往復式活塞泵供水壓力波動試驗研究

劉志斌，王斌，徐國榮，魏晉，恵東志

(三一重工工程車輛研究院，湖南長沙 410100)

往復式活塞泵供水壓力波動試驗研究

劉志斌，王斌，徐國榮，魏晉，恵東志

(三一重工工程車輛研究院，湖南長沙 410100)

介紹一種可實現連續供水的往復式活塞泵系統與試驗測試系統。通過試驗與測試，分析出水壓力波動的原因，并利用蓄能器對出水壓力波動抑制進行了試驗研究，取得了較好的效果。

往復式活塞泵;連續供水;壓力波動;試驗研究

動力端由液壓直接驅動的往復式泵［1］作為供水裝置應用時，出水具有高壓大流量的特點，供水壓力可達4～6 MPa，此時流量仍可達到15～30 L/s;另一方面，可通過液壓系統快速調節輸水壓力和流量［2］。目前隨著超高層建筑越來越多，往復式泵作為供水裝置，用作消防泵或作為超高層建筑供水裝置，有較好的應用前景。但是，往復式泵存在一定的流量、壓力波動，是它投入實際應用的一個巨大阻礙。

作者在分析往復式活塞泵供水壓力波動原因的基礎上，針對其供水特性，運用蓄能器對波動進行抑制試驗研究，結果表明可大大降低其出水壓力波動性，提高了系統的可靠性。試驗結果為液壓驅動的往復式活塞泵供水研究提供了一定的參考價值，也為往復式活塞泵作為消防供水裝置的實際應用提供了試驗依據。

1 試驗平臺

試驗平臺組成及工作原理如圖1所示，由水泵系統、液壓控制系統［3］與測試系統組成。水泵系統為往復式雙缸雙作用活塞泵。水泵系統的運行原理:控制器程序控制三位四通電磁換向閥6、7的電磁鐵DT1、DT2、DT3、DT4得失電順序，控制油缸各腔 A1、B1、A2、B2進油順序，實現2個雙作用活塞泵8、9的交替往復動作。系統運行過程中，一缸活塞即將到位的壓力信號控制另一缸的啟動，保持兩缸出水的疊加，結合單向閥組實現出水口的連續供水。電磁鐵得電時序如圖2。

圖1 往復式活塞泵試驗平臺組成及工作原理圖

圖2 電磁鐵得電時序圖

測試系統由檢測裝置——壓力傳感器、信號采集系統及用于處理和存儲的計算機組成。壓力傳感器布置如圖1所示，用于檢測4個油缸各腔壓力p1、p2、p3、p4，主系統壓力p以及水路出口壓力p0。試驗通過采集各壓力傳感器數據并存儲在計算機中，由計算機處理后得到壓力－時間曲線。

2 波動分析

(1)往復式活塞泵打水試驗過程中，出水連續。通過分析壓力－時間曲線圖 (圖3)可知:出水口壓力p0出現周期性波動變化，平均出水壓力3.6 MPa，上下波動幅度最大1.3 MPa，波動幅度約36%。

(2)出水口壓力波動時刻。在某一缸活塞啟動運行時刻，即活塞啟動加速過程，此時工作油路壓力p、出水口壓力p0均存在掉壓現象。活塞勻速運行時，進油腔內壓力穩定，出水口壓力平穩。

圖3 壓力曲線圖

(3)對某一個換向時刻進行分析，如圖4為曲線圖一個換向部分的放大。此時對應壓力p2的油缸B1腔進油，缸內壓力從0開始上升，對應活塞啟動加速到勻速，直到系統穩定平衡，此過程持續0.2 s左右。

圖4 曲線換向放大圖

從曲線圖上壓力變化可知:

①油缸內壓力的建立需要一定的時間，理論上油液不可壓縮，此過程是負載建立所需時間，這是由負載側單向閥啟閉固有響應時間導致。

②B1腔活塞啟動瞬間，負載側此時連通水箱為常壓，近似為零，隨著活塞啟動加速，負載壓力開始建立。此時系統工作油路壓力隨著活塞加速而降低，加速結束時降至最低［4］。

③運行一缸因系統壓力下降，導致A2腔內壓力隨系統壓力而產生波動。回油腔B2由于油缸行程末端特有的緩沖腔結構，壓力略有上升，在受到A2腔的影響后產生波動。

④在1缸活塞啟動加速過程中，負載壓力上升又未完全建立，運行一缸因活塞接近行程末端的緩沖腔，活塞開始減速，導致壓力下降，最終導致了出水口壓力的下降。在活塞運動速度變化與閥啟閉的聯合作用下，出水口壓力產生了先下降再上升的波動現象。

⑤由于閥的啟閉產生的沖擊現象以及活塞運動的啟動與停止產生的水擊現象，導致換向時壓力曲線在上升或下降中存在局部波動。

⑥水路上單向閥與液壓閥啟閉的滯后與泄漏等原因，也導致系統各處壓力變化，并不是完全同時保持一致。

(4)調節系統不同流量進行試驗，隨著出水平均流量的增大，出水壓力的波動增大，如圖5。

圖5 不同流量下的出水口p0壓力曲線

(5)除了因閥的啟閉與活塞啟動與停止造成出水壓力波動外，水泵與液壓元件的性能差異同樣對出水壓力的波動存在影響，試驗過程中也存在一些隨機因素影響壓力波動，如進出水閥滲漏或發卡等情況導致壓力波動異常。

3 蓄能器對出水壓力波動的衰減效果

為改善活塞泵出水口壓力波動缺陷，在出水口增加蓄能器3(容積40 L，充氣壓力2 MPa)，如圖1所示，對壓力的波動進行抑制。通過測試得到如圖6所示壓力－時間曲線。水路壓力有較大改善，換向時的波動曲線上波峰消除、波谷基本消除，波動幅度由35%改善到10%以內。

圖6 出水口連接蓄能器時p0壓力－時間曲線

通過對多組試驗數據 (同等出口流量，不同壓力)分析，蓄能器充氣壓力在出水壓力的80%左右抑制效果最佳。如圖7，蓄能器充氣壓力2 MPa，出口平均壓力2.5 MPa時，波動較小。

圖7 不同出口壓力下壓力波動率

4 結論與展望

(1)往復式柱塞泵作為供水裝置時存在壓力波動的難題，通過試驗分析了出水壓力波動的原因。

(2)雙缸往復泵在打水過程中，利用一缸與另一缸出水的疊加可以解決出水連續性，銜接的控制方法與結構對波動有較大影響。文中利用緩沖腔結構和到位壓力信號控制兩缸打水銜接，控制簡單，易于實現。

(3)利用蓄能器對出水壓力波動的抑制進行了實驗研究，取得了較好的衰減效果。

(4)直接在出水總管路上連接蓄能器時，出水壓力波動可由無蓄能器穩壓時的35%降低到10%左右。

(5)蓄能器對出水壓力波動有較大改善，不足之處是蓄能器固定的充氣壓力和容積參數對于不同的出水壓力和流量不能進行匹配調節，即無法保證不同工況下的最優匹配，因此需要進一步研究往復式活塞泵出水波動的抑制方法。

【1】周長云，劉洋，彭斌望，等.液壓往復泵及現場試驗［J］.石油礦場機械，2001(S1):61－63.

【2】高學仕，房軍，趙懷文.一種新型的液壓驅動往復泵［J］.液壓與氣動，2001(6):40 －41.

【3】王新華，王建新，齊明俠，等.液壓驅動往復泵活塞運動特性分析［J］.石油機械，2002，30(5):22 －24，27.

【4】周江林，王新華，王思民，等.液壓驅動往復泵壓力特性的理論與實驗研究［J］.機床與液壓，2010，38(9):29－33.

Experimental Research on Water Pressure Fluctuation of Reciprocating Piston Pump

LIU Zhibin，WANG Bin，XU Guorong，WEI Jin，HUIDongzhi
(Engineering Vehicle Research Department，Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410100，China)

A reciprocating piston pump which could be used to supply water continuously and a test system for this pump were introduced.The reasons about the water pressure fluctuation were analyzed based on the test results.An accumulator was used to restrain the pressure fluctuation and a good resultwas achieved.

Reciprocating piston pump;Continuous supply ofwater;Pressure fluctuation;Experiment research

TH137.51

A

1001－3881(2013)8－074－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.026

2012－03－27

劉志斌，男，高級工程師，現從事工程車輛研發管理工作。E－mail:wangbb3@163.com。