王成,王圣潔

(江蘇省光伏風電控制工程技術研究開發(fā)中心,江蘇蘇州215009； 蘇州經貿職業(yè)技術學院機電技術學院,江蘇蘇州215009；蘇州市螺旋流恒壓泵工程技術研發(fā)中心,江蘇蘇州215009)

0 引言

離心泵啟動前需要在泵殼與吸水管內部充滿水，將泵殼內部的空氣排出?，F(xiàn)有技術中通常有以下幾種排出空氣的方式：第一種，在裝配底閥部充水，這種方法對底閥水頭造成的損耗較大，工作效率較低；第二種，加裝引水罐，通過引水罐將泵殼內部充滿水，雖然方便易操作，但引水罐體積較大，成本高，會造成水資源的浪費；第三種，采用大型真空抽氣裝置，該裝置容易損壞且難以維修，使用過程中內部容易存有空氣，難以自行排出，需要人工疏通；第四種，采用手動抽氣裝置，該裝置裝配簡單、使用靈活，但由于手動操作，功率較低[1]。

對輕便型恒壓水泵而言，其體積較小，攜帶方便，如果采用過于復雜的抽氣裝置則浪費資源且成本較大[2]。輕便型恒壓水泵泵殼內部需要排氣的空間較小，無需采用大功率的真空泵抽氣，因此使用第四種方式即可滿足工作需求。在設計輕便型水泵泵殼時，需在其上方預留1個內螺紋接口，用來連接真空抽氣裝置，圖1為輕便型恒壓水泵與手動真空抽氣裝置連接示意圖[3]?，F(xiàn)對手動抽氣裝置從結構設計、三維運動仿真以及零件選擇等方面進行研究與實踐。

a)裝配前 b)裝配后圖1 輕便型恒壓水泵與手動真空抽氣裝置的連接

1 抽氣裝置零部件結構設計

1.1 進氣組件結構設計

進氣組件如圖2所示。進氣孔的外螺紋與離心泵泵殼的內螺紋相連接。開關連接件的外螺紋與進氣件的外螺紋連接，用于放置排氣單向閥。閥芯導向塊的外螺紋與進氣件的內螺紋連接，通過彈簧控制進氣單向閥，以防內部氣體從進氣孔流出。

進氣組件主要作用是實現(xiàn)氣體的單向進入，當進氣件內部在活塞作用下產生負壓時，進氣孔內的氣體克服進氣單向閥上的彈簧彈力，進入進氣件內部，完成吸氣，進氣單向閥在彈簧的作用下閉合。

1.進氣單向閥； 2.進氣孔； 3.彈簧； 4.開關連接件； 5.排氣單向閥； 6.導向塊； 7.閥芯導向塊； 8.進氣件圖2 進氣組件裝配圖

當進氣件內部在活塞作用下產生正壓時，進氣單向閥保持閉合，內部氣體在克服排氣單向閥上的彈簧彈力后從開關連接件中導出。整個過程利用內外壓力差，在內部彈簧的配合下實現(xiàn)了內部氣體的單向導通。

1.2 排氣組件結構設計

排氣組件如圖3所示。排氣件與氣缸本體通過螺紋連接，活塞桿穿過排氣件內孔和密封圈安裝在其內部，銷釘固定安裝在活塞桿上。

在排氣件內部設計有環(huán)形凹槽，轉動把手可鎖住活塞桿，防止活塞桿自由滑出而造成損壞。工作時，旋轉把手對準槽口，銷釘即可脫離環(huán)形凹槽的限制，此時拉動把手進行抽氣[4]。

1.氣缸本體； 2.排氣件； 3.密封圈； 4.銷釘； 5.活塞桿圖3 排氣組件裝配結構

1.3 把手結構設計

把手結構如圖4所示。采用人體工學的設計理念，根據(jù)人手結構設計把手，盡量減少使用時的身體疲勞。把手中內螺紋與活塞桿的外螺紋連接，緊固螺釘固定把手與活塞桿的位置，防止把手工作時脫落。

圖4 把手結構3D造型圖

2 抽氣裝置裝配結構、工作原理及零件選用

2.1 裝配結構及其工作原理

抽氣裝置裝配結構如圖5所示。O型密封圈A安裝在進氣件外螺紋退刀槽內，進氣單向閥左端與進氣件內孔相接，右端活動安裝在閥芯導向塊中心孔內，彈簧安裝在閥芯導向塊與單向閥閥芯環(huán)形端面上。排氣單向閥安裝在開關連接件內，且與導向塊通過彈簧活動連接。氣缸本體與進氣件螺紋連接，活塞桿與活塞螺紋連接，墊片通過螺釘安裝在活塞左端，活塞圓周設有尼龍片和O型密封圈C。把手與活塞桿螺紋連接。

把手帶動活塞拉出時，左腔內的氣壓低于外部氣壓，而排氣單向閥在彈簧彈力作用下鎖緊，迫使進氣單向閥克服彈簧阻力向右運動，實現(xiàn)吸氣。當把手帶動活塞推進時，內部氣壓大于外部氣壓，此時進氣單向閥在彈簧的作用下鎖緊，迫使排氣單向閥克服彈簧阻力向上運動，實現(xiàn)排氣。

1.墊片； 2.內六角螺釘； 3.進氣件； 4.閥芯導向塊； 5.進氣單向閥； 6.O型密封圈A； 7.O型密封圈B； 8.彈簧； 9.開關連接件；10.導向塊； 11.排氣單向閥； 12.尼龍片； 13.O型密封圈C； 14.活塞； 15.活塞桿； 16.氣缸本體； 17.排氣件； 18.O型密封圈D；19.銷釘； 20.無頭螺釘； 21.把手圖5 產品結構圖

2.2 零件選用

考慮系統(tǒng)密封性、輕便靈活性以及零件耐用性等因素，同時結合實物測試，對該手動真空抽氣裝置進行選材，零件型號及材質見表1。

表1 零件型號及材質

3 三維虛擬裝配及運動仿真

運用SolidWorks三維設計軟件分別對該抽氣裝置進氣件部分、排氣件部分、活塞以及氣缸本體等零件進行結構尺寸造型。設置平行、同軸、距離等配合參數(shù)，選用機構連接方式對其各零部件進行裝配，并預留相應自由度，完成的虛擬裝配爆炸圖如圖6所示[5]。

圖6 裝配爆炸圖

對零部件進行運動分析。采用平移式伺服電機驅動其往復運動。在裝配時通過Servo Motor1選項對連接軸伺服電機的參數(shù)進行設置，經過多次對比試驗，位置上選用擺線函數(shù)圖形，長度L為120 mm、周期T為5 s。進行Analysis Definition1運動學分析時，設置好開始時間、終止時間、幀頻等參數(shù)，進行動態(tài)模擬，運動仿真效果如圖7所示。

圖7 運動仿真效果圖

通過機構運動仿真分析可知，該抽氣裝置的結構運動符合預期要求,驗證了手動狀態(tài)下活塞式抽氣機構的方案是可行的。

4 結語

本文針對輕便小型恒壓水泵啟動時內部需要排氣的問題，對現(xiàn)有排氣方式進行改進，通過3D造型設計、虛擬裝配及仿真分析，研究設計出一種手動真空抽氣裝置。該裝置通過活塞的往復運動從腔體內吸氣，采用單向閥控制氣體進出，從而有效排出泵殼內氣體，解決了現(xiàn)有技術效果不理想、操作不便等問題，具有體積小、結構簡單、成本低、便于攜帶等優(yōu)點，適用于輕便型水泵在啟動前抽取內部空氣，也可用于中小型工程機械、農用機械中需要抽真空的場合。產品應用展示如圖8所示。

圖8 產品應用展示

[1]王成.螺旋流恒壓泵結構性能改進及試驗研究[J].流體機械，2014，42(12)：12-16.

[2]王成，施長崗，曾欠歡.螺旋流恒壓泵內部流場分析及實驗研究[J].現(xiàn)代制造工程，2016(9)：138-145.

[3]王成，孫躍林.螺旋流恒壓消防泵水力特性比較研究[J].消防科學與技術，2015，34(2)：205-206.

[4]李海萍.機械設計基礎[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[5]江宏，陸利鋒，魏崢.SolidWorks動畫演示與運動分析實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006.