关于高压泵的设计分析

引言

现代生活中,人们越来越提倡环保、高效、节能。而高压泵能够高效环保地帮助人们清洗物体表面的污垢,并且还节省水源,所以越来越受人们的青睐。高压泵行业因此得到了高速发展,很多企业开始涌入,但是大部分都发展得不好,因高压泵性能不达标,或质量不稳定,或价格偏高等等,很难与市场同类产品竞争。针对这一现状,笔者总结出一些工作心得体会,以BS 3200高压泵为例,分析设计一个高压泵应该注意哪些要点,供大家参考。

1高压泵的基本结构

高压泵是一种柱塞增压水泵,是高压清洗机的核心部件。通过它高压清洗机才能够产生高压水流,达到高压清洗物体表面的作用。要设计一个合格的高压泵,就必须先了解它的基本结构。高压泵一般有两种类型:(1)斜盘柱塞高压泵,压力一般不高于3200psi,寿命短,不超过100h,多用于家用高压清洗机:(2)曲轴柱塞高压泵,压力高,寿命长,多用于工业高压清洗机。这两种高压泵主要的区别就是驱动形式不同,一种是通过斜盘驱动,产生行程,压缩空腔产生高压水流:一种是通过曲轴(3个偏心凸轮360o平均分布)驱动,产生行程,压缩水流增压。其余结构大致相同。现以BS 3200斜盘柱塞高压泵为例,分享一个组配图,如图1所示,以便展示高压泵的基本结构。

其主要零部件有泵头、泵体、进水单向阀、出水单向阀、总阀、溢流阀、水封、柱塞油封(有的还有副油封)、柱塞、斜盘、文氏管、大油封、温控阀等。

2高压泵的工作原理

作为一名高压泵设计工程师,除了知道产品的结构外,还要熟悉产品的工作原理,这有助于更好地知道产品的设计重点。以BS 3200高压泵为例,工作原理如下:

(1)开枪状态(出口打开),水先通过进水口进入,然后经过三个进水单向阀分别进水柱塞增压腔,接着发动机启动,带动斜盘高速旋转,驱动柱塞往复运动压缩增压,产生高压水流,高压水流再通过三个出水单向阀流向总阀,最后经过文氏管从出水口射出。如果此时是低压,文氏管开始工作,会产生负压,高压泵就会从吸液壶吸入清洁液,清洗效果更好。一般清洗前都会先做这一步。

(2)关枪状态(出口关闭),高压水枪关闭,水不能流出,但高压泵仍在一直压缩增压,水压会不断升高,当水压升到一定压力,溢流阀就会打开,联通进水口,让高压水瞬间降压,起到过载保护的作用。为便于理解,附上泵的工作原理和工作流程图,如图2和图3所示。

3关键零部件的设计

产品设计关系到众多要素,但性能是产品最根本的一个要素。一个产品如果性能都不能达到要求,谈其他就没有意义了。而一个产品又是由许多零部件组成的,它的性能的关键又在于关键零部件,所以在设计高压泵时就要抓住这些关键零部件的设计。关键零部件的设计没问题,那这个产品的设计也就基本成功了。

泵头是高压泵最关键的零件,也是决定高压泵性能的关键因素。高压泵是标3000psi还是3200psi,完全取决于泵头能够承受多大的压力。承受的压力越大,高压泵就能标得越大,市场价值就越大。目前市场主要有两种泵头:铝泵头和铜泵头。铝泵头,承压不高,但比重轻,价格很便宜:铜泵头,强度优良,能承受很高的压力,但比重很高,价格比较贵。以前,通常压力超过3000psi,泵头只能用H58铜泵头,并且铸造性又不好,大部分靠机加工,所以铜泵的价格都很高。随着国内基础工业不断发展提升,铝压制品的性能得到了进一步提升。如果铝泵头代替铜泵头也能达到3200psi压力,那高压泵的价格将会降低很多。BS 3200高压泵就是一个很好的例子。我们经过很多次测试、失败、改进,然后再失败、再改进,最终选用了A380铝代替原来的H58铜头达到3200psi的压力,整个泵的重量明显减轻,成本大大下降。为使A380泵头能够承受更高的压力,我们做了三大改善:(1)调整铝化学成分比例,优化铝的抗压强度:(2)改善铝压铸工艺,优化保压时间,增加时效处理和浸渗处理,提升铝的强度:(3)改善泵头结构,尽量减少压铸的缺陷。铝泵头代替铜泵头,制造工艺性加强,重量又减轻,价格明显降低,极大地提升了产品的市场竞争力。

溢流阀是一个安全装备,具有过载保护功能,是考核高压泵的一个主要指标。当高压水枪关闭或损坏时,泵内压力因排不出去会迅速上升。当压力上升到一定压力时,溢流阀就会打开,让出水口与进水口接通,使压力瞬间为零,起到过载保护的作用。

斜盘(曲轴)是高压泵另一个关键零件。它是高压泵连接汽油机或电机的重要接口,是水压产生的重要来源。高压泵通过斜盘的斜度(角度)产生高度差,带动柱塞往复运动,产生高压水流,达到清洗物体表面的作用。

除了上面三个零件,高压泵还有一些关键部件,如温控阀、文氏管等等,它们都是决定产品设计成功与否的关键所在。所以我们在设计时,要抓住关键零件,重要零件重点设计,确保关键零件质量,从而保证整个产品的品质。

4机械加工方式

机械加工方式不同也会使零件加工精度存在很大的差异性,对整个加工产品的质量造成直接性的影响。高压泵是一种以水为介质,具有高速运动、高密封和高压力等特性的产品,对零件加工质量有严格的要求。

在高压泵里,有许多零件为了满足特定要求,结构会设计得比较复杂。简单的钻孔或铣孔达不到设计的要求,需要设计专门的刀具和工装夹具才能加工。例如在BS 3200高压泵泵头里,有一个溢流阀结构,有很多阶梯孔需要加工。因为有高压水通过并且要密封,所以尺寸和加工面精度都有很高的要求。内孔尺寸要控制在0.05mm以内,表面粗糙度至少要达到Ra1.6,同时还要保证良好的同心度,如果使用平常的加工方法,很容易产生加工误差,尺寸得不到保证。尺寸小了,密封圈装不进去或压坏:尺寸大了,密封圈封不住水。还有每个孔之间,还需要有一个15°加R角过渡。如果加工不到位,装配过程中密封圈也会容易损坏。显然通常的加工方法行不通,并且多次装夹,尺寸误差会很大。这就需要设计一把专门的成型刀具,能够一次性加工所有尺寸,即能保证尺寸又能保证加工精度。最主要的是一次性加工,不需要多次换刀和装夹,能够保证良好的同心度。设计正确的加工方式,保质、保效、降本,能够大大提高产品的竞争力。

5密封件的设计

密封件是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏以及防止外界杂质如灰尘与水分等侵入机器设备内部的零部件的材料或零件。高压泵是一个既要承受高压还要有良好密封性的产品。使用工况比较复杂多样化,这就产生了密封形式的多样性。按照运动状态:有静态密封和动态密封,按照水压区域,有高压密封和低压密封:按照介质不同,既要防水又要防润滑油:甚至有的高压泵还有高温密封。使用工况如此复杂,如何设计合适的密封件就显得尤为重要。以BS 3200高压泵为例,整个泵用到了三种密封件,O形圈、Y形水封、骨架油封。首先是大油封,根据使用工况:有润滑油并且显露在外,高速旋转但不在高压区,我们选用了TC型骨架油封,能够防油防灰尖。接着柱塞密封,它是往复运动但不旋转,并且在内部无灰尘要求,所以用往复型骨架油封就行。水封是一个很重要的密封件,它既要高速运动还要承受高压,并且承受的高压是不持续性的,一会高压一会低压。针对这种情况,我们使用了Y形水封,并考虑到高速往复运动,还增加了一个水封背垫,水封和背垫的组合能帮助水封更好地承受高压。O形圈是高压泵使用最广泛的密封件,一般材质使用NBR就行,但要区分高低压区域。低压区可用邵氏硬度75的O形圈,高压区因为要承受高压,必须用高硬度的O形圈(邵氏硬度90)。除此之外,不同品牌的密封件在质量上也存在很大的差异,在设计和选用时需要留心注意。密封件是如此重要,所以设计时我们需重点考虑。

6装配工艺的设计

产品都是由若干个零件和部件组成的,高压泵也是如此。装配工艺的设计对产品的质量、生产率、生产成本有着直接的影响。产品设计得再好,如果装配质量不到位,产品的质量也不会好到哪里去。装配工艺的设计是提升产品质量的关键,设计一个正确、合理的装配工艺,将直接影响产品的质量、生产率、生产成本。以BS 3200高压泵为例,我们都知道泵里有很多O形圈,准确和快速的安装,将会提升装配效率和保证产品的质量。针对O形圈安装,我们设计了一个专门的工装套筒,先将O形圈装到套筒上,然后将套筒套到零件上,对准零件上的凹槽将O形圈轻松推入,既保质又保量。传统的装配工艺,都是通过人和专门的工装或设备完成。虽然在一定程度上能提升装配效率,但还是受人为的因素影响。随着工业化的发展,我们也设计了一些自动化的装配设备。如自动装配进出水单向阀,所有的零件都是通过机械手和电脑程序装配完成的,进料、组装、测试全部都是自动完成的。排除了人为因素,既提高效率又保证质量。当然,自动化设备投入非常大,如果没有足够的产量支持,需要谨慎投入,否则可能得不偿失。

7结语

产品设计是项综合性工作,不能为了设计而设计,必须知道设计的重点。这是笔者工作多年总结出来的一些心得体会,希望能给大家带来帮助,让大家明白在设计高压泵时需要注意哪些设计重点,如何达到设计合理化、最优化,使设计出来的产品具有竞争力,能在市场上占有一席之地。