雙作用往復泵的擾力分析

劉原勇，魏修亭

(山東理工大學 機械工程學院， 山東 淄博 255049)

雙作用往復泵的擾力分析

劉原勇，魏修亭

(山東理工大學 機械工程學院， 山東 淄博 255049)

針對雙作用往復泵的擾力計算問題，利用機構運動學和動力學理論，對雙作用往復泵的主運動機構進行了分析，推導了不同軸段的擾力計算方程，得到了總的擾力計算方法.通過實例計算仿真，得到了雙作用往復泵擾力的變化規律.仿真結果表明：雙作用往復泵具有自身的平衡，不會對基礎帶來擾力引起的振動，不需要對基礎進行特別加固.

雙作用往復泵；擾力；計算仿真

往復泵是通過工作腔內柱塞的往復運動改變工作腔的容積，從而將液體排出的一種流體機械，其結構簡單，在農業、石油、礦山和建筑行業中均得到廣泛應用.往復泵主要采用圓形配置，國內許多學者對其運動和動力學性能進行了研究[1-4].往復泵中零部件運動時產生的擾力會引起設備的振動，影響設備的工作性能和使用壽命.對此，一些學者針對曲柄連桿機構進行了擾力分析，得到了相關計算方法[5-7].本文主要對雙作用往復泵的擾力進行分析，得出擾力的計算方法.

1 主運動分析

雙作用柱塞泵的主運動采用雙柱塞對置結構的曲柄雙滑塊機構，每一曲柄連接兩個連桿和兩個柱塞(結構尺寸相同)，其簡圖如圖1所示.圖1中，曲柄做旋轉運動，柱塞往復移動，連桿的運動是復雜的平面運動.為計算方便，根據質量等效原理將連桿的質量等效到曲柄和柱塞上.

圖1 主運動機構結構簡圖

整個機構旋轉運動的不平衡質量ma為

(1)

往復運動的質量分為左、右兩部分，用mb1和mb2表示，且

(2)

(3)

式中：ml2，mr2為左、右連桿的質量；ml3，mr3為左、右柱塞的質量；m1為曲柄的質量；l為連桿的長度；lc為連桿的質心到曲柄銷中心的距離.

2 擾力計算

雙作用柱塞泵采用圓形配置，原動件為曲軸，每個偏心軸段作為曲柄，其軸線分布在半徑為r的圓周上，相鄰兩個軸段的夾角為q.故主運動的曲柄長度為r，曲柄和柱塞運動方向的夾角為j+qi，i=0，1，2，3，…，n，n為曲柄的個數.

2.1 每一軸段的擾力分析

若曲軸以等角速度w回轉，每一軸段主運動機構的旋轉運動的不平衡質量和往復移動的質量均會產生慣性力，如圖2所示.

圖2 主運動機構慣性力

旋轉運動部分產生的慣性力為

Pai=mairω2

(4)

兩邊柱塞的加速度不同，通過運動分析可知兩柱塞的加速度分別為:

(5)

(6)

所以，往復運動部分產生的慣性力分別為：

Plbi=-mb1iali=-mb1irω2[cos(φ+θi)-

(7)

Prbi=-mb2iari=mb2irω2[cos(φ+θi)+

(8)

將旋轉運動的不平衡質量和往復移動的質量產生的慣性力合成，在豎直方向上的力為

Pzi=mairω2sin(φ+θi)

(9)

水平方向上的力為

Pxi=mairω2cos(φ+θi)+

(10)

所以，一諧和二諧豎直擾力分別為：

Pz1i=mairω2sin(φ+θi)

(11)

Pz2i=0

(12)

一諧和二諧水平擾力分別為：

Px1i=mairω2cos(φ+θi)

(13)

(14)

2.2 曲軸上總的擾力計算

計算作用于整個曲軸上的擾力，需要將每個軸段的擾力合成.一、二諧豎直和水平擾力分別為：

3 實例分析

以9DW27016Ⅰ注水泵為例進行擾力分析，其基本參數見表1.

表1 9DW27016Ⅰ注水泵的基本參數

項目數值主軸轉速/r·min-1n=270柱塞布置方式18個柱塞對稱布置相鄰兩曲柄夾角/(°)160曲柄質量/kgm1=94．47柱塞質量/kgm3=43．64曲柄長度/mmr=90連桿長度/mml=555連桿質量/kgml2=62．8，mr2=72．51

利用上述公式可以計算出每一個曲柄在曲軸轉動一周的擾力變化情況.每一軸段上的擾力變化情況如圖3～圖5所示.

圖3 一諧豎直擾力變化曲線

圖4 一諧水平擾力變化曲線

圖5 二諧水平擾力變化曲線

從圖3～圖5可以看出，在曲軸轉動一周過程中，擾力是呈周期性變化的，各曲柄上的擾力相差160°，其作用點在各曲柄的中心位置.最大擾力Pz1max= 14 317N，Px1max= 23 508N，Px2max= 1 490N.

曲軸的擾力變化情況如圖6～圖8所示.從圖6～圖8可以看出，在曲軸轉動一周過程中，總擾力是呈周期性變化的，最大擾力均很小，可以忽略.

圖6 曲軸一諧豎直擾力變化曲線

圖7 曲軸一諧水平擾力變化曲線

圖8 曲軸二諧水平擾力變化曲線

4 結束語

通過對雙作用往復泵的擾力分析可知：雙作用往復泵曲軸的每個軸段的擾力都呈周期性變化；其曲軸的總擾力很小，可以忽略，所以雙作用往復泵具有自身的平衡，不會對基礎帶來擾力引起的振動.

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(編輯：郝秀清)

Analysis of disturbing force of double-acting reciprocating pump

LIU Yuan-yong, WEI Xiu-ting

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China)

In order to analyze disturbing force calculation of double-acting reciprocating pump, kinematics and dynamics theory of mechanism were used, the main mechanism of double-acting reciprocating pump was analyzed, calculating equations of different shaft-sections were deduced, and the general calculating method was achieved. The disturbing force change law was achieved through computational simulation of examples. The result shows that double-acting reciprocating pump had its own equilibrium， it won’t bring vibration caused by disturbing force to foundation, and particular reinforcement of foundation wasn’t needed.

double-acting reciprocating pump； disturbing force；computational simulation

2015-01-15

劉原勇，男，liuyuanyong@sdut.edu.cn

1672-6197(2015)06-0043-03

TH

A