双缸往复式活塞泵设计及试验研究

Design and Experiment Study for the Double Cylinder Reciprocating Piston Pump.HU Liang，YI Xiuming，XU Guorong，WU Panpan，WANG Bin(Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410100，China)Abstract：A double cylinder reciprocating piston pump was introduced which could be used to supply water continuously.Thestructure of the pump，the hydraulic pressure system，the control program and the trial protocol were explained.The test result was al·alyzed and corresponding improvement plan Was presented，which was help to development and design for the productKeywords：Double cylinder；Piston pump；Continuous water supply目前国内外大多采用叶片式离心泵作为高压水动力源，主要用于消防行业、农田、工业用水等。但离心泵提供的压力存在局限性，到目前为止，离心泵最大压力4.0 MPa，满足不了当前高层建筑消防的需求。采用活塞泵来提供超高压消防水源成为当前-个热门研究方向。-般活塞泵存在供水不连续的缺陷，通过双缸往复式活塞泵 结构，配套使用新型液压系统和控制程序 进行试验，可解决出水连续性，实现高压供水。

1 双缸往复式活塞泵结构形式此结构两端为油缸、中间为水缸，主要由油缸、活塞杆、水缸、水缸活塞、进出水管路、单向阀组成(见图1)。通过油泵循环注入高压油至两端油缸，油缸端部设置检测装置，通过检测油缸位置控制活塞换向，从而往复推动中间活塞，活塞左右两腔因容积变化进行吸排水，活塞两腔进出水管路上分别安装单向阀来控制水流方向，因活塞往复时作用面积相等，故往复排水压力和流量始终相同。通常活塞换向时，总有-个断流点，采用两组该结构工作，通过控制，使两个活塞泵的换向时间点始终错开，-个活塞换向时，另-活塞已经启动打水，出水存在重叠，始终保持出水管在出水；不断循环，从而实现整个系统的连续供水。

图1 活塞泵结构简图2 液压系统原理图泵送液压系统为开式系统，液压原理如图2所示，该系统采用恒功率加电比例变量方式，额定压力31.5 MPa，最大流量500 L/min。主油泵通过液控阀控制主油缸往复运动，实现连续泵送。

收稿日期：2012-07-09作者简介：胡亮 (1986-)，男，学士，助理工程师，现从事机械设计工作。E-mail：317977046###qq.corn。

· 86· 机床与液压 第 4l卷- L 0 I13. 3·2 13.5 13.6 2-主油泵l-A2 1U 4 6-蓄能器 6 6- 7-液控换ln～ I i ，f l8-电控阀9-水箱 9.1l l .1 IlO-水路矧 - 1l-主油缸DT2l 8.I lDT1 DT4l 8.2 lDT3 12-水缸r-- 广- ] 13m水路单l4- 出水 口I -J 日1 活塞运动工况 DTl DT2 DT3 DT4I Al腔进油 I BI腔进油 s[ ]Ⅵ 4A2腔进油 。

、3.2 B2腔进油 1 I l I图 2 泵送液压系统原理图3 设计参数计算，。T。时序图 I1 厂-.] .-。 ， 油缸缸径D。 ， 油缸作用面积A耵D：/4，水缸缸 -r---- -广-T-- - 径D ，活塞杆径d。，水缸作用面积 1T( - DT2时序图24厂 ： ； ： ； fd：)/4，行程为h。，液压油流量Q。，液压油压P。。 f i ； ； ； ；根据设计参数可计算出理论出水流量Q，出水压 DT 时序图 b l[j i l[]：力为P ，由压力关系：poApwB得理论出水压力 DT4时序图2V4I H i ，P poA/B。由油缸、水 缸活 塞运行 速度 关 系： 0 L-。L-上-J- - --L-L-0Q。/AQ/B得理论出水流量 QQ。B/A。 图3 控制时序简图在功率满足的条件下，可满足所需要的流量和压力。

4 控制方式通过检测油缸位置控制换向。具体实施办法：油缸两端设置位置检测装置，-个油缸快到位时，发出检测信号，控制另-缸的启动，同时该油缸继续供油，使两缸出水重叠，依次循环，从而实现连续供水。

5 试验方案及试验数据分析5.1 试验 目的及试验设备检测出水口压力、出水连续性。试验台主要由液压泵站、水泵系统、控制系统和数据采集系统组成。

5.2 试验方案5.2.1 控制方式该试验采用电控换向方式，检测油缸位置控制换向，延长供油时间，任意时刻都存在打水，从而实现连续供水 ，控制时序如图3所示。

5.2.2 测点分布对泵送液压系统及水路系统关键位置的压力和流量进行测试，测点位置如表1所示。

表 1 液压系统及水路系统测点位置测试对象 测点位置主系统压力油缸压力出水口压力出水口流量主油泵出口各油缸无杆腔出水 口出水口5.2.3 试验数据分析及对策由图4可以看出：双缸往复式活塞泵在正常工作过程时，系统压力较稳定，活塞换向时存在较小的压力波动，呈周期性变化；从波动幅度来看，相近两个波动幅度差异较大，原因分析：两缸性能存在差异，在制作方面，应该提高制作水平，加强质量控制，使两缸性能更稳定，差异更小，从而能更好地实现稳定连续供水。

第 l6期 胡亮 等 ：双缸往复式活塞泵设计及试验研究 ·87·106善：.2200 205 210tls图4 主油泵出口压力曲线由图5-8可以看出：双缸往复式活塞动作时，4缸压力呈周期性变化，可见通过液压系统、电气系统的合理控制，采用检测油缸位置控制另-缸的启动，控制信号稳定可靠，可实现任何时刻都有-缸在动作打水，从而实现连续供水，达到预期目标。

106善2. 275譬 3茜 1. 1-窆曩窆lO62.2l062. 2l95 200 205 21Otls图 5 A1油缸压力曲线200 2O5 2l0tls图 6 B1油缸压力曲线200 205 210tls图7 A2油缸压力曲线200 205 210tls图 8 B2油缸压力曲线由图9可以看出：出水压力稳定，可实现连续供水，但存在压力波动现象，压力波动随系统压力周期性变化。压力波动原因分析：-缸的换向对系统压力造成波动，在流体力学中可解释为液压冲击造成压力波动，是由于某-工件工作状态突变而引起液体压力瞬时急剧上升，产生很高的压力峰值，出现冲击波的传递过程。容易产生液压冲击现象的主要原因有：换向阀的迅速换向，液压管路突然关闭，液压缸活塞运动速度和方向突然改变掣 。

45董；0200 205 210tls图9 出水口压力曲线解决对策：根据以上分析可知，出水压力存在波动，可采用在出水口增加蓄能器的办法，吸收出水的压力脉动和消除液压冲击。蓄能器是将压力液体的液压能转换为势能贮存起来，当系统需要时再由势能转化为液压能而做功的容器，蓄能器可以作为辅助的或者应急的动力源，可以补充系统的泄漏，稳定系统的工作压力，以及吸收泵的脉动和回路上的液压冲击，因此可在水泵出水口设置蓄能 ，见图10。

图 10 出水 口增加蓄能器示意图6 结束语采用双缸往复式活塞泵结构，通过液压系统、电气系统的合理控制可实现高压大流量连续出水，解决高层建筑消防问题，为后续相关产品开发打下基矗