基于導軌滑塊的隔膜泵改進技術

王 君

（山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

我國是一個能源大國，無論是能源的產量規模還是消費需求規模都十分巨大。空氣源熱泵在目前的新能源市場應用非常廣泛。隔膜泵是空氣源熱泵機組中不可缺少的定量輸送熱媒介質的動力部分，其能耗和效率會對空氣源熱泵機構整機的效率起到非常重要的影響作用。隔膜泵是液壓柱塞泵的一種應用形式，能耗也是衡量隔膜泵的一個最重要的性能指標。而目前我國甚至國際上對隔膜泵的效率以及能耗方面的研究比較薄弱，大部分是針對泵內部的摩擦來進行分析的，而對于泵內部結構的改革尚沒有先例。市面上的隔膜泵結構一般為偏心輪彈簧結構和曲軸連桿結構，這兩種結構在一些大型設備上應用廣泛，但是存在能耗高以及占地空間大的弊端。

1 現用隔膜泵存在的弊端

針對空氣源熱泵的使用，現有隔膜泵亟需解決的問題，一是降低功率損耗，二是增大泵送流量。隔膜泵安裝在空氣源熱泵內部，負責系統內部制冷劑的循環，其外形尺寸受機組的空間限制，所以在解決上述問題的同時，其外形尺寸不可有大范圍的變動。根據目前市場泵的功率統計，家用空氣源熱泵的功率消耗為5 kW～6 kW，相對傳統供暖設備而言在功率消耗上的優勢并不明顯。同時泵的功率損失大也會加快泵性能的衰退，降低隔膜泵的使用壽命，與此同時也不利于節能和環保。

1.1 偏心輪彈簧結構

偏心輪彈簧結構為隔膜泵較為傳統的傳動結構，其工作原理是電機通過蝸輪蝸桿的嚙合傳動進行減速，把旋轉運動傳遞給偏心軸，偏心軸帶動圓柱滾子軸承做圓周運動。為了保證運行的平穩性，圓柱滾子軸承與泵的柱塞接觸的部位加工為平面。柱塞通過彈簧與圓柱滾子軸承的平面側緊密接觸，圓柱滾子軸承在隨著偏心軸運動時推動柱塞向前運動壓縮液壓油進行制冷劑的輸出過程。在柱塞的外側設有對應參數的彈簧，當偏心輪旋轉至下半圈時，柱塞的回程動力是由彈簧力提供，液壓油腔容積變大進行制冷劑的吸收過程。其內部結構如圖1所示。

通過分析偏心輪彈簧結構柱塞泵的工作過程不難看出，這種結構相對簡單，所占的體積較小，設計和生產加工比較方便。但在柱塞的推程階段，也即在液壓油被壓縮的過程中需要克服彈簧力，這會產生一定的功率損耗。同時由于柱塞與圓柱滾子軸承的平面側的面接觸會產生摩擦熱，不利于控制泵的油腔溫度。同時長期運行過程中，由于在柱塞往復運動的開始和結束瞬間存在一定運行沖擊，會出現圓柱滾子削平面側與柱塞脫開的現象，使柱塞無法運行完全的行程，并撞擊泵的內側壁，出現運行事故，損耗隔膜泵的壽命。

1.2 曲軸連桿機構

曲柄連桿結構是目前隔膜式隔膜泵應用最多的結構。與偏心軸彈簧結構相比，曲軸連桿結構不使用圓柱滾子軸承和彈簧，而是通過連桿來保持柱塞和偏心軸的連續運行。如圖2所示，連桿結構傳遞動力強，工作過程穩定連續不卡頓，并且在柱塞的整個往復行程中，無需克服彈簧力，沒有彈簧帶來的功率損耗。方便維護，能更換柱塞、所有軸承、蝸桿、蝸輪、柱塞密封圈。

但是曲軸連桿機構的隔膜泵由于增加了連桿構件，連桿與偏心軸的運動副內部需要加軸承，連桿與柱塞的連接要增加十字頭構件，再加上連桿本身長度，這就會導致曲軸連桿結構的隔膜泵的體積大大增加，所以在空氣源熱泵中，這種機構隔膜泵應用十分受限。另外在偏心軸的旋轉運行過程中，連桿會產生豎向的分力，導致柱塞在運行時發生翹頭的現象，會導致缸套內部被破壞，同時也會加速柱塞密封圈的提前老化。

2 導軌滑塊結構

通過分析偏心輪彈簧結構隔膜泵和曲軸連桿結構隔膜泵，發現要保證柱塞能夠順暢不卡頓地在泵體中做往復運動，需要柱塞能夠始終緊密貼合在圓柱滾子軸承的平面側上，上述兩種結構的隔膜泵中的彈簧以及連桿就是為了實現這一功能所設置的。針對空氣源熱泵機組的應用需求，既要保證泵的運行平穩性和使用壽命，還要能夠降低功率損耗和外形體積，在詳細對比和計算之后，考慮把彈簧和連桿十字頭等機構改為燕尾型的導軌滑塊機構，導軌滑塊的特殊結構可以保證偏心輪和柱塞在整個往復運動過程中始終保持緊密接觸。

2.1 直線導軌

直線導軌又稱線軌、滑軌等，用于高精度或高速的直線往復運動場合，并且其導軌和滑塊的連接面為燕尾形狀，所以這種機構可以承擔一定的扭矩。同時兩者的接觸副由滾珠構成，把滑動摩擦變為滾動摩擦，可以降低摩擦損耗，可在高負載的情況下實現高精度的直線運動。如圖3所示，滑塊內部的圓弧溝槽在安裝時，由于鋼珠存在一定彈性變形及接觸點的轉移，即使安裝過程中存在少量的偏差，也能被線性滑塊內部所吸收，所以直線導軌機構具有自動調心能力，從而能夠得到高精度并且穩定的平滑往復運動。由于對生產制造精度嚴格管控，直線導軌尺寸能維持在一定范圍之內，并且滑塊內部有保持器的設計以防止鋼球脫落。

直線導軌的特點如下：

（1）自動調心能力。安裝時，即由鋼柱的彈性變形及接觸點的轉移，即使安裝面有些偏差，也能被線軌滑塊內部吸收，產生自動調心能力的效果，從而得到高精度穩定的平滑運動。

（2）具有互換性。由于生產制造精度嚴格管控，直線導軌尺寸能維持在一定的水準內，且滑塊有保持器的設計以防止鋼珠脫落，因此，部分系列精度的線軌和滑塊具有可互換性。

（3）所有方向均具有高剛性。運用四列式圓弧溝槽，配合四列鋼珠等45°接觸角度，讓鋼珠達到理想的兩點接觸構造，能承受來自上下和左右方向的負荷，必要時可施加預壓以提高剛性。

2.2 結構原理

根據直線導軌的結構和使用特點，把直線導軌應用在隔膜泵的結構中，用其取代彈簧和連桿構件。新結構如圖4所示，把圓柱滾子軸承替換為D型輪，D型輪與偏心軸靠軸套的連接實現相對運動。線軌和滑塊分別按要求安裝在D型輪和柱塞上。

把偏心輪彈簧結構中的圓柱滾子軸承改為D型輪和軸套組合的結構，這樣既能實現D型輪和偏心軸的相對運動，也能使導軌有足夠的安裝空間。D型輪側面加工有螺栓孔，導軌與D型輪通過螺栓固定在一起，如圖5所示，導軌的長度與D型輪高度相等。滑塊部分安裝在柱塞體上，柱塞體一端加工有螺栓孔，并且需要預留安裝螺栓的空間，如圖6所示，通過螺栓固定滑塊和柱塞。滑塊和導軌配合在一起做上下相對運動，帶動柱塞做往復運動。此結構可使柱塞與D型輪始終保持緊密接觸，并有效防止脫開。

2.3 導軌滑塊式隔膜泵的工作原理

更改后的隔膜泵的工作原理：電機通過蝸輪蝸桿的嚙合傳動進行減速，把旋轉運動傳遞給偏心軸，偏心軸帶動D型輪做圓周運動，D型輪與偏心軸之間存在相對轉動，其導軌側通過直線導軌與柱塞連接在一起，由于直線導軌的燕尾槽結構，可以使其導軌側始終保持豎直運行。直線導軌的滑塊和導軌通過滾珠副連接，隨著導軌和滑塊之間的相對運動，使柱塞隨導軌完成一個完整的往復運動。

3 計算分析

以5 000 g/min流量的隔膜泵為例，設柱塞直徑=44.45 mm，偏心軸偏心量=12.75 mm，電機轉速=1 450 r/min，選取彈簧的工作力值為=468 N，蝸輪蝸桿傳動比為=11.5，隔膜泵的極限工作壓力為=3.8 MPa，計算基礎參數如表1所示。

對上述參數的偏心輪彈簧結構的隔膜泵進行受力分析和計算，計算過程如下：

柱塞受力面積：

柱塞受力：

蝸輪扭矩：

蝸輪圓周力：

蝸桿軸向力：

蝸輪徑向力：

蝸桿徑向力：

蝸桿圓周力：

蝸輪軸向力：

蝸桿扭矩：

式中，為蝸輪蝸桿傳動效率，此處取值為0.8。

所需功率為

經計算偏心輪彈簧結構柱塞泵的耗費功率為1.34 kW。

其中泵要克服彈簧力所損耗的功率

此參數的泵在克服彈簧力所損耗功率為25.08 W。經過計算對比，流量為5 000 g/min的隔膜泵，當其取消彈簧時，可以節省的功耗占比為2%左右。同時由于圓柱滾子軸承與柱塞側的摩擦力和彈簧力共存，更改結構后的功耗能夠大大降低，這對整個空氣源熱泵機組的性能非常有利。

4 結束語

隔膜泵為液壓柱塞泵的一種，而液壓泵應用范圍廣泛，尤其是在工作精度要求高，空間限制比較嚴格的場合有著非常普遍的應用，另一方面液壓式柱塞泵也存在能效較低、耗能較大的缺點，所以傳統的隔膜式柱塞泵結構亟需更為有效的改革。在本次研究過程中，通過對柱塞式隔膜泵結構的調整，并對其進行受力分析和計算，取消傳統的隔膜泵結構中的彈簧，引入直線導軌這種機構，使泵在功率損耗方面節省了2%的功率，有助于提高空氣源熱泵機組的能效比，使其應用更為廣泛，有更好的實用性。同時在把偏心軸的旋轉運動轉換為柱塞的直線運動這一過程中，取消連桿十字頭，采用直線導軌的特殊結構，大大減小了隔膜泵的外形尺寸，使空氣源熱泵機組的占地面積大大減少。在能效比和占地面積兩方面，使空氣源熱泵的大規模應用相對于傳統供暖設備有了更好的優勢。同時在隔膜式柱塞泵中引入直線導軌，其分析結果為未來柱塞泵的結構升級和更進一步的節能分析提供了一定的理論基礎。