杆与蜗轮发生偏磨,影响了泵的传动效率及可靠性。

针对计量泵N轴式行程调节机构存在的问题,有人提出了一种计量泵用核心部件的全新结构,即利用斜槽轴取代原N 型轴的行程调节机构,如图2所示,以改善其工作状态,解决原N 型曲轴易疲劳、断裂等技术难题,进而提高计量泵的可靠性和使用寿命,扩大其使用

脉动冲击

图2 斜槽轴结构示意图

1.连杆2.轴瓦3.偏心轮4.调节杆5.斜槽轴6.斜槽轴套7.销套8.圆柱销9.支承环10.蜗轮11.蜗杆12.角接触球轴承

范围。比较而言,斜槽轴套提高了整体支承的刚度与强度,保证了上下轴承的同轴度,改善了斜槽轴的受力与支承状况,防止了因转向改变或轴径向窜动所产生的偏磨。但是实际的运行中,斜槽轴上的圆柱销在斜槽里的滑动生涩,经常发生断裂,并且带来整个计量泵的发烧相当严重。

3 新型调节方式的设计

本文设计的调节机构由调节手柄、调节套、压帽、调节杆、活塞以及箱体油路组成,如图3。其工作原理是,当活塞后退时,液压油从箱体补油管道进入到活塞、调节杆和调节套所形成的空腔里,此时隔膜回贴在泵头的一侧,降输送介质吸上来,达到隔膜泵前端的泵头里面。

当调节杆旋至100%行程并固定不动时,活塞前推,液压油被压缩因此压力开始增大,部分油液会经过箱体补油管路和活塞自身的中心孔泄入到箱体中。活塞继续前进当它和箱体油路全部封堵以后,此时油液只能从活塞中心孔流回箱体,当活塞再继续前行直至调节杆把活塞上的泄油孔封堵上以后,被活塞、调节杆和调节套所困住的液压油压力开始升高,进入到泵头组件里推动隔膜做功,将吸入泵头的输送介质压出去。活塞到达最前端开始后退,高

箱体油路

图3 新型调节机构示意图

1.调节手柄2.调节套3.压帽4.箱体5.活塞6.箱体补油管路7.活塞泄油口8.调节杆

高压油开始泄压,由于活塞运动速度比较快,在活塞、调节杆和调节套形成的压力腔里又会形成一定的真空度,隔膜重新回贴在泵头的另一侧,输送介质又被吸入到泵头里面,如此循环实现了流量的连续性吸入和排出。

当调节杆外旋至50%行程的时候,调节杆封堵活塞泄油孔的时刻较100%行程产生滞后,液压油经由活塞中心孔回流箱体的时间延长,用来推动隔膜做功的液压油减少,隔膜变形量减小,表现为隔膜泵的流量和压力降低。

活塞、调节杆和调节套形成的压力腔的容积为V,则有

箱体油路 公式(1)

式中 D------活塞直径 mm;

d------调节杆直径 mm;

L------活塞做功冲程 mm;

可见,最后用来推动隔膜做功的液压油的体积V是做功冲程段L的一次函数,L越大,调节杆封堵活塞泄油孔的时刻越靠前,用来做功的液压油体积就越大,隔膜泵的出口流量越大。

据此,当调节杆固定在行程50%的时候,活塞往复运动过程中做功的液压油体积始终是最大时刻的一半,即隔膜泵出口流量现在是最大流量的1/2。当调节杆固定在刻度为零的时候,活塞整个往复过程中,调节杆刚好不能封堵活塞上的泄油孔,此时没有被压缩的油液推动隔膜做功,所有流量为零。同理,其它行程刻度对应的流量值可依据公式(1)推算得出。这样在隔膜泵泵的运转中,通过调节调节杆的行程百分比,来改变隔膜泵的流量,达到计量输送的目的。

4 新型调节机构的特点

N轴式和斜槽轴调节方式是通过改变活塞的冲程长度来改变流量,本文设计突破传统思路,通过调节杆和活塞中心孔的配合,有效地地控制用来做功的液压油的体积,以此达到流量控制的目的。

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