往复泵主参数的参数化设计

　　在介绍往复泵主要参数确定方法的基础上，提出了对往复泵主参数的参数化设计的方法和流程，建立了往复泵的参数数据库。这不仅可以减轻往复泵设计人员的设计负担，缩短产品的开发周期，也为往复泵的标准化和系列化设计的发展提供思路。

　　在现代工业中，由于输送介质多样，往复泵被广泛应用于石油、化工、电力、冶金等各行业中.往复泵的工作原理如图1所示.在电机的驱动下，曲柄连杆机构3带动活塞2在气缸1内做往复运动，以此，使工作腔的容积产生周期性变化，实现吸、排工作介质，从而将机械能转化为液压能。

图1　往复泵的工作原理

1、往复泵设计中主要参数的确定

　　1.1、往复泵的主要零件的设计要求

　　在往复泵的设计中，首先要考虑泵的工作要求，即：工作运转可靠、检验、维修方便.其次，还要考虑往复泵的经济性：泵的零部件的加工、制造方便、标准化程度高、消耗少、寿命长、使用效率高等.

　　1.2、往复泵设计中主要参数的确定

　　往复泵的设计一般是先确定泵的总体结构类型，然后根据用户提供的相关参数及要输送的液体介质的物理、化学性能确定其主要技术参数.往复泵设计时，泵的排出压力P2和流量Q 一般是用户提供的.P2的大小与原动机的功率和具体的零部件结构形式有关;而流量Q 的要求与下式有关.

　　式中：Q—泵的实际流量，m3/s;ηv—泵的容积效率　D—柱塞直径，m;S—柱塞行程长度，m　n—曲轴转数，rpm;Z—柱塞数　um—柱塞平均速度，m/s;ψ=S/D-程径比(柱塞的行程与直径的比)。

　　由公式(1)可知，Q 的大小与n、S、D、Dr(柱塞杆直径)、Z 等参数有关，同时，n、S、D 三者不同的组合对总体设计是有影响的，在设计时应加以考虑.

　　实践证明，要获得n、S、D 三者之间的理想组合，各参数的确定应按照以下顺序进行：柱塞(活塞)的平均速度um→ 曲轴的转速n →柱塞程径比ψ→柱塞(活塞)直径D 和柱塞(活塞)行程长度S→最大柱塞力Pmax(在设计工作中，最大活塞力一般在1.4～96kN范围内).

　　泵的主要结构尺寸确定的步骤如下：

　　(1)依据实际要求选择和合适的泵体结构型式、液力端和传动端的结构型式，据此确定要采用的联(缸)数Z 和作用数.

　　(2)选择容积效率ηvηv的选择与许多因素有关，很难精确获得.在实际设计中一般根据P2、Q、n以及液体介质的性质来确定.当P2和n值较大而Q 值较小，输送高温高粘度液体介质时，ηv一般取值较小(通常在0.6～0.8之间)，相反，取大值(大值可达0.8～0.98).

　　(3)选择活塞(柱塞)平均速度um在设计过程中，活塞(柱塞)的平均速度um一般按照公式(2)计算.

　　式中Kt是与泵的结构类型有关的系数，取值范围为0.09～0.63;而K 值是一个与活塞杆直径与活塞直径比值有关的系数，它们之间的关系为：K=1- (Dr /D)².(Dr/D)值的大小，影响泵的双作用效果，越大则双作用效果越不明显;反之，比值太小，活塞杆的强度和刚度就会太弱.在设计中该比值常取0.10～0.20.K 的取值：单作用泵，K=0;双作用泵，0取um<2.0m/s.

　　(4)选取每分钟往复次数n ，确定柱塞行程长度S泵的转速n的大小与D、ψ、λ(连杆比)有关，一般D、ψ、λ三者的值越大，n取值越小，反之，则越大.N 的取值范围一般为：10～985rpm.在确定行程长度S 时必然要考虑到程径比ψ=S/D，ψ的大小实质上反应了泵机组总体宽度与长度的关系，ψ越大泵体则窄长，反之，泵体则宽而短.ψ与n 和排出压力有关，反之，n 越小ψ 则取较大的值;排出压力越高ψ 越大，反之，ψ 取小值.ψ 的取值范围一般为：1.0～7.0之间。

　　(5)活塞(柱塞)直径D 的确定将上面确定的Z、K、ηv、n、S 带入公式(3)，就可以求出D 的值，然后根据国家标准要求的尺寸进行圆整，再结合泵实际的工作要求，最终确定D 的值.柱塞直径不易过大，因为柱塞形状简单，其直径越大，在工作中柱塞密封结构就越容易变形，因此：一般直径在3～150mm，个别可达200mm.

　　至此，柱塞泵的主要参数已初步确定.然后，检验程径比，看看是否满意，如不满意，调整n、S 的值，直到满意为止.此外，在柱塞泵的设计中还要考虑到吸入管内径d1和排出管内径d2的值对柱塞泵的工作的影响.d1和d2的大小与介质在吸入与排出管内的流速v1和v2有关.在柱塞泵工作中，v1和v2过大，不仅造成能量消耗多，而且也容易产生缸体内的空化、汽蚀及泵的过流量现象的产生，所以，在确定d1和d2的大小时，要限制v1和v2的值。

2、往复泵主参数的参数化设计

　　往复泵主参数的总体设计流程如图2所示.在往复泵的总体设计时，不仅要对泵的零部件进行设计，同时，应对用户的不同要求对泵的参数还要设定，甚至要对某个参数要进行反复的检验才能满足客户的要求.这个过程是相当繁杂的.为了应对市场的竞争，往复泵的参数化设计应运而生.往复泵的参数化设计的过程是：首先，建立往复泵的参数数据库、数据约束检测数据库和计算公式数据库，并将这些数据库进行连接;然后，将往复泵的数据输入与输出、设计时的理论计算公式、数据检测等编写成程序代码;这样，在往复泵的设计时，设计者只需合理选用往复泵的基本参数，很快就能得出设计结果。

图2　三柱塞往复泵的总体设计界面

　　具体的过程是：设计者根据用户要求直接从数据库中选择或输入泵的参数，然后运行程序，由约束检测数据库判断参数的合理性，如不合理，系统会要求用户重新输入参数，如果合理系统则计算出设计所需的参数，最后由总体参数约束条件来验证这组参数是否满足用户要求.往复泵主参数的参数化设计的用户界面如图3所示。

图3　往复泵主参数的参数化设计的用户界面

3、小结

　　往复泵主参数的参数化设计，避免了以往繁杂的设计计算与参数的选择，减少了设计者的工作量，提高了设计效率，也为往复泵的标准化和系列化的发展提供了思路。