淺析液壓隔膜計量泵流量調(diào)節(jié)的研究與設(shè)計
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摘要：利用液壓隔膜計量泵活塞往復(fù)運動的特性，借助箱體油路、調(diào)節(jié)桿和活塞的配合關(guān)系，實現(xiàn)了高壓腔液壓油的循環(huán)脈動沖擊，進而有效控制了液壓隔膜計量泵的進出口流量，達到了流量精確調(diào)節(jié)的目的。
論文關(guān)鍵詞：液壓隔膜計量泵,箱體油路,調(diào)節(jié)桿,活塞,脈動沖擊
1 概述
計量泵包括柱塞泵和隔膜泵，隔膜泵又分為機械傳動隔膜泵、液壓傳動隔膜泵和電磁隔膜泵。表1給出了不同隔膜計量泵各自的優(yōu)缺點。
通過比較可以看出，液壓隔膜計量泵耐高壓，計量精度高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)并且隔膜不容易破裂，長久可靠，突破了機械隔膜泵低壓的局限性，并能充分發(fā)揮液壓隔膜計量泵大流量的優(yōu)
表1 不同隔膜計量泵的優(yōu)缺點比較
特點 種類
電磁隔膜計量泵
液壓隔膜計量泵
機械隔膜計量泵
優(yōu)點
可全自動或手動控制
高速運轉(zhuǎn)時隔膜不易損壞
計量精度高，安裝維修方便，可部分更換零件
體積小，不占面積
運轉(zhuǎn)時機械脈動平穩(wěn)性很好
機器運轉(zhuǎn)時穩(wěn)定性好
流量小
壓力高，精度高
價格便宜
價格便宜
防腐性良好
能承受高壓
缺點
流量調(diào)節(jié)范圍小
精度沒有機械計量泵高
容易泄露
不能承受中壓及其以上壓力
易受潮，由IC板控制，
故障時可能整塊IC板或
整臺都必須換
勢。也正是由于這些原因，液壓隔膜計量泵在近年來受到越來越多的青睞，國內(nèi)外廠商紛紛把液壓隔膜計量泵的生產(chǎn)作為研發(fā)的重中之重，千方百計的把液壓隔膜計量泵的傳動機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)和活塞組合變得更加簡單、靈活、經(jīng)濟可靠。為了滿足流量無級調(diào)節(jié)的要求，使得流量調(diào)節(jié)部分成為一個獨立開發(fā)的模塊得到不斷發(fā)展�，F(xiàn)已開發(fā)出了手動控制、電動伺服控制、氣動伺服控制和變頻控制等調(diào)節(jié)方式，以滿足各種配置的需要，通過改變行程、轉(zhuǎn)速或行程和轉(zhuǎn)速均改變來調(diào)節(jié)，通過對泵的行程機構(gòu)相銜接的電動伺服機構(gòu)或氣動伺服機構(gòu)的控制實現(xiàn)對計量泵流量的電氣自動調(diào)節(jié)。本文開發(fā)的調(diào)節(jié)機構(gòu)手動、電動均可根據(jù)需要進行控制。
2 背景技術(shù)
傳統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)大多采用改變隔膜泵往復(fù)運動的沖程長度的方式，在偏心輪中心孔附加另一套偏心調(diào)節(jié)裝置，用來抵消偏心輪帶來的偏心效果。最為典型的是N軸調(diào)節(jié)機構(gòu)，如圖1所示。
圖1 N軸調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖
1.下套筒2.連桿套3.偏心套4.推力球軸承5.壓緊環(huán)6.調(diào)節(jié)桿7.上套筒8.N軸9.偏心輪10.連桿11.蝸桿12.蝸輪13.調(diào)節(jié)支座
此計量泵的工作原理是，電機與蝸桿通過聯(lián)軸器連接，經(jīng)過蝸輪使下套筒減速轉(zhuǎn)到，通過下套筒內(nèi)的滑鍵帶動N軸轉(zhuǎn)動，因偏心套與N軸的軸頸一起轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動連桿作往復(fù)運動。偏心套偏心距調(diào)節(jié)：利用手動、電動或氣動轉(zhuǎn)動泵體上端的調(diào)節(jié)桿，因調(diào)節(jié)桿與調(diào)節(jié)座之間為螺紋聯(lián)接，調(diào)節(jié)座不動，故使調(diào)節(jié)桿沿軸向移動，調(diào)節(jié)桿通過推力球軸承帶動N軸在上套筒、下套筒內(nèi)移動，從而到達改變偏心距的目的，最終實現(xiàn)泵的行程調(diào)節(jié)。但是N軸調(diào)節(jié)機構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、加工工藝性差、容易產(chǎn)生應(yīng)力集中等缺點，使得該計量泵的加工和使用性能大大降低。此外,在N軸行程調(diào)節(jié)機構(gòu)中,傳動方式是由蝸桿、蝸輪帶動可調(diào)偏心距的偏心輪將圓周運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運動,N軸依靠上、下套筒支承,由于加工套筒時,兩個套筒同軸度實際公差存在加工誤差,不可能相同,導(dǎo)致對中性較差。上、下套筒采用深溝球軸承支承,軸向定位精度低,蝸輪容易產(chǎn)生軸向竄動,使蝸桿與蝸輪發(fā)生偏磨,影響了泵的傳動效率及可靠性。
針對計量泵N軸式行程調(diào)節(jié)機構(gòu)存在的問題,有人提出了一種計量泵用核心部件的全新結(jié)構(gòu)，即利用斜槽軸取代原N 型軸的行程調(diào)節(jié)機構(gòu)，如圖2所示，以改善其工作狀態(tài)，解決原N 型曲軸易疲勞、斷裂等技術(shù)難題,進而提高計量泵的可靠性和使用壽命，擴大其使用
圖2 斜槽軸結(jié)構(gòu)示意圖
1.連桿2.軸瓦3.偏心輪4.調(diào)節(jié)桿5.斜槽軸6.斜槽軸套7.銷套8.圓柱銷9.支承環(huán)10.蝸輪11.蝸桿12.角接觸球軸承
范圍。比較而言，斜槽軸套提高了整體支承的剛度與強度，保證了上下軸承的同軸度，改善了斜槽軸的受力與支承狀況，防止了因轉(zhuǎn)向改變或軸徑向竄動所產(chǎn)生的偏磨。但是實際的運行中，斜槽軸上的圓柱銷在斜槽里的滑動生澀，經(jīng)常發(fā)生斷裂，并且?guī)碚麄�計量泵的發(fā)燒相當嚴重。
3 新型調(diào)節(jié)方式的設(shè)計
本文設(shè)計的調(diào)節(jié)機構(gòu)由調(diào)節(jié)手柄、調(diào)節(jié)套、壓帽、調(diào)節(jié)桿、活塞以及箱體油路組成，如圖3。其工作原理是，當活塞后退時，液壓油從箱體補油管道進入到活塞、調(diào)節(jié)桿和調(diào)節(jié)套所形成的空腔里，此時隔膜回貼在泵頭的一側(cè)，降輸送介質(zhì)吸上來，達到隔膜泵前端的泵頭里面。
當調(diào)節(jié)桿旋至100%行程并固定不動時，活塞前推，液壓油被壓縮因此壓力開始增大，部分油液會經(jīng)過箱體補油管路和活塞自身的中心孔泄入到箱體中。活塞繼續(xù)前進當它和箱體油路全部封堵以后，此時油液只能從活塞中心孔流回箱體，當活塞再繼續(xù)前行直至調(diào)節(jié)桿把活塞上的泄油孔封堵上以后，被活塞、調(diào)節(jié)桿和調(diào)節(jié)套所困住的液壓油壓力開始升高，進入到泵頭組件里推動隔膜做功，將吸入泵頭的輸送介質(zhì)壓出去。活塞到達最前端開始后退，高
圖3 新型調(diào)節(jié)機構(gòu)示意圖
1.調(diào)節(jié)手柄2.調(diào)節(jié)套3.壓帽4.箱體5.活塞6.箱體補油管路7.活塞泄油口8.調(diào)節(jié)桿
高壓油開始泄壓，由于活塞運動速度比較快，在活塞、調(diào)節(jié)桿和調(diào)節(jié)套形成的壓力腔里又會形成一定的真空度，隔膜重新回貼在泵頭的另一側(cè)，輸送介質(zhì)又被吸入到泵頭里面，如此循環(huán)實現(xiàn)了流量的連續(xù)性吸入和排出。
當調(diào)節(jié)桿外旋至50%行程的時候，調(diào)節(jié)桿封堵活塞泄油孔的時刻較100%行程產(chǎn)生滯后，液壓油經(jīng)由活塞中心孔回流箱體的時間延長，用來推動隔膜做功的液壓油減少，隔膜變形量減小，表現(xiàn)為隔膜泵的流量和壓力降低。
活塞、調(diào)節(jié)桿和調(diào)節(jié)套形成的壓力腔的容積為V，則有
公式（1）
式中 D------活塞直徑 mm；
d------調(diào)節(jié)桿直徑 mm；
L------活塞做功沖程 mm；
可見，最后用來推動隔膜做功的液壓油的體積V是做功沖程段L的一次函數(shù)，L越大，調(diào)節(jié)桿封堵活塞泄油孔的時刻越靠前，用來做功的液壓油體積就越大，隔膜泵的出口流量越大。
據(jù)此，當調(diào)節(jié)桿固定在行程50%的時候，活塞往復(fù)運動過程中做功的液壓油體積始終是最大時刻的一半，即隔膜泵出口流量現(xiàn)在是最大流量的1/2。當調(diào)節(jié)桿固定在刻度為零的時候，活塞整個往復(fù)過程中，調(diào)節(jié)桿剛好不能封堵活塞上的泄油孔，此時沒有被壓縮的油液推動隔膜做功，所有流量為零。同理，其它行程刻度對應(yīng)的流量值可依據(jù)公式（1）推算得出。這樣在隔膜泵泵的運轉(zhuǎn)中，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)桿的行程百分比，來改變隔膜泵的流量，達到計量輸送的目的。
4 新型調(diào)節(jié)機構(gòu)的特點
N軸式和斜槽軸調(diào)節(jié)方式是通過改變活塞的沖程長度來改變流量，本文設(shè)計突破傳統(tǒng)思路，通過調(diào)節(jié)桿和活塞中心孔的配合，有效地地控制用來做功的液壓油的體積，以此達到流量控制的目的。
因此該調(diào)節(jié)機構(gòu)除具有結(jié)構(gòu)簡單靈活、工藝性好、軸向和徑向定位精度高的特點之外外，還有其獨特的地方。
�。�1） 本文增設(shè)了箱體上下兩個油路通道，保證了即使在油量較少的時候，工作過程中也不會帶入空氣，補油及時、高效；
�。�2） 根據(jù)公式（1），該調(diào)節(jié)機構(gòu)使得隔膜泵流量具有優(yōu)異的線性關(guān)系，相對于改變沖程長度間接改變液壓油體積的調(diào)節(jié)方式來講，這種直接控制用來做功的液壓油體積，線性效果要好的多。
�。�3） 解除了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)機構(gòu)附加在蝸輪蝸桿上的繁雜桎梏，杜絕了蝸輪蝸桿傳動吃力、發(fā)燒和經(jīng)�？ㄋ赖默F(xiàn)象，使得傳動機構(gòu)變得輕松、流暢；
5 試驗分析及結(jié)論
圖4是調(diào)節(jié)桿在20%~100%行程時，隔膜泵在21MPa和25MPa分別對應(yīng)的線性圖。
圖4 液壓隔膜泵流量-行程百分比關(guān)系圖
可以看出，通過該種調(diào)節(jié)方式所得到的流量-行程百分比的線性效果非常良好，調(diào)節(jié)桿和活塞之間的密切配合大大提高了隔膜泵的容積效率，并且調(diào)節(jié)方便、靈活可靠，已經(jīng)在電力、石化等行業(yè)得到了普遍的應(yīng)用。
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