基于导轨滑块的隔膜泵改进技术

王 君

（山东华宇工学院 机械工程学院，山东 德州 253034）

我国是一个能源大国，无论是能源的产量规模还是消费需求规模都十分巨大。空气源热泵在目前的新能源市场应用非常广泛。隔膜泵是空气源热泵机组中不可缺少的定量输送热媒介质的动力部分，其能耗和效率会对空气源热泵机构整机的效率起到非常重要的影响作用。隔膜泵是液压柱塞泵的一种应用形式，能耗也是衡量隔膜泵的一个最重要的性能指标。而目前我国甚至国际上对隔膜泵的效率以及能耗方面的研究比较薄弱，大部分是针对泵内部的摩擦来进行分析的，而对于泵内部结构的改革尚没有先例。市面上的隔膜泵结构一般为偏心轮弹簧结构和曲轴连杆结构，这两种结构在一些大型设备上应用广泛，但是存在能耗高以及占地空间大的弊端。

1 现用隔膜泵存在的弊端

针对空气源热泵的使用，现有隔膜泵亟需解决的问题，一是降低功率损耗，二是增大泵送流量。隔膜泵安装在空气源热泵内部，负责系统内部制冷剂的循环，其外形尺寸受机组的空间限制，所以在解决上述问题的同时，其外形尺寸不可有大范围的变动。根据目前市场泵的功率统计，家用空气源热泵的功率消耗为5 kW～6 kW，相对传统供暖设备而言在功率消耗上的优势并不明显。同时泵的功率损失大也会加快泵性能的衰退，降低隔膜泵的使用寿命，与此同时也不利于节能和环保。

1.1 偏心轮弹簧结构

偏心轮弹簧结构为隔膜泵较为传统的传动结构，其工作原理是电机通过蜗轮蜗杆的啮合传动进行减速，把旋转运动传递给偏心轴，偏心轴带动圆柱滚子轴承做圆周运动。为了保证运行的平稳性，圆柱滚子轴承与泵的柱塞接触的部位加工为平面。柱塞通过弹簧与圆柱滚子轴承的平面侧紧密接触，圆柱滚子轴承在随着偏心轴运动时推动柱塞向前运动压缩液压油进行制冷剂的输出过程。在柱塞的外侧设有对应参数的弹簧，当偏心轮旋转至下半圈时，柱塞的回程动力是由弹簧力提供，液压油腔容积变大进行制冷剂的吸收过程。其内部结构如图1所示。

通过分析偏心轮弹簧结构柱塞泵的工作过程不难看出，这种结构相对简单，所占的体积较小，设计和生产加工比较方便。但在柱塞的推程阶段，也即在液压油被压缩的过程中需要克服弹簧力，这会产生一定的功率损耗。同时由于柱塞与圆柱滚子轴承的平面侧的面接触会产生摩擦热，不利于控制泵的油腔温度。同时长期运行过程中，由于在柱塞往复运动的开始和结束瞬间存在一定运行冲击，会出现圆柱滚子削平面侧与柱塞脱开的现象，使柱塞无法运行完全的行程，并撞击泵的内侧壁，出现运行事故，损耗隔膜泵的寿命。

1.2 曲轴连杆机构

曲柄连杆结构是目前隔膜式隔膜泵应用最多的结构。与偏心轴弹簧结构相比，曲轴连杆结构不使用圆柱滚子轴承和弹簧，而是通过连杆来保持柱塞和偏心轴的连续运行。如图2所示，连杆结构传递动力强，工作过程稳定连续不卡顿，并且在柱塞的整个往复行程中，无需克服弹簧力，没有弹簧带来的功率损耗。方便维护，能更换柱塞、所有轴承、蜗杆、蜗轮、柱塞密封圈。

但是曲轴连杆机构的隔膜泵由于增加了连杆构件，连杆与偏心轴的运动副内部需要加轴承，连杆与柱塞的连接要增加十字头构件，再加上连杆本身长度，这就会导致曲轴连杆结构的隔膜泵的体积大大增加，所以在空气源热泵中，这种机构隔膜泵应用十分受限。另外在偏心轴的旋转运行过程中，连杆会产生竖向的分力，导致柱塞在运行时发生翘头的现象，会导致缸套内部被破坏，同时也会加速柱塞密封圈的提前老化。

2 导轨滑块结构

通过分析偏心轮弹簧结构隔膜泵和曲轴连杆结构隔膜泵，发现要保证柱塞能够顺畅不卡顿地在泵体中做往复运动，需要柱塞能够始终紧密贴合在圆柱滚子轴承的平面侧上，上述两种结构的隔膜泵中的弹簧以及连杆就是为了实现这一功能所设置的。针对空气源热泵机组的应用需求，既要保证泵的运行平稳性和使用寿命，还要能够降低功率损耗和外形体积，在详细对比和计算之后，考虑把弹簧和连杆十字头等机构改为燕尾型的导轨滑块机构，导轨滑块的特殊结构可以保证偏心轮和柱塞在整个往复运动过程中始终保持紧密接触。

2.1 直线导轨

直线导轨又称线轨、滑轨等，用于高精度或高速的直线往复运动场合，并且其导轨和滑块的连接面为燕尾形状，所以这种机构可以承担一定的扭矩。同时两者的接触副由滚珠构成，把滑动摩擦变为滚动摩擦，可以降低摩擦损耗，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。如图3所示，滑块内部的圆弧沟槽在安装时，由于钢珠存在一定弹性变形及接触点的转移，即使安装过程中存在少量的偏差，也能被线性滑块内部所吸收，所以直线导轨机构具有自动调心能力，从而能够得到高精度并且稳定的平滑往复运动。由于对生产制造精度严格管控，直线导轨尺寸能维持在一定范围之内，并且滑块内部有保持器的设计以防止钢球脱落。

直线导轨的特点如下：

（1）自动调心能力。安装时，即由钢柱的弹性变形及接触点的转移，即使安装面有些偏差，也能被线轨滑块内部吸收，产生自动调心能力的效果，从而得到高精度稳定的平滑运动。

（2）具有互换性。由于生产制造精度严格管控，直线导轨尺寸能维持在一定的水准内，且滑块有保持器的设计以防止钢珠脱落，因此，部分系列精度的线轨和滑块具有可互换性。

（3）所有方向均具有高刚性。运用四列式圆弧沟槽，配合四列钢珠等45°接触角度，让钢珠达到理想的两点接触构造，能承受来自上下和左右方向的负荷，必要时可施加预压以提高刚性。

2.2 结构原理

根据直线导轨的结构和使用特点，把直线导轨应用在隔膜泵的结构中，用其取代弹簧和连杆构件。新结构如图4所示，把圆柱滚子轴承替换为D型轮，D型轮与偏心轴靠轴套的连接实现相对运动。线轨和滑块分别按要求安装在D型轮和柱塞上。

把偏心轮弹簧结构中的圆柱滚子轴承改为D型轮和轴套组合的结构，这样既能实现D型轮和偏心轴的相对运动，也能使导轨有足够的安装空间。D型轮侧面加工有螺栓孔，导轨与D型轮通过螺栓固定在一起，如图5所示，导轨的长度与D型轮高度相等。滑块部分安装在柱塞体上，柱塞体一端加工有螺栓孔，并且需要预留安装螺栓的空间，如图6所示，通过螺栓固定滑块和柱塞。滑块和导轨配合在一起做上下相对运动，带动柱塞做往复运动。此结构可使柱塞与D型轮始终保持紧密接触，并有效防止脱开。

2.3 导轨滑块式隔膜泵的工作原理

更改后的隔膜泵的工作原理：电机通过蜗轮蜗杆的啮合传动进行减速，把旋转运动传递给偏心轴，偏心轴带动D型轮做圆周运动，D型轮与偏心轴之间存在相对转动，其导轨侧通过直线导轨与柱塞连接在一起，由于直线导轨的燕尾槽结构，可以使其导轨侧始终保持竖直运行。直线导轨的滑块和导轨通过滚珠副连接，随着导轨和滑块之间的相对运动，使柱塞随导轨完成一个完整的往复运动。

3 计算分析

以5 000 g/min流量的隔膜泵为例，设柱塞直径=44.45 mm，偏心轴偏心量=12.75 mm，电机转速=1 450 r/min，选取弹簧的工作力值为=468 N，蜗轮蜗杆传动比为=11.5，隔膜泵的极限工作压力为=3.8 MPa，计算基础参数如表1所示。

对上述参数的偏心轮弹簧结构的隔膜泵进行受力分析和计算，计算过程如下：

柱塞受力面积：

柱塞受力：

蜗轮扭矩：

蜗轮圆周力：

蜗杆轴向力：

蜗轮径向力：

蜗杆径向力：

蜗杆圆周力：

蜗轮轴向力：

蜗杆扭矩：

式中，为蜗轮蜗杆传动效率，此处取值为0.8。

所需功率为

经计算偏心轮弹簧结构柱塞泵的耗费功率为1.34 kW。

其中泵要克服弹簧力所损耗的功率

此参数的泵在克服弹簧力所损耗功率为25.08 W。经过计算对比，流量为5 000 g/min的隔膜泵，当其取消弹簧时，可以节省的功耗占比为2%左右。同时由于圆柱滚子轴承与柱塞侧的摩擦力和弹簧力共存，更改结构后的功耗能够大大降低，这对整个空气源热泵机组的性能非常有利。

4 结束语

隔膜泵为液压柱塞泵的一种，而液压泵应用范围广泛，尤其是在工作精度要求高，空间限制比较严格的场合有着非常普遍的应用，另一方面液压式柱塞泵也存在能效较低、耗能较大的缺点，所以传统的隔膜式柱塞泵结构亟需更为有效的改革。在本次研究过程中，通过对柱塞式隔膜泵结构的调整，并对其进行受力分析和计算，取消传统的隔膜泵结构中的弹簧，引入直线导轨这种机构，使泵在功率损耗方面节省了2%的功率，有助于提高空气源热泵机组的能效比，使其应用更为广泛，有更好的实用性。同时在把偏心轴的旋转运动转换为柱塞的直线运动这一过程中，取消连杆十字头，采用直线导轨的特殊结构，大大减小了隔膜泵的外形尺寸，使空气源热泵机组的占地面积大大减少。在能效比和占地面积两方面，使空气源热泵的大规模应用相对于传统供暖设备有了更好的优势。同时在隔膜式柱塞泵中引入直线导轨，其分析结果为未来柱塞泵的结构升级和更进一步的节能分析提供了一定的理论基础。