三缸单作用往复式活塞泵扰力及扰力矩相位角的研究

往复式活塞泵是通过工作腔内活塞的往复位移来改变工作腔的容积, 从而使被输送液体按确定的流量排出的一种流体机械。曲柄连杆机构是往复式活塞泵的组成部分, 它将电动机轴的旋转运动转化成活塞的直线往复运动, 活塞往复移位的能量来源于电动机。

随着往复式活塞泵在冶金、化工、采矿等领域广泛应用, 用户对往复式活塞泵产品基础动力计算数据的要求也逐渐增多, 其中包括往复式活塞泵的扰力及扰力矩、相位角等数据。如果设备存在扰力及扰力矩, 会导致设备基础的振动, 因此, 用户需要明确所用设备的扰力值, 并根据扰力矩的大小对基础进行相应的加固处理, 以减小基础振动对设备自身振动幅度的加剧, 避免设备零件过早出现疲劳破坏, 提高设备使用寿命。

本文通过对市场占有率最大的三缸单作用往复式活塞泵扰力及扰力矩相位角的研究, 得到了相关计算方法, 填补了以往往复式活塞泵动力学理论计算中对扰力等数据计算方法的空白。

1 扰力及扰力矩的计算

1.1 工作原理

曲柄连杆机构的主要运动部件见图1。

往复运动部件由活塞、活塞杆、十字头等组成, 简称活塞组, 沿油缸中心线做往复运动。

旋转运动部件由曲柄、曲柄销等组成, 绕主轴颈中心线做旋转运动。

旋转运动部件与往复运动部件通过连杆连接起来, 连杆小端随十字头沿油缸中心线作往复运动, 连杆大端随曲柄销绕主轴颈中心线作旋转运动。

1.2 计算方法

(1) 建立坐标系。

空间坐标系原点取在曲轴第二拐处, 垂直于曲轴的水平方向为X轴, 右为正。曲轴方向为Y轴, 输入端方向为正。竖直方向为Z轴, 向上为正。时间坐标系原点为曲轴第一拐所带活塞位于外止点处的时刻。将图1中各曲柄投影到XOZ平面 (如图2) 。

(2) 计算水平折算质量ms。

往复运动质量ms, 换算到十字头中心B点处, 见图2。往复式活塞泵设计过程中, 曲轴各拐的对应尺寸均相同, 水平运动部分共包括:活塞装配、活塞杆、介杆、十字头、销轴轴承及部分连杆质量, 按下式计算水平往复运动质量。

式中:mp为活塞组的质量, kg;

mc为连杆质量, kg;

l为连杆长度, m;

l2为曲柄销中心至连杆重心距离, m;一般l2/l=0.3~0.4

(3) 计算旋转折算质量mr。

旋转运动的不平衡质量mr, 根据总离心力效应不变的原则将旋转运动部件质量换算到曲柄销中心C点处, 见图3。往复式活塞泵旋转运动部分共包括曲柄、曲柄销、连杆大端轴承、轴承半套及部分连杆质量, 按下式计算旋转折算质量。

式中:1m为曲柄销及部分曲柄质量, kg;

m2为部分曲柄质量, kg;

m3为平衡铁质量, kg;

r为曲柄半径, 压缩机主轴颈中心线与曲柄销中心线间的距离, m。

1m、2m、3m、2r、3r见图4。

一般l1/l=0.6~0.7。

(4) 扰力计算。

(1) 计算各列机构产生的第一谐波和第二谐波水平扰力 (k N)

角频率ω=2πf=2π/T。

(2) 第一谐波水平扰力和第二谐波水平扰力, 分别为:

(3) 按下式:

将P'x1 (t) 及P"x1 (t) 分解成余弦分量和正弦分量之和。

(4) 将各列扰力中的余弦分量和正弦分量相加, 即得出P'x1 (t) 及P"x1 (t) 的两个分量。

(5) 重复上述步骤计算竖向扰力Pzi (t) 。

2 结语

由上述计算结果可知, 由于三缸往复式活塞泵三拐曲轴设计的平衡性, 使往复式活塞泵运行过程中不出现扰力方面的惯性力不会对基础产生绕力矩, 自然也不存在相位角。理论上, 往复式活塞泵运行过程中不会对基础产生因扰力带来的振动。

摘要：本文对三缸单作用往复式活塞泵扰力及扰力矩相位角的研究, 得出相关的计算方法。然后根据计算结果得出三缸单作用往复式活塞泵运行过程中不出现扰力方面的惯性力, 不会对基础产生绕力矩, 自然也不存在相位角的结论, 对三缸单作用往复式活塞泵现实运动过程中扰力分析具有一定的指导意义。

关键词：三缸单作用往复式活塞泵,扰力,扰力矩,相位角

参考文献

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