（化工过程机械专业论文）柱塞式无泄漏数显计量泵的试验研究.pdf

本课题来源 f i i iiii ii iii i iii i iiiiij y 1810 8 0 5 本课题来源于浙江工业大学校基金科研项目计量泵数显 器与横向科研项目新型计量泵，其项目编号分别为 2 0 0 4 0 0 12 、2 0 0 6 0 17 。 摘要 柱塞式无泄漏数显计量泵的试验研究 摘要 本文以柱塞式计量泵为研究对象，分别从该泵的行程调节机构、自动对中机 构、柱塞泵用无泄漏装置以及数显器的开发进行了理论分析及结构创新方面的研 究，创新研发出了一种新型柱塞式无泄漏数显计量泵。主要的研究工作包括： 1 通过分析传统计量泵的结构特点，针对计量泵原n 型轴调节机构的不足， 提出了一种全新的斜槽轴行程调节机构，代替国内目前大多采用的n 型轴行程调 节机构，解决原n 型轴容易疲劳、断裂、对中性差等技术难题，提高了计量泵的 可靠性和使用寿命。 2 通过对传统计量泵液力端的详细分析，首次合理设计了由法兰套、波纹管 及组合柱塞所构成的密闭容腔，使得柱塞密封处所泄漏的介质先汇聚在密闭容腔 内，再引入泵入口，防止介质外泄，从根本上解决了柱塞泵填料密封存在的泄漏 问题，达到柱塞泵无泄漏输送介质的目的。 3 针对传统的柱塞联结机构不足的分析，提出了一种柱塞自动对中机构，有 效避免了柱塞和填料工作时发生的偏磨，减少了柱塞工作发热，提高了泵效；同 时，延长了柱塞、衬套及填料的使用寿命，提高了计量泵运行可靠性。同时，借 助a n s y s 软件对其核心部件进行了分析。 4 利用在工业上广泛应用的m c s 5 1 系列单片机，针对国产计量泵普遍存在 流量显示不直观，调节时存在目测与计算误差，影响产品计量精度的问题，开发 设计了一种能直接显示计量泵流量值的新型计量泵数显器。 本文对柱塞式无泄漏数显计量泵的结构创新及优化设计进行了深入研究，取 得了一些新成果，特别是对计量泵的多处结构创新已申报中国专利，并获得授权。 最后，本文指出了研究工作中还需要完善的地方以及今后需要做的研究工作。 关键词：计量泵，斜槽轴，自动对中，无泄漏，数显 a bs t r a c t t h ea d j u s t a b l es t r o k em e c h a n i c s ，a u t o m a t i ca s s e m b l i n gm e c h a n i c s ，n o 1 e a k a g e d e v i c ef o rt h ep l u n g e rp u m pa n dt h ed i g i t a ld i s p l a ye x p l o i t u r eo ft h ep l u n g e rm e t e r i n g p u m pa l ea n a l y z e di nt h i sp a p e rr e s p e c t i v e l y a n dan e wt y p eo fn o - l e a k a g ea n dd i g i t a l d i s p l a yf o rt h ep l u n g e rp u m pi sd e s i g n e dn e w l y t h em a i nr e s e a l c h f u lw o r ki n c l u d e s ： 1 b a s e do nt h es t r u c t u r a l a n a l y s i s o ft h et r a d i t i o n a l m e t e r i n gp u m pa n d d i s a d v a n t a g e so fc u s t o m a r yn - t y p ec u r v es h a f ta d j u s td e v i c e ，ac o m p l e t en e wi n c l i n e d s l o ts i 咄a d j u s t a b l es t r o k ei sp r e s e n t e d t e c h n i c a lp r o b l e m so fc u s t o m a r yn - t y p ec u r v e s h a f t ，s u c ha se a s yf a t i g u e ，r u p t u r e ，b a da s s e m b l i n gc a p a b i l i t ya l es o l v e d r e l i a b i l i t y a n dl i f e s p a no ft h em e t e r i n gp u m pa l e e n h a n c e d 2 b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so f l i q u i dp o r to ft h et r a d i t i o n a lm e t e r i n gp u m p ，a l l a i r t i g h te o n t a i n e r w h i c hi sm a d eu po ft h ef l a n g et h i m b l ea n dt h em o i r ep i p ea n dt h e c o m b i n e dp l u n g e r , i sl o g i c a ld e s i g n e df i r s t l y , a n dt r a n s u d a t o r ym e d i u mt h a ti sf r o mt h e p l u n g e rp r e s s u r i z a t i o np o o l si n t ot h ea i r t i g h tc o n t a i n e r , i m p o r t st op u m pe n t r a n c ea n d m e d i u mw o n tf i l t e r l e a k i n gp r o b l e mo ft h ep l u n g e rp u m pi ss o l v e dr a d i c a l l ya n dt h e p u r p o s eo fn o - l e a k a g em e d i u mt r a n s p o r t a t i o ni sa c h i e v e d 3 a i m i n ga tt h ed e f i c i e n ta n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a lp l u n g e rc o u p l i n gd e v i c e ，a k i n do fp l u n g e ra s s e m b l i n gd e v i c ei sa d v a n c e dn e w l y , d e f l e c t i v ea t t r i t i o nb e t w e e n p l u n g e ra n dw a di sa v o i d e de f f e c t i v e l y , a n dt h eh e a to ft h ep l u n g e ri sd e c r e a s ea si t w o r k s ，a n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ep u m pi si r n p r o v e d a to n et i m e ，u s el i f eo ft h ep l u n g e r a n dt h eb u s ha n dt h ew a di sp r o l o n g e d ，r u nr e l i a b i l i t yo ft h em e t e r i n gp u m pi se n h a n c e d a tt h es a m et i m e ，t h ek e y p a r ti sa n a l y z e db ya n s y ss o f t w a r e 4 u s i n gt h em c s - 5 1s i n g l e c h i pt h a ti sa p p l i e dw i d e l yi ni n d u s t r y , a i m i n ga t n o n - v i s u a lf o ra l m o s ta l lt h ed o m e s t i cm e t e r i n gp u m p s ，e y e b a l l i n ga n da c c o u n te r r o r sa s a d j u s t i n g ，i n f l u e n c eo fp r o d u c t s m e t r i cp r e c i s i o n , an e wk i n do fc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d i i 摘要 t h es t r u c t u r a lo r i g i n a l i t ya n do p t i m a ld e s i g no fn o - l e a k a g ea n dd i 西t a ld i s p l a yf o r t h ep l u n g e rp u m pd e e p l ya l es t u d i e di nt h i sp a p e r m e a n t i m e ，s o m en e wr e s u l t sa s h o w n p a r t i c u l a r l y , s o m ec o n f i g u r a b l eo r i g i n a l i t yo ft h em e t e r i n gp u m ph a v ea l r e a d y b e e na p p l i e dt h ec h i n ap a t e n ta n da u t h o r i z e d i nt h ee n d ，s o m en o - p e r f e c tp l a c ei ns t u d y w o r ka n ds o m es t u d yw o r kw h i c hi sd o n ei nf u t u r ea 陀s h o w ni nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：m e t e r i n gp u m p ，i n c l i n e ds l o ts h a i t , a u t o m a t i ca s s e m b l i n g ， n o - l e a k a g e ，d i g i t a ld i s p l a y i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 主要符号说明 第一章绪论1 1 1 计量泵的特点和研究现状1 1 1 1 计量泵的概述1 1 1 2 计量泵的特点3 1 1 3 计量泵的研究现状5 1 2 本文的研究目标及研究内容7 1 2 1 本课题来源7 1 2 2 研究目标8 1 2 3 研究内容8 第二章计量泵用新型行程调节机构设计9 2 1 计量泵调节机构的用途及方式9 2 2 传统计量泵的行程调节机构1 0 2 2 1n 轴行程调节机构1 0 2 2 2n 轴行程调节机构的不足1 1 2 3 新型斜槽轴行程调节机构1 2 2 3 1 斜槽轴行程调节机构1 2 2 3 2 斜槽轴行程调节机构的优点1 3 2 4 小结1 5 第三章柱塞泵用无泄漏装置设计1 6 3 1 传统的柱塞密封1 6 3 1 1 柱塞密封概述1 6 3 1 2 填料密封1 7 3 1 3 填料密封的特点和结构设计1 8 3 2 柱塞泵密封装置的结构优化2 0 i v 目录 2 ( ) 4 2 2 机构特点2 8 4 3 半球体a n s y s 有限元分析2 8 4 3 1a n s y s 软件分析2 8 4 3 2 半球体实例分析2 9 4 4 小结3 2 第五章柱塞式无泄漏计量泵的试验研究3 3 5 1 计量泵样机3 3 5 2 试验标准及装置3 4 5 3 试验结果3 8 5 4 小结3 9 第六章数显器硬件设计4 0 6 1 系统硬件设计原则4 0 6 2 单片机的应用特性4 1 6 3 键盘显示器接口芯片4 2 6 4a d 转换器4 3 6 5 键盘显示电路4 4 5 5 1 键盘电路4 4 5 5 2 显示电路4 5 6 6p r o t e l 软件简介4 7 6 7 小结4 7 v 1 3 4 5 5 5 6 7 7 2 2 z 2 2 2 2 2 2 一， 一 一 一 一 一 一 一构 一 t i 一 一 一 一 一 一 一机 一 目录 第七章数显器软件设计及试验研究4 9 7 1 系统软件设计原则4 9 7 2m c s - 5 1 汇编语言简介4 9 7 3 系统流程图5 0 7 3 1 工作原理5 0 7 3 2 程序流程图5 0 7 4 试验分析5 2 7 4 1 数据采集5 2 7 4 2 数据分析5 3 7 4 3 典型程序设计思路5 4 7 5 小结5 5 第八章全文总结与展望5 7 8 1 总结5 7 8 2 展望5 8 参考文献6 0 附录1i 8 球体网格划分命令流6 3 附录2 数显控制器硬件电路图6 4 致谢6 5 攻读硕士学位期间发表的论文及申请的专利：6 6 密封长度 偏心率 柱塞力 弹性模量 介质质量 介质密度 实测流量 相对行程个数 复线性精度 寄存器 v i i 修正系数 出口压力 半球体半径 泊松比 测量时间 理论流量 标定流量 稳定性精度 线性度 电机频率 c p ， ， q q e e 三 g f e 肌 p q 互 r 第一章绪论 第一章绪论 泵是一种把原动机的机械能转化成被输送流体的动能和压力能，即给予被输送 流体能量的流体机械，它也是一种广泛应用于国民经济建设中的通用机械【1 1 。泵广 泛应用于化工石油、农业生产、矿业冶金行业、电力部门、国防建设、船舶制造 工业中。此外，城市的给排水、机床中的润滑和冷却、纺织工业中输送漂液和染 料、造纸工业中输送纸浆，以及食品工业中输送牛奶和糖类食品等，都需要有大 量的泵【引。 来自国际市场研究小组f r e e d o n i a 的报告称：全世界的工业泵需求预计每年增 加5 ，到2 0 0 8 年将超过3 8 0 亿美元( 其中包括价格增长) 【3 】；据国内泵行业统 计，我国泵产品的产值在4 0 0 亿元以上，每年全国发电量的2 0 - - 2 5 要消耗在 泵产品上，全国泵产品的制造厂家近一万余家。泵不仅数量庞大，用途广泛，而 且种类繁多。根据作用原理可将泵分为以下三大类：容积式泵、叶片式泵及其他 类型的泵 4 1 。本文所述的计量泵即是属于一种容积式泵。 1 1 计量泵的特点和研究现状 1 1 1 计量泵概述 美国米顿罗公司于1 9 3 6 年创造了世界上第一台计量泵。计量泵是集输送和计 量功能与一体的一种特种泵。柱塞式计量精度可达o 5 1 o ，隔膜式计量精 度可达1 0 - - 2 o 。在现代连续生产工艺流程中，计量泵发挥着越来越重要的 作用，市场需求量迅速增加，产品技术不断更新，广泛应用在化工、石油、食品、 制药、造纸和塑料等方面，常被用来输送腐蚀性、放射性、易燃易爆、有毒介质， 液化气或液态金属等。 能够通过流量( 或柱塞行程长度) 调节机构( 或设备) ，按流量( 或相对行程 长度) 指示机构( 或设备、仪表) 上的指示值精确地进行流量调节和输送流体的 泵，称为计量泵。计量泵是按工艺流程的要求，实现流量调节并精确计量的不可 缺少的通用机械。这种泵是普通往复泵的特殊变型，主要用于输送液体。其主要 浙江工业大学硕士学位论文 差别是改变流量和预定流量的方法，这样就可以使这种泵成为计量装置，在连续 流程中可作为最终控制元件使用，它们经常用于两种以上的液体必须加以配比的 地方，或是混合比必须加以控制的地方。这两种作用可通过改变每次行程的位移 量或改变行程速度来实现。就前一种情况而言，是借助特殊的联动机构来推动曲 柄销，或是缩短柱塞行程来调节位移量。就后一种情况而言，则是通过变速传动 系统或电动机，来调节泵的转速而改变流量【5 1 。 计量泵的结构 计量泵主要分为原动机、液力端及动力端三个部分。 原动机：通常采用交流异步电动机，也可采用油压、气压直接驱动或者采用 气动马达、油压马达、燃气机等来驱动。 液力端：由液缸、柱塞或活塞、阀、填料函、集流腔和缸盖组成。 动力端：由曲轴、连杆、十字头、中间杆、轴承和机架组成。其基本机构形 式为具有滑动轴承或滚动轴承的卧式和立式两种【6 】。 计量泵的输液作用原理 如图l 一1 所示，计量泵的工作过程包括交替进行的吸入和排出两过程。柱塞 从最左位置( 前死点) 开始向右移动的瞬间，排出阀关闭，工作腔容积随着柱塞 的向右移动而增大，吸入容器内的液体在吸入液面压力的作用下，顶开吸入阀进 入工作腔，直至柱塞移动到最右位置( 后死点) ，吸入过程完结。柱塞从后死点开 始向左移动的瞬间，吸入阀关闭，工作腔容积随着柱塞的向左移动而减小，腔内 液体在柱塞的挤压下顶开排出阀排出，直至柱塞移动到前死点，排出过程结束， 图l l 计量泵输液原理图 1 一工作腔2 一柱塞3 一排出阀4 一吸入阀 2 1 1 2 计量泵的特点 有任何损失的情况， ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) 柱塞式计量泵的应用范围 往复式计量泵有两种基本机构形式：柱塞式计量泵和隔膜式计量泵【8 】。柱塞计 量泵，其特点是结构比较简单，计量精度高，可靠性好，调节范围宽，适合高压 的场合，所以国内计量泵大都为柱塞式。 因为计量泵的流量可以在零至最大值之间任意调节，计量精度高，适用于计 量输送和比例输送，有利于实现工艺流程的连续化和自动化。这种泵不论排出压 力如何变化，其流量能保持在1 的误差范围内，而且可借改变柱塞的行程和转 速来自由地进行大范围的流量调节【9 】。 计量泵由于具有上述突出的特点，因此，在化工、石油、造纸、食品、塑料、 制药和日用化工等方面得到了广泛的应用。它常常被用来输送强腐蚀性液体、悬 浮液、熔融液、放射性料液、易燃易爆液体、有毒液体、液化气或液态金属等【1 0 1 。 在食品工业、糖果工业、牛奶工业、化妆品工业、医药工业中，计量泵的使用相 当广泛。 计量泵的特点 浙江工业大学硕士学位论文 该泵具有以下几个特点与功能： ( 1 ) 计量泵多属于容积式( 也有转子式) 往复泵，具有在额定排出压力以下 定量输送流体的功能； ( 2 ) 不论在停车或运行之中，均可实施流量调节，可获得在最大流量以下的 任意值； ( 3 ) 在实施流量调节时，具有良好的线性度、稳定性精度和复现性精度，即 在规定的调节范围内具有较高的计量精度； ( 4 ) 配有流量调节指示机构或设备、仪表，操作者可准确、清晰地直接观察 或读取正在运行中的流量值，其误差在士1 q t 懈之内； ( 5 ) 实施流量调节时，可以手调，也可以配备遥控或自动控制设备，后者可 选用电控或气控方式； ( 6 ) 当以同一原动机驱动若干台并联的计量泵时，既可以同时调节各台泵的 流量，也可以分别调节每一台泵的流量，以达到按比例精确输送不同物料的目的 【l o 】 0 计量泵是一种容积式往复泵，它的特性如表1 一l 所示【l l 】。 表1 1 典型的计量泵特性 型号优点缺点应用 柱塞式 精度高，可靠性好，易腐蚀，易泄漏各种规格尺寸 调节范围宽都广泛应用 隔膜式能设计成用于输送计量精度比柱塞式低，隔一般局限于低压和小 各种腐蚀性液体膜易疲劳，不适用于高压排量范围内使用 柱塞一隔结合了两种基本型式消除了两种基本型式应用广泛，一台柱塞 膜式的优点的缺点泵能配置几个泵头 管状适用于大排量，调节范围精度低作为精确计量泵 隔膜式宽，能输送粘性液体等使用受到限制 齿轮或适合于输送粘性液体 输送低粘度液体时 转子式和半固体物质精度较低 第一章绪论 1 1 3 计量泵的研究现状 国外计量泵产品开发基础研究工作比国内开展早，投入多，产品的计量精度、 可靠性高。特别是近几年来，其产品融进了一些现代控制技术，与二次仪表相连 接，使得计量泵与自动控制系统相衔接，进一步提高了产品的技术指标和生产线 的整体水平。目前，国外计量泵的种类包括电磁驱动式计量泵、机械驱动式隔膜 计量泵、液压驱动式隔膜计量泵和机械驱动式柱塞计量泵。国外知名计量泵生产 企业如表1 2 所示【1 2 】。 表1 2 国外知名计量泵厂商 美国 米罗顿公司、帕斯菲德公司、蓝白公司、n e p t u n e 公司 德国 普罗名特公司、l e w a 公司、b r a n + l u e b b e 公司、s e r a 公司、a l l d o s 公司 意大利o b l 公司、b o n o 公司 日本 日机装公司、易威奇公司 德国l e w a 公司生产的计量泵如图l 一2 所示，主要参数如表1 - - 3 所示，其 精度可达0 5 。 表1 3l e w a 公司生产的计量泵 流量压力粘度范围温度范围 适应介质 ( m 3 h )( b a r )( m p a s )( ) 0 0 0 1 5 01 2 0 01 - 2 5 0 0 0 02 0 0 5 0 0 液体、泡沫、悬浮液、胶体、 熔融液体、含气体的液体等 图1 - - 2l e w a 公司生产的计量泵 总体而言，国外计量泵产品技术具有如下特色： 浙江工业大学硕士学位论文 直接驱动式( 无传动机构) 直接驱动计量泵，省去了传统计量泵中的皮带、齿轮、联轴节等中间变速和 传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。例如， 德国普罗名特公司开发和生产的电磁驱动精密计量泵。 平流技术 计量泵属于往复、单作用型式，其流量、压力脉动大，不仅引起振动、增大 噪声，而且也影响工艺流程介质均匀混合，导致反应不充分，产品质量下降。为 了解决这个问题，以前通常采用安装脉动阻尼器的应对办法，但效果不理想。现 在，具有压力稳定、流量均衡特点的平流计量泵已经为研究重点，相应产品也己 问世，它将在现代石油化工等领域发挥重要作用。 无泄漏及模块化 德国布朗卢比公司将安全、高效、可靠性与精确性视作现代计量泵的基本要 求。通过发展隔膜泵头无泄漏技术，特别是液压驱动双隔膜的结构，使产品具备 现代计量泵基本要求。此外，布朗卢比的计量泵产品，全部采用了模块式( 积木式) 组合结构，可实现任意组合，单台电机最多可驱动1 2 个泵头。 机电一体化及成套性 随着产业规模的扩大，围绕着计量泵技术，德国普罗名特公司着重开拓了成 套、特种、专用加药系统以及应用于研发、生产制造领域的相关测量、控制装置。 国内计量泵主要有液压驱动隔膜计量泵和机械驱动柱塞计量泵。其中，液压 隔膜计量泵的隔膜材质要求比较高，国内同类材质在使用温度、强度、抗疲劳、 抗扭曲及抗蠕变方面的性能不能完全满足计量泵的使用要求，所以，国产液压隔 膜计量泵在各种场合特别是高温、高压操作条件下的应用较少。在三十多年的计 量泵发展过程中，机械驱动柱塞计量泵始终占有很重要的一席之地。虽然，泵头 的填料磨损增加了日常维护的工作量，影响计量泵精度的稳定性，但是长期的使 用经验使维护人员较易接受此类泵。 近年国内容积泵在新结构、新材料、新工艺方面有了长足进步，创新产品主 要有：外环流活塞泵、变频计量泵、旋转柱塞泵、环形隔膜泵、往复式液压隔膜 泵等【1 3 1 。国内电磁式计量泵，已实现泵的动力驱动和机械传动部分合二为一，减 少了机械故障发生的概率。针对流量自动调节的要求，使流量调节部分成为一个 独立开发的模块得到不断发展，现已开发出了手动控制、电动伺服控制、气动伺 第一章绪论 服控制和变频控制等调节方式，以满足各种配置的需要。此外，为满足化学物料 无泄漏的要求，国内计量泵产品的液力端结构由柱塞式改进成隔膜式，又进一步 提升了产品的安全性、可靠性与精度。现在，国产计量泵的结构设计已实现模块 化，针对不同的应用要求，生产厂商只需适当调整或改变模块组合，即能满足不 同用户需要。 虽然计量泵已经广泛应用于很多领域，但是其需要完善的地方还有很多。行 程调节机构作为该泵核心部件，它的设计优劣将直接影响到计量泵的性能和可靠 性。目前，国产计量泵的行程调节机构均为传统的n 轴行程调节机构，国内没有 涉及该泵行程结构创新分析的论文。在实际设计中，工程设计人员一般按照该泵 的流量，工作压力，输送介质等，并结合以往的设计样本设计，再通过试验进行 修正。这不能避免由于泵本身设计方面的缺陷，对于提高计量泵的质量带来很大 的困难，而且在实际生产中不断修改还浪费了时间，降低了生产效率，增加了产 品的制造成本。 随着各工业技术领域中技术、管理上的不断发展进步，自动调节理论及计算 机“在线”控制技术的推广应用，对计量泵在流量上的自动调节的要求也就更为 普遍和突出。这便使得传统设计的计量泵显得跟不上工业技术发展的要求。因此， 对计量泵在机电一体化方面的技术改造课题便迫切地提了出来【1 4 1 。目前，国内外 绝大多数计量泵流量值均以额定流量的百分数表示，少部分根据变转速调节流量 的计量泵，则是以实际转速或频率大小来反映其流量值的。这些计量泵的流量值 均需通过计算求得，这样不仅流量值显示不直观，而且还存在着计算误差与调节 目测误差。由于计量泵自身的特点，该泵在石油、化工、环保、油田、轻工、日 化等领域应用将会越来越广，在特别场合将会逐步代替其它泵，所以深入分析研 究该泵的行程调节机构及机电一体化改造，对于指导该泵的设计，提高该泵的质 量和可靠性具有重要的意义。 1 2 本文的研究目标及研究内容 1 2 1 本课题来源 本课题来源于浙江工业大学校基金科研项目计量泵数显器与横向科研项 浙江工业大学硕士学位论文 目新型计量泵，其项目编号分别为2 0 0 4 0 0 1 2 、2 0 0 6 0 1 7 。 1 2 2 研究目标 ( 1 ) 采用斜槽轴行程调节机构代替传统的n 型轴行程调节机构，大大提高了 计量泵的质量及可靠性； ( 2 ) 采用泵用无泄漏装置代替传统的填料密封，解决柱塞式计量泵的泄漏问 题； ( 3 ) 采用新型对中机构代替传统的柱塞联接结构，有效避免柱塞和填料工作 时发生偏磨，提高了计量泵的可靠性； ( 4 ) 开发设计新型计量泵数显器，填补国产计量泵在该方面的空白。 1 2 3 研究内容 ( 1 ) 通过分析传统计量泵的结构特点，针对计量泵原n 型轴调节机构的不足， 提出了一种全新的斜槽轴行程调节机构，代替国内目前大多采用的n 型轴行程调 节机构，解决原n 型轴容易疲劳、断裂、对中性差等技术难题，提高了计量泵的 可靠性和使用寿命。 ( 2 ) 通过对传统的柱塞对中机构的详细分析，设计一种柱塞自动对中机构， 有效避免了柱塞和填料工作时发生的偏磨，减少了柱塞工作发热，提高了泵效； 同时，延长了柱塞、衬套及填料的使用寿命，提高了计量泵运行可靠性。 ( 3 ) 通过对传统计量泵液力端的详细分析，合理设计了由法兰套、波纹管及 组合柱塞所构成的密闭容腔，使得柱塞密封处所泄漏的介质先汇聚在密闭容腔内， 再引入泵入口，防止介质外泄，从根本上解决了柱塞泵填料密封存在的泄漏问题， 达到柱塞泵无泄漏输送介质的目的。 ( 4 ) 利用在工业上广泛应用的m c s 5 1 单片机，针对国产计量泵普遍存在流 量显示不直观，调节时存在目测与计算误差，影响产品计量精度的问题，开发设 计了一种能直接显示计量泵流量值的新型计量泵数显器。 第二章计量泵用新型行程调节机构设计 第二章计量泵用新型行程调节机构设计 计量泵是一种能调节输送液体流量的往复泵，具有排出压力高，特性曲线很 少受温度、粘度和液体及其他物理性质等于扰因素的影响，流量准确可调，吸收 性能好，适用范围广等特点，是现代化连续生产提高产品质量的重要配套设备， 在石油、冶金、电力、军工等部门中广泛应用。我国在使用和设计制造计量泵方 面起步较晚，上个世纪6 0 年代初开始生产计量泵，9 0 年代以后，计量泵产量以 1 5 以上的速度迅速增加【l 副。行程调节机构作为该泵的核心部件，直接影响到该 泵的性能与质量。但国内缺乏对其进行深入系统地分析研究，仅依靠经验进行设 计。特别是行程调节机构的优劣将直接影响该泵是否利于加工、产生应力集中、 发生偏磨、造成震动噪声，所以对该泵的行程调节机构进行深入地分析研究，对 于提高该产品的质量与可靠性具有十分重要的意义。 2 1 计量泵调节机构的用途及方式 为了输送过程中改变计量泵的流量可采用各种不同的调节方式，常用的调节方 式有以下几种： ( 1 ) 调节行程长度。 ( 2 ) 调节速度。包括调节转速和调节行程速度。 ( 3 ) 调节行程长度和速度。 上面虽然列举了各种调节方法，而一般最常用的是改变往塞的行程长度和转 数。其中转数的调节多应用在组合式多联结构的计量泵机组上。计量泵机组是数 个单联计量系由一个电机驱动，用改变转数的方法控制泵机组流量，使每联之间 的流量比例保持不变，而单独的每联泵流量调节又可通过改变各自的行程长度来 达到，从而改变其混合比例。然而，单独调节转数的方法是很少采用的。因为这 种方法需要的变速机构昂贵，结构庞大。而且更重要的是低转数时泵柱塞每次住 复的吸入和排出的时间间隔太长，从而影响排出的流量与流程液体的泥合。 实际上，采用调节行程长度的办法应用最普遍。这种方法既简单又可取，且 在小流量时线性仍能满足要求。该调节机构种类很多，主要结构就是国内泵制造 厂家普遍采用的n 轴行程调节机构【1 6 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 传统计量泵的行程调节机构 2 2 1n 轴行程调节机构 计量泵是以曲柄连杆机构为传动端的机动往复泵，一方面通过这一机构把电 动机的旋转运动转化为柱塞的往复运动，一方面则把电动机的机械能传递给被输 送液体。其行程调节机构是一个对心曲柄滑块机构，如图2 1 所示。连杆是传动 端曲柄连杆机构中连结曲轴和十字头的部件。连杆运动是一平面运动，可以把连 杆运动看成是沿液缸中心线移动和绕十字头销摆动的两种简单运动的合成。 图2 一l 调节机构运动不葸图 1 、轴瓦2 、连杆3 、十字头销 4 、n 轴5 、连杆大头圆心运动轨迹圆 图2 - - 2 为典型n 轴行程调节机构示意图。调节机构的工作原理如下：电机与蜗 杆( 1 0 ) 通过连轴器相连接，经过蜗轮( 1 2 ) 使下套筒( 1 ) 减速转动，通过下套 筒( 1 ) 内的滑键来带动n 轴( 8 ) 转动，因偏心套( 3 ) 与n 轴( 8 ) 的轴颈上一起 转动，这样就驱动了连杆( 1 0 ) 作往复运动。偏心套偏心距调节：利用手动、电 动或气动转动泵体上端的调节杆( 6 ) ，因调节杆( 6 ) 与调节座( 1 4 ) 之间为螺 纹联接，调节座( 1 4 ) 不动，故使调节杆( 6 ) 沿轴向移动，调节杆( 6 ) 通过推 力球轴承( 4 ) 带动n 轴( 8 ) 在上套筒( 7 ) 、下套筒( 1 ) 内移动，从而到达改变 偏心距的目的，最终实现泵的行程调节。n 轴( 8 ) 上套有偏心轮( 9 ) ，偏心轮( 9 ) 第二章计量泵用新型行程调节机构设计 的偏心距为最大行程长度的1 4 ，n 轴( 8 ) 中部的偏心距为零，而n 轴( 8 ) 上下两 端的偏心距相同，都等于最大行程长度的1 4 。n 轴( 8 ) 的偏心距和偏心轮( 9 ) 的偏心距相互抵消时，总的偏心距为零，即偏心轮( 9 ) 的中心和n 轴( 8 ) 的旋转 中心重合，故行程长度为零。n 轴( 8 ) 的偏心距和偏心轮( 9 ) 的偏心距在一侧完 全重叠时，偏心轮( 9 ) 和n 轴( 8 ) 的偏心半径为1 2 行程长度，即泵在此时为1 0 0 行程。由于行程长度可在o 到1 0 0 行程长度内变化，从而实现了计量泵的流量从0 到1 0 0 额定流量的调节【l l 】。 图2 2n 轴行程调节机构示意图 l 、下套筒2 、连杆套3 、偏心套 4 、推力球轴承5 、压紧环6 、调节杆 7 、上套筒8 、n 轴9 、偏心轮1 0 、连杆 1 l 、蜗杆1 2 、蜗轮1 3 、深沟球轴承1 4 、调节座 2 2 2n 轴行程调节机构的不足 目前，国内所生产的大、中型计量泵，大多采用n 轴行程调节机构，但n 轴行 程调节机构也存在着一些不足之处。 1 、结构形状比较复杂。n 轴两边大头轴线为n 轴的中心线，中间为较细且轴 浙江工业大学硕士学位论文 线偏斜一定角度的n 轴轴颈。计量泵的流量调节主要靠n 轴来回移动改变偏心块在 n 轴轴颈上的位置，使其偏心量不同，行程随之发生改变来实现。 2 、n 轴的加工工艺性较差。它需采用专门机床或专用工装加工，以保证其外 型及尺寸精度，这样也就增加了泵产品的成本。 3 、应力集中。由于n 轴本身结构上的原因，在运动过程中很容易产生应力集 中，从而易造成n 轴的断裂，这样就大大降低了产品的可靠性。 此外，在n 轴行程调节机构中，传动方式是由蜗杆、蜗轮带动可调偏心距的偏 心轮将圆周运动转化为往复运动，n 轴依靠上、下套筒支承，由于加工套筒时，两 个套筒同轴度实际公差存在加工误差，不可能相同，导致对中性较差。上、下套 筒采用深沟球轴承支承，轴向定位精度低，蜗轮容易产生轴向窜动，使蜗杆与蜗 轮发生偏磨，影响了泵的传动效率及可靠性。 2 3 新型斜槽轴行程调节机构 2 8 1 斜槽轴行程调节机构 针对上述计量泵行程调节机构存在的问题和不足，本文提出了一种计量泵用核 心部件的全新结构，即利用斜槽轴取代原来传统n 轴的行程调节机构，以改善其工 作状态，解决原n 型轴易疲劳、断裂等技术难题，进而提高计量泵的可靠性和使用 寿命，扩大其使用范围。图2 3 为斜槽轴行程调节机构示意图。 为了达到上述目的，本文中所提及的新型计量泵是由传动箱体、盖板、斜槽 轴调节机构、调节座、电机托架、液缸托架、连杆、十字头等组成。而其中的核 心机构斜槽轴调节装置则由圆柱销( 8 ) 、销套( 7 ) 、偏心轮( 3 ) 、斜槽轴 ( 5 ) 、斜槽轴套( 6 ) 、轴瓦( 2 ) 及支承环( 9 ) 等组成。 这种计量泵的特征在于： a 、驱动转矩与行程调节的传递是通过两个明显分离的部件完成的，力直接从 电机驱动轴经由刚性连接的蜗杆( 1 1 ) 蜗轮( 1 0 ) 部件传递到偏心轮( 3 ) ：所有 传动部件的连接都是由其静态条件所决定，这确保了该泵具有最小机械跳动，以 及较高的过载安全。 b 、行程调整与行程长度之间的关系是线性的，方便了泵流量的调节。 动效率高，运行更可靠【1 7 1 。 因此只需要手 的，磨损、耗功小，传 图2 - - 3 斜槽轴行程调节结构示意图 l 、连杆2 、轴瓦3 、偏心轮 4 、调节杆5 、斜槽轴6 、斜槽轴套 7 、销套8 、圆柱销9 、支承环 1 0 、蜗轮1 l 、蜗杆1 2 、角接触球轴承 2 3 2 斜槽轴行程调节机构的优点 与传统的n 轴行程调节机构( 如图2 2 ) 相比，该行程调节机构的不同之处 在于： l 、结构较简单、工艺性较好：斜槽轴两端为圆柱形，中间对称矩形平面设有 斜槽孔，加工工艺简单，易于制造。 2 、油隙均匀、润滑良好：支承环( 9 ) 用于支承连杆( 1 ) 。防止连杆( 1 ) 在 工作中因自重下降，造成连杆轴瓦( 2 ) 间隙不均，润滑不良，产生偏磨、失效。 浙江工业大学硕士学位论文 3 、轴向定位精度高：采用角接触球轴承( 1 2 ) 替换原深沟球轴承。由于轴向 定位可以防止轴向窜动超出设计范围，保证了蜗杆( 1 0 ) 与蜗轮( 1 1 ) 的位置度， 防止了蜗杆( 1 0 ) 与蜗轮( 1 1 ) 因轴向窜动过大而产生的偏磨，提高了产品的可 靠性。 4 、径向定位精度高：斜槽轴( 5 ) 处设有一个斜槽轴套( 6 ) ，该斜槽轴套( 6 ) 是一个整体，而原n 型轴套是由上下两个轴套组成。比较而言，斜槽轴套( 6 ) 提 高了整体支承的刚度与强度，保证了上下轴承的同轴度，改善了斜槽轴( 5 ) 的受 力与支承状况，防止了因转向改变或轴径向窜动所产生的偏磨。 图2 4 斜槽轴 图2 - - 5 斜槽轴套 第二章计量泵用新型行程调节机构设计 斜槽轴行程调节机构的工作原理是：电机通过蜗杆( 1 0 ) 蜗轮( 1 1 ) 部件驱 动斜槽轴套( 6 ) 旋转，带动置于斜槽轴套( 6 ) 上的偏心块( 3 ) 同步转动，偏心 块( 3 ) 驱动连杆( 1 ) 大头摆动，而连杆通过与连杆小头相连的十字头，将偏心 块( 3 ) 的旋转运动转变为往复运动。当调节调节杆( 4 ) 轴向移动时，斜槽轴( 5 ) 斜槽内的销套( 7 ) 和圆柱销( 8 ) 也随之移动，通过与圆柱销( 8 ) 相连接的偏心 块( 3 ) 也同时产生径向移动，偏心距得以改变。这样在泵的运转当中，通过调节 行程，改变泵的流量，达到计量输送的目的。 本实例的计量泵斜槽行程调节机构如图( 2 3 ) 所示，电机驱动蜗杆( 1 0 ) 、 蜗轮( 9 ) 、斜槽轴套( 6 ) 和偏心块( 3 ) 旋转，偏心块( 3 ) 借助轴瓦( 2 ) 驱动 连杆( 1 ) 摆动，通过与连杆( 1 ) 相连接的十字头，产生往复运动，借助柱塞， 吸排出阀。在图示情况下，偏心块( 3 ) 的偏心距为零，故行程也为零。当需要调 整柱塞的行程长度时，用手操作在垂直于图( 2 ) 方向顺时针( 假定) 旋转调节套， 则调节杆( 4 ) 向上移动，并随之带动斜槽轴( 5 ) 向上轴向移动。此时，在斜槽 轴( 5 ) 斜槽内的圆柱销( 8 ) 与斜槽发生相对移动，其偏心距增大。而柱塞的行 程长度是由偏心距决定的，也就是说柱塞的行程长度会随着偏心距增加而增加【1 8 】。 图2 4 与图2 - - 5 分别是斜槽轴与斜槽轴套的实物图。 2 4 小结 本章对国内计量泵产品普遍采用的传统n 型轴行程调节机构进行了详细地分 析，针对其主要元件加工工艺复杂、难度大，定位精度低，受力状况差，易发生 偏磨、断裂等故障，产品可靠性和寿命难以保证等问题，提出了一种全新的斜槽 轴行程调节机构。此调节机构与传统机构相比，虽然元件较多，但结构可靠，加 工工艺简单，易损件寿命长，解决了