一种节能型低温气动增压泵的结构设计

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Structure Design of a Type of Energy-saving and Low Temperature Gas BoosterWANG Haitao，SUN Changle，GUAN Guangfeng，XIONG Wei(Colege of Transportation Equipments and Ocean Engineering，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 1 16026.China)Abstract：Gas booster is a type of common used high-pressure equipment. In order to meet the needs of energy-saving and lowtemperature，a type of single stroke air-supply booster was put forward，which could supply driving gas in compressed stroke and cutof driving gas in suck stroke.The structure design of direction valve，high pressure piston，charge and discharge check valve weregiven，which could meet the needs of energy-saving and good seal under low temperature. Experiments of energy-saving and low tem-perature were done with the sample of the new booster. The results show that the new boster can save gas 30% 。

Keywords：Gas booster；Energy-saving；Low temperature；Structure design工程实际中，有很多利用高压气体的领域，其压力从十几兆帕到几百兆帕。通常利用气动增压泵使低压气体增压到所需要的压力。气动增压泵无需电源，利用压缩空气作为动力源，可以得到高达几百兆帕的压力。它体积小，安全防爆，输出压力和流量可以无级调节，可压缩氮气、氢气、氧气、二氧化碳等多种气体，广泛用于各种需要高压气体的诚。如：气体灌注，昂贵气体的残气回收，汽车生产中发动机整机、冷却器的气密性测试，液压蓄能器的气囊充气 ，塑料工业 中的气辅成型等 。目前 ，欧美等发达国家有多家公司生产气动增压泵产品，但是现有气动增压泵在压缩行程和吸气行程都提供驱动气体，并在做完功后将驱动气体全部排到大气中，导致增压泵耗气量过大，极大地浪费了能源，增加了经济成本。另外，在我国高纬度地区，室外最低温度可达-40℃，对于-般的密封件，低温下其分子运动被冻结 ，发生硬化失去弹性 ，会导致密封失效，增压泵不能增压，当前市场产品尚不能满足低温使用环境的要求。针对节能和低温的要求，作者在现有增压泵产品的基础上设计了能够减少增压泵驱动气体消耗的气控换向阀；同时，设计了耐低温耐高压的密封结构。

1 气动增压泵工作原理气动增压泵是基于帕斯卡原理进行工作的，市场上常见产品的结构如图 1所示 。

2 7 8 6 l6 l2 15 9 14 l-气控换向阀2-左先导阀3-右先导阀4-驱动腔5-排气腔6-驱动气缸7-驱动活塞8-活塞连杆9--增压气缸10--增压活塞ll-冷却缸套12-增压气缸端盖13--进气单向阀l4排气单向阀15-排气消音器16轴承呼吸器-进气压力pB-排气压力P.-驱动压力图 1 气动增压泵结构原理图其工作过程为：接通驱动气源P。.时，换向阀 1位于左位，驱动气体经换向阀P口和A口进入驱动无杆腔，推动驱动活塞 7进行压缩行程。在此行程中，驱动有杆腔内气体经换向阀1的 B口和R口排到冷却缸套11中，增压缸体9内气体在高压活塞 12的压缩下经排气单向阀14排出。当运动到压缩行程收稿日期 ：2012-02-05作者简介：王海涛 (1973-)，男，博士，副教授 ，主要研究方向为气压传动与控制。E-mail：wht810###vip.sina.com。

第 7期 王海涛 等：-种节能型低温气动增压泵的结构设计 ·113·末端时，驱动活塞7触碰到右先导阀3，使换向阀大面积先导端通气，换向阀1换向至右位。驱动气体经换向阀的P口和 B口进入驱动有杆腔 ，活塞组件向左运动，开始吸气行程。低压气体经进气单向阀 13进入增压腔9内。在吸气行程中，驱动无杆腔内气体经换向阀的A口和 R口排到冷却缸套 11，最后经消音器 15排放到大气。当活塞运行到吸气行程末端时，驱动活塞触碰到左先导阀2，换向阀 1大面积先导端气体被泄放，换向阀再次切换至左位，实现增压泵的连续往复工作。

2 单行程供气节能方案设计由前面气体增压泵工作过程的分析可知，气体增压泵在压缩行程和吸气行程都供给驱动气体，但是在压缩行程做功，而在吸气行程无负载、不做功。另-方面，被增压的气体在吸气行程进入增压腔后对增压活塞具有-定的推力，故可在吸气行程不给气体增压泵提供驱动气体，仅依靠进气对增压活塞的推力进行吸气行程。基于此，在现有增压泵的基础上设计新型阀芯，使驱动气体在压缩行程进入驱动元杆腔进行压缩行程，而在吸气行程将驱动气源切断，仅依靠增压端进气对增压活塞的推力来 驱动 吸气行程 ，实现 了单行程供气，从而节省了吸气行程驱动气体的消耗，如图2所示。

3 增压泵结构设计图2 单行程供气节能型增压泵原理图作者设计的增压泵驱动气体为压缩空气，压力0.2～1.0 MPa。被增压气体为氮气，最高输出压力为20 MPa。使用环境温度为 -40～60℃。

3.1 总体结构设计增压泵的总体结构如图3所示，高压进排气单向阀组件布置在高压缸头部的高压端盖内，高压端盖由螺纹结构直接紧固在高压缸上。高压缸组件由高压缸筒和冷却外套组成。低压缸排出的气体从高压缸和冷却外套间的腔室流过，用来冷却高压缸筒。低压缸组件主要由前后缸盖、缸套、驱动活塞和起动密封作用的0形圈组成，由4个长螺杆连接而成。气控换向阀安装在高压缸与低压缸之间的缸盖上，这样有利于气路布置。高压活塞杆与低压活塞间采用螺母固定。

图3 气动增压泵总体结构3.2 关键部件设计(1)气控换向阀单行程供气节能主要集中在气控换向阀阀芯的设计上，图4为单行程供气新型阀的结构图。

无杆腔 有杆腔阀杆 阀芯 中间套 阀套 阀体图 4 单行程供气节能方案换向阀结构该阀主要由阀体、阀套、阀芯、中间套和阀杆及相应的密封圈组成。阀体与有杆腔侧端盖为-体，开有通向两驱动腔的通气孔。阀芯为中空结构，表面沿圆周方向开有排气孔，中间套位于阀芯内部，连通无杆腔与有杆腔∮通驱动气源后，气源-路进入阀芯左端，推动阀芯位于右位，另-路驱动气体经过阀芯外部的环形腔和B孔进入无杆腔，进行压缩增压行程，A孔被封闭，有杆腔内气体经 D孔和阀杆与中间套之间的环形空间排出；压缩行程末 ，右先导阀被触动，气源进入阀芯右侧 ，推动阀芯移动至左位，进气孔被封闭，无杆腔内气体经A孔、中间套与阀芯之间的环形腔、c孔进入有杆腔，活塞在进气压力作用下进行吸气行程。阀杆安装在阀芯上，随着阀芯-起运动，可以接计数器对增压泵动作次数进行计数，并能根据阀芯动作情况判断增压泵是否正常工作。为了使阀芯运动更容易控制，应尽量减小阀芯的壁厚和阀杆的直径，以便降低它们的运动质量。图5为此新第 7期 王海涛 等：-种节能型低温气动增压泵的结构设计 ·115·表 1 单行程供气节能补气试验结果对比从图 11可见 ，两阀芯补气试验的进排气曲线近乎重合；从表 1可很明显看出，使用改进阀芯 ，省气率在 30%以上。

5 结论作者提出了-种节能低温气动增压泵的设计方案，并对增压泵主要部件的设计方法做了较为详细的描述；针对节能要求，设计了新的气控换向阀，此阀具有单行程供气的特点，可以省气30%；针对低温密封，选择了特殊材料的密封件，并设计了合理的密封结构 ，使增压泵在 -40℃的低温环境下仍有 良好的密封性能。