隔膜泵产品设计重量控制指标的建立

付鹏

摘要：隔膜泵产品经常被市场需求指定到海洋平台、车载运输、钻井平台等应用场景，这些应用平台对产品重量十分敏感。本文通过引入功重比指标，系统对比了进口与国产隔膜泵及相似产品的重量控制数据，最终给出国产隔膜泵产品的重量控制意见。

关键词：功重比;隔膜泵;线性规划

中图分类号：TH323            文献标识码：A

近年来，隔膜泵产品经常被市场需求指定到海洋平台、车载运输、钻井平台等应用场景，这些应用平台对产品重量十分敏感。为满足新场景的要求，解决隔膜泵产品设计过程中设计重量控制依据问题，现以三缸单作用隔膜泵为例，通过梳理国产隔膜泵产品的重量相关数据[1]，对照同类国内外相关产品数据，探讨与建立产品设计重量控制指标。

1   隔膜泵产品设计重量控制指标的初步讨论

从遨游天空的飞船到人们掌心中的手机，所有的产品设计开发过程中都会涉及重量问题。单一的观察重量指标意义不大。因为大多产品在完成任务时都要对外输出自己的功能特征，功能特征需求设定的大小会直接影响其设计重量。只有在同一功能特征需求设定下去探讨重量才更有意义。在众多的功能特征需求中，产品对外做功是最为重要与常用的特征参数之一。这便为人们设计产品引入了一个重要概念——功率重量比（或比功率，功率质量比，简称功重比，以下统称“功重比”）。

汽车制造行业最早使用这一指标。不同的轿车功重比从0.04～0.10 kW/kg不等。有文献计算过一辆中型客车（车宽：2420 mm;车高：3255 mm）的功重比为12.18 kW/t。经统计国外几家著名的工程机械公司的推土机功重比为5.83～8.05 kW/t。从1903年带动第一架飞机上天到二战结束的40余年里，活塞式发动机获得了飞速的发展，功重比由0.12 kW/kg提高到1.85 kW/kg。各类蓄电池功重比从200～450 W/kg不等，最新研究的超级电容器提升到了500～2000 W/kg。1988—2017年，美国发起过两次国家级战略，最终使涡轮发动机的功重比达到20 kW/kg。这些实例说明，功重比在产品控制中的重要性[2]。

隔膜泵产品的设计功能就是在电机与减速的驱动下，通过动力端与液力端两大功能部装实现被输送浆体对外输出流量与压力特征，而流量与压力的乘积就是产品对外输出的功。参照上述中型客车与推土机的功重比单位，初步取其单位为kW/t。我们可以理解为1 t钢材经过设计后能够承受多大的功率，这个数值越大说明同等功能特征输出条件下设计重量越轻。下面将通过梳理相关产品重量数据确认功重比指标在隔膜泵产品中使用的可能性及控制目标[3]。

2   国产隔膜泵相关数据的整理汇总

对国产三缸单作用隔膜泵数据进行汇总，主要数据包括：电机功率、泵重、冲次、功重比。

功重比=电机功率/泵重。

绘制隔膜泵功率与功重比關系，如图1。可以看出电机功率越大，功重比的数值越大，其功重比值为2～12 kW/t。线性规划方程为y=0.002x+6.027。部分功重比偏离拟合的线性规划方程，最大的偏离达到80%。

3 相关产品重量数据的搜集与分析

为了更好地对比观察产品功重比数据，以下收集了弗兰德减速机数据，主要数据包括：重量、功率、减速比。收集进口隔膜泵产品相关数据，主要数据包括：电机功率、泵重、冲次。对数据整理，绘制图2与图3。

图2中，功重比随着功率的增加而增加并呈现发散的变化，但以减速机的传动比为主线观察就无发散情况。图3中，进口隔膜泵产品随功率增加，功重比值增大，功重比也存在一定离散性。减速机与进口隔膜泵功重比的整体离散可归结于减速比与冲次的影响，当转换成同一减速比与冲次时，离散情况应该可以消失。

基于上述理解与分析，将减速机的图2中的各减速比，按比例换算到35.5后进行观察，结果如图4所示。从图中可以观察到功重比集中在0.2 kW/kg左右，离散的情况完全消失。

同理，对图3数据以43冲次进行线性换算，得到图5，可以看出，离散性基本消失。国外隔膜泵产品功重比为8～14 kW/t，线性规划公式为y=0.002x+10.04。

根据上述结论，对图1中数据进行线性换算到43冲次的功重比，则得到图6。可以看出，经过换算后，国产隔膜泵产品的功率与功重比的离散性没有得到改善。这与进口产品的处理结果大相径庭，原因在于国产隔膜泵产品历年设计过程中缺少功重比指标规划与指导。

4 国产隔膜泵与进口隔膜泵数据对比及结论

将图5与图6数据叠加在一张图中，得到图7。国产隔膜泵的线性规划方程y=0.003x+6.459与进口隔膜泵的线性规划方程y=0.002x+10.04相比整体功重比偏低。

经过梳理，本文最终得出如下结论。

①使用“功重比”作为隔膜泵产品设计重量的控制指标可行。

②国产隔膜泵要加强“功重比”指标在产品设计规划中的使用。

③国产隔膜泵小功率泵型的“功重比”还需改善。

④国产隔膜泵整体需进一步提升“功重比”指标，赶超进口隔膜泵。

参考文献

[1] 徐哲.我国电动汽车发展现状与对策研究[J].上海汽车，2006，33（5）：6-9.

[2] 王玲.混合动力大巴用高比功率镍氢电池的管理系统设计[D].北京：北方工业大学，2004，06.

[3] 刘正富.全液压推土机关键技术参数研究[D].西安：长安大学，2004，01.