一种稳流柱塞泵阀芯结构设计

张驰 周平运

摘 要：针对柱塞泵在应用过程中流体运动不稳定的问题，设计一种新型稳流柱塞泵阀芯结构。四缸四冲程式柱塞泵由电动机提供动力带动偏心轮机构转动，将电动机的旋转运动转化为柱塞的往复运动，给水加压。选用石墨/ZTA陶瓷基复合材料作为缸体材料来解决水环境下柱塞泵易磨损问题。针对其结构设计、材料选型以及工作原理进行论述。

关键词：柱塞泵;四冲程;偏心轮;旋转运动

中图分类号：TH322        文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.04.010

随着现代化农业技术的不断发展，人们对于农田灌溉设备的研究与使用也越来越多。水压泵作为农田灌溉的重要设备，人们对水压泵的生产与研发也日益增多[1]。相较于油压泵所使用的液压油具有更加稳定的理化性质，水介质对于水压泵的材料理化性能以及强度要求更高。王慧等[2]采用理论分析的方法研究了滑靴副紊流下水膜静压支承特性，发现不同介质下滑靴的静压支承特性并不相同，仅考虑水膜的支承刚度，压降系数应取0.7715，而不是传统值2/3。刘永铎等[3]利用计算机建模对偏置式径向柱塞马达的运动学特性进行理论分析，发现马达滑靴滑移性能较好，启动和制动迅速，能正反转切换，输出扭矩大，在低速、重载下运转时，运行平稳，不会出现振动和冲击，而且加工和维修难度较低。

本文针对柱塞泵，从结构上对柱塞泵阀芯进行设计，采用四缸四冲程结构，利用偏心轮机构同时将电机的旋转运动转化为柱塞的往复运动。

1 四缸四冲程式柱塞泵传动机构设计及运动学分析1.1 传动机构的设计

四缸四冲程式柱塞泵主要借鉴了汽车的四冲程式发动机的曲轴机构[4-7]，曲轴机构在电动机带动下将旋转运动转换为柱塞的往复运动。四个偏心轮机构沿轴向排列，相邻偏心轴在异面圆周方向的夹角相差90°（如图1）。在同一时间，各个冲程相邻两两运动状态相反，保证在每个时刻泵的吸水量等于排水量，水流源源不断的从入水口进入，从排水口排出。从而使各时刻排水量与吸水量基本相同，达到稳定水流的目的。

通过理论推导计算，得到了柱塞的位移、速度、加速度的运动规律。根据运动规律方程可以求出柱塞在任意时刻的运动参数。经分析可知，在相同的几何参数和运动条件下，对称曲柄滑块机构的速度和加速度最大值比偏置曲柄滑块机构的相应值大，并且随着偏置量e的增大，偏置曲柄滑块机构的速度和加速度最大值将进一步减小。表明马达的活塞缸偏置和增大偏置量e对改善径向柱塞的运动性能是有利的。

1.3 缸体材料的设计

在本设计中缸体是一个非常特殊的元件，在高速运动的环境下，缸体在摩擦磨损和水侵蚀的双重作用下使用寿命会大大降低，极大地增加了修理成本和泵体的稳定使用性能。本设计考虑到陶瓷基符合材料性能的稳定性，选用石墨/ZTA陶瓷基复合材料，石墨含量为10%，该材料的摩擦系数为0.38，强度极限σb=480 MPa。缸体的主要设计参数如图3。

1.4 整流器的设计

由于四缸四冲程式柱塞泵有四个阀口进行排水，4个阀口进行吸水，如果只采用管道与阀口进行配合，会导致管线杂乱无章，影响柱塞泵在实际生产中的使用。基于以上考虑，设计一个能与泵体直接配合的整流器，让4个不同的吸水阀口汇聚到一条管路，四个不同的排水阀口汇聚到另一条管路，整流器与8个阀口直接配合，整流器下端与整流器底面中线处开8个圆孔洞，与安装在缸体上的单向阀配合。利用如图4所示的管路，将各个阀口连接起来，最后将所有管路与外表面联通。

2 工作原理

四缸四冲程式柱塞泵的设计主要借鉴了发动机的设计理念，利用四个活塞交替往复运动来为水提供液压动力。电动机通过联轴器将转矩传递给曲轴，曲轴带动偏心轴做圆周运动，从而带动整个主轴转动。通过连接在偏心轮上的连杆机构来实现将旋转运动转化为柱塞的往复运动。在排水过程中，连杆在偏心轴带动下推动柱塞在缸体内向上止点运动，使缸体内的水不断在柱塞推力作用下从缸体上的单向阀口推出缸体，从而实现为水加压的效果。在吸水过程中，连杆在偏心轴带动下拉动柱塞向下止点运动，水从对应流向的单向阀内被吸入，之后在缸体内完成加压过程（如图5）。

四个柱塞在同一时刻运动状态两两相反，两个处于吸水状态两个处于排水状态，以保证在同一时刻进水量与出水量的统一。从而实现在每个时间段泵都在吸水和排水，而且吸水排水的量基本相同，从而更好地为液压系统提供液压动力。由于吸水和排水的量基本相同，四冲程式柱塞泵的水流更加稳定，机体的振动也比较小，整个机器的运行也更加稳定。

3 结论

（1）通过偏心轮机构将电机的转动转化为柱塞的往复运动，进而利用柱塞的往复运动给水加压。通过采用将偏心轮机构中偏心轴放置的角度相差90°的形式，实现同一时间进水量与出水量相同的设计目的。

（2）通过将四冲程柱塞泵缸体材料改变为石墨/ZTA陶瓷基复合材料，使四冲程柱塞泵具有自润滑的功能，可以应用到复杂水质环境中，抗腐蚀效果好，解决金属材料在海水中易生锈腐蚀磨损的问题，使用寿命增长，拆装更为方便。

（3）通过设计整流装置，使得四冲程式柱塞泵在安装时只需要一进一出两个管，大大节省了所占空间，也使工人们在安装时更加方便。

参考文献：

[1] 王洋，胡日新，汤海涛，等.旋涡自吸泵小流量工况下的流动噪声研究[J/OL].农业机械学报，2017（10）：1-8[2020-03-05].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1964.s.20170718.1329.014.html.

[2] 王慧，郝立志.水压轴向柱塞泵滑靴副紊流下水膜静压支承特性[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2014，33（6）：837-841.

[3] 刘永铎，刘伟.基于UG软件的偏置式径向柱塞马达特性分析[J].自动化与仪器仪表，2014（5）：140-142.

[4] 王明星，代正弋，宋江，等.四冲程自由活塞天然气发动机研究[J].中国设备工程，2019（17）：185-187.

[5] 钟赛君，王强胜，卫飞，等.基于模拟实验装置进行的小型二冲程发动机缸内slap现象研究[J].小型内燃机与车辆技术，2019，48（3）：25-29.

[6] 刘杰.浅析四冲程活塞式内燃机工作原理[J].内燃机与配件，2019（5）：71-72.

[7] 华儒，徐照平，刘梁，等.自由活塞发动机二冲程运行模式换气过程优化[J].車用发动机，2018（4）：45-49.