刘志斌，王斌，徐国荣，魏晋，恵东志

(三一重工工程车辆研究院，湖南长沙 410100)

往复式活塞泵供水压力波动试验研究

刘志斌，王斌，徐国荣，魏晋，恵东志

(三一重工工程车辆研究院，湖南长沙 410100)

介绍一种可实现连续供水的往复式活塞泵系统与试验测试系统。通过试验与测试，分析出水压力波动的原因，并利用蓄能器对出水压力波动抑制进行了试验研究，取得了较好的效果。

往复式活塞泵;连续供水;压力波动;试验研究

动力端由液压直接驱动的往复式泵［1］作为供水装置应用时，出水具有高压大流量的特点，供水压力可达4～6 MPa，此时流量仍可达到15～30 L/s;另一方面，可通过液压系统快速调节输水压力和流量［2］。目前随着超高层建筑越来越多，往复式泵作为供水装置，用作消防泵或作为超高层建筑供水装置，有较好的应用前景。但是，往复式泵存在一定的流量、压力波动，是它投入实际应用的一个巨大阻碍。

作者在分析往复式活塞泵供水压力波动原因的基础上，针对其供水特性，运用蓄能器对波动进行抑制试验研究，结果表明可大大降低其出水压力波动性，提高了系统的可靠性。试验结果为液压驱动的往复式活塞泵供水研究提供了一定的参考价值，也为往复式活塞泵作为消防供水装置的实际应用提供了试验依据。

1 试验平台

试验平台组成及工作原理如图1所示，由水泵系统、液压控制系统［3］与测试系统组成。水泵系统为往复式双缸双作用活塞泵。水泵系统的运行原理:控制器程序控制三位四通电磁换向阀6、7的电磁铁DT1、DT2、DT3、DT4得失电顺序，控制油缸各腔 A1、B1、A2、B2进油顺序，实现2个双作用活塞泵8、9的交替往复动作。系统运行过程中，一缸活塞即将到位的压力信号控制另一缸的启动，保持两缸出水的叠加，结合单向阀组实现出水口的连续供水。电磁铁得电时序如图2。

图1 往复式活塞泵试验平台组成及工作原理图

图2 电磁铁得电时序图

测试系统由检测装置——压力传感器、信号采集系统及用于处理和存储的计算机组成。压力传感器布置如图1所示，用于检测4个油缸各腔压力p1、p2、p3、p4，主系统压力p以及水路出口压力p0。试验通过采集各压力传感器数据并存储在计算机中，由计算机处理后得到压力－时间曲线。

2 波动分析

(1)往复式活塞泵打水试验过程中，出水连续。通过分析压力－时间曲线图 (图3)可知:出水口压力p0出现周期性波动变化，平均出水压力3.6 MPa，上下波动幅度最大1.3 MPa，波动幅度约36%。

(2)出水口压力波动时刻。在某一缸活塞启动运行时刻，即活塞启动加速过程，此时工作油路压力p、出水口压力p0均存在掉压现象。活塞匀速运行时，进油腔内压力稳定，出水口压力平稳。

图3 压力曲线图

(3)对某一个换向时刻进行分析，如图4为曲线图一个换向部分的放大。此时对应压力p2的油缸B1腔进油，缸内压力从0开始上升，对应活塞启动加速到匀速，直到系统稳定平衡，此过程持续0.2 s左右。

图4 曲线换向放大图

从曲线图上压力变化可知:

①油缸内压力的建立需要一定的时间，理论上油液不可压缩，此过程是负载建立所需时间，这是由负载侧单向阀启闭固有响应时间导致。

②B1腔活塞启动瞬间，负载侧此时连通水箱为常压，近似为零，随着活塞启动加速，负载压力开始建立。此时系统工作油路压力随着活塞加速而降低，加速结束时降至最低［4］。

③运行一缸因系统压力下降，导致A2腔内压力随系统压力而产生波动。回油腔B2由于油缸行程末端特有的缓冲腔结构，压力略有上升，在受到A2腔的影响后产生波动。

④在1缸活塞启动加速过程中，负载压力上升又未完全建立，运行一缸因活塞接近行程末端的缓冲腔，活塞开始减速，导致压力下降，最终导致了出水口压力的下降。在活塞运动速度变化与阀启闭的联合作用下，出水口压力产生了先下降再上升的波动现象。

⑤由于阀的启闭产生的冲击现象以及活塞运动的启动与停止产生的水击现象，导致换向时压力曲线在上升或下降中存在局部波动。

⑥水路上单向阀与液压阀启闭的滞后与泄漏等原因，也导致系统各处压力变化，并不是完全同时保持一致。

(4)调节系统不同流量进行试验，随着出水平均流量的增大，出水压力的波动增大，如图5。

图5 不同流量下的出水口p0压力曲线

(5)除了因阀的启闭与活塞启动与停止造成出水压力波动外，水泵与液压元件的性能差异同样对出水压力的波动存在影响，试验过程中也存在一些随机因素影响压力波动，如进出水阀渗漏或发卡等情况导致压力波动异常。

3 蓄能器对出水压力波动的衰减效果

为改善活塞泵出水口压力波动缺陷，在出水口增加蓄能器3(容积40 L，充气压力2 MPa)，如图1所示，对压力的波动进行抑制。通过测试得到如图6所示压力－时间曲线。水路压力有较大改善，换向时的波动曲线上波峰消除、波谷基本消除，波动幅度由35%改善到10%以内。

图6 出水口连接蓄能器时p0压力－时间曲线

通过对多组试验数据 (同等出口流量，不同压力)分析，蓄能器充气压力在出水压力的80%左右抑制效果最佳。如图7，蓄能器充气压力2 MPa，出口平均压力2.5 MPa时，波动较小。

图7 不同出口压力下压力波动率

4 结论与展望

(1)往复式柱塞泵作为供水装置时存在压力波动的难题，通过试验分析了出水压力波动的原因。

(2)双缸往复泵在打水过程中，利用一缸与另一缸出水的叠加可以解决出水连续性，衔接的控制方法与结构对波动有较大影响。文中利用缓冲腔结构和到位压力信号控制两缸打水衔接，控制简单，易于实现。

(3)利用蓄能器对出水压力波动的抑制进行了实验研究，取得了较好的衰减效果。

(4)直接在出水总管路上连接蓄能器时，出水压力波动可由无蓄能器稳压时的35%降低到10%左右。

(5)蓄能器对出水压力波动有较大改善，不足之处是蓄能器固定的充气压力和容积参数对于不同的出水压力和流量不能进行匹配调节，即无法保证不同工况下的最优匹配，因此需要进一步研究往复式活塞泵出水波动的抑制方法。

【1】周长云，刘洋，彭斌望，等.液压往复泵及现场试验［J］.石油矿场机械，2001(S1):61－63.

【2】高学仕，房军，赵怀文.一种新型的液压驱动往复泵［J］.液压与气动，2001(6):40 －41.

【3】王新华，王建新，齐明侠，等.液压驱动往复泵活塞运动特性分析［J］.石油机械，2002，30(5):22 －24，27.

【4】周江林，王新华，王思民，等.液压驱动往复泵压力特性的理论与实验研究［J］.机床与液压，2010，38(9):29－33.

Experimental Research on Water Pressure Fluctuation of Reciprocating Piston Pump

LIU Zhibin，WANG Bin，XU Guorong，WEI Jin，HUIDongzhi
(Engineering Vehicle Research Department，Sany Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410100，China)

A reciprocating piston pump which could be used to supply water continuously and a test system for this pump were introduced.The reasons about the water pressure fluctuation were analyzed based on the test results.An accumulator was used to restrain the pressure fluctuation and a good resultwas achieved.

Reciprocating piston pump;Continuous supply ofwater;Pressure fluctuation;Experiment research

TH137.51

A

1001－3881(2013)8－074－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.026

2012－03－27

刘志斌，男，高级工程师，现从事工程车辆研发管理工作。E－mail:wangbb3@163.com。