非圆齿轮驱动的低脉动三缸往复泵
阅读说明：本技术 非圆齿轮驱动的低脉动三缸往复泵 (Non-circular gear driven low-pulsation three-cylinder reciprocating pump ) 是由 刘大伟 吴涛 齐效文 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种非圆齿轮驱动的低脉动三缸往复泵,在不改变三缸往复泵结构的基础上,增设一个电动机和一对相互啮合的傅里叶非圆齿轮。傅里叶非圆齿轮包括一个主动傅里叶非圆齿轮和一个从动傅里叶非圆齿轮；主动傅里叶非圆齿轮套设在电动机的输出轴上；从动傅里叶非圆齿轮套设在三缸往复泵的曲轴上。电动机通过一对傅里叶非圆齿轮驱动曲轴旋转,曲轴带动曲柄、连杆动作；连杆推动活塞往复运动。本发明通过一对非圆齿轮统一调节三缸往复泵所有活塞的运动规律来变速驱动三缸往复泵,进而平抑泵的流体脉动,解决现有三缸往复泵流量脉动大的问题。(The invention provides a non-circular gear driven low-pulsation three-cylinder reciprocating pump, which is characterized in that a motor and a pair of mutually meshed Fourier non-circular gears are additionally arranged on the basis of not changing the structure of the three-cylinder reciprocating pump. The Fourier non-circular gear comprises a driving Fourier non-circular gear and a driven Fourier non-circular gear; the driving Fourier noncircular gear is sleeved on an output shaft of the motor; the driven Fourier noncircular gear is sleeved on a crankshaft of the three-cylinder reciprocating pump. The motor drives the crankshaft to rotate through a pair of Fourier noncircular gears, and the crankshaft drives the crank and the connecting rod to act; the connecting rod pushes the piston to reciprocate. The invention uniformly adjusts the motion rules of all pistons of the three-cylinder reciprocating pump through the pair of non-circular gears to drive the three-cylinder reciprocating pump in a variable speed manner, further stabilizes the fluid pulsation of the pump and solves the problem of large flow pulsation of the conventional three-cylinder reciprocating pump.)
技术领域
本发明属于流体传动
技术领域
，涉及一种三缸往复泵，具体地说，涉及一种非圆齿轮驱动的低脉动三缸往复泵。背景技术
往复泵作为重要的液压传动机械，具有工作压力高、自吸性能好、可靠性高等优点，被广泛应用于炼油运输、石油化工和舰船军工等领域。传统的往复泵由于其自身的结构特性，导致其具有周期性的流量脉动现象，从而产生振动和噪声。不仅降低了泵的使用性能，还导致严重的环境污染，因此设计一种流量平稳且性能高的往复泵具有十分重要意义。
公开号为CN212717025U的专利文献公开了一种七缸柱塞泵，该七缸柱塞泵的曲轴连接有7个曲拐、7个柱塞，7缸阀箱，每个活塞对应1缸阀箱并在阀箱内作往复运动，每个活塞由1个曲拐的旋转提供往复运动的动力。该七缸柱塞泵通过增加缸体个数，均化瞬时流体，相对双缸，三缸和五缸等往复泵具有更小的流体脉动，但是，其结构复杂，加工成本和运维成本大幅提高。
公开号为CN105546046A的专利文献公开了一种非圆齿轮组和双缸往复泵的组合结构，其通过一个主动非圆齿轮同时驱动两个从动非圆齿轮，两个从动非圆齿轮与双缸往复泵的曲柄分别固连，通过非圆齿轮的非线性传动，使得双缸往复泵合成均匀的瞬时流量，大幅降低双缸往复泵的流量脉动。但是，该组合结构中，往复泵的每个曲柄都要由一个从动非圆齿轮独立驱动，当缸数增加时，应用该方法会使得传动端结构十分复杂，加工成本和运维成本大幅提高。
侯勇俊等人发表的论文《凸轮和齿扇齿条复合驱动的新型往复泵仿真及分析》中，研究了通过凸轮机构与齿扇齿条机构的复合作用将电动机的旋转运动转化为活塞具有一定运动规律的往复运动。凸轮机构工作在加速、减速阶段，可实现换向以及往复泵换向过程中对速度变化的需求；齿扇齿条机构工作在匀速阶段，缩短了凸轮机构大负荷工作的时间。该论文提供的方法实现了往复泵流量和压力波动小、易损件寿命长、换向控制简单、可靠性高的目标，但是，由于受凸轮和齿扇齿条制造精度高、安装误差等影响，使活塞组件的运动相位存在一定的误差，从而导致仍然存在流量脉动现象。
董怀荣等在论文《三缸单作用恒流量往复泵中凸轮机构设计》中，提出了凸轮机构驱动三缸往复泵，用于石油开采中的三次注聚驱油工艺，理论和试验结果均表明该方法可以大幅消除往复泵的流体脉动，甚至在使用时可以取消原有设备中因流体脉动而增设的灌注泵、吸入缓冲器以及预压空气包等设备，但是，在高负荷下凸轮机构容易发生磨损和接触疲劳的问题，导致三缸往复泵工作不稳定，使用寿命短。
除此之外，用液压缸或直线电动机直接驱动柱塞，通过伺服系统精确控制柱塞运动，既可减轻设备重量，又能抑制流体脉动，但该技术过度依赖伺服传感系统及运动控制算法，设备成本高。
综上所述，针对目前采用多缸泵并联，凸轮或非圆齿轮变速驱动以及伺服控制的方法平抑往复泵流量脉动等方法，仍然存在：多缸并联导致的设备庞大，每个缸体采用凸轮或非圆齿轮变速驱动使得机械端构造复杂，伺服控制成本高，伺服传感系统的性能以及控制算法对脉动平抑效果影响大，不易获得稳定的均匀流量等问题，有必要研制一种结构简单、加工成本和维护成本低、流量脉动小的低脉动往复泵。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种非圆齿轮驱动的低脉动三缸往复泵。该低脉动三缸往复泵在不改变泵体结构的前提下，仅通过一对非圆齿轮即可大幅平抑三缸往复泵的瞬时流量脉动，最大程度地提升三缸往复泵瞬时流量的均匀性，抑制泵体及管路的振动和噪声，并且简化三缸往复泵脉动平抑系统的复杂性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：其包括曲柄、曲轴、连杆、活塞缸、活塞、电动机和一对傅里叶非圆齿轮；
三根所述曲柄的第一端互成120°夹角固定在所述曲轴上，三根所述曲柄的第二端分别铰接有一根所述连杆；所述连杆的第二端与内置在所述活塞缸内的所述活塞相连，推动所述活塞往复运动；
所述傅里叶非圆齿轮副包括一个主动傅里叶非圆齿轮和一个从动傅里叶非圆齿轮；所述主动傅里叶非圆齿轮套设在所述电动机的输出轴上；所述从动傅里叶非圆齿轮与所述主动傅里叶非圆齿轮啮合，并套设在所述曲轴上；
所述电动机通过所述一对傅里叶非圆齿轮驱动所述曲轴旋转，所述曲轴带动所述曲柄、所述连杆动作；所述一对傅里叶非圆齿轮的传动比函数i12为：
式中，为从动傅里叶非圆齿轮的转角，也是三缸往复泵曲轴转角；n1为主动傅里叶非圆齿轮的阶数，n1＝1；n2为从动傅里叶非圆齿轮的阶数，n2可取1,2,3；K为傅里叶三角函数的项数，K为正整数；an，bn分别为傅里叶三角函数的系数。
所述傅里叶非圆齿轮副传动比函数中的傅里叶三角函数系数an和bn的确定方法为：
S1、确定三缸往复泵每个缸随曲柄转角的流量Qi为：
式中，e为曲柄长度，L为曲柄与活塞间的连杆长度，A为活塞的截面积，i表示往复泵的活塞缸号，i取值为1,2，3；
S2、确定三缸往复泵的瞬时流量q为：
式中，ω为电动机的转速；
S3、确定傅里叶非圆齿轮副的理想传动比I12为：
S4、确定傅里叶非圆齿轮副传动比函数中的三角函数系数an和bn为：
优选地，所述傅里叶三角函数的项数K的取值范围为[1,6]。
优选地，在安装所述一对傅里叶非圆齿轮时，要保证所述主动傅里叶非圆齿轮最长向径与高阶的所述从动傅里叶非圆齿轮最短向径对齐。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在不改变现有泵体结构的基础上，仅通过一对非圆齿轮统一调节所有活塞的运动规律来变速驱动三缸往复泵，进而平抑泵的流体脉动，与多缸并联相比，本发明成本较低、安装方便、以最简结构在源头实现流体脉动的主动抑制，与伺服电动机驱动的往复泵相比，避免了电控系统的不稳定，可靠性高，在工程上更为实用。
附图说明
图1是本发明非圆齿轮驱动的低脉动三缸往复泵结构示意图；
图2是本发明非圆齿轮驱动的低脉动三缸往复泵工作原理图；
图3A是本发明平抑三缸往复泵流量脉动用的傅里叶非圆齿轮副立体结构示意图；
图3B是本发明平抑三缸往复泵流量脉动用的傅里叶非圆齿轮副俯视图；
图4是本发明较佳实施例中单个缸体一个周期中的瞬时流量曲线图；
图5是本发明较佳实施例中往复泵一个周期中的瞬时流量曲线图；
图6是本发明较佳实施例中平抑用傅里叶非圆齿轮副理想传动比图；
图7是本发明较佳实施例中平抑用傅里叶非圆齿轮副真实传动比图；
图8是本发明较佳实施例平抑后三缸往复泵瞬时流量曲线图；
图9是不同傅里叶阶数下平抑前后三缸往复泵瞬时流量曲线示意图。
附图标号：
1、电动机；2、主动傅里叶非圆齿轮；3、从动傅里叶非圆齿轮；4、曲轴；5、曲柄；6、连杆；7、活塞缸；8、活塞。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开的非圆齿轮驱动的低脉动三缸往复泵在不改变三缸往复泵泵体结构的前提下，仅增设了一对傅里叶非圆齿轮副和一个电动机，如图1～图3所示，本发明主要包括电动机1、主动傅里叶非圆齿轮2、从动傅里叶非圆齿轮3、曲轴4、三根曲柄5、三根连杆6、三个活塞缸7和三个活塞8。
主动傅里叶非圆齿轮2套设在电动机1的输出轴上，从动傅里叶非圆齿轮3与主动傅里叶非圆齿轮2啮合；从动傅里叶非圆齿轮3套设在曲轴4上；三根曲柄5的一端互成120°夹角固定在曲轴4上，另一端分别铰接有一根连杆6；连杆6的另一端与内置在活塞缸7内的活塞8相连。
电动机1旋转，通过一对傅里叶非圆齿轮2和3驱动曲轴4旋转，曲轴4带动与之相连的三根曲柄5运动，曲柄5带动与之相连的连杆6运动，连杆5推动活塞8往复运动。
为平抑三缸往复泵工作时产生的流量脉动，抑制泵体及管路的振动和噪声，本发明增设的一对傅里叶非圆齿轮副的传动比函数i12为：
式中，为从动傅里叶非圆齿轮的转角，也是三缸往复泵曲轴转角；n1为主动傅里叶非圆齿轮的阶数，n1＝1；n2为从动傅里叶非圆齿轮的阶数，n2可取1,2,3；K为傅里叶三角函数的项数，K为正整数，K的取值范围为[1,6]；an，bn分别为傅里叶三角函数的系数。
其中，傅里叶非圆齿轮传动比函数中的傅里叶三角函数系数an和bn的确定方法为：
S1、确定三缸往复泵每个缸随曲柄转角的流量Qi为：
式中，e为曲柄长度，L为曲柄与活塞间的连杆长度，A为活塞的截面积；i表示往复泵的活塞缸号，i取值为1,2，3，i为1表示第1个活塞缸，i为2表示第2个活塞缸，i为3表示第3个活塞缸。
S2、确定三缸往复泵的瞬时流量q为：
式中，ω为电动机的转速；
S3、确定傅里叶非圆齿轮副的理想传动比I12为：
S4、确定傅里叶非圆齿轮副传动比函数中的三角函数系数an和bn：
在本发明较佳实施例中，本发明非圆齿轮驱动的低脉动三缸往复泵主要结构参数如表1所示。
表1系统的设计参数
在本发明较佳实施例中，傅里叶非圆齿轮副的传动比函数为：
式中，傅里叶三角函数系数an和bn的计算方法：
S1、确定三缸往复泵每个缸随曲柄转角的流量表达式为：
式中，e为曲柄长度，L为曲柄与活塞间的连杆长度，A为活塞的截面积，i取值为1,2,3；
通过公式(7)可计算出如图4所示的单个缸体一个周期中的瞬时流量曲线。
S2、确定三缸往复泵的瞬时流量q为:
式中，ω为电动机的转速；
根据公式(8)可计算得到如图5所示的三缸往复泵一个周期中的瞬时流量曲线。
S3、确定傅里叶非圆齿轮副的理想传动比I12为：
应用公式(9)计算得到如图6所示的平抑用非圆齿轮的理想传动比曲线。
S4、确定傅里叶非圆齿轮副传动比函数中的三角函数系数an和bn为：
由表1和公式(10)得出本发明较佳实施例中非圆齿轮的传动比函数系数如表2所示，进而得到平抑用非圆齿轮的真实传动比如图7所示。
表2非圆齿轮传动比函数系数an、bn
由傅里叶非圆齿轮传动比计算的非圆齿轮节曲线方程为：
由表1和公式(11)可以计算出本实例中一对傅里叶非圆齿轮的节曲线数据如表3所示，得到的非圆齿轮节曲线如图7所示。
表3一对傅里叶非圆齿轮节曲线数据
在安装一对傅里叶非圆齿轮副时，要保证主动傅里叶非圆齿轮最长向径与高阶从动傅里叶非圆齿轮最短向径对齐。此时低脉动三缸往复泵的瞬时流量方程为：
式中，ω为电机输入转速，i12为傅里叶非圆齿轮传动比。
根据表1和公式(7)、(8)和(12)可分别得到平抑前后的瞬时流量对比数据，如表4所示，相应曲线如图8所示。
表4平抑前后的瞬时流量对比数据(L·s1)
时间t/s
0
0.0176
0.0353
0.0529
0.0706
0.0882
0.1059
0.1235
0.1412
0.1588
平抑前流量
10.7
9.1
8.4
10.2
11.2
10.9
11.2
10.2
8.4
9.1
平抑后流量
10.2
10.3
10.3
10.2
10.2
10.1
10.2
10.2
10.3
10.3
时间t/s
0.1765
0.1941
0.2118
0.2294
0.2471
0.2647
0.2824
0.3000
0.3176
0.3353
平抑前流量
10.7
11.3
11.1
11.0
9.7
7.6
9.7
11.0
11.1
11.3
平抑后流量
10.2
10.2
10.2
10.2
10.1
9.8
10.1
10.2
10.2
10.2
根据表1和以上公式可分别得到无非圆齿轮和傅里叶阶数K取2和4时流量曲线如图9中曲线所示，进而得到无非圆齿轮和不同傅里叶三角函数项数非圆齿轮驱动平抑后往复泵的最大流量和最小流量以及脉动率，如表5所示。
表5有、无非圆齿轮驱动的往复泵流量最值和脉动率
最大流量(L·s<sup>1</sup>)
最小流量(L·s<sup>-1</sup>)
脉动率(％)
无非圆齿轮
11.2
7.6
35.54
K＝2
10.4
9.5
8.92
K＝4
10.3
9.8
5.35
由此可见，通过加装一对傅里叶非圆齿轮对三缸往复泵变速驱动后，其流量脉动情况得到了大幅改善，而且随着傅里叶三角函数项数的逐渐增大，往复泵的脉动率降低，平抑效果更好。通过一对非圆齿轮变速驱动往复泵，可以解决往复泵流量脉动问题，进而降低泵的振动和噪声，有利于往复泵系统的稳定。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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