柱塞泵.ppt

柱塞泵,主讲人 孙绛雪,概述,泵是将原动机的机械能转化成液体能的设备。 按照作用原理的不同，泵分为叶片式、容积式两类。离心泵属于叶片式泵，往复泵属于容积式泵。注水用柱塞泵是往复泵的一种。 往复泵是泵类产品中出现最早的一种。,一柱塞泵的工作原理,S=2r S冲程长度。即在吸入或排出过程中，活塞（柱塞）移动的距离。 r曲柄半径,二柱塞泵的分类及标准代号,分类 标准代号,分类,1按缸数分 单缸泵、双缸泵、三缸泵、四缸泵、五缸泵等。 2按液缸的布置方式及其相互位置分 卧式泵、立式泵、V形或星形泵等。现场多用卧式泵。 3按驱动方式分 机动泵、蒸汽驱动往复泵、液压驱动往复泵。,标准代号,示例,如3ZL12.5/25Q，表示柱塞数目为3 的立式球阀泵，其额定流量为12.5 ,额定压力为25Mpa。 某些特殊用途的柱塞泵，还在其代号前面加某些代号，SD3Z8/20B，为卧式三柱塞板阀泵，额定流量8 ，额定压力为20Mpa,SD表示水力活塞泵的地面泵。,三柱塞泵的基本性能参数,1流量 单位时间内泵排出口排出的液体量。不同于排量。 2泵压 泵排出口的压力。 3泵的功率和效率 输入功率单位时间内动力机传到泵主动轴上的能量。又称轴功率。 输出功率单位时间内液体经泵作用后增加的能量。又称有效功率。 总效率有效功率/输入功率。 4泵速 单位时间内柱塞往复运动的次数。,四柱塞的运动规律,柱塞运动示意图如图所示：,结论,xr(1cos) ursin arcos 其中 x柱塞移动的距离； u柱塞运动速度； a柱塞运动加速度。,五柱塞泵的流量,1柱塞泵的平均流量 1）理论平均流量 2）实际平均流量 2柱塞泵的瞬时流量,1柱塞泵的平均流量,1） 理论平均流量 柱塞泵在单位时间内理论上应输送的液体体积。 单缸单作用泵： Q理均=FSn F柱塞截面积； S冲程长度； n泵速。 多缸单作用泵： Q=iFSn i缸数 2） 实际平均流量 Q= Q理均 流量系数，一般取0.850.95,3)实际流量和理论流量差别的原因 由于排出阀和吸入阀开闭的迟缓所引起。 由于密封不严密引起的泄露。 吸入管路中压力降低时,从液体中分离出溶解在液体中的气体. 当泵工作压力较高时,不能忽略液体的压缩性。,2柱塞泵的瞬时流量,一个单作用液缸：Q=Fu 整台泵的瞬时流量是同一时刻各缸瞬时流量迭加而成。 多缸单作用泵相邻曲柄间的角度差为： =2/i i缸数 多缸单作用泵每个缸瞬时流量的表达式： Q缸m=Fr(sinm+sin2m/2),多缸单作用泵瞬时流量公式,当m =0时，公式前取正号； 当m =2时，公式前取负号。,3.柱塞泵的流量曲线,1.流量曲线 以曲柄转角为横坐标，流量为纵坐标，作出的瞬时流量和平均流量随曲柄转角变化的曲线。,三缸单作用泵排出曲线,2.流量曲线作法,计算描点法 作图法,3.流量曲线用途,判断流量的均匀程度。 Q=(Q泵max-Q泵min)/Q理均 当柱塞泵缸数增多时，流量趋于均匀，而单数缸效果更为明显。现场多用三缸泵或五缸泵。 确定泵输送的液体体积。 泵输送的液体量V与曲线所包围的面积A之间的关系：V=A/ 检验曲柄布置是否合理。,六. 柱塞泵的压头、功率、效率和流量系数,1柱塞泵的有效压头（扬程）, 定义 单位重量的液体经泵作用后的能量增值。常以液柱高度来表示。 现场公式： H=H0+p表/g+p真/g H扬程； H0排出口压力表处与吸入口真空表处的高度差； P表压力表读数； P真真空表读数 或HP表/g 即用表压力来代表泵的扬程。,2柱塞泵的功率和效率,功率 有效功率N（输出功率或水力功率） N= PQ=QgH 输入功率N轴（轴功率） 效率泵 泵=N/N轴,柱塞泵内存在三种功率损失,机械损失 容积损失 水力损失,机械损失 机=Ni/ N轴 Ni转化功率。输入功率减去机械损失后的值。 机机械效率。 容积损失 容=Q/（Q+Q漏） Q漏单位时间内漏失的液体体积。 容容积效率。 水力损失 水：水力效率 泵机水容,注水泵效率的测算方法,1）温差法 又称热平衡法，用温度计测量泵的进出口温差来计算泵效。 步骤：将泵进出口压力表换成标准压力表。 取两支标准温度计插入泵进出口管 线的测温孔内。 在泵正常运转的情况下，经过2030min后，同时记录进出口温度和进出口压力。 代入公式计算,泵=p/p+4.1868(T-Ts) 泵泵效。 p泵进出口压力差，Mpa T泵进出口温度差 Ts 等熵温升修正值（查表求得）,2）流量法 用计量仪表求出泵的流量，然后再用电工仪表测出电机输出功率并计算泵效。 步骤：将压力表换成标准压力表。 在电机正常运转的情况下，用流量计测出流量；同时记录进出口压力及电机的电流和电压。 代入公式。,N轴=31/2IUcos电机/1000 N有=QHr/102 Q泵流量，L/s H扬程，m r介质重度 I电机线电流，A U电机线电压，KV cos功率因数，一般取0.850.90,4往复泵的流量系数,设每缸实际排出的液体体积V与理论体积V理之比相同，则=V/V理。,液缸内吸入及排出压力随曲柄转角变化示意图,计算公式,= V理-（V1+V2+V3+V4）/ V理 =1-(S1+S2+S3+S4)/S,柱塞泵的特点,1) 瞬时流量是脉动的 因为液体介质的吸入和排出过程是交替进行的，而且柱塞在往复过程中，其速度又在不断地变化，所以在只有一个工作腔(单缸泵)的泵中，泵的瞬时流量不仅随时间而变化，而且是不连续的；在具有多个工作腔(多缸泵)的泵中，如果工作腔的工作相位安排适当,则可减少排出集液管路中瞬时流量的脉动幅度，直到可达到实用上认为是稳定流的地步。,2)平均流量是恒定的（即泵的流量) 泵的流量取决于泵的主要结构参数:冲次、冲程、柱塞直径和柱塞数目.而在理论上与排出压力无关,且与输送液体的温度、粘度等物理化学性质无关.当泵的每分钟往复次数一定时,泵的流量也是恒定的。 3)泵的压力取决于管路特性 离心泵流量和扬程是由泵本身决定的，流量与扬程是密切相关的，即某一流量对应着某一扬程.柱塞泵则不同，它的排出压力不是由泵本身决定的，而是取决于泵装置的管路特性，并且与流量无关.也就是说，不论泵装置的管路有多大的水力阻力，原则上泵都可以按其主要结构参数所决定的恒定流量予以排出。 4)对输送的液体有较强的适应性。 5)有良好的自吸性能,在启动前通常不需要灌泵。,因此,柱塞泵与离心泵在启动和操作过程中有很大的差别。 (1)在柱塞泵的排出管线上必须设置安全阀,以保证泵的排出压力不高于它的额定值。 (2)在启动泵前，必须把管路上的排出阀门全部打开，且不允许排出管路堵塞，否则就有可能造成设备或人身伤亡事故。 (3) 柱塞泵允许降压使用，此时不会产生超载，也没有机件损伤的可能，只不过没有充分发挥原设计的功能而已。,七柱塞泵正常吸入条件,液缸内的最小吸入压力大于该温度下的液体的汽化压力。 可得：Z0pa/g-(pt/g+h阻+h惯+K阻+K惯+u2/2g)max NPSHANPSHR 建立在实验基础上，更切合泵的工作实际。 NPSHA有效的净正吸入压头。 NPSHR泵必需的净正吸入压头。即为保证泵的正常吸入所必须的最低值。,NPSHA的获得 NPSHA是吸入池中的液体流经吸入总管到达吸入法兰时的剩余压头；吸入法兰中心到柱塞中心的高度差；液体的汽化压头三项的总和。 NPSHA=(pa/g-z0)-pt/g,NPSHR的获得(两种方法),以泵内液体与柱塞不发生水击为正常吸入条件，发生水击前的最小NPSHA值当作NPSHR值。,以足够大的流量系数作为正常吸入的条件。即根据对流量系数的要求，在稳定区内选一点，该点的NPSHA值就作为泵的NPSHR值。,八柱塞泵的空气包,为消除流量不均匀和压力波动，柱塞泵通常都安装有各种减振装置。 空气包是常见的也是很有效的减振装置之一。 是利用气体的压缩和膨胀来储存或放出一部分液体以达到减小管路中流量不均匀度为目的的辅助装置。,1结构形式及特点,空气包有排出和吸入之分，有常压和预压两类。一般为预压式。 排出空气包安装在泵的排出口附近，吸入空气包安装在泵的吸入口附近。 常压式结构简单，但体积较大。气体与液体相互接触。预压式结构较复杂，工作可靠性取决于弹性元件的质量和寿命。,（一）排出空气室,排出空气室按充入气体压力分为常压式和预压式两种类型。 1.常压式 充入常压气体，一般为空气，只有当输送易燃、易爆液体时，才充入惰性气体。 特点：结构简单、体积较大、气体会溶入液体。 场合：低压采用，高压时采用很少。,2.预压式 利用弹性元件将液体与气体隔开，事先充入一定压力的气体。 结构复杂。 结构上可分为两类：球形空气室、筒形预压式空气室,球形、圆筒形橡胶气囊预压式1外壳；2气室,（二）吸入空气室,分直接接触式、隔膜式两类 特点：吸入真空度高时，液体中的气体分离，使空气室气体增多；泵倒灌下工作时，气体可能被液体带走而减少。,1.直接接触式 开式立管吸入空气室 当吸入池为敞开式且液面比泵吸入口高时可采用开式立管吸入空气室。,闭式立管吸入空气室 当吸入池为闭式结构且液面高于泵的入口时，可采用该结构。 此时需用均压管把吸入池和立管顶部气体连通，造成气体压力平衡。,闭式接触式吸入空气室 吸入池为敞开式且液面低于泵的入口时，采用。,2.隔膜式吸入空气室 避免了气体与液体的直接接触，但结构复杂。,2原理,利用内部气体的可压缩性进行工作。 空气囊内一般充以惰性气体，如氮气或空气。,例：吸入空气包,排出空气包,当液缸的排出瞬时流量增加，液体压力增大时，胶囊内液体受压缩，空气包储存来自液缸内的一部分液体； 当液缸的排出瞬时流量减少，液体压力减小时，胶囊内液体膨胀，空气包放出一部分液体，从而保持排出管内压力趋于均匀。,空气包的安装,1排出空气包的安装方案 三通连接法 脉动液体局部进入空气包。 直角连接法 液流进口与出口成90，脉动液流全部进入空气包。,2吸入空气包的安装方案,3.空气包体积V0的确定 V0=（P1+P2)2Vs/4p0p2Q P1空气包后排出管路的静压力。约为 排出容器 内液面上的压力。 P2空气包后排出管路的平均摩擦阻力。 剩余液量系数。查表得。 Vs柱塞行程容积。 p0空气包的预压力。 Q空气包后管路的流量脉动率。 注：当P1= P2时，空气包容积最小。 p0、Q越小，空气包越大。,注：,1）设置空气包后，不可能作到完全消除 流量脉动. 2）常压式空气包还需设置排出空气包充气及吸入空气包抽气的附加装置。 3)空气包消减流量脉动的效果不仅决定于空气包内空气的容积，而且与管路的配置有很大的关系。如果空气包后的管路没有任何阻力，则多大的空气包也不起作用。,九安全阀,1.作用 在泵的集液管、排出空气包后装有安全阀，以防止泵液缸内压力过高，保护泵的安全运转。 2.安全阀类型 弹簧式安全阀 开启后，可自行复原。不必停车。 只适用于纯净介质。 一次动作安全阀 开启后，不能自动复原，必须停车。 适用于有磨砺性颗粒的介质。,3常见类型及结构,销钉剪切式、膜片式、弹簧式等。,十柱塞泵的特性曲线,1柱塞泵的特性曲线,注：图中流量压力曲线只适合于纯机械传动柱塞泵。,2柱塞泵的工况,将泵的流量压力特性曲线按同样比例绘在管路特性曲线上，两曲线的交点为泵的工况点。 可见，泵实际给出的工作压力总是与负载直接相关的，负载增大，泵压就升高，反之，泵压就下降。,3柱塞泵的性能调节,人为改变工况，即调节泵的流量。 流量调节 Q=iFSn 措施： 调节泵的冲次 更换不同直径的缸套 减少泵的工作室 旁路调节,泵的并联运行 目的：加大流量 特点： 当各泵的吸入管大致相同，排出管路交汇点至泵的排出口距离很小时，可以认为泵在相同的压力下工作。 排出管路中的总流量为同时工作的各泵的流量之和。 泵组输出的总水功率为同时工作各泵输出的水功率之和,十一离心泵与柱塞泵的对比,1 离心泵叶轮等速旋转，液流均匀、平稳.柱塞泵柱塞作变速往复运动，液流不均匀，不平稳。 2 液体经离心泵增加的压能有限，而柱塞泵可获很高压力。 3 离心泵吸入和排出同时进行，从而取消了泵阀.柱塞泵分两个阶段进行。 4 离心泵的流量随压力的增加而减少，调节方便。柱塞泵的流量调节较困难。,泵阀是柱塞泵最重要的易损件之一。主要作用是使液缸与排出管及吸入管交替连通或隔开。,十二柱塞泵泵阀,对一定流量的泵来说，因为Q=inFS，所以冲次提高，可以减小泵的缸径或冲程长度，因而使泵的体积和重量变小，这是非常有利的。但，冲次提高，使泵内相对往复运动件加快磨损，且随着泵冲次的提高，泵阀寿命急剧下降。 实际表明，泵阀的寿命是限制往复泵寿命提高的主要因素。,最大允许往复次数,对某一特定的柱塞泵来说。当泵的冲次超过某一范围后，就会使阀板在落到阀座上时产生撞击，引起振动，阀门很快磨损，使柱塞泵不能正常工作，这一柱塞泵冲次称为柱塞泵的临界往复次数，或称最大允许往复次数。 最大往复次数确定的方法有很多，大多是以阀的无撞击条件为基础。,泵阀种类及特点,平板阀,平板阀特点 用于输送低粘度油或类似于清水的介质。 密封性能较锥阀差，多用于排压较低的泵。,锥形阀,锥形阀特点 结构复杂，密封性能好，适用介质广泛，通常多用于高压、超高压泵上。计量泵中也有采用。,对于计量泵，为了保证泵阀关闭和密封，提高容积效率和计量精度，常采用双重阀（有的甚至采用三重阀）。,自重球阀,自重球阀 适用场合：没有弹簧，阀板惯性力影响较大，只适用于往复次数较低、流量不大的泵。 特点： 1.结构简单、互换性强，拆装方便。 2.磨损均匀。 3.密封接触面较小，密封性能好，泵容积效率较高，故用于计量泵。 4.水力阻力小，适用于输送粘度较高的液体。,泵阀设计的一般原则： 1.阀应能及时启闭，关闭速度和关闭滞后角不应大于允许值，以减小关闭冲击和回流损失。 2.密封可靠，减小或避免关闭后的漏损。 3.结构简单，拆装方便、工艺性好，尽可能有良好的互换性。 4.工作平稳、噪音小。,柱塞及其密封,1.柱塞结构形式的选择 2.柱塞与十字头的连接 3.柱塞密封,1.柱塞结构形式,分实心柱塞和空心柱塞两种。 直径小，重量轻的采用实心； 直径大及较重者采用空心。,2.柱塞与十字头的连接 有平面连接、球面连接、螺纹连接。,3.柱塞密封,柱塞密封是柱塞泵中重要易损件之一。 柱塞密封常用形式有 压紧式填料密封； 自封式密封； 间隙密封。,填料密封,特点： 1.压紧多用螺母，也有用法兰的。 2.当泵的排出压力较高时，设液封环。 3.入口处（即与压盖接触处）磨损较快，填料失效常常从这里开始。,4.填料密封适应柱塞偏心运动的性能较差。 5.填料中常含有润滑剂，在压紧时，部分润滑剂被挤出以起到润滑作用。,填料安装与维护 （1）初次安装或更换填料时，必须把柱塞表面和填料箱内部清理干净并不得有任何碰伤或划痕。若有，必须同时更换柱塞或箱体，单方面更换填料则不能解决问题。 （2）安装填料环时，应采用专用工具逐个将环压紧、压平。严格控制压紧力。,自封式密封,分V型、U型、Y型等不同型式。,V型密封填料箱结构型式,V型密封由密封圈、顶圈、底圈组成。,V型密封特点,1.可以若干个重叠使用。压力越高，圈数越多。圈数多于4个时，摩擦力明显增加。 2.与填料密封比较，对柱塞偏心运动有较好的适应性，但与U型、Y型相比，摩擦力较大。 3.为防止组装时划伤，填料箱安装V型密封的入口处应倒角30。,U型和Y型密封,二者形状、性能有许多共同点，通常可归为一类，统称U型密封。,特点： 1.U型密封的唇部内径比柱塞直径略小而外径则比填料箱内径略大。组装后，靠唇部密封。 2.压力低于30Mpa的情况下，一般只用一个U圈即可起到良好的密封作用。 3.在柱塞泵压力波动大，滑动速度较高的情况下，需加支撑环，使U圈固定。 4.压力很高时，也可用多个U圈，但不同于V圈，不可重叠组装。,高压组装方式之一 夹布橡胶U型圈和软质橡胶密封组合,间隙密封,压力更高时，由于填料或密封圈本身所限，难以在工作状态下保持其应有的形状，因此，采用金属间隙密封。 需精密加工，造价昂贵。,十字头,形式：整体式、分开式,柱塞泵的润滑,润滑部位按减速机构、传动端和液力端来划分。,一减速机构各润滑部位及润滑方式,（一）减速机传动件的润滑方式选择 1油池润滑 适用范围： 齿轮圆周速度12 m/s或蜗杆圆周速度10 m/s的减速机。 浸油深度： 齿轮的浸油深度以12个齿高为宜。圆周速度高时，浸油深度应更浅些，取0.7个齿高，但浸油深不应小于10 mm。 蜗杆传动时，浸油深度不应大于一个牙高。,注：在两级或多级减速机构中，应力求各级浸油深度相等。,2压力润滑 圆周速度1215m/s ，则要用压力润滑。 压力润滑即把一定压力的油直接喷到正要啮合的齿隙中去，达到润滑的目的。,（二）轴承润滑,尽可能利用传动件润滑。 圆周速度23m/s时，采用飞溅润滑。 圆周速度23m/s时，应采用润滑脂润滑或其它方式润滑。,二传动端润滑部位和润滑方式,传动端润滑部位主要是： 曲轴销与连杆大头轴瓦； 十字头销与连杆小头轴瓦； 十字头和滑道个运动副处。 传动端润滑方式： 飞溅润滑；压力润滑。,（一）飞溅润滑 用于泵速较低、柱塞力较小、润滑油需要量不多的传动端。 缺点：不能有效带走摩擦热； 油箱内油位要经常监视； 润滑油必须定时更换。,（二）压力润滑 功率大或转速高的传动端，应采用压力润滑。 特点：结构复杂，但工作可靠； 主轴承获得足够润滑油；连 杆轴承寿命提高； 有效带走摩擦热并兼有清洗作用； 润滑油质量好，运动副寿命长。,三液力端润滑部位及润滑方式,润滑部位主要是柱塞及其密封。 润滑方式： （1）输送介质自润滑 适用于柱塞平均速度不太高，输送介质纯净而有一定润滑性的泵。 （2）冲洗液润滑 适用于柱塞平均速度很高的泵。,四压力循环润滑系统分类,内驱动压力循环润滑系统 由曲轴直接驱动油泵。 适用于柱塞每分钟往复次数较低，泵的功率较小，需要润滑油量不多的场合。 注：泵启动前需人工浇油，使各润滑部位预先得到润滑，防止运动副处干摩擦。 常不加冷却设备，油温偏高。,（二）外驱动压力循环润滑系统 适用于功率大、转速高、润滑油需要量大的泵。 特点：占地较多。 泵启动前可先启动油泵进行预润滑。 润滑油量足、质优。,齿轮泵,齿轮泵的工作机构是一对互相啮合的齿轮。 根据啮合特点，可分为外啮合、内啮合两种。如图。,在相同流量下，内啮合齿轮泵尺寸小于外啮合齿轮 内啮合齿轮泵的流量也比外啮合泵均匀，但，制造加工比外啮合泵复杂。 外啮合齿轮有直齿、斜齿、人字齿几种。 外啮合的齿轮泵的齿轮数目为25个，以两个最常用，而内啮合泵只有两个齿轮。,一工作原理,依靠齿轮相互啮合过程中所形成的工作容积变化来输送液体。,二特点,1）流量与排出压力基本上无关； 2）流量和压力有脉动； 3）无进、排液阀，结构比柱塞泵简单，制造容易，维修方便，运转可靠； 4）流量比柱塞泵均匀； 5）适用于不含固体杂质的高粘度的液体。,三困油现象和卸荷措施,1困油现象 如图,2卸荷措施,针对困油现象，采取卸荷措施，使闭死容积与吸入或排出腔相通。 1） 开卸荷槽,2） 开卸荷孔 3） 还可以采取其它措施。如斜齿齿轮泵的闭死容积几乎不变，困液现象不严重。,三径向力及其平衡措施,齿轮泵的径向力使轴承受很大负荷，会使泵轴变形，使齿轮与泵体接触而导致泵体与齿轮的磨损。,消除径向力措施,1） 使压出腔尺寸比吸入腔小；加大径向间隙，补偿径向力引起的轴变形。 2） 在轴承座圈或在泵体上开压力平衡槽。,四密封问题,由于泵内有高低压腔，所以存在串漏问题。为保证密封，必须选择适当间隙。 由于间隙多，密封面积较大，故密封性不如柱塞泵，所达到的压力也要低一些。,五齿轮泵的型号规格,我国生产的齿轮泵有Ch 型、2CY型及KCB型三种。 Ch4.5 C