摘 要：本文主要介绍了蚌线运动机构在往复式水泵上的应用，分析比较了蚌线运动机构与常规往复运动机构水泵在机械效率、容积效率和水力效率上的不同，并结合水和高粘度流体介质试验数据进行了分析。
关键词：水泵；蚌线结构；节能
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.004
1 前言
节约资源保护环境是我国的基本国策之一，是推进经济结构调整、转变经济增长方式的必由之路，2016年我国一次能源消费量为43.6亿吨标煤，我国每年能源消耗量占世界能源消耗量的20%多，而每消耗1吨标准煤的能源仅创造14000元人民币的GDP，单位GDP能耗是世界平均水平的2.5倍，美国的3.3倍，日本的7倍，同时高于巴西、墨西哥等发展中国家。因此节能减排是中国经济发展规划大纲的首要内容，特别针对电力、钢铁、有色、造雪、石油化工、污水处置等高耗能行业提出了愈加严厉的控制措施。
“十三五”规划重点强调了大力实施节能技术改造，运用余热余压利用等技术形成节能能力3200万吨标准煤能力，工业水泵作为各行业流体运送关键设备，广泛应用于电力、钢铁、有色、造雪、石油化工、污水处置等行业，占据着耗能的首要位置，依据通用机械工业协会的计算，泵耗电量占我国总发电量的20%左右，优化改进工业水泵结构类型，由旋转离心泵升级成为高效率、结构复杂的往复泵，越来越得到逐步推广，节能的水泵的推广应用一年可节约百万吨标准煤，这对缓解治理以火力发电为主的京津冀地区日益严重的雾霾有着不可估量的作用。
2 蚌线机构特点
工业高压水泵领域驱动机构一般为多级离心泵和常规曲柄连杆机构，多级离心泵效率一般在40～60%左右，由于效率低下长远来看属于淘汰的技术，曲柄连杆机构结构如图1所示，记曲柄OB的长度为r，连杆AB长度为1，曲柄绕固定点O以角速度旋转，由连杆带动的活塞在竖直平面内作往复直线运动。往复运动就是研究活塞的运动位移X、速度v和加速度与和时间t的函数关系，这对水泵性能参数如效率、脉动有直接关联。
蚌线无连杆机构的运动如图2所示，蚌线结构把活塞和连杆功能集合成一个活塞体零件，新增一个质量较轻的圆滑块替代连杆，这样活塞体零件做完全的直线运动，没有摆动，圆滑块做回转运动，O为曲轴中心，A和A'为活塞连杆体中心，B为曲柄与圆滑块连接中心，B围绕O点做回转运动，A点和A'点分别带动活塞做竖直和水平直线运动，B为AA'中点，AA'=2OB=2e（e为圆滑块偏心距），蚌线活塞的运动位移Xb、速度Vb和加速度与曲轴旋转角度和时间t的函数关系分别为：
3 蚌线机构运动特点及效率
从蚌线机构与常规曲柄连杆机构活塞位移、速度和加速度对比可以看出，蚌线机构各特征参数均与转速的二次项（即和）无关，从速度对比图可以发现蚌线机构比常规机构的最大速度小3～4%，最大速度的降低可以降低摩擦功的损失，在上止点前后90°，蚌线机构比常规机构速度小；下止点前后90°，蚌线机构比常规机构速度大，这使得蚌线水泵在压水时刻（180-360°曲轴转角）水力效率比常规活塞连杆机构水泵大（最大速度点大6～8%），对于粘性流体的吸入和排出惯性建立有益，水力摩阻系数相对小些，带来的节能优势更明显。
从蚌线机构与曲柄连杆的运动加速度曲线对比可以看出，两种机构同时在上止点达到最大值，蚌线机构比常规机构加速度在上止点变化小且均匀，在上止点， 蚌线机构比常规机构小25～30%，这样有利于在出水时刻整个机构的受力平衡，在下止点，蚌线机构比常规机构加速度大25～30%，由于此时刻为进水时候，有利于提高进水速度。蚌线机构比常规机构的加速度变化小且均匀，意味着水头加速度更为柔和，对于泵阀的冲击也更柔和，有利于泵进、出阀可靠性的提高。
作为衡量水泵能量损失的指标，效率主要由三部分组成容积效率、水力效率、机械效率。
3.1 容积效率
对于蚌线机构水泵由于，经过估算，对于蚌线往复运动机构水泵比常规活塞连杆机构容积损失率2少了1%。
3.2 水力效率
蚌线机构比常规机构的最大速度小2.9～4.1%，由于水力效率是速度二次方的关系，因此综合考虑蚌线机构水泵比常规机构水泵整个水力效率提高1.5～3%。
3.3 机械效率
由于蚌线无连杆机构摩擦副数量较少，活塞做直线往复运动，没有侧向力，常规机中占机械摩擦最大的活塞和缸套摩擦功大大降低，根据相关蚌线机构发动机和空压机研制的成功经验，以及国外发动机和空压机相关产品介绍，常规转速内曲柄连杆机构的机械效率一般为 0.78～0.92，而蚌线结构的机械效率为 0.83～0.96。对于水泵蚌线机构的机械效率需要进一步通过试验来验证。
综上所述蚌线无连杆机构水泵容积效率、水力效率、机械效率比常规蚌线机构水泵均高，具体分布通过本课题试验结合公式验证。
3.4 水力脉动
工业上需要流体介质的瞬时速度稳定，因此对于多缸往复泵而言水力脉动因子（瞬时速度/平均速度）也是评价泵性能一个重要的参数，从图5可以看出三缸直蚌线往复泵水力脉动无因次流动曲线为6个间隔均匀的正弦波，呈60度曲轴转角重复，波峰波谷叠加，脉动幅度大幅降低，脉动无因次系数最大为1，最小为0.86，流量不均匀系数0.14，常规三缸的脉动无因次系數最大为1.03，最小为0.76，流量不均匀系数高达0.27，随着缸数的最多，直蚌线往复泵的流量不均匀系数优势更加明显，流量不均匀系数的降低对流体介质出口压力的稳定，设备的振动损耗都有明显帮助。
4 试验分析
根据直蚌线的原理结构设计了某六缸往复式水泵结构原理如图6所示，其中对于水泵，输出流量和压力基本相同的情况下，六缸直蚌线水泵比五缸曲柄连杆水泵效率提高近3.1%，每小时大约节电3kwh。而在输送介质为高粘度的苯胺（常温粘度3.7×10-2Pa·s），效率提高近3.5%，进一步验证了直蚌线机构运动规律对高粘度流体的水力效率提高有帮助。
5 结论
通过理论分析和试验数据对比发现，无论在水力效率、容积效率、机械效率还是水力脉动上参数上，直蚌线机构运动机构在水泵及高粘度流体泵节能上的巨大优势，总效率能提高3%以上，节能效果明显，如果在全行业普遍推广将产生一定的社会效益和经济效益。
参考文献：
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作者简介：张东英（1980-），女，辽宁铁岭人，研究生，讲师，主要研究方向：节能技术及其发展方向。endprint
