一種節(jié)能型低溫氣動(dòng)增壓泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王海濤，孫長(zhǎng)樂(lè)，關(guān)廣豐，熊偉

(大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院，遼寧大連116026)

工程實(shí)際中，有很多利用高壓氣體的領(lǐng)域，其壓力從十幾兆帕到幾百兆帕。通常利用氣動(dòng)增壓泵使低壓氣體增壓到所需要的壓力。氣動(dòng)增壓泵無(wú)需電源，利用壓縮空氣作為動(dòng)力源，可以得到高達(dá)幾百兆帕的壓力。它體積小，安全防爆，輸出壓力和流量可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，可壓縮氮?dú)?、氫氣、氧氣、二氧化碳等多種氣體，廣泛用于各種需要高壓氣體的場(chǎng)合。如:氣體灌注，昂貴氣體的殘氣回收，汽車生產(chǎn)中發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、冷卻器的氣密性測(cè)試，液壓蓄能器的氣囊充氣，塑料工業(yè)中的氣輔成型等［1］。目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家有多家公司生產(chǎn)氣動(dòng)增壓泵產(chǎn)品，但是現(xiàn)有氣動(dòng)增壓泵在壓縮行程和吸氣行程都提供驅(qū)動(dòng)氣體，并在做完功后將驅(qū)動(dòng)氣體全部排到大氣中，導(dǎo)致增壓泵耗氣量過(guò)大，極大地浪費(fèi)了能源，增加了經(jīng)濟(jì)成本。另外，在我國(guó)高緯度地區(qū)，室外最低溫度可達(dá)-40℃，對(duì)于一般的密封件，低溫下其分子運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，發(fā)生硬化失去彈性，會(huì)導(dǎo)致密封失效，增壓泵不能增壓，當(dāng)前市場(chǎng)產(chǎn)品尚不能滿足低溫使用環(huán)境的要求。針對(duì)節(jié)能和低溫的要求，作者在現(xiàn)有增壓泵產(chǎn)品的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了能夠減少增壓泵驅(qū)動(dòng)氣體消耗的氣控?fù)Q向閥;同時(shí)，設(shè)計(jì)了耐低溫耐高壓的密封結(jié)構(gòu)。

1 氣動(dòng)增壓泵工作原理

氣動(dòng)增壓泵是基于帕斯卡原理進(jìn)行工作的，市場(chǎng)上常見(jiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］。

圖1 氣動(dòng)增壓泵結(jié)構(gòu)原理圖

其工作過(guò)程為:接通驅(qū)動(dòng)氣源pL時(shí)，換向閥1位于左位，驅(qū)動(dòng)氣體經(jīng)換向閥P口和A口進(jìn)入驅(qū)動(dòng)無(wú)桿腔，推動(dòng)驅(qū)動(dòng)活塞7進(jìn)行壓縮行程。在此行程中，驅(qū)動(dòng)有桿腔內(nèi)氣體經(jīng)換向閥1的B口和R口排到冷卻缸套11中，增壓缸體9內(nèi)氣體在高壓活塞12的壓縮下經(jīng)排氣單向閥14排出。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到壓縮行程末端時(shí)，驅(qū)動(dòng)活塞7觸碰到右先導(dǎo)閥3，使換向閥大面積先導(dǎo)端通氣，換向閥1換向至右位。驅(qū)動(dòng)氣體經(jīng)換向閥的P口和B口進(jìn)入驅(qū)動(dòng)有桿腔，活塞組件向左運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始吸氣行程。低壓氣體經(jīng)進(jìn)氣單向閥13進(jìn)入增壓腔9內(nèi)。在吸氣行程中，驅(qū)動(dòng)無(wú)桿腔內(nèi)氣體經(jīng)換向閥的A口和R口排到冷卻缸套11，最后經(jīng)消音器15排放到大氣。當(dāng)活塞運(yùn)行到吸氣行程末端時(shí)，驅(qū)動(dòng)活塞觸碰到左先導(dǎo)閥2，換向閥1大面積先導(dǎo)端氣體被泄放，換向閥再次切換至左位，實(shí)現(xiàn)增壓泵的連續(xù)往復(fù)工作。

2 單行程供氣節(jié)能方案設(shè)計(jì)

由前面氣體增壓泵工作過(guò)程的分析可知，氣體增壓泵在壓縮行程和吸氣行程都供給驅(qū)動(dòng)氣體，但是在壓縮行程做功，而在吸氣行程無(wú)負(fù)載、不做功。另一方面，被增壓的氣體在吸氣行程進(jìn)入增壓腔后對(duì)增壓活塞具有一定的推力，故可在吸氣行程不給氣體增壓泵提供驅(qū)動(dòng)氣體，僅依靠進(jìn)氣對(duì)增壓活塞的推力進(jìn)行吸氣行程?；诖?，在現(xiàn)有增壓泵的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新型閥芯，使驅(qū)動(dòng)氣體在壓縮行程進(jìn)入驅(qū)動(dòng)無(wú)桿腔進(jìn)行壓縮行程，而在吸氣行程將驅(qū)動(dòng)氣源切斷，僅依靠增壓端進(jìn)氣對(duì)增壓活塞的推力來(lái)驅(qū)動(dòng)吸氣行程，實(shí)現(xiàn)了單行程供氣，從而節(jié)省了吸氣行程驅(qū)動(dòng)氣體的消耗，如圖2所示。

圖2 單行程供氣節(jié)能型增壓泵原理圖

3 增壓泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作者設(shè)計(jì)的增壓泵驅(qū)動(dòng)氣體為壓縮空氣，壓力0.21.0 MPa。被增壓氣體為氮?dú)?，最高輸出壓力?0 MPa。使用環(huán)境溫度為-40～60℃。

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

增壓泵的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，高壓進(jìn)排氣單向閥組件布置在高壓缸頭部的高壓端蓋內(nèi)，高壓端蓋由螺紋結(jié)構(gòu)直接緊固在高壓缸上。高壓缸組件由高壓缸筒和冷卻外套組成。低壓缸排出的氣體從高壓缸和冷卻外套間的腔室流過(guò)，用來(lái)冷卻高壓缸筒。低壓缸組件主要由前后缸蓋、缸套、驅(qū)動(dòng)活塞和起動(dòng)密封作用的O形圈組成，由4個(gè)長(zhǎng)螺桿連接而成。氣控?fù)Q向閥安裝在高壓缸與低壓缸之間的缸蓋上，這樣有利于氣路布置。高壓活塞桿與低壓活塞間采用螺母固定。前后先導(dǎo)閥分別布置在前后缸蓋上，兩者結(jié)構(gòu)基本相同。

圖3 氣動(dòng)增壓泵總體結(jié)構(gòu)

3.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

(1)氣控?fù)Q向閥

單行程供氣節(jié)能主要集中在氣控?fù)Q向閥閥芯的設(shè)計(jì)上，圖4為單行程供氣新型閥的結(jié)構(gòu)圖。

圖4 單行程供氣節(jié)能方案換向閥結(jié)構(gòu)

該閥主要由閥體、閥套、閥芯、中間套和閥桿及相應(yīng)的密封圈組成。閥體與有桿腔側(cè)端蓋為一體，開(kāi)有通向兩驅(qū)動(dòng)腔的通氣孔。閥芯為中空結(jié)構(gòu)，表面沿圓周方向開(kāi)有排氣孔，中間套位于閥芯內(nèi)部，連通無(wú)桿腔與有桿腔。接通驅(qū)動(dòng)氣源后，氣源一路進(jìn)入閥芯左端，推動(dòng)閥芯位于右位，另一路驅(qū)動(dòng)氣體經(jīng)過(guò)閥芯外部的環(huán)形腔和B孔進(jìn)入無(wú)桿腔，進(jìn)行壓縮增壓行程，A孔被封閉，有桿腔內(nèi)氣體經(jīng)D孔和閥桿與中間套之間的環(huán)形空間排出;壓縮行程末，右先導(dǎo)閥被觸動(dòng)，氣源進(jìn)入閥芯右側(cè)，推動(dòng)閥芯移動(dòng)至左位，進(jìn)氣孔被封閉，無(wú)桿腔內(nèi)氣體經(jīng)A孔、中間套與閥芯之間的環(huán)形腔、C孔進(jìn)入有桿腔，活塞在進(jìn)氣壓力作用下進(jìn)行吸氣行程。閥桿安裝在閥芯上，隨著閥芯一起運(yùn)動(dòng)，可以接計(jì)數(shù)器對(duì)增壓泵動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并能根據(jù)閥芯動(dòng)作情況判斷增壓泵是否正常工作。為了使閥芯運(yùn)動(dòng)更容易控制，應(yīng)盡量減小閥芯的壁厚和閥桿的直徑，以便降低它們的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。圖5為此新型閥芯的實(shí)物圖。

圖5 單行程供氣節(jié)節(jié)能方案換向閥樣機(jī)

(2)高壓活塞

高壓缸筒-活塞組件是增壓泵設(shè)計(jì)的核心。在20 MPa高壓和-40℃低溫環(huán)境下，如果高壓密封泄漏，則增壓功能喪失。作者設(shè)計(jì)的高壓活塞如圖6所示，活塞材料選用不銹鋼。密封部分包括導(dǎo)向環(huán)和組合密封圈。導(dǎo)向環(huán)為含有低溫成份的PTFE材料，摩擦力低，啟動(dòng)力小，耐高壓，主要用于導(dǎo)向和吸收徑向力，以及避免活塞和缸筒的接觸［3］。組合密封圈采用車德恒研制的腳形滑環(huán)式密封，由PTFE外圈和O型圈組合而成［4-6］。加工的實(shí)物如圖7所示。

圖6 高壓活塞結(jié)構(gòu)

圖7 高壓活塞實(shí)物

(3)進(jìn)、排氣單向閥

進(jìn)排氣單向閥用于被壓縮氣體的吸氣、排氣。其結(jié)構(gòu)如圖8所示，高壓端蓋內(nèi)的進(jìn)排氣單向閥包括大小兩個(gè)彈簧、閥座、金屬墊圈、密封圈、球形閥芯。進(jìn)、排氣單向閥均采用雙彈簧復(fù)位結(jié)構(gòu)。當(dāng)球形閥芯開(kāi)啟時(shí)小彈簧先起作用，然后大彈簧再起作用，這樣開(kāi)啟阻力小，并且閥芯受到的沖擊小。球形閥芯關(guān)閥開(kāi)始時(shí)，大小彈簧同時(shí)起作用，當(dāng)閥套受到限位后，小彈簧單獨(dú)起作用，球形閥芯緩慢地關(guān)閉閥口，并在小彈簧的作用下復(fù)位找正。大小雙彈簧結(jié)構(gòu)單向閥的優(yōu)點(diǎn)是:開(kāi)啟阻力小，關(guān)閥速度快，沖擊小，可自動(dòng)復(fù)位調(diào)整。

圖8 進(jìn)排氣單向閥結(jié)構(gòu)圖

3.3 密封件的選擇

密封設(shè)計(jì)是增壓泵低溫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，密封不好會(huì)使增壓泵發(fā)生泄漏，降低增壓泵的工作效率和使用壽命。文中所采用的密封件能夠在-40℃的低溫環(huán)境下保持良好的性能，驅(qū)動(dòng)活塞、氣控?fù)Q向閥、先導(dǎo)閥等部位均采用特瑞堡公司的含有耐低溫成份的丁腈橡膠材料O形圈密封。

4 單行程供氣增壓泵節(jié)能及低溫實(shí)驗(yàn)

為考查改進(jìn)閥芯增壓泵的節(jié)能及耐低溫性能，進(jìn)行了高壓氣瓶補(bǔ)氣試驗(yàn)，并與普通閥芯在同條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)回路如圖9所示，將增壓泵放在低溫箱內(nèi)完成低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)，如圖10所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

試驗(yàn)條件:進(jìn)氣瓶初始?jí)毫Ψ謩e為5、8和12 MPa;高壓氣瓶初始?jí)毫?6.5 MPa，增壓至18.1 MPa，驅(qū)動(dòng)壓力0.6 MPa，驅(qū)動(dòng)流量600 L/min，設(shè)定環(huán)境溫度為-40℃。試驗(yàn)曲線如圖11所示，試驗(yàn)結(jié)果匯總在表1中。

圖11 單行程供氣節(jié)能補(bǔ)氣試驗(yàn)進(jìn)排氣曲線對(duì)比

表1 單行程供氣節(jié)能補(bǔ)氣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從圖11可見(jiàn)，兩閥芯補(bǔ)氣試驗(yàn)的進(jìn)排氣曲線近乎重合;從表1可很明顯看出，使用改進(jìn)閥芯，省氣率在30%以上。

5 結(jié)論

作者提出了一種節(jié)能低溫氣動(dòng)增壓泵的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)增壓泵主要部件的設(shè)計(jì)方法做了較為詳細(xì)的描述;針對(duì)節(jié)能要求，設(shè)計(jì)了新的氣控?fù)Q向閥，此閥具有單行程供氣的特點(diǎn)，可以省氣30%;針對(duì)低溫密封，選擇了特殊材料的密封件，并設(shè)計(jì)了合理的密封結(jié)構(gòu)，使增壓泵在-40℃的低溫環(huán)境下仍有良好的密封性能。

【1】王旭.新型節(jié)能氣體增壓器的研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2009.

【2】熊偉，王海濤，王旭.氣驅(qū)氣體增壓器靜態(tài)特性研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2008(10):4-8.

【3】黃迷梅.液壓氣動(dòng)密封與泄漏防治［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

【4】車恒德.淺談車氏密封［J］.液壓氣動(dòng)與密封，1999 (12):36-41.

【5】陳社會(huì).C形滑環(huán)式組合密封及其應(yīng)用［J］.液壓與氣動(dòng)，2001(6):24-26.

【6】陳社會(huì).直角滑環(huán)式組合密封的密封機(jī)理及其應(yīng)用［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2000(12):38-40.