进口高压柱塞泵国产化设计分析

张世军

（本溪水泵有限责任公司，辽宁 本溪 117000）

为了响应国家号召，提高国内往复泵类机械设计水平，赶超国际先进生产厂家，我公司对进口意大利品牌的高压五柱塞泵进行国产化。国产化型号名称为5DSJ-20.5/26。以下内容为本人对其进行简要的介绍、分析和设计计算。

1 高压泵技术参数

5DSJ-20.5/26 型往复式高压泵的泵技术参数见表1。

表1 泵技术参数

2 五柱塞往复式高压泵特点、主要构成及工作原理

2.1 泵的特点

（1）设计标准：API674《容积泵》；GB/T 9234-2008《机动往复泵》设计、试验、生产。

（2）结构紧凑、布局合理、效率高，机动灵活。

（3）振动小、装拆、维修方便，具有均匀的流量，脉动小。

（4）采用盘根填料，寿命长。

（5）该泵排出端装有安全阀、压力表保证设备安全运行。

2.2 泵的主要构成

（1）动力端。动力端主要由传动箱体、曲轴、连杆、十字头等件组成。传动箱体为安置动力部分和连接液力部分的受力部件，两侧留有安装主轴承的座孔，曲轴箱下方为油池，用以储存润滑油，传动箱体内部有十字头滑道，作为十字头的运动导向，动力带动曲轴、连杆和十字头做往复运动。

特点：①十字头不直接与传动箱体接触，两者中间镶有套筒，可更换。十字头往复运动，不会直接磨损传动箱体，便于维护维修。②十字头与接杆之间采用螺纹与键连接，并通过焊接使两者固定在一起，确保十字头与接杆形位公差。③整体结构为不对称结构，内部放置减速齿轮，结构紧凑，加工相对复杂。

（2）液力端。泵液力端主要由液缸体、柱塞、填料函、进液阀、排液阀等组成。采用整体式结构，水平方向有五组液压腔，分别装有三组柱塞填料。每根柱塞对应的液压腔的垂直方向设有阀腔，下方为一组进液阀腔，上方为一组排液阀腔。进排液孔设在液缸体上，并由两侧进出。特点：结构紧凑、泵排液腔上部装有压力表，排出口装有安全阀。与国内设置基本相同。

（3）传动部分。采用内置减速结构，高、低速联轴器和护罩组成

（4）安全阀。安装于排出口处，对泵起安全保护作用，开启压力一般调整为泵额定排出压力的1.1 倍，安全阀只起泄压保护作用，不作为经常工作的旁路溢流通道。特点：26MPa 压力，采用螺纹连接。

（5）润滑。①此泵润滑方式为浸油润滑+飞溅润滑+强制润滑。浸油润滑是将轴承、连杆、瓦等零部件的部分浸在润滑油中，随着旋转运动，使零部件整体得到润滑。飞溅润滑是利用传动箱体内曲轴，连杆等运动件的活动，搅动油液形成油雾，飞溅到各磨擦表面，达到润滑目的。强制润滑为曲轴轴头端连接齿轮油泵，由齿轮油泵强制输送润滑油到各重要传动部件的摩擦表面。②润滑油的选用。原润滑油为意大利牌号，现更换为美孚220#齿轮油。

（6）基本工作原理。电动机通过高、低速联轴器和减速齿轮副，带动泵的曲轴旋转，曲轴带动连杆、柱塞做往复运动，并带动齿轮油泵做旋转运动。当柱塞向后运动时，进液阀打开，液体进入液缸体，直到柱塞移到最后位置为止（曲轴转动180°）吸入过程结束。柱塞开始向前运动，此时，液缸体的阀腔内的液体受挤压，压力升高，进液阀关闭，排液阀被打开，液体被柱塞推动经排液阀排出。曲轴旋转，齿轮油泵随之工作，将传动箱体内润滑油经过过滤器及冷却器后，注入回油箱内，完成回路。

3 高压泵主要设计计算

5DSJ-20.5/26 型高压柱塞泵（以下简称“泵”）简介：内置减速，传动箱为非对称结构；4 支撑5 拐；采用连杆大头定位；薄壁瓦，连杆宽40mm，瓦宽38mm；十字头外有十字头滑套镶嵌在传动箱内；十字头与接杆焊接；柱塞为陶瓷柱塞；无填料压套螺母，用弹簧限位紧固；缸体内成阶梯孔型，分别为φ60、φ61、φ62；锥阀；无液缸放气装置，有排出腔压力表；出口设有安全阀；外挂齿轮油泵、过滤器、冷却器；采用浸油润滑+飞溅润滑+强制润滑；注油及放气装置在泵的一侧；泵下部有外排油管及阀门；油标与十字头、接杆、柱塞在同一水平线上；传动箱及盖均采用散热筋似结构，盖材质为铝。

3.1 基本参数

（1）流量：Q=20.5m³/h；（2）排出压力：P=26MPa；（3）往复次数：N=374 次/min；（4）柱塞直径：D=50mm；（5）行程：S=98mm；（6）缸数：Z=5；（7）内置齿轮减速：减速比i=87/22=3.9545。

3.2 理论流量

Q1=Z× F×S×N=5×0.785×5²×10-4×0.098×374×60=21.58容积效率：ηv=Q/Q1=20.5/21.58=95%

3.3 柱塞推力

P2=0.785×D²×P×10=0.785×（5cm）²×26MPa×10=5102.5kgf

3.4 曲轴主要尺寸校核

说明：此泵为4 支撑5 拐曲轴。

实际直径：D实际=120mm S/D实际=46/120=0.38

（2）曲轴轴颈：D1=(0.9 ～1.1)D实际=108 ～132mm D1实际=70mm

（3）曲柄厚度：说明：联数多但中间有支撑，材料许用应力高，可以选小值。

t=（0.5 ～0.7）D实际=60 ～84mm

t实际=55mm、60mm（两端为55mm、中间4 处为60mm）

3.5 连杆的确定

连杆中心距l=280mm；连杆大头半径r=126/2=63mm；连杆比：r/l=63/280=0.225；连杆宽40mm；

最小当量截面积：

S=0.785×dm=0.785×49.682=1937.46mm2

实际截面积S实际=1531.351mm2

连杆小头衬套比压：δ=P2/(L×D)=5102.5/（4×3.8）=335.69kgf/cm2

3.6 十字头校核

实际直径：φ90mm

滑履长度：L=（0.9 ～1.2）Dh=81 ～108mm

实际长度：95mm

3.7 传动箱校核

箱体壁厚：根据活塞力5.1t 壁厚δ ＝15 ～20mm实际15 ～20mm

滑道壁厚＝（1.2 ～1.5）δ ＝18 ～30 实际21.5mm

箱体与液缸连接壁厚及箱体底面地脚螺栓孔处壁厚＝（1.5 ～2.0）δ ＝30 ～40mm，实际52mm 和55mm

3.8 液缸体壁厚校核

r2=67.5mm r1=41.5mm D=83mm 1Cr13=345MPa

N=σb/ dσ =3450/634.47=5.44>2 符合要求

3.9 流速

吸入口：φ73mm；吸入阀当量直径：φ41mm；排出口：φ38mm；排出阀当量直径：φ35mm；排出阀起落高度：7mm；吸入阀起落高度8.2mm。

吸入口流速：

V1=（4×20.5）/[3600×(73×10-3）²π]=1.36m/s

排出口流速：

V2=（4×20.5）/[3600×（38×10-3）²π]=5.02m/s

吸入阀：

V1阀=4×20.5/[5×3600×（35×10-3）²π]=1.184m/s

排出阀：

V2阀=4×20.5/[5×3600×（30×10-3）²π]=1.611m/s

吸入阀当量环面积：

A吸=3.14×4.1×0.82×sin45°=7.46cm2

吸入阀隙流速：

V1=(0.785×5²×9.8×374/60)/A吸=160.59cm/s

排出阀当量环面积：

A排=3.14×3.5×0.7×sin45°=5.44cm2

排出阀隙流速：

V1=(0.785×5²×9.8×374/60)/A排=220.22cm/s

3.1 0 柱塞校核

3Cr13

Pz=P×A=26×3.14/4×50²×1.5=76537.5N

Pzmax=Pz+Pzm=Pz+0.3Pz=99498.75N

σs =Pzmax/A=Pzmax/（3.14/4×35²）=103.469MPa

[ σ s]=[ σ s]t/n n=3

=540/3=180MPa

σs =103.47MPa<180MPa 合格

3.1 1 电机有效功率

泵有效功率Ne=PQ/36.7=26×10×20.5/36.7=145.23kW

η泵总=η 机×η 水×η 容=0.93×0.97×0.95=0.86

轴功率：Nd=Ne/η泵总=145.23/0.86=168.87kW

电机功率N=1.1Nd=1.1×168.87=185.76kW

电机为：Y315L2-4B3-200kW

3.1 2 螺栓校核

（1）液缸侧壁：排出：4-M20 d1=17mm

Fo=Fc+Fpc

Fc=1/4×3.14/4×d²×Ps=0.25×0.785×38²×39=110 52.015N

Fpc=K Fc K 取0.8

Fo=19893.627N

σb=Fo/A=Fo/(0.875×17²)=87.69MPa

安全系数取n=3

87.69 MPa<[σb]t/3=800MPa/3=266.67MPa

8.8 级螺栓合格

（2）液缸上螺栓：4-M16

Fc=0.25×0.785×62²×39=29421.015N

Fo=52957.827N

σb=Fo/A=Fo/（0.785×13.8²）=354.24MPa

安全系数取n=2

354.24 Mpa<800/2=400MPa

8.8 级合格

4 结语

经过长达半年的试验，5DSJ-20.5/26 型高压泵结构合理、性能稳定、可靠，其性能指标完全达到了设计要求，已经具备出厂条件，可以满足用户需要，对进口意大利品牌高压五柱塞泵进行国产化成功。国内设计的相同参数的高压泵，体积及各零件大小均要比国外的大，通过国产化，可以反推各零件选取的系数，优化国内的各系数。相比国外，选取的范围及数值大多比国外的要大，因而才会出现国内设计的泵型在同参数的条件下，泵的体积比国外的大，国内目前往复泵的技术照比国外还有很大差距。