劉志斌，王斌，徐國(guó)榮，魏晉，恵東志

(三一重工工程車輛研究院，湖南長(zhǎng)沙 410100)

往復(fù)式活塞泵供水壓力波動(dòng)試驗(yàn)研究

劉志斌，王斌，徐國(guó)榮，魏晉，恵東志

(三一重工工程車輛研究院，湖南長(zhǎng)沙 410100)

介紹一種可實(shí)現(xiàn)連續(xù)供水的往復(fù)式活塞泵系統(tǒng)與試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)與測(cè)試，分析出水壓力波動(dòng)的原因，并利用蓄能器對(duì)出水壓力波動(dòng)抑制進(jìn)行了試驗(yàn)研究，取得了較好的效果。

往復(fù)式活塞泵;連續(xù)供水;壓力波動(dòng);試驗(yàn)研究

動(dòng)力端由液壓直接驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式泵［1］作為供水裝置應(yīng)用時(shí)，出水具有高壓大流量的特點(diǎn)，供水壓力可達(dá)4～6 MPa，此時(shí)流量仍可達(dá)到15～30 L/s;另一方面，可通過(guò)液壓系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)輸水壓力和流量［2］。目前隨著超高層建筑越來(lái)越多，往復(fù)式泵作為供水裝置，用作消防泵或作為超高層建筑供水裝置，有較好的應(yīng)用前景。但是，往復(fù)式泵存在一定的流量、壓力波動(dòng)，是它投入實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)巨大阻礙。

作者在分析往復(fù)式活塞泵供水壓力波動(dòng)原因的基礎(chǔ)上，針對(duì)其供水特性，運(yùn)用蓄能器對(duì)波動(dòng)進(jìn)行抑制試驗(yàn)研究，結(jié)果表明可大大降低其出水壓力波動(dòng)性，提高了系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果為液壓驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式活塞泵供水研究提供了一定的參考價(jià)值，也為往復(fù)式活塞泵作為消防供水裝置的實(shí)際應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)平臺(tái)組成及工作原理如圖1所示，由水泵系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)［3］與測(cè)試系統(tǒng)組成。水泵系統(tǒng)為往復(fù)式雙缸雙作用活塞泵。水泵系統(tǒng)的運(yùn)行原理:控制器程序控制三位四通電磁換向閥6、7的電磁鐵DT1、DT2、DT3、DT4得失電順序，控制油缸各腔 A1、B1、A2、B2進(jìn)油順序，實(shí)現(xiàn)2個(gè)雙作用活塞泵8、9的交替往復(fù)動(dòng)作。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一缸活塞即將到位的壓力信號(hào)控制另一缸的啟動(dòng)，保持兩缸出水的疊加，結(jié)合單向閥組實(shí)現(xiàn)出水口的連續(xù)供水。電磁鐵得電時(shí)序如圖2。

圖1 往復(fù)式活塞泵試驗(yàn)平臺(tái)組成及工作原理圖

圖2 電磁鐵得電時(shí)序圖

測(cè)試系統(tǒng)由檢測(cè)裝置——壓力傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)及用于處理和存儲(chǔ)的計(jì)算機(jī)組成。壓力傳感器布置如圖1所示，用于檢測(cè)4個(gè)油缸各腔壓力p1、p2、p3、p4，主系統(tǒng)壓力p以及水路出口壓力p0。試驗(yàn)通過(guò)采集各壓力傳感器數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)處理后得到壓力－時(shí)間曲線。

2 波動(dòng)分析

(1)往復(fù)式活塞泵打水試驗(yàn)過(guò)程中，出水連續(xù)。通過(guò)分析壓力－時(shí)間曲線圖 (圖3)可知:出水口壓力p0出現(xiàn)周期性波動(dòng)變化，平均出水壓力3.6 MPa，上下波動(dòng)幅度最大1.3 MPa，波動(dòng)幅度約36%。

(2)出水口壓力波動(dòng)時(shí)刻。在某一缸活塞啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)刻，即活塞啟動(dòng)加速過(guò)程，此時(shí)工作油路壓力p、出水口壓力p0均存在掉壓現(xiàn)象?；钊麆蛩龠\(yùn)行時(shí)，進(jìn)油腔內(nèi)壓力穩(wěn)定，出水口壓力平穩(wěn)。

圖3 壓力曲線圖

(3)對(duì)某一個(gè)換向時(shí)刻進(jìn)行分析，如圖4為曲線圖一個(gè)換向部分的放大。此時(shí)對(duì)應(yīng)壓力p2的油缸B1腔進(jìn)油，缸內(nèi)壓力從0開始上升，對(duì)應(yīng)活塞啟動(dòng)加速到勻速，直到系統(tǒng)穩(wěn)定平衡，此過(guò)程持續(xù)0.2 s左右。

圖4 曲線換向放大圖

從曲線圖上壓力變化可知:

①油缸內(nèi)壓力的建立需要一定的時(shí)間，理論上油液不可壓縮，此過(guò)程是負(fù)載建立所需時(shí)間，這是由負(fù)載側(cè)單向閥啟閉固有響應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致。

②B1腔活塞啟動(dòng)瞬間，負(fù)載側(cè)此時(shí)連通水箱為常壓，近似為零，隨著活塞啟動(dòng)加速，負(fù)載壓力開始建立。此時(shí)系統(tǒng)工作油路壓力隨著活塞加速而降低，加速結(jié)束時(shí)降至最低［4］。

③運(yùn)行一缸因系統(tǒng)壓力下降，導(dǎo)致A2腔內(nèi)壓力隨系統(tǒng)壓力而產(chǎn)生波動(dòng)?；赜颓籅2由于油缸行程末端特有的緩沖腔結(jié)構(gòu)，壓力略有上升，在受到A2腔的影響后產(chǎn)生波動(dòng)。

④在1缸活塞啟動(dòng)加速過(guò)程中，負(fù)載壓力上升又未完全建立，運(yùn)行一缸因活塞接近行程末端的緩沖腔，活塞開始減速，導(dǎo)致壓力下降，最終導(dǎo)致了出水口壓力的下降。在活塞運(yùn)動(dòng)速度變化與閥啟閉的聯(lián)合作用下，出水口壓力產(chǎn)生了先下降再上升的波動(dòng)現(xiàn)象。

⑤由于閥的啟閉產(chǎn)生的沖擊現(xiàn)象以及活塞運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)與停止產(chǎn)生的水擊現(xiàn)象，導(dǎo)致?lián)Q向時(shí)壓力曲線在上升或下降中存在局部波動(dòng)。

⑥水路上單向閥與液壓閥啟閉的滯后與泄漏等原因，也導(dǎo)致系統(tǒng)各處壓力變化，并不是完全同時(shí)保持一致。

(4)調(diào)節(jié)系統(tǒng)不同流量進(jìn)行試驗(yàn)，隨著出水平均流量的增大，出水壓力的波動(dòng)增大，如圖5。

圖5 不同流量下的出水口p0壓力曲線

(5)除了因閥的啟閉與活塞啟動(dòng)與停止造成出水壓力波動(dòng)外，水泵與液壓元件的性能差異同樣對(duì)出水壓力的波動(dòng)存在影響，試驗(yàn)過(guò)程中也存在一些隨機(jī)因素影響壓力波動(dòng)，如進(jìn)出水閥滲漏或發(fā)卡等情況導(dǎo)致壓力波動(dòng)異常。

3 蓄能器對(duì)出水壓力波動(dòng)的衰減效果

為改善活塞泵出水口壓力波動(dòng)缺陷，在出水口增加蓄能器3(容積40 L，充氣壓力2 MPa)，如圖1所示，對(duì)壓力的波動(dòng)進(jìn)行抑制。通過(guò)測(cè)試得到如圖6所示壓力－時(shí)間曲線。水路壓力有較大改善，換向時(shí)的波動(dòng)曲線上波峰消除、波谷基本消除，波動(dòng)幅度由35%改善到10%以內(nèi)。

圖6 出水口連接蓄能器時(shí)p0壓力－時(shí)間曲線

通過(guò)對(duì)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù) (同等出口流量，不同壓力)分析，蓄能器充氣壓力在出水壓力的80%左右抑制效果最佳。如圖7，蓄能器充氣壓力2 MPa，出口平均壓力2.5 MPa時(shí)，波動(dòng)較小。

圖7 不同出口壓力下壓力波動(dòng)率

4 結(jié)論與展望

(1)往復(fù)式柱塞泵作為供水裝置時(shí)存在壓力波動(dòng)的難題，通過(guò)試驗(yàn)分析了出水壓力波動(dòng)的原因。

(2)雙缸往復(fù)泵在打水過(guò)程中，利用一缸與另一缸出水的疊加可以解決出水連續(xù)性，銜接的控制方法與結(jié)構(gòu)對(duì)波動(dòng)有較大影響。文中利用緩沖腔結(jié)構(gòu)和到位壓力信號(hào)控制兩缸打水銜接，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

(3)利用蓄能器對(duì)出水壓力波動(dòng)的抑制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了較好的衰減效果。

(4)直接在出水總管路上連接蓄能器時(shí)，出水壓力波動(dòng)可由無(wú)蓄能器穩(wěn)壓時(shí)的35%降低到10%左右。

(5)蓄能器對(duì)出水壓力波動(dòng)有較大改善，不足之處是蓄能器固定的充氣壓力和容積參數(shù)對(duì)于不同的出水壓力和流量不能進(jìn)行匹配調(diào)節(jié)，即無(wú)法保證不同工況下的最優(yōu)匹配，因此需要進(jìn)一步研究往復(fù)式活塞泵出水波動(dòng)的抑制方法。

【1】周長(zhǎng)云，劉洋，彭斌望，等.液壓往復(fù)泵及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2001(S1):61－63.

【2】高學(xué)仕，房軍，趙懷文.一種新型的液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵［J］.液壓與氣動(dòng)，2001(6):40 －41.

【3】王新華，王建新，齊明俠，等.液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵活塞運(yùn)動(dòng)特性分析［J］.石油機(jī)械，2002，30(5):22 －24，27.

【4】周江林，王新華，王思民，等.液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵壓力特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(9):29－33.

Experimental Research on Water Pressure Fluctuation of Reciprocating Piston Pump

LIU Zhibin，WANG Bin，XU Guorong，WEI Jin，HUIDongzhi
(Engineering Vehicle Research Department，Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410100，China)

A reciprocating piston pump which could be used to supply water continuously and a test system for this pump were introduced.The reasons about the water pressure fluctuation were analyzed based on the test results.An accumulator was used to restrain the pressure fluctuation and a good resultwas achieved.

Reciprocating piston pump;Continuous supply ofwater;Pressure fluctuation;Experiment research

TH137.51

A

1001－3881(2013)8－074－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.026

2012－03－27

劉志斌，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事工程車輛研發(fā)管理工作。E－mail:wangbb3@163.com。