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1、前言
作為往復(fù)泵的一個(gè)重要分支,就振動(dòng)機(jī)理而言,計(jì)量泵的機(jī)械傳動(dòng)部件承受的載荷是交變的;瞬時(shí)流量是脈動(dòng)的;由于管內(nèi)流動(dòng)液體的加速和減速,引起了管路內(nèi)液體壓力的脈動(dòng);在節(jié)流部位以及彎頭處,由于能力損失,不可避免的產(chǎn)生了液體的沖擊。
壓力脈動(dòng)和沖擊不僅引起振動(dòng)并造成管路附件的疲勞損壞、降低流量精度,而且會(huì)引發(fā)安全事故。在大流量或長(zhǎng)管線場(chǎng)合,計(jì)量泵所引起的振動(dòng)甚至?xí)斐晒に囅到y(tǒng)無法運(yùn)行。
本文對(duì)引起計(jì)量泵振動(dòng)的主要因素(即振源)加以分析,在此基礎(chǔ)上提出一些主動(dòng)減振和被動(dòng)減振的方法或措施。
2、計(jì)量泵的結(jié)構(gòu)及原理
典型的柱塞計(jì)量泵結(jié)構(gòu)如圖1所示,電機(jī)通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)蝸桿- 蝸桿副,經(jīng)蝸輪蝸桿副換向并減速后帶動(dòng)與蝸輪剛性連接的偏心輪一起旋轉(zhuǎn)。偏心輪與連桿和十字頭組成的曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)將偏心輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭诸^的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。
圖1 柱塞計(jì)量泵結(jié)構(gòu)示意
計(jì)量泵傳動(dòng)原理如圖2所示,曲柄每旋轉(zhuǎn)一圈,滑塊在連桿的帶動(dòng)下,經(jīng)缸體內(nèi)孔導(dǎo)向完成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次。
圖2 曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)示意
經(jīng)過推導(dǎo)和計(jì)算[ 1 ] ,在λ≤1 /4時(shí), 可近似認(rèn)為滑塊速度u:
u = - rω( sinφ +λ2sin2φ) (1)
滑塊加速度a:
a =du/dt= rω2 ( cosφ +λcos2φ) (2)
為進(jìn)一步簡(jiǎn)化振動(dòng)機(jī)理分析,設(shè)λ = r/L = 0,則有:
u = - rωsinφ (3)
a = - rω2 cosφ (4)
即:活塞速度u與加速度a的波形分別為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形和余弦波形(設(shè)λ = 0)
式中 r———曲柄半徑,m
ω———曲柄角速度, 1 / s
φ———曲柄轉(zhuǎn)角, °
L ———連桿長(zhǎng)度, m
λ———連桿比,λ = r/L
3 計(jì)量泵的振動(dòng)機(jī)理分析
3. 1 泵瞬時(shí)流量的計(jì)算和分析
計(jì)量泵液力端常用單缸單作用結(jié)構(gòu),在流量較大或要求流量脈動(dòng)小的場(chǎng)合則采用雙缸和三缸單作用結(jié)構(gòu)。在不考慮容積損失的情況下,泵在每一瞬間排出的流量稱為理論瞬時(shí)流量,簡(jiǎn)稱瞬時(shí)流量。對(duì)于多缸多作用泵,總的瞬時(shí)流量等于各個(gè)工作腔在同一瞬間的瞬時(shí)流量之和。
3. 1. 1 單缸單作用計(jì)量泵的瞬時(shí)流量
單缸單作用泵工作時(shí),曲軸轉(zhuǎn)一圈,工作腔完成吸入和排出各一次,瞬時(shí)流量為:
q =Au = - rωA sinφ (5)
式中 q———瞬時(shí)流量, m3 / s
A ———活塞面積, m2
瞬時(shí)流量周期為2π; 在( 0,π)區(qū)間, 計(jì)量泵僅有液體吸入而無液體排出;在(π, 2π)區(qū)間, 計(jì)量泵僅排出液體而無液體吸入。所以單缸單作用泵的吸入管路及排出管路內(nèi)的瞬時(shí)流量是間隙和脈動(dòng)的。
3. 1. 2 雙缸單作用計(jì)量泵的瞬時(shí)流量
雙缸單作用計(jì)量泵運(yùn)行時(shí), 兩計(jì)量泵的活塞相位相差180°, 一臺(tái)計(jì)量泵吸入液體時(shí), 另一臺(tái)計(jì)量泵排出液體。曲軸每轉(zhuǎn)一圈, 吸入和排出液體各兩次。
設(shè)兩缸的瞬時(shí)流量分別為q1、q2 , 則總的瞬時(shí)流量:
q = q1+q2
= - [ rωA sinφ + rωA sin (φ +π) ] (6)
瞬時(shí)流量曲線如圖3所示。
圖3 雙缸單作用流量曲線
在(0, 2π)區(qū)間, 泵完成兩次吸入和兩次排出,兩次吸入或排出之間無間隙,故雖然其吸入管路及排出管路內(nèi)的瞬時(shí)流量也是脈動(dòng)的,但脈動(dòng)有所改善。
3. 1. 3 三缸單作用泵的瞬時(shí)流量
三缸的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸相同, 相位各相差120°,曲軸每轉(zhuǎn)一圈,每個(gè)缸的工作腔交替吸入和排出液體一次。設(shè)三個(gè)缸的瞬時(shí)流量分別為q1、q2、q3 ,則合成瞬時(shí)流量為:
q = q1 + q2 + q3
= - [ rwA sinφ + rωA sin (φ + 120°)
+ rwA sin (φ + 240°) ] (7)
三缸單作用泵的排出流量曲線圖如圖4 所示。吸入流量曲線與排出流量曲線相似。
對(duì)三缸單作用泵,合成以后的瞬時(shí)流量最大值為rωA, 瞬時(shí)流量最小值為0. 866 rωA, 變化范圍較單缸或雙缸單作用泵均大幅降低。
3. 2 流量脈動(dòng)率δ
流量脈動(dòng)率δ是衡量流量脈動(dòng)程度的指標(biāo),設(shè)δ1 為上振幅的脈動(dòng)率,δ2為下振幅的脈動(dòng)率,其值為:
δ1=(qmax - qm)/qm×100% (8)
δ2=(qm - qm in)/qm×100% (9)
式中 qmax ———瞬時(shí)最大流量, m3 / s
qm———瞬時(shí)流量平均值, m3 / s
qmin ———瞬時(shí)最小流量, m3 / s
圖4 三缸單作用泵出口合成流量
對(duì)單缸至六缸單作用泵的流量脈動(dòng)率分別進(jìn)行計(jì)算[ 1 ] ,數(shù)據(jù)如表1所示。
5 計(jì)量泵減振降噪措施
5. 1 技術(shù)途徑
主動(dòng)減振: 通過改善泵的基本結(jié)構(gòu)或運(yùn)行狀態(tài),最大限度地控制振動(dòng)源所產(chǎn)生的能量。
被動(dòng)減振:采取適當(dāng)措施減小振源的強(qiáng)度或阻斷振動(dòng)傳播的途徑。
5. 2 主動(dòng)減振措施
5. 2. 1 總體結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)
由表1列出的脈動(dòng)率數(shù)據(jù), 對(duì)振動(dòng)要求比較高的系統(tǒng),應(yīng)優(yōu)先選用三缸計(jì)量泵,因其流量脈動(dòng)率之和(δ1 +δ2 )僅為單缸泵的4. 4%或雙缸泵的8. 8%。流量脈動(dòng)減小使得壓力脈動(dòng)減小,振源能量大幅降低。
另一方面,壓力脈動(dòng)減小后,作用在活塞上的作用力(即偏心輪的受力)的變化范圍相應(yīng)減小,傳動(dòng)端機(jī)械振動(dòng)也將減小。
5. 2. 2 閥組結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)
一般選用球閥,在閥球直徑大約38mm時(shí),考慮選用錐形閥或環(huán)形閥等。
閥組材料配對(duì)是影響閥組振動(dòng)的另一個(gè)重要因素。金屬- 非金屬材料組合較金屬- 金屬材料
組合在減振降噪方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。
5. 2. 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其它
增加管道通徑降低流速,減少?gòu)濐^及管線長(zhǎng)度、增大彎頭半徑以降低能量損失,都能在一定程
度上減振; 通過工藝措施提高零件的加工精度、保證裝配質(zhì)量,提高軸承承載能力、改善傳動(dòng)端摩
擦零部件潤(rùn)滑狀態(tài)、增加散熱以降低油溫(控制在46℃以下)等都是減小振動(dòng)的有效措施。
5. 3 被動(dòng)減振措施
(1)泵的進(jìn)出口管路上安裝緩沖系統(tǒng)吸收流量和壓力脈動(dòng)必須要引起注意的是,緩沖系統(tǒng)的頻率特性與緩沖罐的容積、充氣壓力及連接管路幾何參數(shù)都相關(guān)[ 3 ] 。只有在緩沖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與計(jì)量泵的動(dòng)態(tài)特性(與計(jì)量泵轉(zhuǎn)速、出口壓力等相關(guān))相互匹配才能取得最佳的減振效果。
(2)阻尼減振
系統(tǒng)共振振幅H為:
H =1/asEη(14)
式中 as ———比例系數(shù), m
E———楊氏模量, Pa
η———損耗因素, 1 /N
為降低共振振幅,應(yīng)該選用高楊氏模量E和高損耗因素的材料。
(3)采用隔振墊、管路消聲器等。
5. 4 實(shí)例分析
中石化某公司資源化重組項(xiàng)目中采用了甲酮計(jì)量泵(型號(hào)為J6 - DMF3000 /10. 0 - BY - IV)及
丙酮計(jì)量泵(型號(hào)為J6 - DMF2500 /10. 0 - BY -IV) ,均為單缸單作用隔膜計(jì)量泵,出口管線約有80多米長(zhǎng)。裝置建成試車時(shí),泵及管線的振動(dòng)很大。雖然該公司采取措施對(duì)管線經(jīng)過了數(shù)次加固,但其出口管線最大振幅仍在10mm左右,無法投料生產(chǎn)。
由于計(jì)量泵型號(hào)已經(jīng)選定,采用被動(dòng)減振方案比主動(dòng)減振方案經(jīng)濟(jì)合理。在采集了現(xiàn)場(chǎng)泵及管線系統(tǒng)的特征參數(shù)以后,對(duì)甲酮計(jì)量泵和丙酮計(jì)量泵分別進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性的匹配計(jì)算[ 1 ] ,設(shè)計(jì)了出口緩沖系統(tǒng),配置可充氣的囊式緩沖罐,設(shè)定其充氣壓力、緩沖罐入口與泵出口的距離等重要參數(shù)。2007年9月投入運(yùn)行一次成功,流量脈動(dòng)率約為5% ,出口管線最大振幅在1mm 以內(nèi),完全滿足了工藝要求。
6 結(jié)語
要完全消除計(jì)量泵的流量脈動(dòng)和柱塞力的交變是不可能的,但通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,采取主動(dòng)減振和被動(dòng)減振的措施,使振動(dòng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)是完全可行的。
從振源入手,實(shí)施主動(dòng)減振設(shè)計(jì),往往可以達(dá)到事半功倍的效果。從振動(dòng)傳播途徑入手,通過緩沖系統(tǒng)的配置以及泵與管路特性之間良好的匹配也能達(dá)到減振的目的。
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