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TYP型气动加油泵的设计与研制
作者:广东肇庆方大气动公司 陈定芝 王少瑜
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真空设备/泵展厅
水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ...
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)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (11/14/2004)
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