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煤矿排水设备选型设计及水泵故障分析,煤矿,排水,设备,选型,设计,水泵,故障,分析
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带有活塞阀的轴向柱塞式水泵的设计与分析摘要在本文中，我们提出了一种新型的带有活塞阀的轴向柱塞式水泵，通过每个活塞的相互作用它能对进水口和出水口的流量进行分配。这种新型的水泵可以在流速和进出口通过区域之间进行相的转换。为了完全实现相的转换，在活塞室内分配的固定压力值是经优化了的。基于这些理由，根据理论分析得出进水口和出水口的最佳形状是矩形。仿真结果表明，进水口和出水口的最佳形状需保持活塞室内的压力是恒定的，并有除了在活塞室内可以有一个非常小的压力波动外其他地方不允许有压力波动。最后，模型的测试结果表明，进水口和出水口的压力是非常稳定的，但水的泄漏大，容积效率为74.7。关键词：轴向柱塞式水泵;优化设计;活塞阀;压力波动1 、介绍 因为液压技术具有优良的安全特性，环保，节约，方便，易维护和稳定性好的性能，它们被广泛地应用在许多工业领域，如冶金，化工厂，食品机械，医疗机械，粮食机械和包装机械 1-5 。我们知道，发展液压技术的关键是发展液压元件。液压泵作为液压系统的动力供应原件，它的发展是最关键和困难的。 由于水的粘度低，与油压泵相比，磨损现象与泄漏现象在液压泵中更容易发生。传统的液压油系统使用几种主要的结构形式，如齿轮泵，叶片泵和柱塞泵。因为轴向柱塞泵具有良好的耐磨性，虽有点漏水，但结构紧凑，输出压力高，效率高和在生活中能长期使用，如今，大多数液压水泵采用的是轴向活塞的结构形式。 从20世纪70年代开始，研究人员就开始进行了液压水泵的研究，所研究的液压水泵是带有阀板或平面阀的轴向柱塞泵6-10。对于带有阀板的水泵，其磨损现象非常严重且对制作材料要求严格，因为水是一种气缸体与阀板之间的润滑介质。在带有平板阀的水泵中， 由于平板阀和活塞制件的运动不协调使得压力波动频繁。平板阀被打开和关闭时还会产生冲击噪音。 因此，在本文中将会设计一种带有活塞阀的新的轴向柱塞式水泵来解决上文所述缺点。2、带有活塞阀的轴向柱塞水泵的工作原理 图1为带有活塞阀的轴向柱塞式水泵 （活塞的数目为8）。从图1中，我们可以看出， 每个活塞室比与其相连接的阀室领先90通过阀板上的槽 ，而比与其自身相连接的阀室腔延缓90通过阀板上的槽。水泵抽吸水是阀门工作原理分析如图2所示，带有活塞阀的轴向活塞式水泵的详细工作流程描述如下： （a）第一活塞处于上极点时，活塞阀将移动到左侧，且第一活塞室的体积将不断减小。第一活塞室中的水开始流到与第一活塞室相连的第三活塞室 。与此同时，第三活塞向左移动到中间位置，第三个活塞的A部分关闭进水口，B部分打开出水口。（b）第二活塞继续排水。第二活塞室中的水通过与第二活塞室相连的第四阀室排出。此时，第四活塞的A部分已经关闭了进水口，密封长度变的越来越长。然后，B部分打开出水口，通道面积变得逐渐增大。（c）第三活塞继续排水。第三活塞室中的水通过与第三活塞式相连的第五阀室排出。此时，在第五活塞处于底部极点位置。然后， A部分完全关闭进水口和B部分完全打开出水口。 （d）第四活塞继续排水。第四活塞室中的水通过与第四活塞相连的第六阀室。此时，第6活塞向右移动。第6活塞的A部分继续关闭进水口，密封长度变得越来越短，而B部分开始关闭出水口使通道面积逐渐变小。（e）第五活塞处于底部极点位置。活塞将会向右移动。第五活塞室的容积会连续地增大里面会产生部分真空。受到大气压的影响，水通过与第五活室相连的第7活塞室，被压入到第五活塞室。与此同时，第七活塞从右移动到中间位置时，它的的A部分刚好打开进水口B部分刚好关闭出水口。（f）第六届活塞继续进水。水通过与第6活塞室相连的第8阀室进入。在这个时候，第8活塞的A部分打开进水口且通道面积逐渐变大，而此时B部分关闭出水口，密封长度变的越来越长。（g）第7活塞继续进水。水通过与第7活塞室相连的第1阀室进入。此时，第1活塞处于上极点位置， A部分将进水口完全打开，B部分将出水口完全关闭。（h）第八活塞继续进水。水通过与第8活塞室相连的第2阀室进入.此时，在活塞A部分将进水口持续打开且通道面积逐渐变窄，B部分将出水口持续关闭，从而导致密封的长度变得越来越短。当旋转斜盘旋转一圈时，每个活塞将进一次水并且排一次水。根据上面所讨论的工作原理，我们可以看到当两个活塞的间距为90时，每个活塞可以近一次水并排一次水。此外，当其中两个活塞在排水时，另外两个活塞肯定在进水。因此，带有活塞阀的轴向柱塞式水泵其活塞数必须是四的倍数。 此外，与带有平面阀或是阀板的泵体相比，带有活塞阀的泵体不仅可以减少结构上的摩擦系数和避免阀体装置中的噪音冲击，而且可以改变流速与进水口和出水口流通区域的相位变化，减少压力骤增和空气噪声。由于流通区域依赖于进水口和出水口工作时的形状，有必要对进出口进行优化设计以至于能在流速和进水口与出水口的流通区域中进行相位转化。3、进水口和出水口形状的最佳设计为了能够实现在流速和进水口与出水口的流通区域中进行相位转化，有必要分析单个活塞腔内的压力和流量特性。基于这一点，就得设计进水口和出水口的最佳形状。此外，第一活塞和第三活塞将被选为研究对象进行下述分析。3.1出水口形状设计当第一活塞在排水时，第一活塞室内的高水压将会进入到第三排水口，如如图所示3。为了实现排水量和水到出口流通区域之间的相位转化，第一活塞室内排出的水在某一瞬间应等于从第三活塞室的出水口排出的水，所以，所排水的瞬间流量方程可以被描述如下： 其中CQ是出水口的流量系数，A 3是在第三排水口的通道面积，p1表示第一活塞室内的水压 ，PS是在排水口的压力，为水的密度，dp为活塞的直径，v1是第一活塞的运动速度。在本文所讨论的水泵采用斜板与球头杆作为动力机制。根据 参考。 11，12，如果第一活塞的在顶部极点位置时被看作是开始时间时，第一活塞的运动方程可表示如下：其中S1是第一活塞的位移，R和分别是旋转斜盘的半径和倾斜角度，水泵的旋转速度，为旋转斜盘的旋转角，=t。 当方程（3）有方程（1）替代时，第三出水口的流通面积可被描述如下因为第三活塞到第一活塞之间的间距有90，第三活塞的位置方程应该是S3时第三活塞的位移有公式（4）和（5）可知第三出口的面积梯度y3为因此，排水时第一活塞的压力可以由公式（6）得出如果为了避免排水时压力波动，第一活塞室内的压力p1保持恒定，那么区域梯度Y3应该也是一个恒定值因为公式（7）中右侧的其它参数均为恒定值。因此，第三排水口的形状是矩形（如图3所示），其长度Ld3的是活塞冲程的一半，描述如下Smax为活塞的冲程，在公式（5）中此外，由于结构尺寸和结构强度的限制，y3值为Ls是满足结构强度时出水口宽度的最大值，因此，优化后的第三出水口其形状为矩形，长度和宽度分别是Ld3和y33.2、进水口形状设计图4表示活塞1和活塞3相互作用时的进水过程，正如抽水时在流速与出水口通道之间实施相位转化一样，抽水时的瞬时流量方程描述如下：Cq是进水口的流量方程，A3是第三进水口的面积，P0是进水口的压力。当公式（3）有公式（11）替代时，a3为根据公式（12）和公式（5），第三出口的面积梯度y3为基于公式（13），抽水时第一活塞室的压力如下所示：根据公式（14）我们知道，当面积梯度y3为恒定值的时候抽水时第一活塞室的压力p1也是一恒定值。换句话说，优化后第三出口的形状是长方形（如图4所示）且他的长度Ld3为活塞冲程的一半总之，在结构尺寸和结构强度的限制下，y3值为Ls时满足结构强度时进水口的最大值。由上述分析可知，优化后第三进水口的形状也是矩形，他的长度和宽度分别为Ld3和y3。3.3优化设计结果优化后的进水口和出水口的形状设计是以第一和第三活塞作为分析对象为基础而设计的，因为其他的活塞有与第一活塞和第三活塞中的相同的属性，因此所有出水口和进水口的结构参数是相同的，它们是Y和 y是出水和进水口口的面积梯度，Ld和 Ld严格的讲是出水口和进水口的长度。4、优化结构模拟分析如果忽略位势，惯性力，速度的影响和水的泄漏，活塞室的容积变化，流入和流出的水是导致活塞室内压力变化主要因素。第一活塞室内的压力可以描述如下：是水的体积弹性模量，Q1是从第三阀室流入的第一活塞腔的速度，V1是第一活塞腔室的容积可描述为：V0为单活塞室的余隙容积。如果和公式（19）由公式（18）替代，那么此外第一活塞室到第三活塞室的压力为a3 和 a3为流道面积，描述如下： 4.2模拟分析根据公式（18） - （23）和表1所示的结构参数，对第一活塞腔内的速率和压力进行了模拟。模拟结果于图5和图6所示。 图5示出了第一活塞室的流率曲线以及当轴式柱塞式水泵运转时第三出水口和进水口的流道面积，在图5中，第一活塞室的流速和第三出水口和进水口的流通区域为光滑的半正弦曲线当第一活塞室排水（0）和抽水（2）时，所以它们在达到最大值和最小值时具有相同的改变趋势。 图6示出了第一活塞腔的压力曲线。从图6中，我们知道，压力曲线为两根直线，也就是说，第一活塞室内的压力在抽水和排水阶段是保持不变的。基于这一结果，由压力波动所产生的振动和噪声是大大降低。在高低压力之间的转换时（= 0，），因为流速接近于零（Q10），所以由压力产生的影响非常小。更进一步说，在排水阶段（0），压力为 P1 =3.52106 Pa和压力差为P1-PS =0.02106帕，在抽水阶段（2），压力为p1=0.08106，压力差为p0-p1=0.02106 Pa，仅仅在压力不同的情况下，带有活塞阀的柱塞式水泵能成功的进行排水与抽水。5、实验结果在该模型机上进水口和出水口的压力，是根据表1中所示参数的设计的，并已得到测试。进水口和出水口的形状是相同的，如图7所示。该实验表格和结果示于图8和图9-11。图9描述了带有活塞阀的轴向柱塞式水泵进水口和出水口的压力，在图9中，进水口的压力基本上保持在0.1106帕，在出水口无压力波动，但也有一些正弦趋势的压力波，这是在系统阻抗的作用下产生的正弦趋势。图10显示空载（PS=0）时在不同旋转速度下的流速。从图10可以看出，在空载时流速岁旋转速度线性增加，因此，当PS=0在泵体内基本上不会有泄漏现象。图11表示当转速=25弧度/秒，ps不同时的流量和容积效率。在图11中，流量和容积效率曲线几本上是相同的，因为它们都表示抽水的能力。当PS增加时流量和容积效率逐渐减弱，此外，PS越大，流量和容积效率缩减速度越快。 当PS =3.5106Pa（额定压力）时，容积效率只有74.7。容积效率如此低的的原因是是活塞阀与进出口制件的密封间隙非常短，因此会有很大的泄露现象。6、 结论在本文中，带有活塞阀泵的轴向柱塞式水泵是利用活塞现有的相位差和进水口与出水口相互工作进行分析和设计的。在介绍工作原理时我们了解到水泵在打开和关闭进水口和出水口时是以一种很积极的方式进行的，进出口流通区域流量的相位变化也是一样。所有这些特性都有助于降低活塞室内压力骤增。因此，在活塞室中的压力保持恒定这一假设被认为是要优化的对象。根据我们的分析，出水口和进水口的形状都是矩形，它的长度是活塞冲程的一半。对优化后的泵进行了仿真模拟。模拟结果表明进出口的长方形形状可以使进出口流量和进出口流通区域之间进行相位的完全转化。活塞室中的压力曲线为两根直线，表示在活塞腔内基本上没有压力波动。同时，当谈论到压力的高低时它的影响是非常小的。此外，实验结果表明在进出口中没有压力波动，此外，由于活塞阀与进出口之间的密封间隙小，容积效率只有74.7 。鸣谢这项工作是由国家自然科学基金所支持（编号：10972086）。感谢匿名审稿人有见地的意见和在改手稿时的建议。术语A3：第3个出水口的通道面积 A3：第三进水口的通道面积 CQ：出水口流量系数 Cq：进水口流量系数 DP：活塞直径LD
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