往复泵排出管线压力脉动理论研究与实验对比分析
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( The E lectrom echan ica l D epa rtm en t of S ou thw est Petroleum Institu te, ChengD u S iChuan 610500, Ch ina)
Abstract: The article talks about the p ressure pulse of recip rocating pump in theoretical calculation and experimental measurement two different ways. A t the same time , give out the compare and analysis results of the two different ways. Key words: Recip rocating pump; Pressure Pulse; experiment
1 引言
曲柄连杆机构传动的往复泵的主要缺点之一就是排量波
动 ,这是由于其运动的特性所引起的 。当曲柄连杆机构原动
机的旋转运动转化为活塞的往复运动 ,活塞的速度不是一个
常数 ,而近似于正弦曲线 。因而 ,往复泵在工作过程中的瞬时
排量是不断变化的 。由于流量波动而引起压力波动 ,从而使
吸入和排出管线产生振动 ,泵的寿命缩短 ,甚至使泵不能正常
ρgf阀 ; K惯 为液体推动排出阀所需的惯性水头 , K惯 =ω2 rGA /
ρg2
f
2 座
(1
-
x / r) ;
h阻
为排出中的沿程和局部阻力损失 ,
h阻
=
(λ排 (L排 / d排 ) + 6 ε排 ) (A / f排 ) 2 u2 /2g ) = (λ排 (L排 / d排 ) + 6
ε排
)
(ω2
r2 A2
/2g
f
2 排
)
( 2x r
-
x2 r2
)
(其中 : L排 、d排 、f排
为排出管的
长度 、直径和横截面积 ;λ排 为排出管中沿程摩阻系数 ; ρ ε排
为排出管中局部阻力系数总和 。 h惯 为排出管中液体的惯性
水头 , h惯 = (AL排 / gf排 ) a = (L排 ω2 rA / gf排 ) ( 1 - x / r)
Com pare and ana lysis of theoretica l study and exper im en ta l m ea surem en t of pressure pulse of rec iproca ting pum p d ischarge lines
Q IAN Xue - Jun, L IANG Hong
号的最大最小峰值等参数 。频域分析可以得到压力脉动的频 率成分 ,了解哪些频率成分对压力脉动有主要影响 。得到的 测试点的压力波形如图 5所示 。
图 3 测试系统原理图 1. 电机 2. 被测试泵 3. 压力传感器 4. 压力表 5. 溢流 阀 6. 节流阀 7. 椭圆齿轮流量计 8. 滤油器 9. 泄油管 10. 油箱
第 18卷 第 2005年 2月
1期
机械研究与应用
Vol 18 No 1
M ECHAN ICAL RESEARCH & APPL ICATION
2005202
往复泵排出管线压力脉动理论研究与实验对比分析 3
钱学军 ,梁 红
(西南石油学院 机电工程学院 ,四川 成都 610500)
3 实测实验
3. 1 实验装置 设计的实验装置如图 3所示 。为了得到压力脉动不均匀
3 收稿日期 : 2004 - 08 - 10 作者简介 :钱学军 (1979 - ) ,男 ,山东济宁人 ,在读硕士生 ,机电一体化专业 ,主要从事石油矿场机械的研究 。
·23·
Hale Waihona Puke Baidu
Vol 18 No 2005202
摘 要 :从理论计算和实验实测两方面论述往复泵的压力脉动现象 ,对两种方法得到的结果进行对比分析 。 关键词 :往复泵 ;压力脉动 ;实验 中图分类号 : TQ051. 21 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 - 4414 (2005) 01 - 0023 - 02
图 5 压力波形图
多测量几个点的压力波形有助于了解管道内的压力脉动 情况 。 3. 3 理论分析与实测结果的对比分析
由图 5可以看出 ,理论分析得出的排出管道内压力的变 化规律和实测结果在活塞运动一个行程之内的曲线走势基本 吻合 。可以认为 ,此理论分析和实测实验都得到了良好的效 果。
4 结论
(1) 从理论上得出了排出管道内的压力脉动规律计算方 法。
图 2 排出压头变化图 由曲线可见 ,由于液流不稳定 ,液缸内的压力变化很大 。 所不同的是 ,排出过程开始 ( x = 2 r)时 ,主要是由于活塞突然 加速 ,液体惯性起阻碍流动的作用 ;此后 ,加速度逐渐降低 ,排 出压力下降 ,当活塞到达终点位置 ( x = r)时 ,加速度为零 ;活 塞继续移动 ,加速度变为负值 ,此时液体惯性起推动液体向前 流动的作用 。当活塞移动到终点 ( x = 0 )时 , 负加速度达最大 值 ,液体的惯性作用为最大 。因排出管长度 L排 一般很长 , 而 h惯 与 L排 成正比 ,与成正比 , 因此 , 当泵主轴转速较高时 , h惯 可以达到相当大的程度 ,因而排出过程刚开始时 , 液缸内的压 头 P排 /ρg很大 ,这使得泵零件承载很大 。此外 , 排出压力波 动 ,使泵与发动机负载不均 ,工作条件恶化 。尤其当排出压力 的变化频率与排出管线自振频率相同或整数倍时 , 将引起共 振 ,严重地破坏管线和机件 。
1
机械研究与应用
第
M ECHAN ICAL RESEARCH & APPL ICATION
18卷 第 2005年
1期 2月
度和脉动幅值等参数 [1 ] ,在管道上钻孔 (为了得到较为丰富 的结果 ,应该多钻几个孔 ,文中只示出一个 ) ,在孔上接压力传 感器 ,对管道内的压力脉动进行测试 。
·24·
+ K阻
+ K惯
+ h阻
+ h惯
-
u2 2g
(1)
用图解的方法可以表示出排出过程中液缸内压力变化的 规律性 (图 2) 。图中水平细直线表示 P排 /ρg, 水平线 a表示 排出高度 Z1;线 b表示排出阀的阻力及惯性水头损失 K阻 与 K惯 ,曲线 c表示 ( h阻 + u排2 /2g - u2 /2g)三项的合成曲线 ; 曲线 d表示排出管中液体的惯性水头 h惯 。
取以上的曲线纵坐标的代数和 , 则得 P排 /ρg 的变化曲 线。
图 1 泵排出管线示意图
式中 : P排 为排出过程中液缸内压力 ; Pk 为排出管出口端液体
压力 ; Z1 为排出口距液缸中心高度 ; uk 为排出管端液体的流
速 , uk = A / f排 ·u; K阻 为经排出阀的阻力损失 , K阻 ≈ G + R /
实验中使用 INV306型智能信号采集处理分析系统 ,它可 以完成大量数据采集 、时域分析及频域分析等 。测试仪器设 备的连接见图 4。
图 4 测试仪器设备连接示意图
3. 2 测试结果 为了更好地对排出口管道内压力脉动的振动信号进行采
样 [2 ] ,可设定下限采样频率为 1000Hz,响应信号采集前先经 过 100Hz低通抗混滤波 。对管道上的测试点进行实测 ,对测 试结果进行时域和频域分析 。时域分析可以得到压力脉动信
工作 。
2 理论排出压头脉动规律
往复泵的排出过程是活塞挤压液缸内液体 ,使压力升高 ,
以克服液体在排出管中的流动阻力和惯性力 ,以及排出阀的
阻力与惯性力 ,增加液体高度 ,并使液体具有一定的流动速
度。
根据泵的排出管线如图 1,可以列出其能量平衡方程式 :
P排 ρg
=
Pk ρg
+ Z1
+ u2k 2g
(2) 给出了实测实验装置并得到了良好的实测结果 。 (3) 对理论分析和实测结果进行了对比分析 。
参考文献 :
[ 1 ] 刘利国. 轴向柱塞泵压力脉动测试 [ J ]. 山东煤炭科技 , 2001 ( 2) : 34 - 351
[ 2 ] 薛玮飞 ,杨晓翔 ,郭金全. 往复式压缩机管道内压力脉动的测试 与分析 [ J ]. 化工机械 , 2003 (1) : 5 - 81
Abstract: The article talks about the p ressure pulse of recip rocating pump in theoretical calculation and experimental measurement two different ways. A t the same time , give out the compare and analysis results of the two different ways. Key words: Recip rocating pump; Pressure Pulse; experiment
1 引言
曲柄连杆机构传动的往复泵的主要缺点之一就是排量波
动 ,这是由于其运动的特性所引起的 。当曲柄连杆机构原动
机的旋转运动转化为活塞的往复运动 ,活塞的速度不是一个
常数 ,而近似于正弦曲线 。因而 ,往复泵在工作过程中的瞬时
排量是不断变化的 。由于流量波动而引起压力波动 ,从而使
吸入和排出管线产生振动 ,泵的寿命缩短 ,甚至使泵不能正常
ρgf阀 ; K惯 为液体推动排出阀所需的惯性水头 , K惯 =ω2 rGA /
ρg2
f
2 座
(1
-
x / r) ;
h阻
为排出中的沿程和局部阻力损失 ,
h阻
=
(λ排 (L排 / d排 ) + 6 ε排 ) (A / f排 ) 2 u2 /2g ) = (λ排 (L排 / d排 ) + 6
ε排
)
(ω2
r2 A2
/2g
f
2 排
)
( 2x r
-
x2 r2
)
(其中 : L排 、d排 、f排
为排出管的
长度 、直径和横截面积 ;λ排 为排出管中沿程摩阻系数 ; ρ ε排
为排出管中局部阻力系数总和 。 h惯 为排出管中液体的惯性
水头 , h惯 = (AL排 / gf排 ) a = (L排 ω2 rA / gf排 ) ( 1 - x / r)
Com pare and ana lysis of theoretica l study and exper im en ta l m ea surem en t of pressure pulse of rec iproca ting pum p d ischarge lines
Q IAN Xue - Jun, L IANG Hong
号的最大最小峰值等参数 。频域分析可以得到压力脉动的频 率成分 ,了解哪些频率成分对压力脉动有主要影响 。得到的 测试点的压力波形如图 5所示 。
图 3 测试系统原理图 1. 电机 2. 被测试泵 3. 压力传感器 4. 压力表 5. 溢流 阀 6. 节流阀 7. 椭圆齿轮流量计 8. 滤油器 9. 泄油管 10. 油箱
第 18卷 第 2005年 2月
1期
机械研究与应用
Vol 18 No 1
M ECHAN ICAL RESEARCH & APPL ICATION
2005202
往复泵排出管线压力脉动理论研究与实验对比分析 3
钱学军 ,梁 红
(西南石油学院 机电工程学院 ,四川 成都 610500)
3 实测实验
3. 1 实验装置 设计的实验装置如图 3所示 。为了得到压力脉动不均匀
3 收稿日期 : 2004 - 08 - 10 作者简介 :钱学军 (1979 - ) ,男 ,山东济宁人 ,在读硕士生 ,机电一体化专业 ,主要从事石油矿场机械的研究 。
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Hale Waihona Puke Baidu
Vol 18 No 2005202
摘 要 :从理论计算和实验实测两方面论述往复泵的压力脉动现象 ,对两种方法得到的结果进行对比分析 。 关键词 :往复泵 ;压力脉动 ;实验 中图分类号 : TQ051. 21 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 - 4414 (2005) 01 - 0023 - 02
图 5 压力波形图
多测量几个点的压力波形有助于了解管道内的压力脉动 情况 。 3. 3 理论分析与实测结果的对比分析
由图 5可以看出 ,理论分析得出的排出管道内压力的变 化规律和实测结果在活塞运动一个行程之内的曲线走势基本 吻合 。可以认为 ,此理论分析和实测实验都得到了良好的效 果。
4 结论
(1) 从理论上得出了排出管道内的压力脉动规律计算方 法。
图 2 排出压头变化图 由曲线可见 ,由于液流不稳定 ,液缸内的压力变化很大 。 所不同的是 ,排出过程开始 ( x = 2 r)时 ,主要是由于活塞突然 加速 ,液体惯性起阻碍流动的作用 ;此后 ,加速度逐渐降低 ,排 出压力下降 ,当活塞到达终点位置 ( x = r)时 ,加速度为零 ;活 塞继续移动 ,加速度变为负值 ,此时液体惯性起推动液体向前 流动的作用 。当活塞移动到终点 ( x = 0 )时 , 负加速度达最大 值 ,液体的惯性作用为最大 。因排出管长度 L排 一般很长 , 而 h惯 与 L排 成正比 ,与成正比 , 因此 , 当泵主轴转速较高时 , h惯 可以达到相当大的程度 ,因而排出过程刚开始时 , 液缸内的压 头 P排 /ρg很大 ,这使得泵零件承载很大 。此外 , 排出压力波 动 ,使泵与发动机负载不均 ,工作条件恶化 。尤其当排出压力 的变化频率与排出管线自振频率相同或整数倍时 , 将引起共 振 ,严重地破坏管线和机件 。
1
机械研究与应用
第
M ECHAN ICAL RESEARCH & APPL ICATION
18卷 第 2005年
1期 2月
度和脉动幅值等参数 [1 ] ,在管道上钻孔 (为了得到较为丰富 的结果 ,应该多钻几个孔 ,文中只示出一个 ) ,在孔上接压力传 感器 ,对管道内的压力脉动进行测试 。
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+ K阻
+ K惯
+ h阻
+ h惯
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u2 2g
(1)
用图解的方法可以表示出排出过程中液缸内压力变化的 规律性 (图 2) 。图中水平细直线表示 P排 /ρg, 水平线 a表示 排出高度 Z1;线 b表示排出阀的阻力及惯性水头损失 K阻 与 K惯 ,曲线 c表示 ( h阻 + u排2 /2g - u2 /2g)三项的合成曲线 ; 曲线 d表示排出管中液体的惯性水头 h惯 。
取以上的曲线纵坐标的代数和 , 则得 P排 /ρg 的变化曲 线。
图 1 泵排出管线示意图
式中 : P排 为排出过程中液缸内压力 ; Pk 为排出管出口端液体
压力 ; Z1 为排出口距液缸中心高度 ; uk 为排出管端液体的流
速 , uk = A / f排 ·u; K阻 为经排出阀的阻力损失 , K阻 ≈ G + R /
实验中使用 INV306型智能信号采集处理分析系统 ,它可 以完成大量数据采集 、时域分析及频域分析等 。测试仪器设 备的连接见图 4。
图 4 测试仪器设备连接示意图
3. 2 测试结果 为了更好地对排出口管道内压力脉动的振动信号进行采
样 [2 ] ,可设定下限采样频率为 1000Hz,响应信号采集前先经 过 100Hz低通抗混滤波 。对管道上的测试点进行实测 ,对测 试结果进行时域和频域分析 。时域分析可以得到压力脉动信
工作 。
2 理论排出压头脉动规律
往复泵的排出过程是活塞挤压液缸内液体 ,使压力升高 ,
以克服液体在排出管中的流动阻力和惯性力 ,以及排出阀的
阻力与惯性力 ,增加液体高度 ,并使液体具有一定的流动速
度。
根据泵的排出管线如图 1,可以列出其能量平衡方程式 :
P排 ρg
=
Pk ρg
+ Z1
+ u2k 2g
(2) 给出了实测实验装置并得到了良好的实测结果 。 (3) 对理论分析和实测结果进行了对比分析 。
参考文献 :
[ 1 ] 刘利国. 轴向柱塞泵压力脉动测试 [ J ]. 山东煤炭科技 , 2001 ( 2) : 34 - 351
[ 2 ] 薛玮飞 ,杨晓翔 ,郭金全. 往复式压缩机管道内压力脉动的测试 与分析 [ J ]. 化工机械 , 2003 (1) : 5 - 81