關(guān)于高壓泵的設(shè)計(jì)分析

引言

現(xiàn)代生活中,人們?cè)絹碓教岢h(huán)保、高效、節(jié)能。而高壓泵能夠高效環(huán)保地幫助人們清洗物體表面的污垢,并且還節(jié)省水源,所以越來越受人們的青睞。高壓泵行業(yè)因此得到了高速發(fā)展,很多企業(yè)開始涌入,但是大部分都發(fā)展得不好,因高壓泵性能不達(dá)標(biāo),或質(zhì)量不穩(wěn)定,或價(jià)格偏高等等,很難與市場(chǎng)同類產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。針對(duì)這一現(xiàn)狀,筆者總結(jié)出一些工作心得體會(huì),以BS 3200高壓泵為例,分析設(shè)計(jì)一個(gè)高壓泵應(yīng)該注意哪些要點(diǎn),供大家參考。

1高壓泵的基本結(jié)構(gòu)

高壓泵是一種柱塞增壓水泵,是高壓清洗機(jī)的核心部件。通過它高壓清洗機(jī)才能夠產(chǎn)生高壓水流,達(dá)到高壓清洗物體表面的作用。要設(shè)計(jì)一個(gè)合格的高壓泵,就必須先了解它的基本結(jié)構(gòu)。高壓泵一般有兩種類型:(1)斜盤柱塞高壓泵,壓力一般不高于3200psi,壽命短,不超過100h,多用于家用高壓清洗機(jī):(2)曲軸柱塞高壓泵,壓力高,壽命長(zhǎng),多用于工業(yè)高壓清洗機(jī)。這兩種高壓泵主要的區(qū)別就是驅(qū)動(dòng)形式不同,一種是通過斜盤驅(qū)動(dòng),產(chǎn)生行程,壓縮空腔產(chǎn)生高壓水流:一種是通過曲軸(3個(gè)偏心凸輪360o平均分布)驅(qū)動(dòng),產(chǎn)生行程,壓縮水流增壓。其余結(jié)構(gòu)大致相同?，F(xiàn)以BS 3200斜盤柱塞高壓泵為例,分享一個(gè)組配圖,如圖1所示,以便展示高壓泵的基本結(jié)構(gòu)。

其主要零部件有泵頭、泵體、進(jìn)水單向閥、出水單向閥、總閥、溢流閥、水封、柱塞油封(有的還有副油封)、柱塞、斜盤、文氏管、大油封、溫控閥等。

2高壓泵的工作原理

作為一名高壓泵設(shè)計(jì)工程師,除了知道產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外,還要熟悉產(chǎn)品的工作原理,這有助于更好地知道產(chǎn)品的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。以BS 3200高壓泵為例,工作原理如下:

(1)開槍狀態(tài)(出口打開),水先通過進(jìn)水口進(jìn)入,然后經(jīng)過三個(gè)進(jìn)水單向閥分別進(jìn)水柱塞增壓腔,接著發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng),帶動(dòng)斜盤高速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)壓縮增壓,產(chǎn)生高壓水流,高壓水流再通過三個(gè)出水單向閥流向總閥,最后經(jīng)過文氏管從出水口射出。如果此時(shí)是低壓,文氏管開始工作,會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓,高壓泵就會(huì)從吸液壺吸入清潔液,清洗效果更好。一般清洗前都會(huì)先做這一步。

(2)關(guān)槍狀態(tài)(出口關(guān)閉),高壓水槍關(guān)閉,水不能流出,但高壓泵仍在一直壓縮增壓,水壓會(huì)不斷升高,當(dāng)水壓升到一定壓力,溢流閥就會(huì)打開,聯(lián)通進(jìn)水口,讓高壓水瞬間降壓,起到過載保護(hù)的作用。為便于理解,附上泵的工作原理和工作流程圖,如圖2和圖3所示。

3關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)系到眾多要素,但性能是產(chǎn)品最根本的一個(gè)要素。一個(gè)產(chǎn)品如果性能都不能達(dá)到要求,談其他就沒有意義了。而一個(gè)產(chǎn)品又是由許多零部件組成的,它的性能的關(guān)鍵又在于關(guān)鍵零部件,所以在設(shè)計(jì)高壓泵時(shí)就要抓住這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)沒問題,那這個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也就基本成功了。

泵頭是高壓泵最關(guān)鍵的零件,也是決定高壓泵性能的關(guān)鍵因素。高壓泵是標(biāo)3000psi還是3200psi,完全取決于泵頭能夠承受多大的壓力。承受的壓力越大,高壓泵就能標(biāo)得越大,市場(chǎng)價(jià)值就越大。目前市場(chǎng)主要有兩種泵頭:鋁泵頭和銅泵頭。鋁泵頭,承壓不高,但比重輕,價(jià)格很便宜:銅泵頭,強(qiáng)度優(yōu)良,能承受很高的壓力,但比重很高,價(jià)格比較貴。以前,通常壓力超過3000psi,泵頭只能用H58銅泵頭,并且鑄造性又不好,大部分靠機(jī)加工,所以銅泵的價(jià)格都很高。隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)工業(yè)不斷發(fā)展提升,鋁壓制品的性能得到了進(jìn)一步提升。如果鋁泵頭代替銅泵頭也能達(dá)到3200psi壓力,那高壓泵的價(jià)格將會(huì)降低很多。BS 3200高壓泵就是一個(gè)很好的例子。我們經(jīng)過很多次測(cè)試、失敗、改進(jìn),然后再失敗、再改進(jìn),最終選用了A380鋁代替原來的H58銅頭達(dá)到3200psi的壓力,整個(gè)泵的重量明顯減輕,成本大大下降。為使A380泵頭能夠承受更高的壓力,我們做了三大改善:(1)調(diào)整鋁化學(xué)成分比例,優(yōu)化鋁的抗壓強(qiáng)度:(2)改善鋁壓鑄工藝,優(yōu)化保壓時(shí)間,增加時(shí)效處理和浸滲處理,提升鋁的強(qiáng)度:(3)改善泵頭結(jié)構(gòu),盡量減少壓鑄的缺陷。鋁泵頭代替銅泵頭,制造工藝性加強(qiáng),重量又減輕,價(jià)格明顯降低,極大地提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

溢流閥是一個(gè)安全裝備,具有過載保護(hù)功能,是考核高壓泵的一個(gè)主要指標(biāo)。當(dāng)高壓水槍關(guān)閉或損壞時(shí),泵內(nèi)壓力因排不出去會(huì)迅速上升。當(dāng)壓力上升到一定壓力時(shí),溢流閥就會(huì)打開,讓出水口與進(jìn)水口接通,使壓力瞬間為零,起到過載保護(hù)的作用。

斜盤(曲軸)是高壓泵另一個(gè)關(guān)鍵零件。它是高壓泵連接汽油機(jī)或電機(jī)的重要接口,是水壓產(chǎn)生的重要來源。高壓泵通過斜盤的斜度(角度)產(chǎn)生高度差,帶動(dòng)柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生高壓水流,達(dá)到清洗物體表面的作用。

除了上面三個(gè)零件,高壓泵還有一些關(guān)鍵部件,如溫控閥、文氏管等等,它們都是決定產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵所在。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí),要抓住關(guān)鍵零件,重要零件重點(diǎn)設(shè)計(jì),確保關(guān)鍵零件質(zhì)量,從而保證整個(gè)產(chǎn)品的品質(zhì)。

4機(jī)械加工方式

機(jī)械加工方式不同也會(huì)使零件加工精度存在很大的差異性,對(duì)整個(gè)加工產(chǎn)品的質(zhì)量造成直接性的影響。高壓泵是一種以水為介質(zhì),具有高速運(yùn)動(dòng)、高密封和高壓力等特性的產(chǎn)品,對(duì)零件加工質(zhì)量有嚴(yán)格的要求。

在高壓泵里,有許多零件為了滿足特定要求,結(jié)構(gòu)會(huì)設(shè)計(jì)得比較復(fù)雜。簡(jiǎn)單的鉆孔或銑孔達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求,需要設(shè)計(jì)專門的刀具和工裝夾具才能加工。例如在BS 3200高壓泵泵頭里,有一個(gè)溢流閥結(jié)構(gòu),有很多階梯孔需要加工。因?yàn)橛懈邏核ㄟ^并且要密封,所以尺寸和加工面精度都有很高的要求。內(nèi)孔尺寸要控制在0.05mm以內(nèi),表面粗糙度至少要達(dá)到Ra1.6,同時(shí)還要保證良好的同心度,如果使用平常的加工方法,很容易產(chǎn)生加工誤差,尺寸得不到保證。尺寸小了,密封圈裝不進(jìn)去或壓壞:尺寸大了,密封圈封不住水。還有每個(gè)孔之間,還需要有一個(gè)15°加R角過渡。如果加工不到位,裝配過程中密封圈也會(huì)容易損壞。顯然通常的加工方法行不通,并且多次裝夾,尺寸誤差會(huì)很大。這就需要設(shè)計(jì)一把專門的成型刀具,能夠一次性加工所有尺寸,即能保證尺寸又能保證加工精度。最主要的是一次性加工,不需要多次換刀和裝夾,能夠保證良好的同心度。設(shè)計(jì)正確的加工方式,保質(zhì)、保效、降本,能夠大大提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

5密封件的設(shè)計(jì)

密封件是防止流體或固體微粒從相鄰結(jié)合面間泄漏以及防止外界雜質(zhì)如灰塵與水分等侵入機(jī)器設(shè)備內(nèi)部的零部件的材料或零件。高壓泵是一個(gè)既要承受高壓還要有良好密封性的產(chǎn)品。使用工況比較復(fù)雜多樣化,這就產(chǎn)生了密封形式的多樣性。按照運(yùn)動(dòng)狀態(tài):有靜態(tài)密封和動(dòng)態(tài)密封,按照水壓區(qū)域,有高壓密封和低壓密封:按照介質(zhì)不同,既要防水又要防潤(rùn)滑油:甚至有的高壓泵還有高溫密封。使用工況如此復(fù)雜,如何設(shè)計(jì)合適的密封件就顯得尤為重要。以BS 3200高壓泵為例,整個(gè)泵用到了三種密封件,O形圈、Y形水封、骨架油封。首先是大油封,根據(jù)使用工況:有潤(rùn)滑油并且顯露在外,高速旋轉(zhuǎn)但不在高壓區(qū),我們選用了TC型骨架油封,能夠防油防灰尖。接著柱塞密封,它是往復(fù)運(yùn)動(dòng)但不旋轉(zhuǎn),并且在內(nèi)部無灰塵要求,所以用往復(fù)型骨架油封就行。水封是一個(gè)很重要的密封件,它既要高速運(yùn)動(dòng)還要承受高壓,并且承受的高壓是不持續(xù)性的,一會(huì)高壓一會(huì)低壓。針對(duì)這種情況,我們使用了Y形水封,并考慮到高速往復(fù)運(yùn)動(dòng),還增加了一個(gè)水封背墊,水封和背墊的組合能幫助水封更好地承受高壓。O形圈是高壓泵使用最廣泛的密封件,一般材質(zhì)使用NBR就行,但要區(qū)分高低壓區(qū)域。低壓區(qū)可用邵氏硬度75的O形圈,高壓區(qū)因?yàn)橐惺芨邏?必須用高硬度的O形圈(邵氏硬度90)。除此之外,不同品牌的密封件在質(zhì)量上也存在很大的差異,在設(shè)計(jì)和選用時(shí)需要留心注意。密封件是如此重要,所以設(shè)計(jì)時(shí)我們需重點(diǎn)考慮。

6裝配工藝的設(shè)計(jì)

產(chǎn)品都是由若干個(gè)零件和部件組成的,高壓泵也是如此。裝配工藝的設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率、生產(chǎn)成本有著直接的影響。產(chǎn)品設(shè)計(jì)得再好,如果裝配質(zhì)量不到位,產(chǎn)品的質(zhì)量也不會(huì)好到哪里去。裝配工藝的設(shè)計(jì)是提升產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,設(shè)計(jì)一個(gè)正確、合理的裝配工藝,將直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率、生產(chǎn)成本。以BS 3200高壓泵為例,我們都知道泵里有很多O形圈,準(zhǔn)確和快速的安裝,將會(huì)提升裝配效率和保證產(chǎn)品的質(zhì)量。針對(duì)O形圈安裝,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)專門的工裝套筒,先將O形圈裝到套筒上,然后將套筒套到零件上,對(duì)準(zhǔn)零件上的凹槽將O形圈輕松推入,既保質(zhì)又保量。傳統(tǒng)的裝配工藝,都是通過人和專門的工裝或設(shè)備完成。雖然在一定程度上能提升裝配效率,但還是受人為的因素影響。隨著工業(yè)化的發(fā)展,我們也設(shè)計(jì)了一些自動(dòng)化的裝配設(shè)備。如自動(dòng)裝配進(jìn)出水單向閥,所有的零件都是通過機(jī)械手和電腦程序裝配完成的,進(jìn)料、組裝、測(cè)試全部都是自動(dòng)完成的。排除了人為因素,既提高效率又保證質(zhì)量。當(dāng)然,自動(dòng)化設(shè)備投入非常大,如果沒有足夠的產(chǎn)量支持,需要謹(jǐn)慎投入,否則可能得不償失。

7結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是項(xiàng)綜合性工作,不能為了設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì),必須知道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。這是筆者工作多年總結(jié)出來的一些心得體會(huì),希望能給大家?guī)韼椭?讓大家明白在設(shè)計(jì)高壓泵時(shí)需要注意哪些設(shè)計(jì)重點(diǎn),如何達(dá)到設(shè)計(jì)合理化、最優(yōu)化,使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力,能在市場(chǎng)上占有一席之地。