計量泵振動機理分析和減振措施

圖4　三缸單作用泵出口合成流量

　　對單缸至六缸單作用泵的流量脈動率分別進行計算[ 1 ] ,數(shù)據(jù)如表1所示。
      
      從表中可以看出,單缸泵的流量脈動率最大;多缸泵的流量脈動率較小;奇數(shù)多缸的流量脈動率小于偶數(shù)多缸的流量脈動率。
      
4　計量泵振源分析

4. 1　瞬時流量不均勻
      在相同管路特性的前提下, 瞬時流量不均勻是引起進出口管路振動的主要振源,瞬時流量脈動率的大小基本上代表了振源的強度。
      當(dāng)液流的狀態(tài)為層流時,流量q與壓差Δp之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式為:
      Δp =128μlq/πd4 (10)
      式中　μ———液體粘度, Pa·s
      l———管路長度, m
      d———管徑, m
      故流量脈動必然引起壓力脈動, 流量脈動率愈大,壓力脈動率也愈大。
4. 2　管內(nèi)液體周期性地加速和減速流動
      根據(jù)理想液體的伯努利方程式:
      z₁ +p₁/γ+u²₁/2g= z₂ +p₂/γ +u²₂/2g+1/g ∫²₁5u/5tds(11)
     式中　r———介質(zhì)重度,N /m3
     由于管內(nèi)液體周期性地加速和減速運動, 故式(11)中最后一項的值是交變的,該值的變化必然引起壓力的變化。
      管內(nèi)液體周期性地加速和減速流動是系統(tǒng)的又一個振源。
4. 3　進出口閥組的運動
      進出口閥組的功能是伴隨活塞(或柱塞)的往復(fù)運動,周期性的開啟和關(guān)閉,交替地溝通與截斷工作腔與進出口管路之間的通道,完成泵的吸入或排出過程。
      無論是平板閥、錐形閥還是球閥,閥口都存在一定的流量- 壓差關(guān)系,例如錐形閥的閥口流量- 壓差關(guān)系式為:
     q =C_dπd_mxvsin∮ ( 2Δp/ρ) ^{1 /2} (12)
      式中　Cd ———流量系數(shù)
      dm ———閥座平均直徑, m
      xv ———閥芯上移高度, m
      ∮———閥口錐角, °
      由式( 12)看出, q的變化會引起Δp及xv 的相應(yīng)變化。因此, 進出口閥組的運動也是系統(tǒng)的振源之一。
4. 4　傳動端偏心輪受交變作用力
      對單缸單作用泵而言,曲軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),活塞在液缸內(nèi)往復(fù)一次,活塞力F為: 
      F = pA (13)
      式中　p———工作腔的壓力, Pa
      根據(jù)分析,由于工作腔的壓力p是交變的,活塞受力F以及活塞通過滑塊、連桿作用在曲軸上的力也是交變的,這將引起曲軸兩端的軸承承載交變和電機的工作扭矩不均勻。
      4. 5　管路系統(tǒng)能量損失與空穴
      在液體內(nèi)部、液體和管壁之間都有摩擦力存在,液體流動時沿其流動方向要逐漸損失掉一些能量;液體流過管口、彎頭、突然變化的截面等處,由于流速的大小或方向發(fā)生急劇變化,也要損失一些能量。這些能量損失的值均與流速相關(guān)。
      流量的交變引起流速的交變,總的能量損失也隨之交變。
      如果因流速變化造成的壓降引起了介質(zhì)的汽化而使氣泡產(chǎn)生,就產(chǎn)生了空穴。這些氣泡隨著液流流到壓力較高的部位時會因承受不了高壓而破滅,產(chǎn)生局部的液壓沖擊,發(fā)出噪聲并引起振動。    

5　計量泵減振降噪措施

5. 1　技術(shù)途徑
      主動減振: 通過改善泵的基本結(jié)構(gòu)或運行狀態(tài),最大限度地控制振動源所產(chǎn)生的能量。
      被動減振:采取適當(dāng)措施減小振源的強度或阻斷振動傳播的途徑。
5. 2　主動減振措施
5. 2. 1　總體結(jié)構(gòu)選型設(shè)計
      由表1列出的脈動率數(shù)據(jù), 對振動要求比較高的系統(tǒng),應(yīng)優(yōu)先選用三缸計量泵,因其流量脈動率之和(δ1 +δ2 )僅為單缸泵的4. 4%或雙缸泵的8. 8%。流量脈動減小使得壓力脈動減小,振源能量大幅降低。
      另一方面,壓力脈動減小后,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,傳動端機械振動也將減小。
5. 2. 2　閥組結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計
      一般選用球閥,在閥球直徑大約38mm時,考慮選用錐形閥或環(huán)形閥等。
      閥組材料配對是影響閥組振動的另一個重要因素。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。
5. 2. 3　系統(tǒng)設(shè)計及其它
      增加管道通徑降低流速,減少彎頭及管線長度、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、改善傳動端摩
擦零部件潤滑狀態(tài)、增加散熱以降低油溫(控制在46℃以下)等都是減小振動的有效措施。
5. 3　被動減振措施
      (1)泵的進出口管路上安裝緩沖系統(tǒng)吸收流量和壓力脈動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)的動態(tài)特性與計量泵的動態(tài)特性(與計量泵轉(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/a_sEη(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　實例分析
      中石化某公司資源化重組項目中采用了甲酮計量泵(型號為J6 - DMF3000 /10. 0 - BY - IV)及
丙酮計量泵(型號為J6 - DMF2500 /10. 0 - BY -IV) ,均為單缸單作用隔膜計量泵,出口管線約有80多米長。裝置建成試車時,泵及管線的振動很大。雖然該公司采取措施對管線經(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)。
      由于計量泵型號已經(jīng)選定,采用被動減振方案比主動減振方案經(jīng)濟合理。在采集了現(xiàn)場泵及管線系統(tǒng)的特征參數(shù)以后,對甲酮計量泵和丙酮計量泵分別進行了動態(tài)特性的匹配計算[ 1 ] ,設(shè)計了出口緩沖系統(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月投入運行一次成功,流量脈動率約為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

      要完全消除計量泵的流量脈動和柱塞力的交變是不可能的,但通過理論分析和試驗驗證,采取主動減振和被動減振的措施,使振動控制在規(guī)定的范圍內(nèi)是完全可行的。 
　　從振源入手,實施主動減振設(shè)計,往往可以達(dá)到事半功倍的效果。從振動傳播途徑入手,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。

參考文獻(xiàn)

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