双作用往复泵的扰力分析

刘原勇，魏修亭

(山东理工大学 机械工程学院， 山东 淄博 255049)

双作用往复泵的扰力分析

刘原勇，魏修亭

(山东理工大学 机械工程学院， 山东 淄博 255049)

针对双作用往复泵的扰力计算问题，利用机构运动学和动力学理论，对双作用往复泵的主运动机构进行了分析，推导了不同轴段的扰力计算方程，得到了总的扰力计算方法.通过实例计算仿真，得到了双作用往复泵扰力的变化规律.仿真结果表明：双作用往复泵具有自身的平衡，不会对基础带来扰力引起的振动，不需要对基础进行特别加固.

双作用往复泵；扰力；计算仿真

往复泵是通过工作腔内柱塞的往复运动改变工作腔的容积，从而将液体排出的一种流体机械，其结构简单，在农业、石油、矿山和建筑行业中均得到广泛应用.往复泵主要采用圆形配置，国内许多学者对其运动和动力学性能进行了研究[1-4].往复泵中零部件运动时产生的扰力会引起设备的振动，影响设备的工作性能和使用寿命.对此，一些学者针对曲柄连杆机构进行了扰力分析，得到了相关计算方法[5-7].本文主要对双作用往复泵的扰力进行分析，得出扰力的计算方法.

1 主运动分析

双作用柱塞泵的主运动采用双柱塞对置结构的曲柄双滑块机构，每一曲柄连接两个连杆和两个柱塞(结构尺寸相同)，其简图如图1所示.图1中，曲柄做旋转运动，柱塞往复移动，连杆的运动是复杂的平面运动.为计算方便，根据质量等效原理将连杆的质量等效到曲柄和柱塞上.

图1 主运动机构结构简图

整个机构旋转运动的不平衡质量ma为

(1)

往复运动的质量分为左、右两部分，用mb1和mb2表示，且

(2)

(3)

式中：ml2，mr2为左、右连杆的质量；ml3，mr3为左、右柱塞的质量；m1为曲柄的质量；l为连杆的长度；lc为连杆的质心到曲柄销中心的距离.

2 扰力计算

双作用柱塞泵采用圆形配置，原动件为曲轴，每个偏心轴段作为曲柄，其轴线分布在半径为r的圆周上，相邻两个轴段的夹角为q.故主运动的曲柄长度为r，曲柄和柱塞运动方向的夹角为j+qi，i=0，1，2，3，…，n，n为曲柄的个数.

2.1 每一轴段的扰力分析

若曲轴以等角速度w回转，每一轴段主运动机构的旋转运动的不平衡质量和往复移动的质量均会产生惯性力，如图2所示.

图2 主运动机构惯性力

旋转运动部分产生的惯性力为

Pai=mairω2

(4)

两边柱塞的加速度不同，通过运动分析可知两柱塞的加速度分别为:

(5)

(6)

所以，往复运动部分产生的惯性力分别为：

Plbi=-mb1iali=-mb1irω2[cos(φ+θi)-

(7)

Prbi=-mb2iari=mb2irω2[cos(φ+θi)+

(8)

将旋转运动的不平衡质量和往复移动的质量产生的惯性力合成，在竖直方向上的力为

Pzi=mairω2sin(φ+θi)

(9)

水平方向上的力为

Pxi=mairω2cos(φ+θi)+

(10)

所以，一谐和二谐竖直扰力分别为：

Pz1i=mairω2sin(φ+θi)

(11)

Pz2i=0

(12)

一谐和二谐水平扰力分别为：

Px1i=mairω2cos(φ+θi)

(13)

(14)

2.2 曲轴上总的扰力计算

计算作用于整个曲轴上的扰力，需要将每个轴段的扰力合成.一、二谐竖直和水平扰力分别为：

3 实例分析

以9DW27016Ⅰ注水泵为例进行扰力分析，其基本参数见表1.

表1 9DW27016Ⅰ注水泵的基本参数

项目数值主轴转速/r·min-1n=270柱塞布置方式18个柱塞对称布置相邻两曲柄夹角/(°)160曲柄质量/kgm1=94．47柱塞质量/kgm3=43．64曲柄长度/mmr=90连杆长度/mml=555连杆质量/kgml2=62．8，mr2=72．51

利用上述公式可以计算出每一个曲柄在曲轴转动一周的扰力变化情况.每一轴段上的扰力变化情况如图3～图5所示.

图3 一谐竖直扰力变化曲线

图4 一谐水平扰力变化曲线

图5 二谐水平扰力变化曲线

从图3～图5可以看出，在曲轴转动一周过程中，扰力是呈周期性变化的，各曲柄上的扰力相差160°，其作用点在各曲柄的中心位置.最大扰力Pz1max= 14 317N，Px1max= 23 508N，Px2max= 1 490N.

曲轴的扰力变化情况如图6～图8所示.从图6～图8可以看出，在曲轴转动一周过程中，总扰力是呈周期性变化的，最大扰力均很小，可以忽略.

图6 曲轴一谐竖直扰力变化曲线

图7 曲轴一谐水平扰力变化曲线

图8 曲轴二谐水平扰力变化曲线

4 结束语

通过对双作用往复泵的扰力分析可知：双作用往复泵曲轴的每个轴段的扰力都呈周期性变化；其曲轴的总扰力很小，可以忽略，所以双作用往复泵具有自身的平衡，不会对基础带来扰力引起的振动.

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(编辑：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

刘原勇，男，liuyuanyong@sdut.edu.cn

1672-6197(2015)06-0043-03

TH

A