引言
現(xiàn)代生活中,人們越來越提倡環(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,因高壓泵性能不達標,或質(zhì)量不穩(wěn)定,或價格偏高等等,很難與市場同類產(chǎn)品競爭。針對這一現(xiàn)狀,筆者總結(jié)出一些工作心得體會,以BS 3200高壓泵為例,分析設(shè)計一個高壓泵應(yīng)該注意哪些要點,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,是高壓清洗機的核心部件。通過它高壓清洗機才能夠產(chǎn)生高壓水流,達到高壓清洗物體表面的作用。要設(shè)計一個合格的高壓泵,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:(2)曲軸柱塞高壓泵,壓力高,壽命長,多用于工業(yè)高壓清洗機。這兩種高壓泵主要的區(qū)別就是驅(qū)動形式不同,一種是通過斜盤驅(qū)動,產(chǎn)生行程,壓縮空腔產(chǎn)生高壓水流:一種是通過曲軸(3個偏心凸輪360o平均分布)驅(qū)動,產(chǎn)生行程,壓縮水流增壓。其余結(jié)構(gòu)大致相同。現(xiàn)以BS 3200斜盤柱塞高壓泵為例,分享一個組配圖,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)計重點。以BS 3200高壓泵為例,工作原理如下:
(1)開槍狀態(tài)(出口打開),水先通過進水口進入,然后經(jīng)過三個進水單向閥分別進水柱塞增壓腔,接著發(fā)動機啟動,帶動斜盤高速旋轉(zhuǎn),驅(qū)動柱塞往復運動壓縮增壓,產(chǎn)生高壓水流,高壓水流再通過三個出水單向閥流向總閥,最后經(jīng)過文氏管從出水口射出。如果此時是低壓,文氏管開始工作,會產(chǎn)生負壓,高壓泵就會從吸液壺吸入清潔液,清洗效果更好。一般清洗前都會先做這一步。
(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,水壓會不斷升高,當水壓升到一定壓力,溢流閥就會打開,聯(lián)通進水口,讓高壓水瞬間降壓,起到過載保護的作用。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
產(chǎn)品設(shè)計關(guān)系到眾多要素,但性能是產(chǎn)品最根本的一個要素。一個產(chǎn)品如果性能都不能達到要求,談其他就沒有意義了。而一個產(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)計高壓泵時就要抓住這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計。關(guān)鍵零部件的設(shè)計沒問題,那這個產(chǎn)品的設(shè)計也就基本成功了。
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,高壓泵就能標得越大,市場價值就越大。目前市場主要有兩種泵頭:鋁泵頭和銅泵頭。鋁泵頭,承壓不高,但比重輕,價格很便宜:銅泵頭,強度優(yōu)良,能承受很高的壓力,但比重很高,價格比較貴。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,大部分靠機加工,所以銅泵的價格都很高。隨著國內(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一步提升。如果鋁泵頭代替銅泵頭也能達到3200psi壓力,那高壓泵的價格將會降低很多。BS 3200高壓泵就是一個很好的例子。我們經(jīng)過很多次測試、失敗、改進,然后再失敗、再改進,最終選用了A380鋁代替原來的H58銅頭達到3200psi的壓力,整個泵的重量明顯減輕,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)整鋁化學成分比例,優(yōu)化鋁的抗壓強度:(2)改善鋁壓鑄工藝,優(yōu)化保壓時間,增加時效處理和浸滲處理,提升鋁的強度:(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,重量又減輕,價格明顯降低,極大地提升了產(chǎn)品的市場競爭力。
溢流閥是一個安全裝備,具有過載保護功能,是考核高壓泵的一個主要指標。當高壓水槍關(guān)閉或損壞時,泵內(nèi)壓力因排不出去會迅速上升。當壓力上升到一定壓力時,溢流閥就會打開,讓出水口與進水口接通,使壓力瞬間為零,起到過載保護的作用。
斜盤(曲軸)是高壓泵另一個關(guān)鍵零件。它是高壓泵連接汽油機或電機的重要接口,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,帶動柱塞往復運動,產(chǎn)生高壓水流,達到清洗物體表面的作用。
除了上面三個零件,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)計成功與否的關(guān)鍵所在。所以我們在設(shè)計時,要抓住關(guān)鍵零件,重要零件重點設(shè)計,確保關(guān)鍵零件質(zhì)量,從而保證整個產(chǎn)品的品質(zhì)。
4機械加工方式
機械加工方式不同也會使零件加工精度存在很大的差異性,對整個加工產(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),具有高速運動、高密封和高壓力等特性的產(chǎn)品,對零件加工質(zhì)量有嚴格的要求。
在高壓泵里,有許多零件為了滿足特定要求,結(jié)構(gòu)會設(shè)計得比較復雜。簡單的鉆孔或銑孔達不到設(shè)計的要求,需要設(shè)計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,有一個溢流閥結(jié)構(gòu),有很多階梯孔需要加工。因為有高壓水通過并且要密封,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到Ra1.6,同時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,密封圈裝不進去或壓壞:尺寸大了,密封圈封不住水。還有每個孔之間,還需要有一個15°加R角過渡。如果加工不到位,裝配過程中密封圈也會容易損壞。顯然通常的加工方法行不通,并且多次裝夾,尺寸誤差會很大。這就需要設(shè)計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)品的競爭力。
5密封件的設(shè)計
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器設(shè)備內(nèi)部的零部件的材料或零件。高壓泵是一個既要承受高壓還要有良好密封性的產(chǎn)品。使用工況比較復雜多樣化,這就產(chǎn)生了密封形式的多樣性。按照運動狀態(tài):有靜態(tài)密封和動態(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,既要防水又要防潤滑油:甚至有的高壓泵還有高溫密封。使用工況如此復雜,如何設(shè)計合適的密封件就顯得尤為重要。以BS 3200高壓泵為例,整個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,它是往復運動但不旋轉(zhuǎn),并且在內(nèi)部無灰塵要求,所以用往復型骨架油封就行。水封是一個很重要的密封件,它既要高速運動還要承受高壓,并且承受的高壓是不持續(xù)性的,一會高壓一會低壓。針對這種情況,我們使用了Y形水封,并考慮到高速往復運動,還增加了一個水封背墊,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)因為要承受高壓,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)計和選用時需要留心注意。密封件是如此重要,所以設(shè)計時我們需重點考慮。
6裝配工藝的設(shè)計
產(chǎn)品都是由若干個零件和部件組成的,高壓泵也是如此。裝配工藝的設(shè)計對產(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)計得再好,如果裝配質(zhì)量不到位,產(chǎn)品的質(zhì)量也不會好到哪里去。裝配工藝的設(shè)計是提升產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵,設(shè)計一個正確、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,準確和快速的安裝,將會提升裝配效率和保證產(chǎn)品的質(zhì)量。針對O形圈安裝,我們設(shè)計了一個專門的工裝套筒,先將O形圈裝到套筒上,然后將套筒套到零件上,對準零件上的凹槽將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)計了一些自動化的裝配設(shè)備。如自動裝配進出水單向閥,所有的零件都是通過機械手和電腦程序裝配完成的,進料、組裝、測試全部都是自動完成的。排除了人為因素,既提高效率又保證質(zhì)量。當然,自動化設(shè)備投入非常大,如果沒有足夠的產(chǎn)量支持,需要謹慎投入,否則可能得不償失。
7結(jié)語
產(chǎn)品設(shè)計是項綜合性工作,不能為了設(shè)計而設(shè)計,必須知道設(shè)計的重點。這是筆者工作多年總結(jié)出來的一些心得體會,希望能給大家?guī)韼椭?讓大家明白在設(shè)計高壓泵時需要注意哪些設(shè)計重點,如何達到設(shè)計合理化、最優(yōu)化,使設(shè)計出來的產(chǎn)品具有競爭力,能在市場上占有一席之地。
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