探索新的泵类机构的方法--从平面向空间演化

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欢迎访问e展厅 展厅 2 真空设备/泵展厅 水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ... 一、泵类机器及其机构的突破 泵类机器的发展存在“常规发展”和“机构突破”两条道路。常规发展是指在不变动机器基本机构的条件下从机器的整体设计。组件和零件的具体结构设计到加工工艺以及材料等方面，使机器不断的完善，以提高其各项经济技术指标。机构突破是指发明和创造出一种异于常规机构的新机构，并据此设计创造出一种新的性能优良的机器。常规发展是一种循序渐进的过程，由于人们长期进行的常规发展工作，现有的常规机构才能日趋成熟，然而科学与技术的不断发展对机器的要求越来越高，使得某些机器已经不能适应复杂多样的要求。机构突破就成为不满足现状而立志于改革的发明家们所想往的领域。 容积式内燃机、压缩机，容积泵以及各种容积式液动机等流体机械的工作条件与工作对象截然不同。在工程中都各自成为一个独立的技术领域，各有自己的发展历程。然而它们的主要执行机构都是容积泵类机构，换言之，它们的主机构都是具有产生周期变化闭合容腔的功能的机构，因而从机构学角度来研究时，它们是处于同一个领域的。例如：曲柄连杆等长机构(入二1)在内燃机里虽然经过长期努力未能进入商品生产，但在用上述努力所取得的经验却使它在小型空气压缩机的商品生产中得到应用。双螺杆压缩机在设计和加工工艺的改进后性能指标有很大的提高，最近就出现了用双螺杆压缩机和双螺杆膨胀机来代替小型燃汽轮机中的速度型压缩机和涡轮的研究工作。 显而易见，这些泵类机器在机构方面的发展工作是互相支持和互相补充的。容积泵类机构的“机构突破”存在其一定的特殊性，首先由于它是一种能量型的机构，也就是说在构件运动转换过程中，机构内有大的能量传递，由于功率在机构中传输，必然对机构的功率传输路线中各构件的刚度、强度及运动剐的间隙与密封、润滑等都会提出十分严格的要求。如果是内燃机，更要求机构能适应做热力循环时，诸如传热，燃烧热效率等热工方面的要求。也就是说这类机构的创新必须和机构最终制成机器，所能得到的技术性能一并综合，很多方案不做成样机和进行大量的试验工作往往很难做出决策，显然这类发展工作覆盖面很宽，它涉及到机构学，内燃机学、泵的研究以及摩擦学、流体力学等学科，因此它的理论工作发展较慢。其次泵类机器在国民经济中已占有重要的地位。内燃机是人们主要的移动式动力源天上、地下、海上、军用、民用无所不有。 泵(包括离心泵)是世界上产量仅决于电动机的机器，因而又是一种量大面广的机器。人们对其发展已投入巨大的精力。历史上，尤其是WanKel转子机出现后的六十年代和七十年代，转子式泵类机构的优良特殊性引导人们去创造出各种各样的容积泵类机构，成百上千种这类机构出现在多种文献和专利档案中，不少机构做成了机器以后又被淘汰，成为只供人们研究的“化石”。面对这些众多的机构，人们可以提出一个问题：那就是它们之间彼此是孤立的吗?相互之间是否有联系?是否存在几何学的问题。众所周知在几何学的发展历程里，三维立体几何是二维平面几何的延伸，在机构学里三维的空间机构是二维平面机构的拓展。因此，为了指导机构的构型和研究机构的演化，把容积泵类机构分为平面和空间型将更有意义。 所渭平面容积泵类机构是指其周期变化的闭合容积是平面型。换言之，容腔与轴线垂直的横断面的几何形态都一样，而且其母线都是直线。因而呈柱状，这类机构一般仅用一个与轴线垂直的平面图形即可表示之。与之相反，如果横断面的几何形状沿轴线各不相同，则称其为空间泵类机构。显而易见，在机构的构形方面，在新的容积泵类机构的创研上，三维空间型比二维平面型必然具有更大的意义和潜力。 这使我们联想到十九世纪达尔文提出的《进化论》，达尔文在研究总结了周游世界所获得的资料后提出了自然选择学说，它不仅说明了物种是可以变的，更重要的是揭示了自然界形形色色的生物是由共同祖先经过漫长的历史阶段演变而来的。演化的著名例子是自然条件变迁，使某些原始鹿演变成长颈鹿，从而解释了生物种的变异和自然选择的关系。在对大量已有容积泵类机构的归纳和分析后，作者以为泵类机构的发展，已进入这样一个历史时期，它所积累的资料就象达尔文当年那样。因此可以类比式的认为：在众多泵类机构巾，机构间彼此并不是孤立的，而是互相有联系的。一些机构往往是由某种机构机器功能要求的激励下，人们通过某种演化手段演化而得来的。生物演化中自然界的选择是根本，在机构演变中机器功能的激励足演变动力。至于一些机构由于其优越性，而具有顽强的生命力直到现在还在大量的广泛的应用。而另一些机构在使用中由于其缺点比较多而受到冷落，甚至于被淘汰，这正“物竞天择”的结果。因此，如果把机构演变的某些规律总结出来后必将和现在生物遗传工程人为创造出新物种那样，对新机构的创研提出指导性的意见。 二、平面型与空间型的泵类机构 对于泵类机器人们通常根据密封构件的运动形式，把它分为往复式和转子式两大类。这种分类对机构的构型并未多大的好处，机构的“型综合”和机构的演化是一项广泛涉及到几何学的问题。众所周知在几何学的发展历程里，三维立体几何是二维平面几何的延伸，在机构学里三维的空间机构是二维平面机构的拓展。因此，为了指导机构的构型和研究机构的演化，把容积泵类机构分为平面型和空间型将更有意义。所谓平面容积泵类机构是指其周期变化的闭合容积是平面型。换言之，容腔与轴线垂直的横断面的几何形态都一样，而且其母线都是直线。因此而呈柱状，这类机构一般仅用一个与轴线垂直的平面图形即可表示之。与之相反，如果横断面的几何形态沿轴线各不相同，则称其为空间泵类机构。显而易见，在机构的构形方面，在新的容积泵类机构的创研上，三维空间型比二维平面型必然具有更大的意义和潜力。图1-a为人们熟知的偏心滑片泵。如果不局限在2维几何平面上研究它的构形，而从第三个座标一“轴向”来研究闭合容腔的形成，推移和消失，就可得到图l-b的构形。；陶形 里转子不再偏心，转动的滑片做轴向的运动(有部分做螺旋运动)，虽尚不属于空间型螺旋泵，在实用上价值也不大，但却启发我们可向空间拓展。在平面走向空间的过程中去寻觅新的构形。 图l一偏凡滑片泵与同心滑片泵当前已知的泵类机构，除螺旋类外大部分为平面型，显然这是符合人们认识二维平面然后再认识三维空间的认识规律。在平面泵类机构方面，内燃机学者WanKel作了大量的工作，在这个基础上作者曾对平面泵类机构中的“构件演化”“运动副的演化”和“构形的演化”做了一些研究，作者进一步认为，在平面领域里泵类机构是没有多少潜力。今后问题的关键是在于如何进一步以平面泵类机构为基础向空间拓展。在空间型容积泵的容腔中，流体将被通过作空间复合运动。流体如被迫作一面旋转一面沿轴的推移的螺旋运动，即可形成螺旋泵。和螺旋类似的空间复合运动是“进动”，这是两个不同的平面的旋转的复合，流体要在容积中被迫作“进动”，即构成“进动泵”。因而在乎面向空间拓展中必然存在“螺旋演化”与“进动演化”两条脉络。 三、平面泵类机构的空间螺旋演化 1、双螺杆泵与单螺杆泵的演化。 泵类机构中缸体与活塞是能形成变化闭合容积的基本构件副。园柱直齿轮泵可看成这种构件副群体的径向排列，显然，它是一种。平面型”的容积泵，因为它的横截面上的闭合面积在同一瞬间都是相同的。而双螺杆泵(图2)的每一个与轴线垂直的横截面虽也都相同，但双螺杆泵的每一横截面相互都有一个沿轴线方向的扭曲，从而使基本构件副群体的排列有了沿轴向的扭曲，闭合容积由柱状演化为螺旋状，因此泵的原理产生质的变化。工质的吸排方向也由径向变为轴向，泵的形态由粗短变为细长。齿轮泵由平面机构沿轴向螺旋演变为空间机构。这种演化对泵的功能发展无疑是有利的，因为它可仅用一对齿形构件就可完成对流体的多级串联泵送，在需要较高压力时，这是可取的。 单螺杆泵在构形上也是一种平面泵的螺旋演化。它是由平面曲柄连杆等长机构所构成的活塞式往复泵的轴向螺旋演变而成的。由(图3)可见，偏心螺杆在横截面上实质是曲柄连杆等长机构中的连杆AB，不同的是将滑块图2双螺杆泵去掉，密封面由扩大了的 图3 单螺杆泵构件A和泵腔相切的两个切点来完成，而且构件A自身有沿轴向扭转，两个万向节实质上是一根空间的曲柄，其平面的投影与曲柄的半径BC相对应。由于螺杆和螺套的导程比为1：2，因而形成闭合容腔。显然，螺套(定子)内的螺纹是双头的，上述演化使机构比原型更简单。 2、平面泵空间螺旋演化的条件 平面泵类机构很多，但并不是都能做螺旋演化的。从上述二泵演化可见，要形成螺旋演化除必须有一个作为基型的平面泵类机构外，基型的闭合容积的横截面的周期变化的闭合面积的相位能沿轴向在一个或多个导程内展开，即必须存在“相位展开”与“相位叠合”。前者在形态上指构件沿轴向扭曲，后者是指在量的变化上反映横截面内闭合面积变化函数图象转角坐标系的相位要叠合，即轴向长度量的方向的变化周期和转角的变化周期相对应。例如：双螺杆泵一个截面内的闭合面积的变化周期是360~轴向长度方面是一个导程与之对应(图4)，于是螺旋演变出来的空间型闭合容积的形态将是长度为一个导程，两头小(闭合)中间大，螺旋状的袋形容腔，由于“相位叠合”当主动轴旋转时，在其后面又重新开始形成同样的空腔。如此周而复始，完成机构对流体的吸排作用。 由平面泵类机构轴向演化的空间泵类机构，其闭合面积的变化将有以下特征：即同一截面上的——个周期里各个变化瞬间的闭合面积的变化形态和同一瞬间沿轴向在一个导程(或几个导程)内各个不同截面上的闭合面积的变化形态相对一个导程应或完全一样。例如：(图5)是作者发明的螺旋滑片泵，其中图5-a既可看成泵的某一截面上一个周期中(360信)均匀分布的九个形态，也可以变成同一瞬间在二个导程里均匀分布九个截面里闭合面积的形态。构件的演化，要求构件相应演化为螺旋构件，可以是主动构件演化或被动构件演化，也可以把作为固定构件的机器演化，甚至把主被动二构件或所有的构件都演化。 演化的形式可以是“同心演化”也可以是“偏心演化”，偏心演化是指构件横截面内的形心与轴心偏离，因而演化的结果使形心轨迹是以轴线为中心的螺旋线。例如，单螺杆泵中偏心螺杆。需要指出的是当机构作螺旋演化时往往会产生构件的“干扰”，即某一构件螺旋演化后无法找到另一刚性构件和它配合作相应运动，此时可采用挠性构件或多片层叠式构件来解决。 3、根据上述螺旋演化原理，作者曾设计了几十种新型螺旋容积类机构。 以下介绍几种具有实用意义结构；图5，是以平面型的“转子滑片泵”为基型进行螺旋演化后构成的“滑动螺旋叶片泵”；图6是以平面型的“液环泵”为基型作螺旋演化后构成的，“螺旋液环泵”还可把两泵叠合而成，“螺旋叶片液环泵”……目前各种构形正在开发中。 四、平面泵类机构的空间进动演化 1、进动泵的演化： 最早出现进动泵是进动机构和基本容积泵类机构(柱活塞和缸筒)的拼合。(图7)这种拼合的实质只是把摆盘进动中的一个分转动，转化为活塞的往复运动，闭合空腔仍是平面型。图8是塞尔五德(selwood)构形，它是根据机构学中固定机架和运动构件可以互换原理。由图7的构形演化而得的，其活塞是做进动运动，可称为“准进动泵”。真正的进动泵是指进动泵中作进动运动的构件自身是用作形成闭合可变容腔的密封原件。图9是一种万向节机构的派生构形用作进动泵的结构。 对进动泵的可变闭合容腔的“形成”、“推移”和“消失”的过程作进一步分析可见，它们都是平面泵沿周向“进动演化”的结果。因为在进动泵中，流体不仅被迫随驱动轴旋转，还同时在另一方位的平面上转动，所以它实质上又可变成平面摆动泵构形平面上的轴线ab再进一步绕另一平面上的主轴线cd旋转的结果(见图10). 对从所得容腔进一步分析还可以看到容腔的径向截面上的闭合面积和变化有以下特征：容腔中最大径向截面在一摆动周期里各个变化瞬间时的闭合面积变化形态和同一瞬间沿圆周方向半个圆周长度里各个不同径向截面的闭合面积的变化形态完全对应。也就是说。容腔的截面变化沿周向存在“相位开展”与“相应叠合”。图11一a是容腔最大径向截面的闭合面积变化曲线；图1l—b是容腔沿圆周方向不同位置的闭合面积的变化曲线。显然，把前者的横坐标k主轴转角a置换为周长1，而且将一个周期的转角(180信)和半个圆周长度相对应，两曲线就能合一。图11一c是表明上述关系的图像，图中abcdba七个径向断面的变化形态，它们既可看成容腔最大截面在一个周期(180信)里七个不同瞬时的各个形态，也可看成在同一瞬时沿半圆圆周长度里七个径向截面的各个形态。由于上述特性使泵能沿圆周方向形成两头小中间大的闭合容腔，并在容腔转动过程中各截面的闭合面积的此起彼伏，容腔能沿圆周方向出现“形成”、“推移”和“消失”过程。此外，由于“相位展开”，在转动轴aoa为动坐标，o点为转动中心的相对运动中，平面摆动泵(演化的基型)的各个径向截面的摆动幅从oa为零开始递增到最大以后又递减为零，这样，容腔在后半期的终了将全部消失。整个机构就能在主轴转动过程中形成周而复始的“泵”“吸”作用，作者应用上述原理发明了十几种进动泵。图12是正在进行开发的获发明专利的“半球摇摆转子泵”。 五、结束语 以平面泵类机构为基础，向空间拓展，沿着“螺旋演化”与“进动演化”这两条脉络，已经得到不少新的泵类机构构型，其中的有些实用的构型正地开发。作者认为还存在找到一些新的实用构形的可能性，而且除了上述两条演化脉络以外，是否还有新的演化脉络，也是值得探索和总结的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/24/2005)