一種穩流柱塞泵閥芯結構設計

張馳 周平運

摘 要：針對柱塞泵在應用過程中流體運動不穩定的問題，設計一種新型穩流柱塞泵閥芯結構。四缸四沖程式柱塞泵由電動機提供動力帶動偏心輪機構轉動，將電動機的旋轉運動轉化為柱塞的往復運動，給水加壓。選用石墨/ZTA陶瓷基復合材料作為缸體材料來解決水環境下柱塞泵易磨損問題。針對其結構設計、材料選型以及工作原理進行論述。

關鍵詞：柱塞泵;四沖程;偏心輪;旋轉運動

中圖分類號：TH322 ? ? ? ?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.04.010

隨著現代化農業技術的不斷發展，人們對于農田灌溉設備的研究與使用也越來越多。水壓泵作為農田灌溉的重要設備，人們對水壓泵的生產與研發也日益增多[1]。相較于油壓泵所使用的液壓油具有更加穩定的理化性質，水介質對于水壓泵的材料理化性能以及強度要求更高。王慧等[2]采用理論分析的方法研究了滑靴副紊流下水膜靜壓支承特性，發現不同介質下滑靴的靜壓支承特性并不相同，僅考慮水膜的支承剛度，壓降系數應取0.7715，而不是傳統值2/3。劉永鐸等[3]利用計算機建模對偏置式徑向柱塞馬達的運動學特性進行理論分析，發現馬達滑靴滑移性能較好，啟動和制動迅速，能正反轉切換，輸出扭矩大，在低速、重載下運轉時，運行平穩，不會出現振動和沖擊，而且加工和維修難度較低。

本文針對柱塞泵，從結構上對柱塞泵閥芯進行設計，采用四缸四沖程結構，利用偏心輪機構同時將電機的旋轉運動轉化為柱塞的往復運動。

1 四缸四沖程式柱塞泵傳動機構設計及運動學分析1.1 傳動機構的設計

四缸四沖程式柱塞泵主要借鑒了汽車的四沖程式發動機的曲軸機構[4-7]，曲軸機構在電動機帶動下將旋轉運動轉換為柱塞的往復運動。四個偏心輪機構沿軸向排列，相鄰偏心軸在異面圓周方向的夾角相差90°（如圖1）。在同一時間，各個沖程相鄰兩兩運動狀態相反，保證在每個時刻泵的吸水量等于排水量，水流源源不斷的從入水口進入，從排水口排出。從而使各時刻排水量與吸水量基本相同，達到穩定水流的目的。

通過理論推導計算，得到了柱塞的位移、速度、加速度的運動規律。根據運動規律方程可以求出柱塞在任意時刻的運動參數。經分析可知，在相同的幾何參數和運動條件下，對稱曲柄滑塊機構的速度和加速度最大值比偏置曲柄滑塊機構的相應值大，并且隨著偏置量e的增大，偏置曲柄滑塊機構的速度和加速度最大值將進一步減小。表明馬達的活塞缸偏置和增大偏置量e對改善徑向柱塞的運動性能是有利的。

1.3 缸體材料的設計

在本設計中缸體是一個非常特殊的元件，在高速運動的環境下，缸體在摩擦磨損和水侵蝕的雙重作用下使用壽命會大大降低，極大地增加了修理成本和泵體的穩定使用性能。本設計考慮到陶瓷基符合材料性能的穩定性，選用石墨/ZTA陶瓷基復合材料，石墨含量為10%，該材料的摩擦系數為0.38，強度極限σb=480 MPa。缸體的主要設計參數如圖3。

1.4 整流器的設計

由于四缸四沖程式柱塞泵有四個閥口進行排水，4個閥口進行吸水，如果只采用管道與閥口進行配合，會導致管線雜亂無章，影響柱塞泵在實際生產中的使用。基于以上考慮，設計一個能與泵體直接配合的整流器，讓4個不同的吸水閥口匯聚到一條管路，四個不同的排水閥口匯聚到另一條管路，整流器與8個閥口直接配合，整流器下端與整流器底面中線處開8個圓孔洞，與安裝在缸體上的單向閥配合。利用如圖4所示的管路，將各個閥口連接起來，最后將所有管路與外表面聯通。

2 工作原理

四缸四沖程式柱塞泵的設計主要借鑒了發動機的設計理念，利用四個活塞交替往復運動來為水提供液壓動力。電動機通過聯軸器將轉矩傳遞給曲軸，曲軸帶動偏心軸做圓周運動，從而帶動整個主軸轉動。通過連接在偏心輪上的連桿機構來實現將旋轉運動轉化為柱塞的往復運動。在排水過程中，連桿在偏心軸帶動下推動柱塞在缸體內向上止點運動，使缸體內的水不斷在柱塞推力作用下從缸體上的單向閥口推出缸體，從而實現為水加壓的效果。在吸水過程中，連桿在偏心軸帶動下拉動柱塞向下止點運動，水從對應流向的單向閥內被吸入，之后在缸體內完成加壓過程（如圖5）。

四個柱塞在同一時刻運動狀態兩兩相反，兩個處于吸水狀態兩個處于排水狀態，以保證在同一時刻進水量與出水量的統一。從而實現在每個時間段泵都在吸水和排水，而且吸水排水的量基本相同，從而更好地為液壓系統提供液壓動力。由于吸水和排水的量基本相同，四沖程式柱塞泵的水流更加穩定，機體的振動也比較小，整個機器的運行也更加穩定。

3 結論

（1）通過偏心輪機構將電機的轉動轉化為柱塞的往復運動，進而利用柱塞的往復運動給水加壓。通過采用將偏心輪機構中偏心軸放置的角度相差90°的形式，實現同一時間進水量與出水量相同的設計目的。

（2）通過將四沖程柱塞泵缸體材料改變為石墨/ZTA陶瓷基復合材料，使四沖程柱塞泵具有自潤滑的功能，可以應用到復雜水質環境中，抗腐蝕效果好，解決金屬材料在海水中易生銹腐蝕磨損的問題，使用壽命增長，拆裝更為方便。

（3）通過設計整流裝置，使得四沖程式柱塞泵在安裝時只需要一進一出兩個管，大大節省了所占空間，也使工人們在安裝時更加方便。

參考文獻：

[1] 王洋，胡日新，湯海濤，等.旋渦自吸泵小流量工況下的流動噪聲研究[J/OL].農業機械學報，2017（10）：1-8[2020-03-05].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1964.s.20170718.1329.014.html.

[2] 王慧，郝立志.水壓軸向柱塞泵滑靴副紊流下水膜靜壓支承特性[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2014，33（6）：837-841.

[3] 劉永鐸，劉偉.基于UG軟件的偏置式徑向柱塞馬達特性分析[J].自動化與儀器儀表，2014（5）：140-142.

[4] 王明星，代正弋，宋江，等.四沖程自由活塞天然氣發動機研究[J].中國設備工程，2019（17）：185-187.

[5] 鐘賽君，王強勝，衛飛，等.基于模擬實驗裝置進行的小型二沖程發動機缸內slap現象研究[J].小型內燃機與車輛技術，2019，48（3）：25-29.

[6] 劉杰.淺析四沖程活塞式內燃機工作原理[J].內燃機與配件，2019（5）：71-72.

[7] 華儒，徐照平，劉梁，等.自由活塞發動機二沖程運行模式換氣過程優化[J].車用發動機，2018（4）：45-49.