淺述SB手動泵的設計

蔣金泉

（四川杰特機器有限公司， 四川 簡陽 641400）

手動泵是靠人力操作，將手動機械能轉換為液壓能的一種小型液壓設備，它攜帶方便、性能穩定、安全可靠，不需能源，在室內外均可作業。手動泵廣泛應用在船舶工業、煤礦機械、石油、化工、冶金、建筑、電力、軍工、以及重型機械等多個領域。

SB手動泵是特殊設計配套靜化器使用的產品，要求排量大，重量輕（1.5kg內），攜帶方便，防腐性好，實用可靠性強等特點。因此，它比一般手動泵技術條件要求高，特別是整泵重量不超過1.5kg是設計的挑戰，它的設計制造難點在于每個零件都要考濾它的強度和重量，并達到體積小，重量輕，外形美觀，使用可靠的效果，特別要適用于背負攜帶，野外作業，這就給設計和制造增加了一定的難度。

1 已有手動泵現狀。國內眾多廠家生產的手動泵的用途、性能特點都差別不大，只是在產品結構和外觀造型上有所不同，泵閥的設計也不統一，有平板閥、錐閥、球閥等，各具產品特色。但與SB手動泵相比較仍然存在體積大、偏重，不防腐，攜帶不便等缺點，達不到SB手動泵技術條件。要滿足SB手動泵的特殊使用性能，就只有全新設計。

2 SB手動泵設計（見手動泵結構圖）

2.1 參數確定

根據靜化器阻力所需壓力，確定工作壓力P=0.5～0.8MPa，流量Q=80ml/次，最大施力T<180N。為了各參數匹配合理，滿足泵防腐、輕便的條件，由流量Q=πd2S/4確定柱塞直徑d和柱塞行程S，由最大施力T=πd2PL1/4（L1+L2）確定手柄長度L，由此可確定各零件尺寸和泵的外形尺寸。

2.2 主要零件設計

（1）泵體設計：泵體是本產品中主要承受液壓的零件之一。由于它的形狀復雜、壁厚不均、內有T型交孔、應力集中大，因此，它的設計合理性對其壽命有很大影響。通常防腐產品設計，一般情況下泵體都采用不銹鋼材料鍛造或銅材鑄造，但對于本產品就達不到重量指標的要求。鑒于本產品的特殊性，經過科學分析，在設計上選用比重比較輕的高強度鋁合金材料精密鑄造，在滿足泵體承受液壓力所需強度外設計盡量減薄壁厚，減小余隙容積，做到過流性能好，整體布局合理，外形美觀。這樣，泵體設計就滿足了既防腐又輕便的要求，比常態化設計減輕2/3以上重量。

泵體最小壁厚的確定，由壁厚公式：δ=PD/2[σ]-P mm 可得。

式中：δ-壁厚，mm； P- 泵體內最大工作壓力，MPa；D-泵體內徑，mm； [σ]-材料許用應力，MPa。

（2）柱塞結構設計：柱塞設計的基本要求是①有足夠的剛度和強度；②表面光潔、硬度高，耐磨性好。本泵根據流量參數Q確定的柱塞直徑d較大，設計上選用不銹鋼材料在保證剛度和強度的條件下采用薄壁空心結構設計，這樣可達到減輕柱塞重量的目的。在制造上提高表面硬度和粗造度，以此來提高柱塞密封壽命。

柱塞最小截面壓應力校核 ：σy=Pmax/f ≤ [σy]MPa 。

式中：σy-最小截面壓應力，MPa； Pmax-最大柱塞力，N；

f-最小截面面積，mm； [σy]-許用應力，MPa。

（3）閥組設計：閥組是往復泵工作過程的直接組成件，也是往復泵中最重要的易損件之一。它的設計好壞直接影響泵的工作性能和使用壽命。閥組的種類和結構型式繁多，有平板閥、錐形閥、環形閥、自重閥等。根據產品的用途，輸送介質，使用條件和泵的結構形式來選擇設計。本泵要求防腐性好、重量輕是設計的重要指標，而泵的實際工作介質條件又比較差，為了滿足靜化器所需的流量參數 ，泵的容積效率也是重點研究的對象。因此，本泵閥組設計要掌握的原則是：①能及時啟、閉，減小回流損失；②密封可靠，減小或避免關閉后的漏損；③保證足夠的強度和剛度并控制重量；④結構簡單、拆裝方便、工藝性好；⑤工作平穩可靠，壽命長。

本泵在考濾上述因素后對進水閥設計采用下導向錐形閥形式，并盡量減輕零件重量，它的設計雖然給工藝加工增加了難度，但比現有錐閥設計重量輕，工作可靠。其優點有：進水通道大，流道平滑，水力阻力小，過流能力強，余隙容積小，密封性能好等。在出水閥設計上主要重點考濾閥工作可靠，密封性能好，重量輕等因素。由于本泵使用環境惡劣，輸送水質差，常伴有泥污，泵的出水通道也比進水小很多，出水閥就不能按照進水閥結構設計，其重量指標也不允許。如果按照現有泵閥結構設計，工作中可能出現閥被泥污卡住而影響工作。為了克服各不利因素，本出水閥設計采用平板閥結構，考濾到它的密封性能，在閥的端面設計嵌入O形密封圈作為密封面，這不僅提高了閥的密封性能，而且降低了零件加工難度，提高了閥的使用壽命。如在閥工作失效后，只須更換O形密封圈就能繼續工作，降低了本泵易損件成本。為了解決泥污水過流問題，在設計中利用泵體出水孔端面作為密封面，利用出口接頭內孔作為閥工作導向孔（大間隙配合），既省略了閥座零件，也滿足泥污水過流問題，這就大大簡化了出水閥設計。 此閥結構簡單，制造容易，重量輕，工藝性好，密封可靠，成本低，壽命長。

閥隙過流面積：f=πd0hsiaαmm2

式中：f-閥座孔當量截面積，mm2；d0-閥座孔當量直徑，mm；

h-閥板軸向升程， mm；α-錐形閥的錐角之半，rad。

閥隙流速：

V=Q/ fμ=Q/πd0hsiaαμX10-6， m/s

式中：V-閥隙流速，m/s ； Q-理論流量，m3/s；μ-閥隙流量系數，0.7～0.9。

（4）手柄設計：手柄雖然在往復泵中不屬于主要關鍵零件，但它在本泵中還是主要研究的對象，在本泵重量指標參數中起到重要作用。設計時首先根據最大柱塞力F=πd2P/4確定手柄最大施力T=FL1/L1+L2，然后確定手柄直徑并進行強度校核，在滿足強度的條件下，盡量去掉多余的材料，達到最輕重量標準。本產品主要設計思路在野外工作，為了滿足背負攜帶方便的條件，手柄設計成折疊式，分為手柄桿和力臂桿，用銷軸和滑套聯接，工作時手柄桿與力臂桿成一直線時滑動滑套固定成一整體，起到快速聯接；工作后松下滑套脫離手柄桿與力臂桿聯接處就可快速折疊，方便背負攜帶和存放。

結語

本手動泵組裝后與現有手動泵比較，體現了設計精練，結構簡單，優化了零件組合，減少了泵的零件組成，打破了現有產品的標準化設計。在主關鍵零件設計上不受傳統影響，大膽創新。從零件材料的選擇到設計加工，都科學論證，精工制造，最終產品達到了體積小、重量輕、攜帶方便、外形美觀。經室內和野外分別試驗，產品都達到了設計標準，具備了泵性能可靠，輸送水源不受泥污影響，而且泵容積效率高，滿足靜化器使用要求。整個泵選用防腐材料制造，并且重量在1.4kg左右，最大施力T<120N，產品達到了防腐性好、操作輕便，重量輕等技術條件指標。本手動泵設計是成功的。

結語

SB手動泵是特殊用途下開發的全新產品，它反應了手動泵在不斷發展進步和應用范圍的不斷拓展。

[1]往復泵設計編寫組，往復泵設計[M].北京：機械工業出版社，1987.

[2]高壓水射流技術與工程[M].合肥工業大學出版社，2006.

[3]機械設計手冊[M].石油化工工業出版社，1978.