液压驱动往复泵的设计特点

液压与气动
以达到无级调节流量；
+,,+ 年第 + 期
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 动， 从而驱动往复 泵 的 泵 缸 吸 入 液 体。阀 组 ! 用 于 控制上 位 泵 的 换 向， 阀组 " 用于控制下位泵的 换向。 下位液压缸 #$% 控制阀组 &、 ’ 分别用于控制上、 换向时排出冲程的起动和停止， #$% 控制阀组 ( 用于 控制上、 下位液压缸换向时吸入冲程的启动和停止， 目 的是减小换向冲击， 实现流量的均匀排出。本设计采 用 & 个 #$% 阀组成 ) 个 #$% 阀组， 每个 #$% 阀设计 成不同的流通面积， 但其总流通面积等于换向阀的流 通面积。 采用 *#$% 控制方式， 是考虑了高压下液体可压 缩性的影响， 增加了预压过程。如果无预压过程， 由吸 入过程突然转为排出过程时， 由于液体可压缩性以及 零件受载变形等因素影响， 短时间内没有液体排出将 引起剧烈振动。利用 *#$% 控制方式， 可以将大流量 的开关转化成多级小流量的开关， 使压力和流量的变 化能够实现一个缓冲， 减小了压力脉动和系统振动。 *#$% 控 制 液 压 往 复 泵 的 理 论 输 出 流 量 曲 线 如 图 + 所示。 （.）泵缸在行程内作恒速直线运动， 有利于液体 的吸入， 避免了变速运动的水击现象， 而且可以省去吸 入空气包和灌注离心泵等辅助设备； （&）液压驱动往复泵的 排 出 压 力 脉 动 小。采 用 可以实现液缸起动和停止时的缓冲， *#$% 控制方式， 减小换向冲击和振动； 采用非对称液压缸驱动泵缸， 可 以加快回程速度， 从而保证排出冲程在换向时的操作 时间， 以便实现换向时两缸输出流量的叠加， 使泵的总 输出流量基本无脉动， 从而减小了输出压力的脉动， 省 去了常规往复泵必需加装的排出空气包， 使设备重量 和维修工作量大大减少； （’）液压往复泵采用可编程控制器作为主控设 备， 省去了继电器等器件， 增加了系统的可靠性。可用 编程方法调整控制参数， 控制方便、 省力； （!）在要求大流量场合， 可以将多台双缸单作用 泵组合在一起， 合并与分离比较方便， 输出流量依然保 持很小的脉动。 & 结束语 液压驱动往复泵用液压缸替代了常规往复泵 的曲柄连杆机构， 将活 塞 的 简 谐 运 动 转 变 为 匀 速 运 动， 在理论上解决了 往 复 泵 排 量 脉 动 的 问 题。 设 计 的液 压 往 复 泵 采 用 *#$% 控 制 方 式， 可以实现往复 泵在换向过程中的缓 冲， 有利于延长往复泵零部件 的 工 作 寿 命。 总 之， 液 压 驱 动 往 复 泵 结 构 简 单、 体
系进 行 设 计， 称 为 广 义 ()* 控 制 系 统， 即 ,()* 控 制系统。 综合分析往复泵的特性， 设计了一台双缸单作用 液压往复泵， 能够实现往复泵的平稳换向。该泵由液 力端和动力端两大部分组成。液力端与常规往复泵的 万方数据 相似； 动力端由液压缸为执行器的液压控制系统组成。
&!
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 工业领域早已实现了高压化、 系列化、 标准化、 通用化、 小型化、 集成化等工作， 如今 "! F7% 以上的液压 系 统 随处可见，可是调速器的压力等级一直停留在 "?@ 个别为 J?C F7% 的阶段， 这种现状十分不 F7%、 A F7%， 适合于现代的发展要求， 也不能很好地体现出液压系 统的独特优点， 使得调速器行业的液压技术长期游离 万方数据 于现代液压技术之外， 无法与之接轨， 制约着液压新技 术在调速器中的顺利应用。 在通用液压技术取得很大进展的今天， 只有提高 调速器液压件的标准化程度， 并结合调速系统的自身 特点和特殊要求， 对由标准件组成的系统进行扎实细 致的开发研究工作， 才能推动和促进调速器自身的技 术进步， 最终使我国的调速器技术水平跻身于世界先 进行列。 "
贾光政! ， 王宣银"
#$%&’($) *+ &,$ -./(%’012 3$214(*2%&156 7’84
91% :’%56;<,$56! ， =%56 >’%5;.15"
（!? 大庆石油学院机械系， 黑龙江省安达市 !@!ABB； C!BB"D）
浙江省杭州市 "? 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，
图! "#$% 控制液压往复泵输出流量曲线
积小、 重量轻、 性 能 好， 有 较 好 的 应 用 前 景， 不仅能 够满足 其 在 石 油 钻 井、 油田注剂等方面的工作要 求， 还可以推广到石油 化 工 和 制 药 行 业 的 介 质 输 送 与计量领域。
#&&# 年第 # 期
液压与气动
"$
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 用效果有时也不理想， 特别是在高温和特殊介质条件 下， 因受化学适应性限制， 还无法采用这一方法。为了 减小往复泵的流量和压力脉动， 已经有很多人作了大 量的工作， 除了前面所提到的加装空气包外， 人们还研 制了凸轮机构的低波动往复泵
［!］
设计的液压往复泵采用在恶劣环境下工作可靠性高的 可编程控制器作为控制设备， 并结合先进的 ,()* 控 制技术， 来实现泵输出流量的低波动， 从而减少压力脉 动和系统振动。往复泵的液压系统工作原理如图 % 所示。 该液压系统的动力源有 ! 台泵， # 台大排量变量 泵作为主泵驱动液压缸进行往复运动， % 台小排量定 量泵作为控制泵。采用变量泵是为了方便地控制和调 节往复泵的输出流量。其中一台变量泵是高压泵 %， 用于驱动活塞向左运动， 实现排出冲程； 另一台变量泵 是低压泵 !， 用于驱动活塞向右运动， 实现吸入冲程； 控制泵 ! 提供压力油， 来控制换向阀组按要求进行工 作。高、 低压工况分别设计成独立液压回路， 不但可以 改善泵的运行状况， 还可以实现系统节能。
［+］ 系统 ； 流通面积之 间 还 可 以 按 任 意 的 比 例 序 列 关
%- 高压变量泵 #- 控制油源 !- 低压变量泵 "、 $、 .- ()* 控制阀组 +、 /- 换向控制阀组 图" 液压往复泵工作原理图
图 % 所示 的 液 压 驱 动 往 复 泵 的 工 作 原 理 为： 起 动液压泵站， 高压油源的变量泵 % 向系统供给高压 油， 进入液压缸的换向控制阀组 + 、 液压站低压油 /； 源的变量泵 ! 向系统供给中低压油， 也进入液压缸 的换向控制阀组 + 、 控制油源 # 供给压力油来控 /； 制换向控 制 阀 组 + 、 / 的 锥 阀 实 现 开 关 动 作。 换 向 控制阀组 + 、 / 分别由 " 个大流量逻辑插装阀作为主 阀和一 个 二 位 四 通 电 磁 阀 作 为 先 导 阀 组 成。 阀 上 高 各有 # 个进油口分别与高压和低压油源相对应， 压油用于推动液压缸 向 左 运 动， 从而驱动往复泵的 泵缸排出高压液体； 低压油用于推动液压缸向右运
［"］ 工作。文献 中设计了一种液压往复泵的自动换
向系统。由于是用 一 个 阀 控 制 # 个 泵 缸， 理论上只 有一个临界工作点可 实 现 等 流 量 曲 线， 所以通常工 况下的输出流量在换向 时 仍 有 脉 动。文 献 ［ $］ 采用 旋转换向阀 按 相 位 差 %#&’ 的 开 关 顺 序 控 制 % 台 三 缸单作用液压往复 泵。 在 大 流 量 情 况 下， 该阀很难 较好地 解 决 换 向 时 的 流 量 波 动 问 题。 因 此 液 压 往 复泵的换向控制仍然是一个技术难题。 一 般 情 况 下， 液 压 系 统 要 获 得 好 的 控 制 性 能， 需要采用电液伺服阀 或 电 液 比 例 阀 作 为 控 制 元 件。 但这类元件 价 格 较 贵， 而 且 抗 污 染 能 力 低， 不适用 于工作 条 件 较 为 恶 劣 的 油 田 现 场。 由 普 通 开 关 阀 组成的脉码调制控制 （ ()*） 阀组也可以实现比例或 伺服控制， 而且开关阀制 造 成 本 低， 抗 污 染 能 力 强， 可靠性高。 ()* 阀 组 中 各 单 个 ()* 阀 的 流 通 面 积 之间可以按等比序列关系进行设计， 称为 ()* 控制
［"］ 动 ， 不仅增加了设备的重量和附加费用， 而且现场使
收稿日期： "BB!;BI;BJ 作者简介： 贾光政 （!KJ@—） ， 男， 山东省梁山县人， 副教授， 在读 博士生， 主要从事石油机械和流体传动控制方面的科研工作。
泵ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ一瞬时的总输出流量都是单缸瞬时流量的迭加， 结果仍是瞬时变化的。由于往复泵排出流量是脉动
［!］ 的关系式均相应地按简谐运动规律变化 。一台往复
文献标识码： H
文章编号： （"BB"） !BBB;AI@I B";BBAA;BC 的， 因而造成往复泵排出系统的压力脉动。加速度近 似按余弦曲线的规律瞬时变化， 因此造成往复泵吸入 系统与排出系统惯性损失的瞬变， 从而引起往复泵系 统的振动。泵速越高， 加速度越高， 惯性损失引起的系 统振动也越大。经计算， 流量脉动相对较小的常规三 缸单作用往复泵的流量不均度在 B?!A! 左右， 这必然 引起排出液体压力的脉动和系统的振动。 流量与压力的脉动及系统振动， 恶化了泵、 阀、 活 塞等运动密封件的工作条件， 这不仅降低泵的效率和 缩短寿命， 而且直接影响泵的工艺性能。现有的解决 方法是增加吸入和排出空气包来降低流量和压力脉
摘
要： 分析了常规往复泵产生流量脉动的根本原因， 介绍了新设计的液压往复泵的工作原理、 控
制方式和特点。 关键词： 液压驱动； 往复泵； :7EF 控制 中图分类号： G-!CD?@! ! 前言 往复泵具有输出压力高、 效率高、 吸入性能好、 输 送介质适用性广泛等优点， 在石油钻井、 油田注化学剂 等方面发挥着不可替代的作用。随着技术的发展和应 用领域的不断扩大， 对往复泵的要求也在提高。除了 要求往复泵输出高压力、 大流量外， 还要求具有瞬时流 量和压力脉动小、 流量调节方便等性能。因此需要认 真分析常规往复泵的工作特性， 并在此基础上开发出 高性能的往复泵。 " 常规往复泵工作特性 常规往复泵的单缸运动特性由动力端的曲柄连杆 机构的运动规律来决定。活塞的位移、 瞬时速度、 瞬时 加速度和瞬时流量与曲柄连杆的几何尺寸和运动转角
。低波动往复泵的流
量波动虽然有了较大改善， 但由于其活塞在一个行程 内仍然是变速运动， 所以流量脉动还是不可避免。 液压驱动方式取代常规往复泵的曲轴连杆驱动方 式， 从根本上改变了往复泵活塞的运动规律， 使往复泵 的输出流量在理论上是一个恒定值， 使瞬时流量的脉 动在理论上等于零。 ! 液压驱动往复泵的工作原理与特点 液压驱动往复泵是用液压缸代替了常规往复 泵中的 曲 柄 连 杆 机 构。 由 于 液 压 缸 能 在 恒 流 量 控 制下做恒速的直线运 动， 因此从理论上消除了往复 泵输出流量和压力 的 脉 动 性。 但 在 实 际 运 行 中， 由 于采用的控制方法不 够 先 进， 液压往复泵在换向过 程中还存在冲击， 引起 流 量 和 压 力 的 脉 动 及 泵 体 振 动。对于液压往复泵 的 换 向 控 制， 人们已作了一些
AA
液压与气动
"BB" 年第 " 期
# # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # #
液压驱动往复泵的设计特点