恒压水泵手动真空抽气装置结构设计及仿真

2019-07-31王成王圣洁

常州工学院学报 2019年2期

王成,王圣洁

(江苏省光伏风电控制工程技术研究开发中心,江苏苏州215009；苏州经贸职业技术学院机电技术学院,江苏苏州215009；苏州市螺旋流恒压泵工程技术研发中心,江苏苏州215009)

0 引言

离心泵启动前需要在泵壳与吸水管内部充满水，将泵壳内部的空气排出。现有技术中通常有以下几种排出空气的方式：第一种，在装配底阀部充水，这种方法对底阀水头造成的损耗较大，工作效率较低；第二种，加装引水罐，通过引水罐将泵壳内部充满水，虽然方便易操作，但引水罐体积较大，成本高，会造成水资源的浪费；第三种，采用大型真空抽气装置，该装置容易损坏且难以维修，使用过程中内部容易存有空气，难以自行排出，需要人工疏通；第四种，采用手动抽气装置，该装置装配简单、使用灵活，但由于手动操作，功率较低[1]。

对轻便型恒压水泵而言，其体积较小，携带方便，如果采用过于复杂的抽气装置则浪费资源且成本较大[2]。轻便型恒压水泵泵壳内部需要排气的空间较小，无需采用大功率的真空泵抽气，因此使用第四种方式即可满足工作需求。在设计轻便型水泵泵壳时，需在其上方预留1个内螺纹接口，用来连接真空抽气装置，图1为轻便型恒压水泵与手动真空抽气装置连接示意图[3]。现对手动抽气装置从结构设计、三维运动仿真以及零件选择等方面进行研究与实践。

a)装配前 b)装配后图1 轻便型恒压水泵与手动真空抽气装置的连接

1 抽气装置零部件结构设计

1.1 进气组件结构设计

进气组件如图2所示。进气孔的外螺纹与离心泵泵壳的内螺纹相连接。开关连接件的外螺纹与进气件的外螺纹连接，用于放置排气单向阀。阀芯导向块的外螺纹与进气件的内螺纹连接，通过弹簧控制进气单向阀，以防内部气体从进气孔流出。

进气组件主要作用是实现气体的单向进入，当进气件内部在活塞作用下产生负压时，进气孔内的气体克服进气单向阀上的弹簧弹力，进入进气件内部，完成吸气，进气单向阀在弹簧的作用下闭合。

1.进气单向阀； 2.进气孔； 3.弹簧； 4.开关连接件； 5.排气单向阀； 6.导向块； 7.阀芯导向块； 8.进气件图2 进气组件装配图

当进气件内部在活塞作用下产生正压时，进气单向阀保持闭合，内部气体在克服排气单向阀上的弹簧弹力后从开关连接件中导出。整个过程利用内外压力差，在内部弹簧的配合下实现了内部气体的单向导通。

1.2 排气组件结构设计

排气组件如图3所示。排气件与气缸本体通过螺纹连接，活塞杆穿过排气件内孔和密封圈安装在其内部，销钉固定安装在活塞杆上。

在排气件内部设计有环形凹槽，转动把手可锁住活塞杆，防止活塞杆自由滑出而造成损坏。工作时，旋转把手对准槽口，销钉即可脱离环形凹槽的限制，此时拉动把手进行抽气[4]。

1.气缸本体； 2.排气件； 3.密封圈； 4.销钉； 5.活塞杆图3 排气组件装配结构

1.3 把手结构设计

把手结构如图4所示。采用人体工学的设计理念，根据人手结构设计把手，尽量减少使用时的身体疲劳。把手中内螺纹与活塞杆的外螺纹连接，紧固螺钉固定把手与活塞杆的位置，防止把手工作时脱落。

图4 把手结构3D造型图

2 抽气装置装配结构、工作原理及零件选用

2.1 装配结构及其工作原理

抽气装置装配结构如图5所示。O型密封圈A安装在进气件外螺纹退刀槽内，进气单向阀左端与进气件内孔相接，右端活动安装在阀芯导向块中心孔内，弹簧安装在阀芯导向块与单向阀阀芯环形端面上。排气单向阀安装在开关连接件内，且与导向块通过弹簧活动连接。气缸本体与进气件螺纹连接，活塞杆与活塞螺纹连接，垫片通过螺钉安装在活塞左端，活塞圆周设有尼龙片和O型密封圈C。把手与活塞杆螺纹连接。

把手带动活塞拉出时，左腔内的气压低于外部气压，而排气单向阀在弹簧弹力作用下锁紧，迫使进气单向阀克服弹簧阻力向右运动，实现吸气。当把手带动活塞推进时，内部气压大于外部气压，此时进气单向阀在弹簧的作用下锁紧，迫使排气单向阀克服弹簧阻力向上运动，实现排气。

1.垫片； 2.内六角螺钉； 3.进气件； 4.阀芯导向块； 5.进气单向阀； 6.O型密封圈A； 7.O型密封圈B； 8.弹簧； 9.开关连接件；10.导向块； 11.排气单向阀； 12.尼龙片； 13.O型密封圈C； 14.活塞； 15.活塞杆； 16.气缸本体； 17.排气件； 18.O型密封圈D；19.销钉； 20.无头螺钉； 21.把手图5 产品结构图

2.2 零件选用

考虑系统密封性、轻便灵活性以及零件耐用性等因素，同时结合实物测试，对该手动真空抽气装置进行选材，零件型号及材质见表1。

表1 零件型号及材质

3 三维虚拟装配及运动仿真

运用SolidWorks三维设计软件分别对该抽气装置进气件部分、排气件部分、活塞以及气缸本体等零件进行结构尺寸造型。设置平行、同轴、距离等配合参数，选用机构连接方式对其各零部件进行装配，并预留相应自由度，完成的虚拟装配爆炸图如图6所示[5]。

图6 装配爆炸图

对零部件进行运动分析。采用平移式伺服电机驱动其往复运动。在装配时通过Servo Motor1选项对连接轴伺服电机的参数进行设置，经过多次对比试验，位置上选用摆线函数图形，长度L为120 mm、周期T为5 s。进行Analysis Definition1运动学分析时，设置好开始时间、终止时间、帧频等参数，进行动态模拟，运动仿真效果如图7所示。

图7 运动仿真效果图

通过机构运动仿真分析可知，该抽气装置的结构运动符合预期要求,验证了手动状态下活塞式抽气机构的方案是可行的。

4 结语

本文针对轻便小型恒压水泵启动时内部需要排气的问题，对现有排气方式进行改进，通过3D造型设计、虚拟装配及仿真分析，研究设计出一种手动真空抽气装置。该装置通过活塞的往复运动从腔体内吸气，采用单向阀控制气体进出，从而有效排出泵壳内气体，解决了现有技术效果不理想、操作不便等问题，具有体积小、结构简单、成本低、便于携带等优点，适用于轻便型水泵在启动前抽取内部空气，也可用于中小型工程机械、农用机械中需要抽真空的场合。产品应用展示如图8所示。