進口高壓柱塞泵國產(chǎn)化設計分析

張世軍

（本溪水泵有限責任公司，遼寧 本溪 117000）

為了響應國家號召，提高國內(nèi)往復泵類機械設計水平，趕超國際先進生產(chǎn)廠家，我公司對進口意大利品牌的高壓五柱塞泵進行國產(chǎn)化。國產(chǎn)化型號名稱為5DSJ-20.5/26。以下內(nèi)容為本人對其進行簡要的介紹、分析和設計計算。

1 高壓泵技術參數(shù)

5DSJ-20.5/26 型往復式高壓泵的泵技術參數(shù)見表1。

表1 泵技術參數(shù)

2 五柱塞往復式高壓泵特點、主要構成及工作原理

2.1 泵的特點

（1）設計標準：API674《容積泵》；GB/T 9234-2008《機動往復泵》設計、試驗、生產(chǎn)。

（2）結構緊湊、布局合理、效率高，機動靈活。

（3）振動小、裝拆、維修方便，具有均勻的流量，脈動小。

（4）采用盤根填料，壽命長。

（5）該泵排出端裝有安全閥、壓力表保證設備安全運行。

2.2 泵的主要構成

（1）動力端。動力端主要由傳動箱體、曲軸、連桿、十字頭等件組成。傳動箱體為安置動力部分和連接液力部分的受力部件，兩側留有安裝主軸承的座孔，曲軸箱下方為油池，用以儲存潤滑油，傳動箱體內(nèi)部有十字頭滑道，作為十字頭的運動導向，動力帶動曲軸、連桿和十字頭做往復運動。

特點：①十字頭不直接與傳動箱體接觸，兩者中間鑲有套筒，可更換。十字頭往復運動，不會直接磨損傳動箱體，便于維護維修。②十字頭與接桿之間采用螺紋與鍵連接，并通過焊接使兩者固定在一起，確保十字頭與接桿形位公差。③整體結構為不對稱結構，內(nèi)部放置減速齒輪，結構緊湊，加工相對復雜。

（2）液力端。泵液力端主要由液缸體、柱塞、填料函、進液閥、排液閥等組成。采用整體式結構，水平方向有五組液壓腔，分別裝有三組柱塞填料。每根柱塞對應的液壓腔的垂直方向設有閥腔，下方為一組進液閥腔，上方為一組排液閥腔。進排液孔設在液缸體上，并由兩側進出。特點：結構緊湊、泵排液腔上部裝有壓力表，排出口裝有安全閥。與國內(nèi)設置基本相同。

（3）傳動部分。采用內(nèi)置減速結構，高、低速聯(lián)軸器和護罩組成

（4）安全閥。安裝于排出口處，對泵起安全保護作用，開啟壓力一般調(diào)整為泵額定排出壓力的1.1 倍，安全閥只起泄壓保護作用，不作為經(jīng)常工作的旁路溢流通道。特點：26MPa 壓力，采用螺紋連接。

（5）潤滑。①此泵潤滑方式為浸油潤滑+飛濺潤滑+強制潤滑。浸油潤滑是將軸承、連桿、瓦等零部件的部分浸在潤滑油中，隨著旋轉(zhuǎn)運動，使零部件整體得到潤滑。飛濺潤滑是利用傳動箱體內(nèi)曲軸，連桿等運動件的活動，攪動油液形成油霧，飛濺到各磨擦表面，達到潤滑目的。強制潤滑為曲軸軸頭端連接齒輪油泵，由齒輪油泵強制輸送潤滑油到各重要傳動部件的摩擦表面。②潤滑油的選用。原潤滑油為意大利牌號，現(xiàn)更換為美孚220#齒輪油。

（6）基本工作原理。電動機通過高、低速聯(lián)軸器和減速齒輪副，帶動泵的曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸帶動連桿、柱塞做往復運動，并帶動齒輪油泵做旋轉(zhuǎn)運動。當柱塞向后運動時，進液閥打開，液體進入液缸體，直到柱塞移到最后位置為止（曲軸轉(zhuǎn)動180°）吸入過程結束。柱塞開始向前運動，此時，液缸體的閥腔內(nèi)的液體受擠壓，壓力升高，進液閥關閉，排液閥被打開，液體被柱塞推動經(jīng)排液閥排出。曲軸旋轉(zhuǎn)，齒輪油泵隨之工作，將傳動箱體內(nèi)潤滑油經(jīng)過過濾器及冷卻器后，注入回油箱內(nèi)，完成回路。

3 高壓泵主要設計計算

5DSJ-20.5/26 型高壓柱塞泵（以下簡稱“泵”）簡介：內(nèi)置減速，傳動箱為非對稱結構；4 支撐5 拐；采用連桿大頭定位；薄壁瓦，連桿寬40mm，瓦寬38mm；十字頭外有十字頭滑套鑲嵌在傳動箱內(nèi)；十字頭與接桿焊接；柱塞為陶瓷柱塞；無填料壓套螺母，用彈簧限位緊固；缸體內(nèi)成階梯孔型，分別為φ60、φ61、φ62；錐閥；無液缸放氣裝置，有排出腔壓力表；出口設有安全閥；外掛齒輪油泵、過濾器、冷卻器；采用浸油潤滑+飛濺潤滑+強制潤滑；注油及放氣裝置在泵的一側；泵下部有外排油管及閥門；油標與十字頭、接桿、柱塞在同一水平線上；傳動箱及蓋均采用散熱筋似結構，蓋材質(zhì)為鋁。

3.1 基本參數(shù)

（1）流量：Q=20.5m3/h；（2）排出壓力：P=26MPa；（3）往復次數(shù)：N=374 次/min；（4）柱塞直徑：D=50mm；（5）行程：S=98mm；（6）缸數(shù)：Z=5；（7）內(nèi)置齒輪減速：減速比i=87/22=3.9545。

3.2 理論流量

Q1=Z× F×S×N=5×0.785×52×10-4×0.098×374×60=21.58容積效率：ηv=Q/Q1=20.5/21.58=95%

3.3 柱塞推力

P2=0.785×D2×P×10=0.785×（5cm）2×26MPa×10=5102.5kgf

3.4 曲軸主要尺寸校核

說明：此泵為4 支撐5 拐曲軸。

實際直徑：D實際=120mm S/D實際=46/120=0.38

（2）曲軸軸頸：D1=(0.9 ～1.1)D實際=108 ～132mm D1實際=70mm

（3）曲柄厚度：說明：聯(lián)數(shù)多但中間有支撐，材料許用應力高，可以選小值。

t=（0.5 ～0.7）D實際=60 ～84mm

t實際=55mm、60mm（兩端為55mm、中間4 處為60mm）

3.5 連桿的確定

連桿中心距l(xiāng)=280mm；連桿大頭半徑r=126/2=63mm；連桿比：r/l=63/280=0.225；連桿寬40mm；

最小當量截面積：

S=0.785×dm=0.785×49.682=1937.46mm2

實際截面積S實際=1531.351mm2

連桿小頭襯套比壓：δ=P2/(L×D)=5102.5/（4×3.8）=335.69kgf/cm2

3.6 十字頭校核

實際直徑：φ90mm

滑履長度：L=（0.9 ～1.2）Dh=81 ～108mm

實際長度：95mm

3.7 傳動箱校核

箱體壁厚：根據(jù)活塞力5.1t 壁厚δ ＝15 ～20mm實際15 ～20mm

滑道壁厚＝（1.2 ～1.5）δ ＝18 ～30 實際21.5mm

箱體與液缸連接壁厚及箱體底面地腳螺栓孔處壁厚＝（1.5 ～2.0）δ ＝30 ～40mm，實際52mm 和55mm

3.8 液缸體壁厚校核

r2=67.5mm r1=41.5mm D=83mm 1Cr13=345MPa

N=σb/ dσ =3450/634.47=5.44>2 符合要求

3.9 流速

吸入口：φ73mm；吸入閥當量直徑：φ41mm；排出口：φ38mm；排出閥當量直徑：φ35mm；排出閥起落高度：7mm；吸入閥起落高度8.2mm。

吸入口流速：

V1=（4×20.5）/[3600×(73×10-3）2π]=1.36m/s

排出口流速：

V2=（4×20.5）/[3600×（38×10-3）2π]=5.02m/s

吸入閥：

V1閥=4×20.5/[5×3600×（35×10-3）2π]=1.184m/s

排出閥：

V2閥=4×20.5/[5×3600×（30×10-3）2π]=1.611m/s

吸入閥當量環(huán)面積：

A吸=3.14×4.1×0.82×sin45°=7.46cm2

吸入閥隙流速：

V1=(0.785×52×9.8×374/60)/A吸=160.59cm/s

排出閥當量環(huán)面積：

A排=3.14×3.5×0.7×sin45°=5.44cm2

排出閥隙流速：

V1=(0.785×52×9.8×374/60)/A排=220.22cm/s

3.1 0 柱塞校核

3Cr13

Pz=P×A=26×3.14/4×502×1.5=76537.5N

Pzmax=Pz+Pzm=Pz+0.3Pz=99498.75N

σs =Pzmax/A=Pzmax/（3.14/4×352）=103.469MPa

[ σ s]=[ σ s]t/n n=3

=540/3=180MPa

σs =103.47MPa<180MPa 合格

3.1 1 電機有效功率

泵有效功率Ne=PQ/36.7=26×10×20.5/36.7=145.23kW

η泵總=η 機×η 水×η 容=0.93×0.97×0.95=0.86

軸功率：Nd=Ne/η泵總=145.23/0.86=168.87kW

電機功率N=1.1Nd=1.1×168.87=185.76kW

電機為：Y315L2-4B3-200kW

3.1 2 螺栓校核

（1）液缸側壁：排出：4-M20 d1=17mm

Fo=Fc+Fpc

Fc=1/4×3.14/4×d2×Ps=0.25×0.785×382×39=110 52.015N

Fpc=K Fc K 取0.8

Fo=19893.627N

σb=Fo/A=Fo/(0.875×172)=87.69MPa

安全系數(shù)取n=3

87.69 MPa<[σb]t/3=800MPa/3=266.67MPa

8.8 級螺栓合格

（2）液缸上螺栓：4-M16

Fc=0.25×0.785×622×39=29421.015N

Fo=52957.827N

σb=Fo/A=Fo/（0.785×13.82）=354.24MPa

安全系數(shù)取n=2

354.24 Mpa<800/2=400MPa

8.8 級合格

4 結語

經(jīng)過長達半年的試驗，5DSJ-20.5/26 型高壓泵結構合理、性能穩(wěn)定、可靠，其性能指標完全達到了設計要求，已經(jīng)具備出廠條件，可以滿足用戶需要，對進口意大利品牌高壓五柱塞泵進行國產(chǎn)化成功。國內(nèi)設計的相同參數(shù)的高壓泵，體積及各零件大小均要比國外的大，通過國產(chǎn)化，可以反推各零件選取的系數(shù)，優(yōu)化國內(nèi)的各系數(shù)。相比國外，選取的范圍及數(shù)值大多比國外的要大，因而才會出現(xiàn)國內(nèi)設計的泵型在同參數(shù)的條件下，泵的體積比國外的大，國內(nèi)目前往復泵的技術照比國外還有很大差距。