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真空设备/泵 |
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TYP型气动加油泵的设计与研制 |
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作者：广东肇庆方大气动公司 陈定芝 王少瑜 |
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摘要：介绍新研制的一种抽油装置――气动加油泵，对其工作原理、性能、设计计算及结构作了全面的论述。该装置将气缸、自动换向机构、抽油装置三件有机组合成一体，结构紧凑，能抽吸各种液体，可广泛应用于石油、化工等行业。
关键词：气动加油泵；流量；结构
JYP型气动加油泵(以下简称加油泵)是一种新型抽油装置，它以压缩空气为动力，通过气缸往复运动，抽动吸头抽吸液料。该装置的新颖之处，在于将气缸、气阀、抽吸头三位一体，结构非常紧凑。而且，气缸的来回运动均能抽油，无空行程。可广泛适用于石油、化工等行业。
1 加油泵的工作原理
加油泵的结构见图1。加油泵接上气源，气缸右腔通气，活塞向左运动，当到达离终点行程5～6mm时，活塞杆带动气阀机构，阀芯换向；此时，气缸左腔通气，活塞杆向右运动。而当运行到离右终点行程5～6mm时，活塞杆则又带动气阀机构动作，将阀芯换向。如此循环往复，不停工作［1］。
图1 加油泵结构图
气缸循环快速运动，带动抽吸头抽吸脂料、油料等进行罐装、喷洒等作业。
通过变换气缸活塞，抽油活塞的直径，可调整抽油压力和改变加油泵的流量，与旋转式叶片泵相比，抽液适应范围大，特别是可抽粘稠状物料，如黄油等。
2 加油泵的设计
2.1 压力设计
加油泵的结构参数如图2示。
图2 加油泵结构参数图
气缸推力： (1)
气缸拉力： (2)
换向机构反作用力： (参看图4) (3)
抽油装置因不同介质，其抽吸阻力有别，现设定一个阻力系数ξ，对于不同粘度的介质，可通过实验分别测出。
此时，抽油阻力：
为使加油泵可靠工作，以上各作用力应符合下式：
F1-F3≥1.5F4
本加油泵的各具体参数设计，是根据以上计算之综合结果，并经实际测试得以验证。气缸直径一般选用50、63。抽油装置直径一般选用20、32、40较为合适。
2.2 抽油流量的设计
加油泵的抽油流量，取决于气缸换向频率、气缸行程、抽吸头直径、介质粘度等。以下是其抽油流量的理论计算。
气缸速度：
式中：Sv――加油泵气路有效截面积；
D――气缸缸径；
D1――活塞杆1直径；
d2――活塞杆2直径；
β――负荷率。
气缸一个循环所需时间S:
气缸换向频率
抽吸头每循环抽吸量V：
抽吸流量：
经计算及对样机的流量参数测试，其流量在15～40L/min之间。润滑脂类为15～20L/min；油类则可达40L/min。
2.3 自动换向机构的设计
由于气缸的行程较大，而换向气阀的行程较小。而且，必须保证活塞每次往复都到达终点方能换向。通常，有以下几种方案供选择。
(1)气缸两端盖加装二位三通换向阀。活塞触碰时换向，再由其控制一个二位五通换向阀动作，气缸两端交替通气，从而达到自动循环往复运动。此方案缺点是多外接气路，体积庞大，且制作成本较高。
(2) 气缸加接传感器，再控制电控阀换向，使气缸往复运动。此方案缺点亦是多外接气路，体积大，且需用电控制，制作成本较高。此方案不适合于需防爆的场合。
(3) 用气动或电脉冲信号控制换向阀按一定频率换向，使气缸往复循环运动。此方案缺点是频率不易掌握。因为加油泵的抽油频率随负载、气源压力等不同而不同。但加油泵每次抽吸均应全行程工作，抽吸量才大。
基于以上各方案的不足，本加油泵所设计的方案均得以克服。此结构不但可用于加油泵的自动往复抽吸运动，亦可扩展使用于其它需较长振幅的气动机械装置中［2］。其结构如图3所示，特点是：结构紧凑，外形整洁，工作可靠，往复频率快。
图3 气动加油泵结构图
换向阀设计要点：
(1) 密封设计
由于是用压缩空气作动力，各气路、气腔间不允许串漏、外漏。对于静密封部分，计算其泄漏量的经验公式如下［3］：
式中：q――泄漏量mL/h;
r――轴半径(cm);
s――考虑轴的自重后，O形圈内径与轴表面之间的间隙(cm);
△p――压力差，(g/cm2);
η――介质的粘度(P)；
b――O形圈与密封面的接触宽度面(cm);
e――考虑自重后，O形圈的中心与轴的中心之间的偏心量(cm)。
经过计算及测试，静密封采用20%～30%的过盈量较合适。而对于动密封部份，如活塞杆滑动副，需双向密封的，则采用O形圈密封。这样，其轴向尺寸较为紧凑；只需单向密封的，则采用专用杆部密封圈。对于动密封，其泄漏量计算公式如下［3］：
q=d1(υρ)1.5U2/Hs
式中：q――泄漏量mL/h;
d1――O形圈的内径(cm);
υρ=η――动力粘度(cP);
υ――运动粘度(cSt);
ρ――介质密度(g/cm3);
U――往复平均速度(cm/s);
Hs――O形圈的胶料硬度。
为了使活塞杆能运动自如，其密封过盈量一般在10%左右。
(2) 结构尺寸设计
此结构中，气缸行程不能无限增长，其内在尺寸关系应符合以下公式：
行程S=L3+L4
为了保证换向机构工作可靠，图4中的拨叉运动副既要耐磨，又要经得起交变载荷的弯折。所以，选材及工件的热处理都非常重要。另外，复位弹簧是否能可靠工作，亦是一个关键之处。以下是弹簧力的计算： (F1为弹簧预紧力)
弹簧压缩行程δ=L1cos α
弹簧刚度 
图4 结构尺寸图
弹簧的参数设计应符合以上关系。通过优化设计，摆角α=42.5o，L1=14.5,弹簧线径d=1.8，弹簧中径=8.2，弹簧圈数=11，预压量=5为最合适之参数。
2.4 抽油装置的设计
为了使气缸的往复运动均能抽吸油液，设计了如图5的抽吸头结构。为了实用，抽吸头必须能塞进各类标准油罐。这就是抽吸头设计成比气缸直径尺寸小的缘故。
图5 抽油装置结构图
其工作原理是：抽油装置插进油液内，当气缸向上运动，抽油活塞压迫容腔1油液，将容腔1内油液抽出。此时，容腔1处于高压状态，钢球2封闭油路，同时，容腔2，容腔3吸入油液。当气缸向下运动，钢球1封闭油路，容腔2，容腔3油液受压迫，钢球2打开，两腔油料顺油路迫出。因此，气缸来回运动均能抽油，抽油量大，罐装快，并且，油压较高。若外接节流喷洒头，即可作为各类液体之喷洒器具。
因不同之液料，如机油，水，乳化液，日用洗涤液，汽油，柴油等，对密封件的影响不同，所以，在不同的使用场合，要有针对性选择。
另外，抽头端部设计成螺纹可拆型，可加装滤网，加长软管抽吸特大罐液料等。
3 结 论
加油泵通过气缸、自动换向机构、抽油装置的有机组合，形成一个整体，作为一种专门抽油工具。并可根据抽吸介质的不同，选择不同的材料，不同的尺寸参数，派生出一系列加油泵族。既可以抽吸油脂一类粘性甚大的介质，又可抽吸水，机油，日用洗涤液，汽油，柴油等各种液料。
该加油泵经试制、测试，各项技术指标均达到设计要求。
参考文献：
［1］ 气动工程手册编辑委员会.气动工程手册［M］.北京：国防工业出版社，1995.
［2］ 机械设计制图手册编写组.机械设计制图手册［M］.上海：同济大学出版社，1992.
［3］ 刘后桂.密封技术［M］.长沙：湖南科学技术出版社，1983.(end)
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(11/14/2004) |
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