換向機構

沿空留巷構築護巷帶技術是煤礦、冶金礦近幾年發展的一項新技術。構築護巷帶的渣漿需要用泵輸送到空留巷, 為滿足輸送渣漿不同流量、壓力及井下防爆要求, 研製了直動泵:液壓往復柱塞泵和氣壓往復活塞泵。要實現柱塞和活塞的往復運動,需要一個自動換向機構。自動換向機構性能的好壞,直接影響泵的整機性能,因此要求換向機構應具備換向靈活、動作可靠、工作安全、使用壽命長等特點。

2.1 液壓往復泵的工作原理

當柱塞杆到達最左端, 液控換向閥換到右位工作, 可以實現柱塞向右運動過程,使左吸漿閥和右排漿閥工作。通過液控油路可以使壓力油作用於液控換向閥兩端來實現液控換向閥換到右位。由於液控換向閥右端作用面積大於左端作用面積, 使液控換向閥閥芯向左移動。若柱塞杆到達最右端, 液控換向閥換到左位工作(通過液控油路使右端接回油口, 左端仍為壓力油),從而實現柱塞杆向左運動過程, 使左排漿閥和左吸漿閥工作。

2.2 氣壓往復泵的工作原理

氣壓往復泵活塞到達最右端時,活塞桿上的撥爪撥動由撥杆、機架和推杆組成的換向機構動作,使行程閥右位導通,控制氣路作用在換向閥上,改變其閥位,從而實現活塞向左換向運動,使右吸漿閥和左排漿閥工作;同理,可以實現活塞向右換向運動,使左吸漿閥和右排漿閥工作。

目前我國使用的換向機構, 按其結構特點可分為三類:(1)液控或氣控換向機構, 液控換向機構;(2)機動-氣控(或液控)換向機構,由撥杆、行程閥、換向閥組成的機動-氣控換向機構;(3)機動-電控換向機構,這類換向機構的特點是:當活塞到達行程終點時,與活塞桿聯動的撞塊碰撞機械觸點,通過電控系統使換向閥換向,進而使活塞桿運動換向。在井下電器設備須防暴試驗, 體積大,成本高,應儘量少使用。

液壓往復泵的液控自動換向機構

液壓往復泵的液控自動換向機構,液壓缸上開有a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、A 、B 九個接口,A 、B兩個接口為主油口, a、b、c、d、e、f、g為控制油口;柱塞杆和液壓缸形成S 、Q 兩個環,使控制油路導通;換向閥缸體上開有h、i、j、k、C、D、O、P八個接口,其中P為進油口,O為回油口,C、D為液壓缸和換向閥的連接油口, 分別與A、B接通, h、i、j、k為控制油口,分別按各控制油口連接起來;換向閥閥芯上開有l、m、n三個油口,使控制油路作用在閥芯兩端。

在液控換向機構中, 通過控制油路來準確地改變換向閥閥芯兩端的油壓。若閥芯兩端的油壓相等,靠其兩端的面積差使其換向運動;若閥芯兩端的油壓不等,靠其兩端的壓力差使其換向運動。由此使閥芯週而復始的換向運動, 實現了柱塞的自動往復運動。它作為BYZ-120/10 型液壓往復柱塞泵的一個部件, 換向頻率為44次/min, 該泵在新汶礦務局翟鎮礦進行了井下構築護巷帶, 在棗莊礦務局黃貝礦進行了注漿堵水。

在機動換向機構中, 以零度壓力角漸開線凸輪機構作為換向機構,凸輪作為原動件使推杆換向運動, 在換向運動過程中,壓力角恆為零,推杆僅受沿運動方向的推力,若凸輪以等角速度轉,推杆等速運動,故換向平穩。它作為BYH-50/ 5 型氣壓往復活塞泵的一個部件,換向頻率為74 次/min,該泵在開灤礦務局唐家莊礦進行了井下構築護巷帶。經過使用表明這兩種換向機構,換向平穩, 動作可靠,使用壽命長, 特別是在礦井下要求防爆的條件下應用, 具有較明顯的優越性(據檢索, 國內外尚無這兩種換向機構)。

(1)在較低熱負荷(設計能力的65%處理量)情況下,光管換熱器在保證足夠循環冷卻水流量時可滿足換熱要求。

(2)在高熱負荷(設計能力的100%處理量)情況下, 光管換熱器在保證循環冷卻水高流量150000kg/h 時,勉強可保證換熱要求,但是一般情況下難以保證如此高的冷卻水流量。

(3)波紋管換熱器在一般冷卻水流量的情況下可滿足高熱負荷工作需要, 但殼程壓力降過大, 為提高管程冷卻水流速降低殼程壓力, 在保證足夠換熱面積情況下可將管束總數目減少10 %,換熱效果更好。

(4)波紋管換熱器最好工作參數是高熱負荷下;冷卻水流量100000kg/h;冷卻水進、出口温度為33 ～42 ℃。

(5)根據計算結果,若波紋管換熱器的管子數仍用原光管換熱器的1192 根,則換熱器的管程水流速偏低,殼程壓降過高。為提高管程水流速和降低殼程壓降, 將波紋管換熱器的管子數由1192根減少到1076 根,減少了10 %。將循環水進出口温度控制在33 ～42 ℃,則殼程的壓降可由152 .8kPa 降低到137 .3kPa ,水流速度則由0 .299m/s 提高到0 .331m/s 。換熱效果可望明顯改善,從而滿足裝置生產工藝的要求。顯然, 這樣既利用了原有設備,又節省了改造成本。 ^[1] 

利用首尾相連的兩條左· 右旋向的螺旋線與限制了周向轉動的螺母,把旋轉運動轉變為往復直線運動的螺旋換向機構,用在排線裝置,螺絲刀,遊藝機等裝置中。由於兩條左右旋向的螺旋線在螺桿上交叉,使螺旋麪上出現了“溝”, 為了使螺母上的傳動件能越過這些“溝” ,現用螺旋換向機構的螺母上的傳動件不得不採用長度大於溝寬的滑塊, (即一段可在螺母內轉動的內螺紋)。故該機構在傳動中處於滑動摩擦狀態,摩阻大,效率低,運動速度慢,相對運動件壽命短。解決上述問題的出路在於設計新的機構,把滑動摩擦傳動變為滾動摩擦傳動。在所設計的螺旋抽油機上( 專利號RU 2133875C1)設計了新型的螺旋換向機構,把滑動摩擦傳動變成了滾動摩擦傳動,提高了它的效率、速度和壽命。電動機1經皮帶2帶動水平軸3旋轉,水平軸上小錐齒輪4與主軸5上的大錐齒輪6齧合,把水平軸的旋轉運動轉變為主軸的垂直旋轉運動,同時也起到了減速作用,在主軸上刻有等螺旋升角的兩條左,右旋向螺旋槽,螺旋槽的上下兩端,用平面展開方程為y= ax2的變升角二次曲線連接起來,形成封閉的螺旋槽7, 主軸5外套有螺母(套筒) 8,安裝在螺母8上可繞自身軸線輪17作用在螺母的上端面上。合適的配重可使傳動銷上的實際載荷降到最低,並使電動機在上下衝程內所作的功基本相等。

本設計中, 螺母上的傳動件用可繞自身軸線旋轉的銷子取代了原用的滑塊,將滑動摩擦傳動變為滾動摩擦傳動,使傳動效率大增。然而如果螺母上只有一個傳動銷子,上述傳動不能連續,因為銷子會掉入左右螺旋槽交叉處的“溝”中,本設計採用了雙銷子交替承載,交替了過“溝” ,浮動銷升距補償通過變升角段螺旋槽的方案,其工作原理和結構。定點銷9裝在螺母上的滾動軸承中, 其位置在螺母上不能改變;浮動銷10裝在擺動體18上的滾動軸承內,它在螺母上的位置可隨擺動體的擺動而改變。兩個銷子在螺母上的周向位置差一個相位角β ,β 的大小應保證兩銷子在周向上的距離大於螺旋槽交叉處的“溝寬”在水平方向上的投影長度L ,L = aco sT/sin2T式中

L——溝寬在水平方向上的投影

a——槽寬

T—— 螺旋升角

由於兩個銷子之間存在着相位差,又同時插入螺旋槽中,螺旋升角的存在使兩個銷子不在同一水平面內,其垂直距離h 取決於螺旋升角和相位角的大小。

當兩個銷子都位於螺旋升角最大的等升角段的螺旋槽中時, h 取得最大值,由此決定了兩個銷子在垂直方向上的極限位置,又由於是左·右螺旋的緣故,浮動銷相對於定點銷有上下兩個極限位置,即有兩個死點。死點位置由限位塊1和2確定。雙銷子交替過“溝”的原理如下:設主軸順時針旋轉(從上向下看) ,當兩個銷子都位於右旋槽中的等升角段內時,此時螺母上的載荷向下(提起抽油杆和油) ,浮動銷被右旋槽的下槽面壓死在上死點,兩銷子的相對位置固定,右螺旋槽的下槽面推動兩個銷子轉動,並經銷子帶動螺母向上運動,當前一個銷子(浮動銷)運動到左右螺旋交叉處的“溝”上時,後一個銷子(定點銷)仍在螺旋麪上,於是後一個銷子(定點銷) 獨自承擔起全部載荷,讓前一個銷子(浮動銷)過“溝”; 當後一個銷子(定點銷)運動到“溝”上時,前一個銷子(浮動銷)已經運動到螺旋麪上並獨自承擔起全部載荷,並讓後一個銷子(定點銷)過“溝”,如此交替承載,交替過“溝”,使螺母運動得以連續(這與鑽桿大鉗用兩個小齒輪驅動一個缺口大齒輪, 使缺口大齒輪的運動能夠連續的工作原理相似)。

當兩個銷子都越過了上端最後一個螺旋交叉口而進入沒有“溝”的變升角螺旋槽後,由於前一個銷子(浮動銷)與螺旋槽接觸點處的螺旋升角小於後一個銷子接觸點處螺旋槽的螺旋升角,當主軸轉過一個角度時,前一個銷子的升距就小於後一個銷子的升矩,於是前一個銷子脱離下槽面而與上槽面接觸,而後一個銷子則獨自承擔全部載荷,並帶動螺母繼續上升,同時前一個銷子(浮動銷)因受到上槽面的壓迫而帶動擺動體向反時針方向轉動,於是使浮動銷向下移動,補償了兩個銷子的升距差,使兩個銷子不會卡死在螺旋槽中。此時螺母在變升角段內作勻減速運動,當螺母到達頂點時, 螺母的上升速度降到零,隨後兩個銷子相繼越過螺旋槽的最高點進入左旋槽中,此時螺母的運動方向變為向下,載荷方向變為向上(提起配重) ,並由左螺旋槽上的上槽面推動銷子向下運動,浮動銷子繼續推動擺動體旋轉,當兩個銷子都進入左螺旋槽的等螺旋升角段後,浮動銷被壓死在下死點上, 於是兩個銷子又交替承載,交替過“溝”,使螺母勻速下降,主軸下端的換向動作與上端相似,只是擺動體作順時針旋轉, 把浮動銷從下死點擺回到上死點。如此週而復始的運動,就把主軸的連續單向旋轉變成了螺母的連續往復直線運動。

上述機構還具有結構簡單,等加速換向,勻速作功的特點,其工作原理可用於其它需要把連續旋轉運動轉變為往復直線運動的機器中。

本文運用活動標架法和曲線與直紋面相伴原理,證明了連桿空間運動時,在任意瞬時,其動定瞬軸面於瞬軸上相切地接觸,並有相同的Frenet標架。得出了瞬軸面誘導結構參數的運動學意義,即T*僅與連桿的瞬時移動有關,U*僅與連桿的瞬時轉動有關。並計算出了連桿上的加速度瞬心,變向點和拐點。 ^[2]