硕士论文-直线电机往复泵工作理论研究与结构设计.pdf

叵 中国石油大学硕士研究生学位论文华东 ( 申请工学硕士学位) 直线电机往复泵 工作理论研究与结构设计 学科专业： 培养方向： 硕士生： 指导教师： 机械设计及理论 机械设计方法与理论 张云霞 张金中( 副教授) 论文完成日期：2 0 0 7 年4 月 直线电机往复泵工作理论研究与结构设计 张云霞( 机械设计及理论) 指导教师：张金中副教授 摘要 传统往复泵一般通过曲柄连杆机构将旋转电机的电能转化为直线运动 的机械能，效率低，输出流量、压力脉动大，易损件寿命低。直线电机可 以将电能直接转化为直线运动的机械能，将直线电机作为往复泵的动力端 可以很好的解决以上问题。本文对直线电机往复泵进行了设计研究。 本文将传统三缸单作用泵5 0 0 型泵的流量、压力参数作为基本设计参 数，计算了直线电机往复泵的主要结构参数；校核了柱塞杆的强度；根据 计算结果选择了较优的参数配合方案；设计了往复泵的总体方案。直线电 机作为往复泵的动力端后，其柱塞、泵阀的运动规律发生了很大变化，传 统往复泵柱塞的运动规律为正弦运动，而直线电机往复泵柱塞运动转变为 匀加速、匀速、匀减速的运动，本文对随之改变的泵阀的运动规律进行了 理论分析，设计了泵阀、阀箱等部件的结构、材料和主要尺寸，对三缸单 作用泵和直线电机往复泵的阀盘对阀座的冲击作了简单比较；确定了液力 端的结构方案；使用s o l i d w o r k s 对各部件进行了建模仿真，运用 c o s m o s w o r k s 对泵阀的主要易损件及阀箱进行了有限元分析，保证了设 计的可行性。 关键词：直线电机，往复泵设计，理论研究，有限元分析 t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds t r u c t u r a ld e s i g no n l i n e a rm o t o r r e c i p r o c a t i n gp u m p z h a n g y u n - x i a ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o r z h a n gj i n - z h o n g a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lm o t o ro ft r a d i t i o n a lr e c i p r o c a t i n gp u m pt r a n s f o r m se l e c t r i c e n e r g yi n t or e c t i l i n e a rm e c h a n i c a le n e r g yb yu s i n gc r a n kl i n kg e a r i t se f f i c i e n c y i sl o w t h ed e l i v e r yr a t ea n dp r e s s u r ep u l s a t eg r e a t l y t h ew o r k i n gt i m eo f r e p l a c e m e n tp a r t si sl o w t h el i n e a rm o t o rt r a n s f o r m se l e c t r i ce n e r g yi n t o r e c t i l i n e a rm e c h a n i c a le n e r g yd i r e c t l y t h ef o r e g o i n gp r o b l e mw i l lb er e s o l v e di f l i n e a rm o t o ri st h ed r i v i n gf o r c eo fr e c i p r o c a t i n gp u m p “ 1 i sp a p e rh a sd e s i g n e d a n dr e s e a r c h e dl i n e a rm o t o rr e c i p r o c a t i n gp u m p t h ef u n d a m e n t a ld e s i g np a r a m e t e ri st h ed e l i v e r ya n dp r e s s u r ep a r a m e t e r o ft r a d i t i o n a lt r i p l e xs i n g l ea c t i o np u m pw h i c ht y p ei s5 0 0 i nt h i sp a p e r , t h e m a i ns t r u c t u r a l p a r a m e t e ro fl i n e a r m o t o rr e c i p r o c a t i n gp u m ph a sb e e n c a l c u l a t e d ；t h ed e p e n d a b i l i t yo fp l u n g e r h a sb e e nc h e c k e d ；t h ea d a p t e d a r r a n g e m e n tw h i c hp a r a m e t e ri ss u p e r i o rh a sb e e nc h o s e na n dt h er e c i p r o c a t i n g p u m p sg e n e r a la r r a n g e m e n th a sb e e nd e s i g n e d t h em o t i o nl a w o fp l u n g e ra n d p u m pv a l v ea r ec h a n g e dg r e a t l yw h e nl i n e a rm o t o ri s t h ed r i v i n gf o r c eo f r e c i p r o c a t i n gp u m p t h em o t i o nl a wo ft r a d i t i o n a lr e c i p r o c a t i n gp u m p i s s i n a s o i d a lm o t i o n b u tt h em o t i o nl a wo fl i n e a rm o t o rr e c i p r o c a t i n gp u m pi s u n i f o r ms p e e d u p ，u n i f o r ms p e e d ，a n du n i f o r md e c e l e r a t i o n t h i sp a p e rh a s a n a l y z e dt h ep u m pv a l v e sl a wo fm o t i o nt h e o r e t i c a l l y ；d e s i g n e dt h es t r u c t u r e ， m a t e r i a la n dc h i e f m e a s u r e m e n to f p u m pv a l v ea n dv a l v eh o u s i n g ；c o m p a r e dt h e t r i p l e xs i n g l ea c t i o np u m pa n d t h el i n e a rm o t o rr e c i p r o c a t i n gp u m ps i m p l y ；a n d c o n f i r m e dt h ea r r a n g e m e n to ff l u i de n d t h ec o m p o n e n t sh a v eb e e nb u i l tm o d e l a n de m u l a t e db yu s i n gs o l i d w o r k s t h em a i nr e p l a c e m e n tp a r t so fp u m pv a l v e a n dt h ev a l v eh o u s i n gh a v eb e e nc a r r i e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb yu s i n g c o s m o s w o r k s t h e ya s s u r et h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g n k e yw o r d s ：l i n e a rm o t o r ，r e c i p r o c a t i n gp u m pd e s i g n ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c h , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特另e i d i ：i 以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：么云霞山。7 年 月) 乒日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 加7 年j , - ， 硼年f ， 月 冷日 月z 名日 f 生国 i 迪厶堂( 坐筮2 亟途塞箍! 重绮逾 第1 章绪论 1 1 本课题的目的及意义 往复泵可在高压下输送高粘度、大密度和高含砂量的液体，还具有效 率高、排出压力高等优点，因此在石油矿场中得到了广泛的应用，如石油 钻井、酸化压裂、注水等生产中。随着石油工业的发展，对往复泵的要求 也越来越高，如输出压力高、流量大、制造和维修方便、流量压力脉动小、 体积和重量小等。 随着石油工业对往复泵要求的提高和世界科技的进步，往复泵的结构 也在不断改进。多年来科研人员研制了多种类型的往复泵，如发展较早、 技术较为成熟的曲柄连杆机构往复泵；近年新研制的用于油田3 次采油注 聚合物驱油工艺的凸轮机构往复泵【1 】；功率高、排量大的液压驱动往复泵【2 】【3 】 等。 凸轮机构往复泵和液压驱动往复泵与曲柄连杆机构往复泵相比都有流 量恒定、压力脉动小的优点。各种往复泵也都存在着一定的缺点：曲柄连 杆机构往复泵流量、压力脉动大；凸轮机构往复泵的凸轮结构设计、加工、 运行条件高，冲程短，只适合流量不大和较小功率的泵；液压往复泵由于 存在着换向冲击，引起流量和压力的脉动及泵体振动，液压系统的液压元件 故障率高、工作可靠性差、密封件寿命短、液压油容易漏失等缺点。 近年来，一种新型的驱动技术直线电机驱动技术获得了飞速发展， 并开始在石油机械中应用。将直线电机作为往复泵的动力端，为我们开发 一种全新的往复泵技术提供了新的思路。 如果往复泵的动力端采用直线电机驱动，可将直线电机直接与活塞杆 相连接，省去曲轴、连杆、十字头等部件，简化了装置，有效地提高了往 复泵的可靠性和传递效率；由于直线电机运行平稳，速度恒定，从理论上 基本消除了输出流量和压力的脉动性。在实际工作中，直线电机启动特性 比较复杂，换向过程中会存在冲击，可以通过精确的控制系统，尽量减小 主国巫迪厶堂( 垡盔2 亟论塞簋! 童绪论 往复泵的换向冲击。 1 2 目前国内外往复泵研究的发展状况 1 2 1 往复泵技术及其发展 往复泵是最早出现的泵类机械，曾在工业界广泛应用。1 9 世纪末和二 十世纪初，德国的魏斯特法尔( m w e s t p h a l ) 和9 1 尔格( h b e r g ) 等人曾对往复 泵技术基础理论的研究做出了杰出的贡献。贝尔格活塞泵一书是当时 关于往复泵原理和设计的权威性著作。这本书( 1 9 2 5 年第三版冲有关泵阀 运动的分析和公式，吸入与排出过程中液缸内压力变化的规律，吸入管中 的惯性水头值计算等至今仍被引用。但在二十世纪中，后起的离心泵、转 子泵等在许多应用领域取代了往复泵。其主要原因就是它们结构简单，通 用性强。受此影响，往复泵的技术基础理论和设计、制造技术的研究发展 工作长期停滞不前，特别是在基础理论方面，往复泵无论是与内燃机、活 塞式压缩机等往复式机械相比，还是与离心泵等动力式泵相比，差距都是 相当大的。 但是，往复泵所具有的一些特点和优点是其它类型泵无法比拟的。具 有能在严苛条件下输送特种介质( 腐蚀性、磨砺性、高粘度、高密度、高温) ， 效率高。排出压力大等特点。这些特点决定了往复泵在许多领域保留它的 应用。但在不同的场合所要求的流量、压力、功率和驱动、传动型式相差 甚远，而且为适应各种不同的特种介质和性能要求，泵的结构设计型式差 别很大。 在二十世纪后半叶，为使往复泵适应资源开发、石油、化工及重型机 器制造等工业部门的发展需要，往复泵的基础理论研究和新产品开发又受 到一定程度的重视。研究成果主要集中在这些领域，如计量泵、钻井泵、 化工用泵等，大多以专著形式出现【”。 1 2 2 几种往复泵 一、曲柄连杆机构往复泵 圭国i i 迪厶堂( 坐丛2 亟迨塞星! 重缝逾 曲柄连杆机构往复泵是旋转运动的内燃机或电机作为动力机，活塞杆 和动力机之间有一套将旋转运动转化为往复运动的曲柄连杆机构，称为机 动泵的传动端。 l 一曲柄；2 连杆；3 一十字头；4 一活塞：5 缸套；h 非出阀； 7 一排出四通：8 一预压排出空气包：9 一排出管；1 0 一阀箱： 1 1 一吸入阀；1 2 一吸入管 图1 1 曲柄连杆机构往复泵工作机构 图1 1 所示为卧式单缸单作用往复式活塞泵的工作机构。当动力机通 过皮带、齿轮或其他传动件带动曲轴或曲柄以角速度。按图示方向，从左 边水平位置开始旋转时，活塞向右边( 亦即泵的动力端) 移动，液缸内形 成一定的真空度，吸入池中的液体在液面压力的作用下，推开吸入阀，进 入液缸内，直到活塞移到右死点位置为止。这个过程，称作液缸的吸入过 程。曲柄继续转动，活塞开始向左( 液力端) 移动，缸套内液体受挤压， 压力升高，吸入阀关闭，排出阀被推开，液体经排出阀和排出管排出，直 到活塞移动到死点时为止。这一过程称作液缸的排出过程。曲柄连续旋转 周( 0 3 6 0 。) 活塞往复运动一次，单作用泵的液缸完成一次吸入和排出 虫国z i 渔厶堂l 垡筮2 亟土迨塞箍! 重缝监 过程【5 l 。 图1 2 曲柄连杆机构的活塞运动 图1 2 是单缸曲柄连杆机构的活塞运动示意图，其运动特性由活塞的 位移只速度v ，加速度口表示为 j s = r ( 1 千c o s 伊昙s i n 2 伊) ( 1 m 1 ) z ， v = r ( s i n 妒+ 芸s i i l 2 妒) ( 1 2 ) 二 口= + r c 0 2 ( c o s f p + 2 c o s 2 f p ) ( 1 3 ) 式中：卜曲柄长度； 上连杆长度； 五曲柄连杆比，旯= r l ： 伊曲柄转角，缈5c o t 。 如果不考虑曲柄连杆比旯的影响，往复泵活塞的位移、速度、加速度 都作正弦( 或余弦) 曲线变化。泵流量也随之作正弦变化，因而液体始终处于 变加速状态，造成排出压力波动大、加速度大，恶化了泵阀、活塞等运动 密封件的工作条件，降低了泵的效率，缩短了易损件寿命口1 。 二、液压驱动往复泵 国外在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初开始研制液压钻井泵，并且有功率 越来越大的发展趋势。美国在1 9 9 1 年研制成功了1 5 0 0 w 的液压钻井泵【6 1 ， 用于深井钻井和井下动力钻具钻井，取得了较高的经济效益。目前的液压 驱动往复泵有单缸双作用【7 】、双缸单作用、双缸双作用【3 j 、三缸单作用及对 置式四缸单作用等多种形式。 4 1 、双缸单作用液压驱动往复泵 双缸单作用液压驱动往复泵由两个油缸和两个泵缸组成。其工作原理 如图1 3 所示，两个泵缸只有无杆腔参加工作。通过换向控制系统调节两 缸活塞的运动规律，使一缸排出时另一缸吸入，并且使两缸衔接时泵流量 尽量保持无波动。 图1 - - 3 双缸单作用泵工作示意图 2 、单缸双作用液压驱动往复泵 图l 4 是液压驱动的单缸双作用往复泵的工作示意图。其动力端以液 压泵和液压缸代替了机动往复泵的动力机和曲柄连杆机构。液压泵将油箱 中的油加压，通过控制阀输送给液压油缸，驱动油缸中的活塞做往复运动， 带动液力端泵缸中的活塞运动，使密封腔的体积不断发生变化，完成吸入 和排出液体的过程。 图1 - 4 单缸双作用液压往泵图 3 、双缸双作用液压驱动往复泵 5 主国 渔厶堂( 垡筮2 亟论塞差! 童缝逾 双缸双作用液压驱动往复泵与双缸单作用液压往复泵唯一的区别是泵 缸两腔都参加工作【9 】o 双作用使得泵的尺寸不变的情况下，排量增加了近一 倍，适用于体积受到限制，排量要求较大的场合。 4 、多缸单作用液压驱动往复泵 多缸液压驱动往复泵指三缸或三缸以上的液压驱动往复泵。此时泵缸 数目较多，各缸之间相位关系也各种各样。例如三缸单作用泵，可以采用 一缸吸入，另一缸排出，第三缸做准备工作形式；四缸和六缸可以以双缸泵 为单元组成。 5 、液压驱动往复泵的流量 在理想状况下，各类液压往复泵的理论流量如图1 5 所示： q q q ( c ) t ( a ) 单缸职作用泵：l _ 象卣t 前t 作室 1 卜泵缸后工作室5 ( h ) 双缸双作用泵：t 一l 母泵缸酊】：作审2 一2 号泵缸前工 作宅1 b - - i 号泵缸后1 = 作宣，2 b 一2 号泵缸后1 2 作宦； ( c ) 对置式朋缸单作用泵( 1 3 号对置2 、q 号对置) ，i ， 2 ，3 、4 分别为i 、2 、3 、4 号泵缸 图1 5 液压驱动往复泵理论流量图 三、凸轮机构往复泵 以凸轮传动机构为动力端的恒流量无压力波动的往复泵主要用于油田 3 次采油注聚合物驱油工艺【1 0 1 。图1 6 为凸轮机构恒流量往复泵简图， 该泵动力端采用特殊廓线的凸轮传动机构取代传统往复泵动力端的曲柄连 杆机构。 6 生国巫油厶堂l 坐盔2 亟途塞簋! 重缝逾 1 一阀箱总成( 液力端) 2 - 柱塞3 介杆4 左滚子5 凸轮6 - 右 滚子7 复位框架( 动力端) 8 - 泵壳 图1 6 凸轮机构恒流量往复泵简图 在一个冲程范围内，三缸相位角若为2 n 3 ，可满足连续恒流量输出要 求。对单缸来说，柱塞运动分为三个阶段：匀加速运动、匀速运动、匀减速 运动。由于凸轮轴是匀角速度转 动，一个冲程范围内，柱塞作匀 加速运动、匀速运动和匀减速运 动所对应的凸轮转角相等。在任 一时刻，以相位角2 厅3 的各缸 柱塞对应运动规律曲线如图l 一 7 所示。 对于任一缸瞬时流量qn - = 一# v ，其中4 # 为柱塞有效面积， v 为柱塞运动速度，v 是变量， 而a # 是常数，所以流量曲线与 速度曲线形状一样，则三缸叠加 后的理论平均流量为恒流型12 1 。 。号 盐 。世 萝。 l l l o 盐 声 ， l ， i l 孕1 孚乎 v e - 1 号缸柱塞运动速度v m 一2 号虹柱塞运动 速度 v 一口阜打灶童# 孙# 自 m 一 坫 图1 7 各缸柱塞运动速度曲线 1 3 直线电机及其在石油矿场中的应用 1 3 1 直线电机的工作原理 直线电机又称为线性电机，它是一种将电能转换成直线运动的机械能 7 虫国鱼迪厶堂( 坐盔2 亟丝塞蓥! 重缮监 或是将直线运动的机械能转换成电能的机电装置。前者称为直线电动机， 后者则称为直线发电机。 从结构上可以把直线电机看成是将旋转电机沿径向切开展平的结果。 如图1 8 所示，此时转子的旋转运动变成了直线运动。旋转电机的径向、 周向及轴向在直线电机里分别称为法向、纵向和横向，旋转电机的定子和 转子在直线电机分别称为初级和次级。值得注意的是，由于直线电机在工 作过程中必须使初级和次级具有空间上的相对运动，并保持紧密的电磁耦 合，因此就需要将电机的初级( 或次级) 固定在基础设施上，而将与之对 应的次级( 或初级) 安装在可移动装置上。通常把这种形式的直线电机称 为长初级( 或长次级) 短次级( 或短初级) 直线电机。至于在实际应用中 做成长初级还是长次级要视具体情况而定，通常是把成本较低的一侧做的 较长。 旋转电机鱼线电机 图1 8 从旋转电机到直线电机的转化图 由于直线电机在结构上与旋转电机具有相似之处，因而其工作原理与 目前常用的旋转电机相同。对直线电机来说，通入三相交流电后，也会产 生气隙磁场，分布情况与旋转电机相似，即可看成沿展开的直线方向呈正 弦分布。如图1 9 所示。当三相电流随时间变化时，气隙磁场将沿三相交 流电的相序沿直线运动。这个原理与旋转电机相似，两者的差异是：这个 磁场是平移的而不是旋转的，因而称之为行波磁场。显然，行波磁场的移 动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的。假设次级为栅形 次级，导条在行波磁场切割下，将产生感应电动势和电流，导条电流所形 成的磁场与气隙磁场相互作用，便会产生电磁推力，此时，如果直线电机 的初级是固定不动的( 定子) ，就势必使次级顺着行波磁场运动的方向作直线 虫垦l i 遛厶堂( 坐丕2 亟监塞蓥! 童绪逾 运动。 3 p 一 r 甄置场z 一优辑3 硼轻 图1 9 直线电机的基本工作原理 直线电机的基本结构为平板形，如图l 一1 0 所示。对于这种结构，如 果仅在次级的一侧安装初级，称为单边结构或单边直线电机；如果在次级 的两侧各安装一个初级则称为双边结构或双边直线电机。双边结构的优点 是可以消除法向力并提高次级的利用率。如果把平板形结构沿法向弯曲则 可得到弧形结构，沿横向弯曲则可得到盘形结构，沿横向卷曲并闭合则可 得到管形( 或叫圆筒形) 结构。 【i ：_ = 琶jl 周嗣同同嗣嗣扁同嗣圈嗣i i 图嗣嗣嗣嗣嗣i v quv = = 蒜寺= ! 气一 l 卫址_ jr 曾叫1 酉可纩旷纩瞥酊盯 l ：_ ：a l 一 ( a j 草边舡胡蛔结构 n j 幔边硒谈甥结挎 图1 1 0 平板型结构直线感应电动机 1 3 2 直线电机的发展和现状 直线电磁推进技术的发展过程就是直线电机的发展过程。根据资料， 最早可追溯到1 8 4 0 到1 8 4 5 年间，查尔斯慧斯通( c h a r sw h e s t o n e ) 开始提出和制作了略具雏形、但并未成功的直线电机。到今天为止，在1 6 0 多年的直线电机的发展历程中，直线电机经历了探索实验、开发应用和实 用商品化三个阶段1 1 ”。 ( 1 ) 探索实验阶段( 1 8 4 0 约1 9 5 5 年) 从1 8 4 0 年到1 9 5 5 年的1 l o 多年间，直线电机从设想到实验到部分实 验性应用，经历了一个不断探索、屡遭失败的过程。自从惠斯登提出和试 9 主国巫油厶堂! 垡筮2 亟迨童蒸! 童缝途 制了直线电机后，最早明确地提到直线电机文章的是1 8 9 0 年美国匹兹堡市 的市长梅j 瓦( m a g o r ) ，并获得了直线电机的第一个专利1 3 】。到1 9 0 5 年曾 有人建议将直线电动机作火车的推进机构。虽然当时在经济性、可靠性方 面尚没有竞争力，但目前已有了突破性进展1 9 1 7 年出现了第一台圆筒形直 线电动机，人们试图把它作为导弹发射装置，但其发展并没有超出模型阶 段i l ”。从1 8 4 0 年到1 9 3 0 年前后这个阶段，人们有许多好的设想，从理论 上也做了许多探讨，但由于没有从试验上去验证这些想法和理论，以至于 有不少直线电机方面的机理还没有真正搞清楚，许多好的设想没能付诸实 现。从1 9 3 0 到1 9 4 0 年间，直线电机进入了实验验证阶段。在这个阶段中， 科研人员获取了大量的实验数据，从而对己有理论有了更深一层的认识， 奠定了直线电机在以后的应用基础。 从1 9 4 0 年到1 9 5 5 年间，世界上一些发达国家的科研人员在实验的基 础上，又进行了一些实验应用工作。1 9 4 5 年，美国西屋公司首先研制成功 的电力牵引飞机弹射器，以7 4 0 0 k w 的直线电机为动力，成功地用4 1 秒的 时间将一架4 5 3 5 k g 的飞机在1 6 5 米行程内由静止加速到1 8 8 k m h 的速度 ”“。它的实验成功，使直线电机的优点受到了应有的重视。随后，美国利 用直线电机制成的用作抽汲钾、钠等液态金属的电磁泵，满足了核动力工 业中的需要。1 9 5 4 年英国皇家飞机制造公司利用双边扁平型直流直线电 机制成了一种发射导弹的装置，试验速度据称可达1 6 0 0 k m h 1 1 7 l 。 1 8 4 0 年到1 9 5 0 年是直线电机探索和部分实验应用阶段。直线电机在这 一时期始终未能得到真正的应用。 ( 2 ) 开发应用阶段( g q1 9 5 6 年约1 9 7 0 年) 自1 9 5 5 年以来，直线电机进入了全面的开发阶段。该时期的控制技术 和新材料的发展，更加促进了这种发展的趋势。前一时期的理论探讨和实 验研究工作作为多年的技术储备起到了重要的作用。1 9 5 6 年英国的 e l a i t h w a i t e 开始公开发表直线电机理论分析的文章。1 9 6 6 年 e l a i t h w a i t e 出版了比较系统地分析介绍直线电机的专著 i n d u c t i o n m a c h i n e sf o rs p e c i f lp u r p o s e s 。它为直线电机的发展起到了极大的推动作 0 主国王i 逭厶堂l 垡壅2 亟盐塞箍! 童缝逾 用，做出了开创性的贡献( 1 8 j 。1 9 6 2 年w e s t 和j a y a w e n t 设计了作为铁磁谐 振器的单相直线电动机。到1 9 6 5 年以后，应用直线电机的实用设备被逐步 开发出来，例如采用直线电机的m h d 泵、自动绘图仪、磁头定位驱动装置 掣19 1 。 ( 3 ) 实用商品阶段( 1 9 7 1 年至今) 从7 0 年代开始，直线电机终于进入了独立的应用阶段。世界各国出现 了许多直线电机的产品，它们不仅广泛应用于工业生产中，而且也逐步进 入到人们的日常生活中。例如：工件传送车，螺线管，单臂吊车，电动门， 窗帘机等。在运输方面，作为推进系统，利用各种直线电机驱动的磁悬浮 列车，其实验速度已超过5 0 0 k m h ，运行行程已达到数十万千米【2 0 】【2 1 1 1 2 2 1 。 同时，直线式的特种电机也在不断发展，广泛应用于自动绘图仪、扫描式 记录仪、直线式电位器等新的领域。 在此期间，直线电机领域的研究人员通过对直线电机在历史发展中多 次起落的分析，终于选择了一条适合直线电机自身发展的独特思路，它不 再与旋转电机直接对抗，不以单机的形式与旋转电机竞争，而是以直线电 机系统与旋转电机系统相比，从而找到了适合于自己的系统与旋转电机展 开竞争。在旋转电机无能为力的地方，例如将直线电机应用于磁悬浮列车、 液态金属的输送和搅拌、电子缝纫机和磁头定位等田】。 ( 4 ) 中国直线电机的历史与发展 在我国，直线电机的研究和应用发展起步较晚，从2 0 世纪7 0 年代初开 始。1 9 7 2 年，浙江大学首先翻译了直线感应电动机译文集。之后，上海 大学、中科院电工所等又编译了一些直线电机的书籍并出版。 受国外直线电机应用潮流的影响，近几年，国内也涌现了诸多直线电机 应用开发单位，主要有中科院电工所、西安交通大学、浙江大学等。在浙江 大学、沈阳工业大学等都已有样机。其中浙江大学成立了全国首家直线电 机研究所，取得了许多成果。国内主要研究成果有冲压机、摩擦压力机、矿 山运输系统、自动绘图仪、直线电机驱动门等口4 】，部分产品在社会上得n t 推广应用。此外，2 0 0 2 年底，在上海，磁悬列车试通成功，它每小时的行驶速 虫国i i 油厶堂( 垡苤2 亟迨塞箍! 重缝监 度最高可达4 3 2 k m 。这些都表明国内的直线电机应用研究已经起步，并且在 飞速发展，但与国外相比还存在很大的差距例。 3 3 直线电机在石油矿场中的应用 直线电机作为一种正在兴起的动力系统，广泛应用于各个领域。如交 通运输业中的磁悬浮列车、工业领域中应用于生产输送线等。在石油工业 中已经开始研究直线电机作为动力系统驱动石油机械。2 0 0 1 年8 月直线电 机抽油机在华北油田分公司第采油厂投入现场试验 2 6 1 ，作为国内外第1 台应用于工业试验的直线电机抽油机，改变了传统抽油机先将电能转化成 旋转运动，再通过机械方式转变为直线往复运动的能量转换方式，显著的 提高了抽油机的机械效率：直线电机无级调速的优点还实现了抽油机的无 级调整，进而能根据采油的需要调整悬点运动规律。2 0 0 6 年，直线电机抽 油机在北京通过了国家科技部委托组织的专家组专项验收口7 1 。这表明直线 电机在石油机械中的应用已经获得成功。 1 4 本课题的研究内容 本课题将通过对直线电机的运行特性及工作条件和直线电机驱动往复 泵工作理论研究，完成直线电机驱动往复泵样机结构设计。主要研究内容 有： ( 1 ) 直线电机启动、换向特性分析及其对往复泵工作理论带来的变化。 ( 2 ) 直线电机驱动往复泵工作理论研究，往复泵的流量、压力特性分 析。 ( 3 ) 采用直线电机驱动后往复泵泵阀的结构与工作理论研究。 ( 4 ) 直线电机往复泵总体方案设计。 ( 5 ) 直线电机往复泵样机结构设计。 生国鱼地厶堂l 垡丕2 亟迨塞蓥2 童直线生赳焦星基友塞曲确定 第2 章直线电机往复泵方案的确定 2 1 直线电机作为往复泵动力系统的优势 往复泵采用直线电机作为动力系统后，与旋转电机驱动的往复泵相比 有许多优势： ( 1 ) 采用直线电机驱动的往复泵，可以直接将直线电机和活塞杆连接 而不需要任何转换装置，省掉了中间机构，简化了往复泵的结构，提高了 运行的可靠性和传递效率。 ( 2 ) 、直线电机灵敏度高、加速度大、推力大、与控制系统匹配可使 往复泵的工作可靠性提高。 ( 3 ) 直线电机的结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂 等密封成整体，更适于石油矿场的恶劣环境。 ( 4 ) 直线电机的运动平稳、速度恒定，理论上可使往复泵的流量恒定， 这是传统往复泵不能达到的。 ( 5 ) 传统的往复泵在调解流量时常需要更换不同直径的缸套，使用直 线电机作为动力端后，由于直线电机可以无级调速，直线电机往复泵可以 实现流量无级变换，即在相同直径的缸套下通过改变直线电机驱动活塞的 速度改变流量，也可在一定范围内通过改变冲程来改变流量。 2 2 基本参数的确定 由于直线电机的结构和运行方式都与旋转电机有很大的区别，所以采 用直线电机驱动后往复泵的总体方案也会有所改变。本课题采用最大推力 为1 0 0 k n 的直线电机作为往复泵的动力系统，参照传统5 0 0 型三缸单作用 往复泵的主要参数作为总体设计参数。即设计指标为： ( 1 ) 流量彰：3 2 l s ： ( 2 ) 泵压瞳：2 2 m p a ； ( 3 ) 直线电机推力f ：1 0 0 k n 。 主国血地厶堂( 坐筮2 亟监塞簋2 重直缮生扭焦复基左塞的煎定 2 3 主要结构参数的设计 往复泵的主要结构参数有冲次竹、冲程j 、活塞直径d 1 2 8 。根据往复泵 的基本参数可以得到不同的，z 、s 、d 组合，因此需要选择h 、j 、d 的最 佳组合，并根据最佳结构参数来设计直线电机往复泵的总体方案。 2 3 1 缸套直径d 的设计 缸套直径受到直线电机推力的限制。根据往复泵的设计技术，活塞杆 推力【4 】： f o = 1 0 6 厉f ( - 1 ) 式中：c 活塞杆推力，f o = 1 0 0 k n ； 一最高泵压，一= 2 2 m p a ； 卜活塞的工作面积，f ：竺三，m m 2 。 4 由式( 2 1 ) 得活塞面积为 f ：j l ：! ! ! ：! 生堕：4 2 8 8 m m ：( 瑚) 1 0 6 力1 0 6 x 2 2 x m p a 由式( 2 2 ) 得缸套直径为 螅胆： 4 x 4 2 8 _ _ 8 ：7 3 8 9 m m ， 拈了2 川| 。 圆整后取缸套直径d = 7 5 m m 。 考虑到缸套的直径尺寸较小，不易采用活塞泵的形式，因此选用柱塞 泵形式。预确定柱塞直径为7 5 m m 。 2 3 2 机泵组数量z 、冲程长度s 和冲次厅的设计 根据直线电机的结构特点，为提高其工作效率，将直线电机设计为双 向出杆的结构形式，每端驱动一个工作缸，即每套机泵组由一台直线电机 和两套工作缸组成。如图2 1 所示。 虫国生i 迪厶堂( 坐筮2 亟盐塞筮2 童直线生扭往星丞友塞盥确定 l 捧出阀；2 一吸人阀：3 缸套； 4 一柱毫；，一直线电动机； 圈2 1 每套机泵结构不意 若往复泵由z 套机泵组组成，柱塞行程长度为s ， 均流量q 为： d 。2 z s f n z s m r d 2 6 01 2 0 式中：q 往复泵理论平均流量，m 3 s ： z _ 机泵组套数，套； j 柱塞行程长度，m ； 冲次为玎，则理论平 ( 2 3 ) 卜柱塞直径，m ； 矿一冲次，n 血- l “ 1 。 由式( 2 _ 3 ) 得 s ：里雩：! 坐娑盟：一2 1 7 3 m ( 列) z n ，r d z n x 7 5 1 0 1加 式( 2 一) 中的j 、z 、竹都是待定参数。 根据主要设计参数，取挖= 1 0 2 0 冲m i n ，z = 2 - - 6 ，再结合柱塞的强 度和稳定性分析进行计算，然后根据计算结果优选出s 、z 、一三个参数， 三个参数的优选见2 5 。 2 4 柱塞杆强度校核 由于柱塞的直径较小，为了满足泵的设计流量的要求，柱塞的长度较 大。因此，必须对柱塞杆进行强度及稳定性分析，使设计方案满足稳定性 生国l ! 擅厶堂( 堡垒2 亟迨塞箍2 童直缉生扭往复基友塞啦确定 和可靠性要求。 本设计中柱塞的材料选用4 5 号钢，表面镀硬铬来提高柱塞的表面质量 和耐磨性。以下分析中材料的密度、弹性模量、许用应力等都是以4 5 号钢 为准的。 2 4 1 强度分析 由于本设计中柱塞杆长度较长，在运动时就不可避免的承受由柱塞杆 弯曲引起的弯曲力矩，此时按下式计算柱塞杆的应力： 盯= ( 譬+ 珈旷 c 硝， lfj 式中：d 一柱塞杆的应力，m p a ： 目柱塞杆受力，n ： 卜柱塞杆断面积，i n 2 ： 驴一柱塞杆断面模数，m 3 ： 和一柱塞杆所承受的弯曲力矩，n m 。 此处假设载荷在安装时与柱塞杆轴线同轴，则仅由柱塞的挠度引起弯 曲力矩： m = f y ( n m )( 2 石) 式中：y _ f 作用线至柱塞杆轴线最大挠度处的垂直距离，y = 缈。 代入式( 2 6 ) 得 m = f c a ( n m ) ( 2 一7 ) 式中：柱塞杆挠度。 按照柱塞的长度与冲程长度相同计算的柱塞最大挠度为： w 眦= 里3 8 4 e i ( 2 8 ) w k x2 2 一( m ) 【2 8 ) 式中：广柱塞单位长度的重量，q = p g f = 昭孚，n m ； p 柱塞材料的密度，柱塞一般采用中碳钢，p = 7 8 2 0 k g m 3 ； 6 h 贯性矩，：丛，m 。 6 4 形：丝( 2 9 ) 彤嘲矿悖剖删博刊删= 墙坳 f 柱塞杆横截面惯性半径：f = j ；，m ； 卜柱塞断面惯性矩，= 等，m 4 ；o q 卜柱塞杆看成等截面细长压杆的估算截面积，f = 譬，m 2 。 主国巫地厶堂! 垡筮2 亟论童 箍2 童直线生扭焦复趸左塞的塑定 柱塞受轴向力，为细长杆，临界应力为 吼，：害( m p ( 2 - - 1 3 ( m p a ) 1 3 )= 下) 柱塞杆弯曲失稳临界载荷为 = c r c ，f ( 2 _ 1 4 ) 将式( 2 7 ) 、式( 2 8 ) 代入式( 2 9 ) 得 = ，= 警f = 雾 c k 一 正fl 则柱塞杆稳定性校核公式为 = e f p c r = 刀n - 2 【e 2 【】 ( 2 _ 1 6 ) 式中：h 旷一安全系数； 卜柱塞材料的弹性模量，e = 2 1 0 x1 0 9 p a ： 卜一柱塞断面惯性矩，i n 4 ： 柱塞杆的长度系数，= , , 5 2 ； 严一柱塞杆计算长度；此处取1 = j ： 名最大柱塞力，k = i o o k n ； k 卜一许用安全系数，一般情况下h 】= 3 5 。 2 5 方案设计 图2 4 已经给出了直线电机往复泵每套机泵的结构，在下面的设计中 需要根据式( 2 _ 4 ) 确定电机组数z 、冲程s 、冲次疗，并根据式( 2 _ 1 1 ) 、 式( 2 1 6 ) 校核柱塞杆的应力。和安全系数甩。 2 5 1 计算结果 令电机数z 分别为2 6 ，冲次胛为1 0 2 0 冲m i n ，分别计算冲程s 、挠 度、柱塞应力仉安全系数伽、n o * o r ，计算结果如表2 一l 所示： 虫国4 i 迪厶堂f 坐筮2 亟途塞箍2 童直线生扭焦复丞左塞曲强定 表2 一1 冲程s 、挠度、柱塞应力氓安全系数n d 、胁桁计算结果 冲次电机数冲程( m )展丈挠度( m )柱塞鹿力( m p a )安全系数i l on 向( m p a ) 1 021 0 8 6 5 o 1 9 2 1 9 5 2 3 55 7 3 8 7 3 3 7 5 8 o 5 4 4 5 5 7 6 4 3 1 2 5 0 7 1 2 9 1 1 29 8 7 7 2 70 1 3 1 2 7 1 9 3 24 6 3 6 0 2 1 9 6 40 6 5 8 9 1 4 7 43 0 5 4 7 4 3 21 1 229 0 5 4 1 70 0 9 2 6 8 6 7 4 53 9 3 7 6 3 0 0 9 20 7 8 4 1 6 33 0 8 7 7 4 3 8 1 1 328 3 5 7 6 90 0 6 7 2 9 2 8 9 43 4 7 8 0 0 13 8 60 9 2 0 3 0 2 4 13 2 0 0 8 1 3 0 4 1 427 7 6 0 7 lo 0 5 0 0 2 9 9 9 73 1 6 5 5 4 2 9 41 0 6 7 3 3 2 9 73 3 7 8 6 8 8 3 4 1 527 2 4 3 3 30 0 3 7 9 6 4 4 9 l2 9 4 7 1 5 7 2 8 61 2 2 5 2 5 4 6 83 6 】1 0 1 8 2 6 1 626 7 9 0 6 30 0 2 9 3 2 6 6 6 62 7 9 0 8 1 2 6 4 61 3 9 4 0 6 7 5 53 8 9 0 5 8 1 3 5 1 726 3 9 1 j 8o 0 2 3 0 】1 6 0 62 6 7 6 5 l 0 0 71 5 7 3 7 7 1 5 74 2 ，1 2 2 1 5 4 6 1 8 26 0 3 6 1 10 0 1 8 3 0 8 4 9 32 5 9 1 3 8 3 7 2 21 7 6 4 3 6 6 7 4 4 5 7 2 1 5 1 2 6 1 9 25 7 1 8 4 2o 0 1 4 7 4 7 8 3 32 5 2 6 9 3 5 7 7 81 9 6 5 8 5 3 0 7 4 9 6 7 5 8 4 4 5 2 025 4 3 2 50 0 1 2 0 1 2 2 0 22 4 7 7 4 2 0 8 62 1 7 8 2 3 0 5 55 3 9 6 3 9 3 8 l o37 2 4 3 3 3o 0 3 7 9 6 4 4 9j2 9 4 7 1 5 7 2 8 61 2 2 5 2 5 4 6 83 6 1 j o l 3 2 6 1 l 36 5 8 4 8 50 0 2 5 9 3 0 2 5 82 7 2 9 3 3 7 6 7 21 4 8 2 5 5 8 1 74 0 4 6 4 0 18 5 1 236 0 3 6 l l0 0 18 3 0 8 4 9 32 5 9 1 3 8 3 7 2 21 7 6 4 3 6 6 7 44 5 7 2 1 5 1 2 6 1 33 5 5 7 1 7 9 o 0 13 2 9 2 4 2 4 2 5 0 0 5 9 2 8 6 6 2 0 7 0 6 8 0 4 15 1 7 7 9 2 8 6 7 1 435 1 7 3 8 1o 0 0 9 8 8 2 4 6 82 4 3 8 8 7 2 6 7 92 4 0 1 4 9 9 1 85 8 5 6 9 5 0 7 4 1 534 8 2 8 8 90 0 0 7 4 9 9 1 5 92 3 9 5 7 3 4 7 7 22 7 5 6 8 2 3 0 46 6 0 4 6 1 6 8 l 1 634 ，5 2 7 0 80 0 0 5 7 9 2 9 2 22 3 6 4 8 518 8 13 1 3 6 6 5 1 9 97 4 1 7 7 1 7 3 5 1 734 2 6 0 7 80