专利摘要
本发明涉及一种优化布置方法，具体涉及一种七缸往复泵曲轴上曲柄初相角的优化布置方法。本发明对单缸单作用往复泵柱塞的运动规律进行分析，找出各运动参量与曲轴转角之间的对应关系；采用无量纲思想，提出了一种基于流量波动、断流时间及曲轴弯矩的七缸往复泵曲柄初相角布置方案的优化设计方法；并根据曲轴弯矩得到四种最优方案，使得断流时间、流量波动及曲轴弯矩等均达到了最优结果从而降低了惯性水头、减轻了管路沉沙现象，并降低了曲轴弯矩，提高了七缸泵的使用寿命及工作可靠性，为七缸往复泵其他方面的研究奠定了基础。
权利要求
1.一种七缸往复泵曲轴上曲柄初相角的优化布置方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1)、对单缸单作用往复泵柱塞的运动规律进行分析，在往复泵的结构参数已知的条件下，找出活塞的运动速度与曲轴转角之间的函数关系；所述往复泵的结构参数包括曲柄半径r、曲轴旋转角速度ω、曲柄转角α、连杆长度l、曲柄连杆比λ＝r/l，最终得到活塞的运动速度与曲轴转角之间的函数关系为：
式中:
V-活塞的运动速度,
x
t-活塞的运动时间,
d-微分数学求导的表示方法,
2)、由于液缸瞬时吸入流量等于液缸瞬时吸入液体的流速与活塞端面面积的乘积，而液缸瞬时吸入液体的流速等于活塞的运动速度，结合步骤1)得到的活塞的运动速度与曲轴转角之间的函数关系，采用无因次化的方法，得到单缸单作用往复泵的无因次瞬时流量计算表达式为,
式中：
q-无因次瞬时流量；
Q
α
F-活塞端面面积；
3)、对七缸往复泵的液缸进行1号-7号的顺序标号，并在液缸对应的曲轴曲柄上进行1#-7#的顺序标号，并将七缸往复泵的吸入管划分为8个过流截面，并顺序标注1-1断面、2-2断面、3-3断面、4-4断面、5-5断面、6-6断面、7-7断面、8-8断面；分别记载各过流截面的瞬时流量波动情况数据，记载瞬时流量波动幅值及零流量持续时间数据；
4)、以过流断面6-6断流时间和瞬时流量脉动幅值小为选择目标，在七个曲柄初相角中任取二个初相角进行组合分别布置在6#、7#液缸位置，当这两个初相角的组合能使断面6-6的瞬时流量波动幅值及断流时间达到最小时为所选择的最优两初相角组合；
5)、分别将步骤4)中的最优两初相角组合中的两个初相角置于6#、7#液缸位置，以过流断面5-5断流时间和瞬时流量脉动幅值小为优化目标，当某一初相角能使断面5-5的瞬时流量波动幅值及断流时间达到最小时，此时5#、6#和7#液缸位置的初相角即为符合要求的三初相角组合；
6)、将步骤5)中得到的每一个三初相角组合均可布置于1#、2#、3#或5#、6#、7#液缸位置，在所得到的三初相角组合中任选两个组合，要求这两个组合中不能出现同一初相角，并分别将这两个组合布置于1#、2#、3#和5#、6#、7#液缸位置，将7个初相角中除所选的两个三初相角组合外的一个初相角布置在4#液缸位置，以形成一种布置方案；
7)、往复泵液缸处于排出状态时，液缸内压会在曲轴上产生一个作用力，通过受力分析可得到各曲柄旋转中心所受x、y轴方向的弯矩分别为
式中：
h-两相邻曲柄间距；
M
M
M
F
F
F
F
说明书
技术领域
本发明涉及一种优化布置方法，具体涉及一种七缸往复泵曲轴上曲柄初相角的优化布置方法。
背景技术
往复泵具有结构简单、效率高、排出压力高及排量稳定等优点，且可实现排量恒定，在越来越多的行业得到了广泛应用。为适应未来往复泵大功率、大排量、高泵压的要求，往复泵逐渐向多缸方向发展。与五缸泵相比，七缸泵可提供更高的压力、功率和排量，且流量波动及压力脉动幅值更小，但依然存在吸入和排出过程沉沙与汽蚀现象、流量波动、整机振动等问题，降低了往复泵工作的可靠性和使用寿命。
现行文献报道中对往复泵的研究，主要集中在其关键件、易损件的疲劳寿命仿真、吸入过程气化仿真以及液体滑动密封的摩擦与磨损等方面，都是在现有的曲轴传动方案下开展的，对往复泵的性能改进和可靠性水平的提高起到了积极作用。
但是往复泵曲柄初相角布置方案对吸入管流量波动、整机振动、惯性水头损失及曲轴受力等有较大的影响，不同的布置方案往复泵的工作性能差异较大。故，首先确定出往复泵的最优传动方案是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种为七个往复泵曲轴上曲柄各初相角的布置方案提供优化设计依据，以在方案的层面提高七缸往复泵设计可靠性的七缸往复泵曲轴上曲柄初相角的优化布置方法。
本发明的技术方案是：
一种七缸往复泵曲轴上曲柄初相角的优化布置方法，其特征在于：它包括以下步骤。
1）、对单缸单作用往复泵柱塞的运动规律进行分析，找出各运动参量与曲轴转角之间的对应关系；
2）、根据流量与速度及过流截面面积的关系，得出单缸单作用往复泵瞬时流量与曲轴转角的对应关系，并采用无量纲方法得到单缸单作用往复泵的无因次瞬时流量计算表达式；
3）、对七缸往复泵的液缸进行1号—7号的顺序标号，并在液缸对应的曲轴曲柄上进行1#—7#的顺序标号，并将七缸往复泵的吸入管划分为8个过流截面，并顺序标注1—1断面、2—2断面、3—3断面、4—4断面、5—5断面、6—6断面；7—7断面、8—8断面；分别记载各过流截面的瞬时流量波动情况数据，主要记载瞬时流量波动幅值及零流量持续时间（亦即断流时间，以曲轴转角度量）数据；
4）、以过流断面6-6断流时间和瞬时流量脉动幅值小为选择目标，在七个曲柄初相角中任取二个初相角进行组合分别布置在6#、7#液缸位置，当这两个初相角的组合能使断面6-6的瞬时流量波动幅值及断流时间达到最小时为所选择的两初相角组合；
5）、分别将步骤4）中的最优两初相角组合中的两个初相角置于6#、7#液缸位置，以过流断面5-5断流时间和瞬时流量脉动幅值小为优化目标，当某一初相角能使断面5-5的瞬时流量波动幅值及断流时间达到最小时，此时5#、6#和7#液缸位置的初相角即为符合要求的三初相角组合；
6）、将步骤5）中得到的三初相角组合同时置于1#、2#、3#或5#、6#、7#液缸位置，剩下的一个初相角置于4#液缸位置，即可得到一种对应的布置方案，要求保证一个布置方案中每一初相角仅出现一次；
7）、由排出状态时液缸内压作用力在曲轴上产生的无量纲弯矩的计算公式分别计算步骤6）得到的各优化布置方案在各曲柄旋转中心的无量纲弯矩，弯矩最小即为七缸往复泵曲轴上曲柄初相角的优化布置方法。
本发明的优点在于：
本发明采用无量纲思想，根据七缸往复泵各缸吸/排液特性及排出压力高的特点，避开了对七缸泵的七个初相角共5040种方案的讨论，对七缸往复泵曲轴上曲柄初相角优化布置方案进行优化设计，在方案的基础上提高了往复泵设计的可靠性，有效地降低了吸入液体产生的附加惯性水头损失、减轻了管路断流沉沙问题，改善了泵的吸入性能，且降低了曲轴弯曲应力，从而提高了七缸泵的使用寿命。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为单缸单作用往复泵的工作原理简图；
图3为本发明七缸往复泵吸入管过流断面划分示意图；
图4为本发明断面1—1无因次瞬时流量波动情况对比图；
图5为本发明断面2—2无因次瞬时流量波动情况对比图；
图6为本发明断面3—3无因次瞬时流量波动情况对比图；
图7为本发明断面4—4无因次瞬时流量波动情况对比图；
图8为本发明曲柄连杆机构的受力简化图；
图9为本发明曲轴的受力简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。七缸往复泵曲轴上曲柄的七个初相角依次从0°开始，间隔（360/7）°，为简化，分别以 和 标记。
如图2所示，对单缸单作用往复泵柱塞的运动规律进行分析，找出各运动参量与曲轴转角之间的对应关系。这是七缸往复泵各柱塞运动的基本规律，是各缸流量计算的依据。根据流量与速度及过流截面面积的关系，得出单缸单作用往复泵瞬时流量与曲轴转角的对应关系，并采用无量纲方法得到单缸单作用往复泵的无因次瞬时流量计算表达式。这是本发明方法的计算核心，采用了无量纲化的方法，有效地去除了结构尺寸对本发明方法的影响，使得本发明方法具有通用性。单缸单作用往复泵是由曲柄连杆机构实现运动及动力的传递，将曲柄的旋转运动变为活塞的线性往复运动。如图2所示，以曲柄旋转中心 为原点、水平向左和竖直向上分别为 轴建立 坐标系。当活塞在液缸的左死点 时，活塞与曲柄旋转中心 点的距离为 ；当活塞在液缸的右死点 时，活塞与曲柄中心 点的距离为 。活塞在 与 点之间往复运动实现泵内液体的吸入和排出。
设活塞起点为 点，使曲柄按逆时针方向旋转。任一时刻曲柄转角为 ，对应的活塞位移为：
由正弦定律 ，故：
式中： —曲柄半径； —连杆长； —曲柄连杆比，本文取 。
将 对时间求一阶导数，即可求出任一曲柄转角 对应的活塞运动速度为：
由于往复泵活塞运动速度随曲柄转角变化，故其瞬时流量也与曲柄转角有关。七缸单作用往复泵每一液缸所对应的曲柄初相角不同，任意时刻第 号曲柄的转角为 ；当 ，对应液缸处于吸入状态，吸入瞬时理论流量为：
将该瞬时流量无量纲化，得到无因次瞬时流量计算公式为：
上述各式中： 第 曲柄的初相角； —曲轴角速度； 时间； 活塞端面面积。
如图3所示，对七缸往复泵的液缸进行1号—7号的顺序标号，并在液缸对应的曲轴曲柄上进行1#—7#的顺序标号，并将七缸往复泵的吸入管划分为8个过流截面，并顺序标注1—1断面、2—2断面、3—3断面、4—4断面、5—5断面、6—6断面、7—7断面、8—8断面；在两种布置方案中分别记载各过流截面的瞬时流量波动情况数据，主要记载瞬时流量波动幅值及零流量持续时间（亦即断流时间，以曲轴转角度量）数据；
以过流断面6-6断流时间和瞬时流量脉动幅值小为优化目标，在七个曲柄初相角中任取二个初相角进行组合分别布置在6#、7#液缸位置，当这两个初相角的组合能使断面6-6的瞬时流量波动幅值及断流时间达到最小时为最优两初相角组合；瞬时流量波动幅值及断流时间是本发明方法优化的两个目标参量，通过对所述参量的研究，发现了最优两初相角组合方案，为步骤5中寻找最优三初相角组合提供了简化方法；
图3所示的七缸往复泵的吸入管示意图；1#，2#，…，7#分别为各液缸编号（曲柄编号与液缸相同），根据往复泵曲柄的分布位置，将吸入管分为8个断面 。七缸单作用往复泵各曲柄所对应的初相角为 ，任一初相角 均可布置在不同液缸位置，以 的排列顺序表示不同的布置方案，如 ，每一初相角在同一方案中仅出现一次。按照排列原理可知，共有曲柄布置方案 。不同方案中各液缸对应的曲柄初相角不同，其吸排瞬时流量也不同，使得流经吸入管各断面的瞬时流量也可能不同，现就曲柄初相角的布置对吸入管各断面瞬时流量波动情况的影响进行探究。
设液流从左侧进入吸入管，由于流经7-7断面的液体只能由7#液缸吸入，其瞬时流量与单缸单作用泵相同，对所有布置方案完全一样，故无需讨论。分别以方案 和方案 为例对吸入管各断面瞬时流量进行分析，绘制了上述两种布置方 案下各断面无因次瞬时流量的波动情况如图4—7所示；
从图4—7可以看出：一个完整周期内流经1-1断面的液流是七个液缸吸入瞬时流量之和，由七缸泵结构参数及动力系统决定，与曲柄初相角布置方案无关，故吸入瞬时流量总和不变；流经2-2断面的液流是其右侧六个液缸吸入瞬时流量总和，由于方案 和方案 的1#液缸位置处布置的曲柄初相角相同，所以2-2断面的瞬时流量波动曲线相同；两种方案下，3-3断面的瞬时流量波动情况存在明显差异，方案 的流量波动幅值较方案 小，分别约为1.0605和1.9105；方案B在断面4-4、5-5、6-6均出现瞬时流量为零的情况且波动幅值较大，零瞬时流量持续时间（以曲轴转角计算，下同）分别为26°、77°、129°，方案A仅在6-6断面出现零瞬时流量，其持续时间为26°。
流量波动幅值越大液流所具有的惯性水头就越大，使吸入管内液流压力变化较大，导致吸入阀受交变载荷过大而影响吸入性能，甚至产生汽蚀现象。汽蚀会导致管道、阀门等产生水击破坏，同时也会引起噪声、振动等问题，降低往复泵的可靠性和使用寿命。吸入管某断面出现零瞬时流量，表明该断面右侧液缸均处于排出状态；持续时间越长，液流在吸入管内停留的时间就越长，易导致液流中的固相颗粒沉降，是往复泵吸入管产生沉沙现象的主要原因，沉沙严重可能引起吸入管堵塞从而使吸入阀开启及闭合性能受到影响。因此，可认为方案A较方案B更优。
综上所述，通过对曲柄初相角布置方案的研究，可改善七缸泵吸入管内液流波动及断流沉沙现象，从而改善其吸入性能、提高工作可靠性及使用寿命。
通过上述讨论可知，当液流从左侧进入吸入管时，不同的曲柄初相角布置方案在断面4-4、5-5、6-6出现瞬时流量波动及断流现象具有较大差异；流经6-6断面的流量为6#、7#液缸吸入流量之和；流经5-5断面的流量为5#液缸的吸入流量和通过6-6断面的流量之和；流经断面4-4的流量为4#液缸的吸入流量和通过5-5断面的流量之和。可以看出当通过6-6断面的瞬时流量变化情况最优时，5-5断面和4-4断面的流量变化情况也相对较优。所以，可先研究流经6-6断面的流量波动情况，再改善5-5断面和4-4断面的吸入瞬时流量。
流经6-6断面的瞬时流量为两个液缸瞬时流量叠加，任取两个曲柄初相角组合，共有 种方案，分别计算了21种组合方案下6-6断面的无量纲瞬时流量的断流持续时间及波动幅值见表1。
表1任意两曲柄初相角组合的瞬时流量
注：表中 表示曲柄初相角分别为 和 所对应的液缸的吸入瞬时流量之和，其他类同。
由表1可见，任意两缸的无量纲吸入瞬时流量叠加均会出现零流量的情况，且零流量持续时间和瞬时流量波动幅值都存在明显的差异。其中； 和 这七种组合的零瞬时流量持续时间较短、流量波动幅值较小，称为最优两初相角组合，可将该组合分别置于6#、7#液缸的位置。
在6-6断面吸入瞬时流量最优的条件下，研究5-5断面的流量波动情况。流经5-5断面的流量为5#液缸的吸入瞬时流量和流经6-6断面的流量之和，即为最优两曲柄初相角组合下加入第三初相角，共有 种组合方案，分别统计了35种组合方案下5-5断面的无量纲瞬时流量的断流持续时间及波动幅值见表2。
表 2 5-5断面吸入液流组合方案及其瞬时流量
由表2可见，在最优两初相角组合条件下，三初相角组合的零流量持续时间、波动幅值也存在一定差异。
其中
七种组合未出现零瞬时流量，且其波动幅值也较小，为最优三初相角组合。
由于吸入管入口可安置在七缸泵左侧或右侧，即第一个吸入液缸可为图3中的1#或7#，故可将最优三初相角组合对应的液缸分别布置在吸入管两端，七个初相角中剩下的一个对应的曲柄置于4#液缸位置（布置方案见表3）；为简记，以 的排列顺序表示不同的布置方案，如方案1可表示为 。在最优三初相角组合中，优先保证最优两初相角组合并分别置于6#、7#或1#、2#曲柄位置，另一初相角置于5#或3#位置，可满足七缸泵的吸入性能最优，同时解决了吸入管吸入方向的问题。
表 3 根据瞬时流量组合确定的曲柄初相角布置方案
上述根据最优三初相角组合所得的七种七缸泵曲柄初相角布置方案称为基本布置方案。七缸往复泵曲轴的任一曲柄均可布置不同的初相角，但同一初相角在每一布置方案中仅出现一次；随曲轴旋转，任一曲柄相位角又可变换为其他角度，如基本方案5、6、7经过一定角度的旋转之后可分别变为基本方案2、1、3，故基本方案5、6、7可不必考虑；另外，可假设 1曲柄的初相角为 且保持不变。
由于流量叠加为标量运算，仅改变同一组合中的两缸对应初相角布置顺序不影响其叠加效果，故可改变最优两初相角组合的位置顺序。即将基本方案1、2、3、4中的6#、7#液缸对应的初相角位置进行调换，同样满足要求；经调换可获得总共8种七缸往复泵曲柄初相角布置方案。
往复泵是由曲柄连杆机构实现运动及动力的传递，曲柄连杆机构将原动机的旋转运动转化为活塞在液缸内的线性往复运动，使液缸容积周期性的变化，从而实现液流的吸入和排出。当液缸处于排出状态时，缸内容积减小，压力升高；由于排出阀的延迟开启效应及排出节流作用，排出状态时缸内压力一般较高，使得曲轴受有一定的作用力从而发生形变。上述8种曲柄初相角布置方案仅考虑了吸入管的流量特性，并未考虑不同曲柄初相角布置方案对曲轴强度的影响，故，为提高七缸泵曲轴设计的可靠性，分析了各种布置方案下曲轴的强度，并进一步对布置方案进行了优化。
液缸内压在柱塞端面产生的作用力通过曲柄连杆机构向曲轴传递并使曲轴发生变形，不同的曲柄初相角布置方案使得曲轴受力变形效果不同，为研究曲轴的受力，作出了如下假设。
1.将柱塞、十字头部件和连杆的质量忽略不计；
2.将曲拐(曲轴偏心部分)质量和连杆旋转部分的质量全部转化到曲柄销中心位置处；
3.忽略所有运动部件的摩擦阻力；
4.各运动部件相互作用力看作是集中力，其几何中心为支反力的作用点；
5.柱塞受液缸内压产生的作用力为常数，记为 ；排出过程中液缸内压高到数十兆帕，远大于吸入过程，不考虑吸入过程受力，即当 时， 对应的液缸处于派排出状态，此时 。
6.曲轴采用两支点支撑，两相邻曲柄间距为 ，支点到临近曲柄的距离为 。
基于上述假设对曲柄连杆机构及曲轴进行受力分析分别如图8和图9所示；
柱塞端面所受作用力为 ，该作用力在连杆方向的分力为；
将连杆所受作用力 向曲柄旋转中心进行简化并向 , 轴方向分解，有：
简化后得到的力矩为；
由曲轴受力平衡条件可知，合外力在右支点的力矩为零，即合外力的力矩沿 , 轴方向的分量都为零，则；
则，左侧支座反力沿 , 轴方向的分量分别为；
各曲柄旋转中心所受 , 轴方向的弯矩为：
将上述 , 轴方向的弯矩进行无量纲化，无量纲化弯矩分别为 和 ，合成后便可得到总的无量纲化弯矩为：
上述各式中 ，分别为七缸泵各液缸（曲柄）编号。
3.3布置方案优化设计
表4所示，为根据式15计算出的无量纲弯矩在一个周期内基本方案1、2、3、4及其扩展方案（8种）所对应的曲轴各曲柄旋转中心的最大弯矩。
表 4 8种曲柄初相角布置方案对应的各曲柄旋转中心的最大弯矩
按照优化设计原则，曲轴所受弯矩应越小越好。由表4数据可知，布置方案不同，各曲柄旋转中心处弯矩的计算结果存在较大差异，中间位置对应的曲柄旋转中心处弯矩比两端要大；方案2、4、5、7中曲轴所受弯矩较优。
上述四种较优的七缸泵曲轴上各曲柄初相角布置方案，该四种方案的断流时间、流量波动幅值及曲轴所受弯矩等因素均达到了较优结果，
四种优化方案分别为 、 、 和 。
七缸泵曲柄初相角布置方案对泵吸入性能及曲轴受力有较大影响。采用无量纲思想，提出了一种基于流量波动、断流时间及曲轴弯矩的七缸往复泵曲柄初相角布置方案的优化设计方法；通过对流量波动和断流时间的讨论，得出了最优三初相角组合方案；对最优三初相角进行组合布置并考虑曲轴旋转，得出了基本布置方案，从而避开了对5040种方案的讨论，并根据曲轴弯矩得到四种最优方案，使得断流时间、流量波动及曲轴弯矩等均达到了最优结果。通过曲柄初相角布置方案的优化设计，有效地降低了吸入管各断面断流时间及液流波动幅值，从而降低了惯性水头、减轻了管路沉沙现象，并降低了曲轴弯矩，提高了七缸泵的使用寿命及工作可靠性，为七缸往复泵其他方面的研究奠定了基础。
一种七缸往复泵曲轴上曲柄初相角的优化布置方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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