低溫活塞泵的設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

低溫活塞泵的設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,低溫,活塞,設(shè)計,cad,圖紙,說明書,仿單 SY-025-BY-2 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 學生姓名 系部 機電工程系 專業(yè)、班級 指導教師姓名 職稱 從事 專業(yè) 是否外聘 □是□否 題目名稱 低溫活塞泵的設(shè)計 一、設(shè)計目的、意義 1、設(shè)計目的： 通過這次畢業(yè)設(shè)計，進一步增強對低溫活塞泵的理解，同時也能熟悉常用液壓設(shè)備的工作原理與特點、設(shè)備結(jié)構(gòu)和使用性能，以及活塞泵設(shè)計中各系統(tǒng)的具體設(shè)計工作過程，掌握機械設(shè)計及校核的一般方法，提高了設(shè)計能力和水平。 2、設(shè)計意義： 這次設(shè)計的低溫活塞泵，操作簡單，保持長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，容易達到最高輸送壓力。流量從小到大調(diào)節(jié)，實用效率高，由于應(yīng)用活塞泵的資源開發(fā)、石油化工及其它化工、重型機器制造、造紙、食品、醫(yī)藥、化學分析等各行業(yè)的發(fā)展需要，對活塞泵的需求日益增加,因此它將會有一個廣闊的前景。 二、設(shè)計內(nèi)容、技術(shù)要求（研究方法） 本課題以低溫活塞泵為設(shè)計對象，按以下要求進行設(shè)計： 1. 方案的確定與整體設(shè)計，包括設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇及電動機的選擇； 2. 液力端的設(shè)計，主要是活塞、吸入排出閥和缸體的結(jié)構(gòu)設(shè)計； 3. 傳動端的設(shè)計，包括曲軸、連桿、十字頭、皮帶等部件的設(shè)計； 4. 利用二維繪圖軟件CAD進行裝配圖與零件圖的繪制。 5. 設(shè)計參數(shù)如下: 結(jié)構(gòu)形式： 臥式活塞泵 工作介質(zhì)： 液氧（液氮、液氬） 泵的吸入壓力： 過冷度要求： 8℃ 泵的排出壓力： 允許22Mpa 泵的排出溫度： -182℃ 流量： 190 L/h 可調(diào)范圍： 70～200 L/h 三、設(shè)計完成后應(yīng)提交的成果 （一） 計算說明部分 設(shè)計說明書按照黑龍江工程學院的有關(guān)規(guī)定寫成，字數(shù)在1.5萬字以上。 （二） 圖紙部分 裝配圖2A0圖紙，零件圖2A0圖紙。 四、設(shè)計進度安排 第1～第4周: 查閱資料,方案的比較與確定,以及課題設(shè)計參數(shù)的確定； 第5～第8周: 方案的設(shè)計與泵的液力端和傳動端的設(shè)計； 第9～第10周： 傳動端零件的設(shè)計(連桿、十字頭、皮帶及皮帶輪)； 第11～第13周： 零件圖的繪制； 第14～第15周： 裝配圖的繪制和設(shè)計說明書的整理與補充。 五、主要參考資料 [1]朱俊華.往復(fù)泵及其它類型泵[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982. [2]朱俊華，戰(zhàn)長松.往復(fù)泵[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992. [3]I.J.卡拉?？说萚美].泵手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1983. [4]桅原滋美[日]，孫尚勇譯.泵及其應(yīng)用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1984. [5]沈?qū)W海.鉆井往復(fù)泵原理及其設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1990. [6] 成大先.機械設(shè)計手冊單行本[M]. 潤滑與密封.聯(lián)結(jié)與緊固.機械制圖.極限與配合.化學工業(yè)出版社，2004 [7]王之棟，王大康.機械設(shè)計綜合課程設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003. [8]濮良貴，紀明剛.機械設(shè)計[M].北京：高等教育出版社，2001 [9]范光榮.往復(fù)式低溫活塞泵[J].低溫工程，1989(2):35-38 六、備注 指導教師簽字： 年 月 日 教研室主任簽字： 年 月 日 第1章 緒 論 1.1 本課題研究目的、背景和意義 近幾年來，國內(nèi)外泵業(yè)已向大型化、高速化、機電儀一體化、高技術(shù)、高可靠性、長壽命和監(jiān)控自控等方面發(fā)展。當前，對泵的可靠性、壽命和監(jiān)控自控等方面發(fā)展。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，泵輸送固態(tài)物質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，如污水污物、泥漿紙漿、灰渣、糧食淀粉、甜菜水果、魚蝦貝殼，等等。 　 目前一些大量技術(shù)含量較低的泵在國內(nèi)市場上競爭激烈，并漸趨飽和，而一些技術(shù)含量較高、特殊用途、特殊材質(zhì)的各類特種泵發(fā)展前景廣闊。產(chǎn)品重點發(fā)展為超臨界火電機組配套用鍋爐給水泵、空冷火力發(fā)電機組用泵、核電站用泵，逐步填補油田、海上采油、煉油和油品、石化等方面的特殊用泵空白。 但是我們與國外的動態(tài)差距并沒有縮小，形勢不容樂觀。與西方泵業(yè)相比，我國泵業(yè)有兩方面的優(yōu)勢。首先，低成本是中國泵業(yè)的競爭優(yōu)勢。中國勞動力的工資水平比西方平均每天少3美元。大多數(shù)企業(yè)從其他地方的農(nóng)村招募工人，廠房就是工人的宿舍，以減少成本。企業(yè)租賃廠房或建設(shè)廠房的費用也比在西方國家建廠低。再有，中國建筑、石油、石化、環(huán)保市場高速增長和重大調(diào)水工程也為中國泵業(yè)的發(fā)展提供了重要支撐?？梢哉f，中國持續(xù)增長的市場空間是中國泵業(yè)保持優(yōu)勢的先決條件。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況及發(fā)展前景 　 在國外的半導體、液晶顯示及光學薄膜等領(lǐng)域，大多采用低溫泵作為主泵。低溫泵工作壓力范圍寬、抽速大、清潔無油、無運動部件，并能抽除有毒有害氣體，特別對水蒸汽又有很高的抽氣能力，對于制備高質(zhì)量的薄膜非常有利。在美國電子行業(yè)78%都是使用低溫泵，而其中大規(guī)模集成電路生產(chǎn)幾乎全部使用低溫泵，所以國外生產(chǎn)低溫泵廠家很多，并已形成完整系列。目前國外知名低溫廠家有合資企業(yè)及國外企業(yè)如美國普萊克斯、APCI、英國BOC等。 據(jù)美國《金融時報》報道，97年國際泵業(yè)市場總銷售額為264億美元（約2156人民幣），美國、日本、德國居泵業(yè)市場領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計分析，國際泵業(yè)市場產(chǎn)值年均增長率為7.5%，國外泵類產(chǎn)品的發(fā)展日新月異，高新技術(shù)和特種泵產(chǎn)品不斷投放市場。 在我國據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，96年全國鄉(xiāng)及鄉(xiāng)以上獨立核算的泵生產(chǎn)廠共1459家，其中國有企業(yè)296家。從事低溫泵生產(chǎn)的著名合資企業(yè)有杭州布朗、大連JCI、島津香港公司等，國內(nèi)大型知名企業(yè)如北京天海、上海亞聯(lián)、四川空分、溫州瑞氣、蘇州制氧機等。 預(yù)計到2005年，工業(yè)泵工業(yè)總產(chǎn)值將達到150億元，可實現(xiàn)銷售收入160億元，是1998年的125%。其中，工業(yè)總產(chǎn)值“十五”期間年增長率為5%；2010年，工業(yè)泵行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值預(yù)計達到180億元，銷售收入達190億元，是2000年的150%。行業(yè)經(jīng)濟效益將得到明顯的提高?！　? 1.3 泵的概述 1.3.1泵的發(fā)展史 泵是輸送液體或使液體增壓的機械，它將原動機的機械能或其它外部能量傳送給液體，使液體能量增加。泵主要用來輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。 ??? 水的提升對于人類生活和生產(chǎn)都十分重要。古代就已有各種提水器具，例如埃及的鏈泵(公元前17世紀)，中國的桔槔(公元前17世紀)、轆轤(公元前11世紀)和水車(公元1世紀)。比較著名的還有公元前三世紀，阿基米德發(fā)明的螺旋桿，可以平穩(wěn)連續(xù)地將水提至幾米高處，其原理仍為現(xiàn)代螺桿泵所利用。 ??? 公元前200年左右，古希臘工匠克特西比烏斯發(fā)明的滅火泵是一種最原始的活塞泵，已具備典型活塞泵的主要元件，但活塞泵只是在出現(xiàn)了蒸汽機之后才得到迅速發(fā)展。 ??? 1840年～1850年，美國沃辛頓發(fā)明泵缸和蒸汽缸對置的、蒸汽直接作用的活塞泵，標志著現(xiàn)代活塞泵的形成。19世紀是活塞泵發(fā)展的高潮時期，當時已用于水壓機等多種機械中。然而隨著需水量的劇增，從20世紀20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐漸被高速的離心泵和回轉(zhuǎn)泵所代替。但是在高壓小流量領(lǐng)域往復(fù)泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵獨具優(yōu)點，應(yīng)用日益增多。 ??? 回轉(zhuǎn)泵的出現(xiàn)與工業(yè)上對液體輸送的要求日益多樣化有關(guān)。早在1588年就有了關(guān)于四葉片滑片泵的記載，以后陸續(xù)出現(xiàn)了其他各種回轉(zhuǎn)泵，但直到19世紀回轉(zhuǎn)泵仍存在泄漏大、磨損大和效率低等缺點。20世紀初，人們解決了轉(zhuǎn)子潤滑和密封等問題，并采用高速電動機驅(qū)動，適合較高壓力、中小流量和各種粘性液體的回轉(zhuǎn)泵才得到迅速發(fā)展。回轉(zhuǎn)泵的類型和適宜輸送的液體種類之多為其它各類泵所不及。 ??? 利用離心力輸水的想法最早出現(xiàn)在列奧納多·達芬奇所作的草圖中。1689年，法國物理學家帕潘發(fā)明了四葉片葉輪的蝸殼離心泵。但更接近于現(xiàn)代離心泵的，則是1818年在美國出現(xiàn)的具有徑向直葉片、半開式雙吸葉輪和蝸殼的所謂馬薩諸塞泵。1851～1875年，帶有導葉的多級離心泵相繼被發(fā)明，使得發(fā)展高揚程離心泵成為可能。 盡管早在1754年，瑞士數(shù)學家歐拉就提出了葉輪式水力機械的基本方程式，奠定了離心泵設(shè)計的理論基礎(chǔ)，但直到19世紀末，高速電動機的發(fā)明使離心泵獲得理想動力源之后，它的優(yōu)越性才得以充分發(fā)揮。在英國的雷諾和德國的普夫萊德雷爾等許多學者的理論研究和實踐的基礎(chǔ)上，離心泵的效率大大提高，它的性能范圍和使用領(lǐng)域也日益擴大，已成為現(xiàn)代應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的泵。 隨著離心泵、轉(zhuǎn)子泵等的發(fā)展，它們在許多應(yīng)用領(lǐng)域取代了往復(fù)泵。受此影響，往復(fù)泵的技術(shù)基礎(chǔ)理論和設(shè)計、制造技術(shù)的研究發(fā)展工作長期停滯不前。 但是往復(fù)泵所具有的一些性能上的特點和優(yōu)點是其他類型泵無法比擬的。因而它的應(yīng)用也不可被取代。除了上面提到的在泵壓變化的條件下可實現(xiàn)排量恒定外，還有能在嚴格條件下泵送特種介質(zhì)（腐蝕性、磨礪性、高粘度、高密度、高溫等），效率高，排出壓力高等特點。這些特點決定了往復(fù)泵在下列領(lǐng)域保留它的應(yīng)用： (1)在化工廠中用泵傳送特種介質(zhì)； (2)用于礦業(yè)生產(chǎn)中輸送煤漿、金屬礦漿等，包括遠距離輸送作業(yè)； (3)用于石油、天然氣礦場的鉆井、固井、壓裂、注水等作業(yè)； (4)石化、藥品、食品等生產(chǎn)流程中的配料計量泵； (5)為水壓機等鍛壓機提供動力的高壓液壓泵。 1.3.2泵的分類 泵通常按工作原理分為容積式泵、動力式泵和其他類型泵，如射流泵、水錘泵、電磁泵、氣體升液泵。泵除了按工作原理分類外，還可按其它方法分類和命名。例如，按驅(qū)動方法可分為電動泵和水輪泵等；按結(jié)構(gòu)可分為單級泵和多級泵；按用途可分為鍋爐給水泵和計量泵等；按輸送液體的性質(zhì)可分為水泵、油泵和泥漿泵等。 ??? 容積式泵是依靠工作元件在泵缸內(nèi)作往復(fù)或回轉(zhuǎn)運動，使工作容積交替地增大和縮小，以實現(xiàn)液體的吸入和排出。工作元件作往復(fù)運動的容積式泵稱為往復(fù)泵，作回轉(zhuǎn)運動的稱為回轉(zhuǎn)泵。容積式泵在一定轉(zhuǎn)速或往復(fù)次數(shù)下的流量是一定的,幾乎不隨壓力而改變，總的來說，容積泵的效率高于動力式泵。 ??? 動力式泵靠快速旋轉(zhuǎn)的葉輪對液體的作用力，將機械能傳遞給液體,使其動能和壓力能增加，然后再通過泵缸，將大部分動能轉(zhuǎn)換為壓力能來實現(xiàn)輸送。動力式泵又稱葉輪式泵或葉片式泵。離心泵是最常見的動力式泵。 ??? 動力式泵在一定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的揚程有一限定值,揚程隨流量而改變；工作穩(wěn)定，輸送連續(xù)，流量和壓力無脈動；一般無自吸能力，需要將泵先灌滿液體或?qū)⒐苈烦槌烧婵蘸蟛拍荛_始工作；適用性能范圍廣；適宜輸送粘度很小的清潔液體，特殊設(shè)計的泵可輸送泥漿、污水或水融固體物。動力式泵主要用于給水、排水、灌溉、流程液體輸送、電站蓄能、液壓傳動和船舶噴射推進等。 ??? 其他類型的泵是指以另外的方式傳遞能量的一類泵。例如射流泵是依靠高速噴射出的工作流體，將需要輸送的流體吸入泵內(nèi)，并通過兩種流體混合進行動量交換來傳遞能量；水錘泵是利用流動中的水被突然制動時產(chǎn)生的能量，使其中的一部分水壓升到一定高度；電磁泵是使通電的液態(tài)金屬在電磁力作用下，產(chǎn)生流動而實現(xiàn)輸送；氣體升液泵通過導管將壓縮空氣或其它壓縮氣體送至液體的最底層處，使之形成較液體輕的氣液混合流體，再借助管外液體的壓力將混合流體壓升上來。 1.3.3低溫活塞泵 1、往復(fù)泵 圖1.1往復(fù)泵的應(yīng)用范圍 往復(fù)泵是一種發(fā)展較早的動力之一。它適用于輸送流量較小，壓力較高的各種介質(zhì)，如低粘度、高粘度、腐蝕性、易燃易爆、劇毒等各種液體。特別適合流量小于100m3/h，排出壓力大于9.81MPa時，更加顯示出它有較高的效率和良好的運行性能。而且往復(fù)泵有良好的自吸能力，即泵在一定的安裝高度下，不需要灌泵就可以在規(guī)定時間內(nèi)啟動并達到正常工作狀態(tài)。還有往復(fù)泵的效率較高 因此直到目前為止，仍廣泛用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中。通常往復(fù)泵的應(yīng)用范圍如圖1.1所示。 往復(fù)泵在各種應(yīng)用場合中，不但所要求的排量、壓力、功率和驅(qū)動、傳動型式相差甚遠，而且為適應(yīng)各種不同的特種介質(zhì)和性能要求，泵的液力端結(jié)構(gòu)設(shè)計差別很大。從這個意義上來說，往復(fù)泵在今日已不再是一種“通用機械”了。在往復(fù)泵的研究和開發(fā)工作中也應(yīng)充分注意這一特點。 在上世紀后半葉，由于應(yīng)用往復(fù)泵的資源開發(fā)、石油化工及其它化工、重型機器制造、造紙、食品、醫(yī)藥、化學分析等各行業(yè)的發(fā)展需要，對往復(fù)泵的需求日益增加，往復(fù)泵的基礎(chǔ)理論研究和新產(chǎn)品開發(fā)工作受到了一定程度的重視，對往復(fù)泵提出了更高的要求。 在今后研究工作中應(yīng)特別注意以下問題： 針對往復(fù)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高的特點，要努力提高各類往復(fù)泵的標準化和通用化水平。模塊化設(shè)計是一個方向，即以最少數(shù)量的液力端和傳動端的模塊組合成適應(yīng)范圍極廣的變型產(chǎn)品。還可以用同一尺寸的液力端改變材料后適應(yīng)不同的介質(zhì)和壓力，相同的傳動端并聯(lián)成不同缸數(shù)的泵等等。 在提高標準化和通用化程度的基礎(chǔ)上，普及CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用，加強可靠性的研究。提高曲軸、缸體、泵殼等復(fù)雜形狀零部件的設(shè)計、工藝水平，提高軸承、密封件等基礎(chǔ)元件的質(zhì)量，提高裝配工藝水平。還應(yīng)指出，往復(fù)泵多用來泵送特種介質(zhì)，因此，重視液力端水力過程機制的研究及其零件失效原因的研究，提高零件的使用壽命，減少停機修理時間，也是進一步發(fā)揮往復(fù)泵特長的重要課題。 2、低溫活塞泵方案比較 本次課題低溫活塞泵屬于往復(fù)泵中的一種。低溫活塞泵是種低溫液化分離設(shè)備輸送高壓液體的專用機械，如在空分設(shè)備、石油化工、核工業(yè)、電訊工程以及深冷技術(shù)研究事業(yè)等領(lǐng)域，低溫活塞泵都有其不可取代的地位。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，液氫、液氧等推進劑獲得進一步的應(yīng)用。大型運載火箭低溫推進劑的加注量和加注速度往往是很大的，在這種情況下，采用泵加注加壓具有明顯的優(yōu)越性。 低溫活塞泵按其結(jié)構(gòu)來分又可分為立式和臥式兩種。立式活塞泵占地面積小，但是它所產(chǎn)生的噪音大，運行中對泵的沖擊大，故其運動部位磨損比較重。臥式活塞泵結(jié)構(gòu)緊湊，具有高可靠性，更因其產(chǎn)生的噪音比立式的小，所以本次課題采用臥式活塞泵。 由于工藝流程設(shè)計的不同，所要求配備有相應(yīng)的液體（液氧、液氮、液氬、液氫、乙烯、甲烷等）輸送泵，用來循環(huán)液體或從貯槽中抽送液體。經(jīng)汽化后在規(guī)定壓力下輸送給用戶或進行充灌鋼瓶。在這方面低溫活塞泵顯示出其特有的優(yōu)點，它結(jié)構(gòu)新，體積小，重量輕，壓力、流量任意調(diào)節(jié)，使用壽命長，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作維護極為方便，在低溫工程領(lǐng)域中，被廣泛采用。由于應(yīng)用場合和處理液體介質(zhì)不同，要求抽送低溫液體活塞泵與之相匹配。在-270攝氏度惡劣條件下，能經(jīng)受住長期穩(wěn)定正常工作。這是區(qū)別于其它常溫泵的唯一不同的要求。因而結(jié)構(gòu)設(shè)計特異，品種規(guī)格繁多，有單列、雙列、多列之分，但它們的零部件為一律式。低溫液化氣體特性見表1.1。 表1.1低溫液化氣體的特性 氧 O2 1.14 1.95 -18 氮 N2 0.812 1.70 -19 氬 Ar 1.40033 3.70 -18 甲 烷 CH4 0.42 0.97 -16 乙 烷 C2H4 0.5699 1.82 -10 氫 H2 0.0708 0.12 -25 氦 He 0.124 0.032 -26 水(+4℃) H2O 1.00 15.6 +10 注：表中列出了水在4°C時的物質(zhì)特性常數(shù)以供對比 液化氣體幾乎總是在接近沸點時輸送。因此，低溫活塞泵的操作溫度約在-70°C～-269°C之間。然而不僅僅是這樣，低的操作溫度迫使對泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計采取一定特殊措施。這些液化氣體的蒸發(fā)熱也極不一致，同樣也得引起注意。 低溫活塞泵的主要特點是： (1)低溫活塞泵的主要優(yōu)點是操作簡單，保持長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，容易達到最高輸送壓力。流量從小到大調(diào)節(jié)，實用效率高。 (2)低溫活塞泵最常用的是作灌沖泵使用，能代替活塞式壓縮機，將低溫液化氣體從一只貯槽中放出時是無壓力或壓力很低的，經(jīng)過活塞泵升高壓力，將液態(tài)輸送進一只蒸發(fā)器，進行汽化并沖灌注鋼瓶。這種方法主要用于氧、氮、氬等之類液化氣體。鋼瓶的沖灌壓力通常在15MP左右。使用的低溫活塞泵大多利用電控裝置全自動。 (3)如果活塞泵作為工藝流程用泵或配料用泵在調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)使用，那么對活塞泵的要求就特別復(fù)雜。泵的流量應(yīng)當是完全可調(diào)式的。根據(jù)操作條件要求有手控或遙控，但多種情況下都是自動調(diào)節(jié)的。根據(jù)壓力、溫度、流量的要求變化，例如化工、石油化工設(shè)備使用。輸送介質(zhì)乙烯、甲烷之類，也有氧化氮。流量及壓力是由工藝流程確定的，活塞泵大多配套使用，在一定類型的空分裝置中，低溫活塞泵同樣作為工藝流程用泵，主要輸送液氧、液氮、液氬。 (4)低溫活塞泵也有用作于管道泵使用，將低溫液化氣體從一臺貯槽中輸送到幾公里以外的用戶那里去。這種輸送介質(zhì)幾乎只有碳氫化合物。在移動式高壓制氧車上同樣采用低溫活塞泵。 結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般問題 低溫液體泵是在極低溫下工作，為保證其正常、可靠地運轉(zhuǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮以下幾方面問題。 (1)結(jié)構(gòu)的均勻性和對稱性，可保證低溫工作的零部件冷縮均勻性。 (2)泵的進出口管路必須采用金屬波紋補償器，可避免熱脹冷縮引起管路拉裂。 (3)常溫區(qū)和低溫區(qū)之間聯(lián)結(jié)零件應(yīng)選擇導熱率低的材料制造，可減少到熱損失。 (4)為減少液體的汽化損失和縮短啟動時間，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上必須盡量減少低溫區(qū)工作零部件的熱容量。 (5)對于低溫工作且有相對運動的零件，當選擇材料時必須注意它們之間線膨脹系數(shù)的匹配。盡可能選擇線膨脹系數(shù)相近或相同的材料。一般來說包絡(luò)零件的線膨脹系數(shù)需小于或等于被包絡(luò)零件的線膨脹系數(shù)。這樣可以防止卡死（咬?。┈F(xiàn)象。 (6)對于低溫工作下的重要零件，特別對那些有相對運動的，而且配合要求很嚴的零部件必須在最后精加工之前進行深冷處理。這種處理時的溫度一般應(yīng)等于或低于零件的工作溫度。處理時間一般達4小時左右，一定將零件內(nèi)部中心區(qū)冷透。 第2章 低溫活塞泵的整體設(shè)計 2.1 方案設(shè)計 本設(shè)計采用往復(fù)泵，它適用于輸送流量小，壓力較高的各種介質(zhì)，并且有較高的效率、卓越的運行性能和良好的自吸能力。低溫活塞泵屬于往復(fù)泵中的一種，是種低溫液化分離設(shè)備輸送高壓液體的專用機械，如在空分設(shè)備、石油化工、核工業(yè)、電訊工程以及深冷技術(shù)研究事業(yè)等領(lǐng)域，低溫活塞泵都有其不可取代的地位。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，液氫、液氧等推進劑獲得進一步的應(yīng)用。大型運載火箭低溫推進劑的加注量和加注速度往往是很大的，在這種情況下，采用泵加注加壓具有明顯的優(yōu)越性。 在設(shè)計方面的要求： (1)一方面要求向小流量、微流量和高壓、超高壓領(lǐng)域發(fā)展。另一方面也向高壓大流量、大功率方向發(fā)展。 (2)要求往復(fù)泵的體積小，重量輕，壽命長，這主要是提高往復(fù)泵的轉(zhuǎn)速即解決提高轉(zhuǎn)速后出現(xiàn)的各種問題。 (3)要求往復(fù)泵更好的適應(yīng)各種介質(zhì)的性質(zhì)和狀況。 (4)發(fā)展新品種。 2.2 參數(shù)選擇 低溫活塞泵的總體設(shè)計原則是使往復(fù)泵應(yīng)有足夠長的使用壽命和運轉(zhuǎn)的可靠性，具有較高的運轉(zhuǎn)經(jīng)濟性，盡可能地采用新結(jié)構(gòu)，新材料，新技術(shù)和新工藝，提高產(chǎn)品的三化程度且泵的使用維修方便，體積和重量盡可能小。 泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇應(yīng)滿足往復(fù)泵性能參數(shù)的要求，從泵的性能可知，一般泵的流量與排出壓力無關(guān)。主要取決于泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，而泵的排出壓力取決于裝置特性和結(jié)構(gòu)強度、液力端的密封質(zhì)量及電動機的額定功率有關(guān)。 2.2.1 設(shè)計參數(shù) 低溫活塞泵的主要設(shè)計參數(shù)是泵設(shè)計中的主要參考，關(guān)系到泵的實際工作質(zhì)量，影響泵結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料的選擇?，F(xiàn)分別介紹如下： 1、 流量 液體流動時，單位時間內(nèi)流過任一過流斷面的液體的體積成為流量。若任一過流斷面的面積為A,平均流速為v，則有 Q=vA （2.1） 2、排出壓力 活塞泵排出壓力是指泵出口處的液體壓力，在有些樣本和技術(shù)文件中規(guī)定的排出壓力是指最大的排出壓力。在實際應(yīng)用中，必須使排出壓力小于額定的排出壓力。 3、吸入壓力 活塞泵吸入壓力是指泵入口處的液體壓力。 4、結(jié)構(gòu)形式 活塞泵的結(jié)構(gòu)形式大體上可以分為兩種，即臥式泵和立式泵。 5、工作介質(zhì) 工作介質(zhì)是活塞泵中的活塞等零件工作的工作環(huán)境，即其所傳輸?shù)哪繕恕? 6、泵的排出溫度 排出溫度是活塞泵所排出液體的溫度，要求低于該物質(zhì)的沸點。 泵設(shè)計參數(shù)的具體數(shù)據(jù)如表2.1。 表2.1 泵的設(shè)計參數(shù) 結(jié)構(gòu)形式 臥式活塞泵 工作介質(zhì) 液氧（液氮、液氬） 泵的吸入壓力 MPa 過冷度要求 8℃ 泵的排出壓力 MPa 允許22 MPa 泵的排出溫度 -182℃ 流量 190 L/h 可調(diào)范圍 70～200 L/h 2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù) 1、活塞平均速度Vm的選擇 Vm的選擇要合適，較大會使摩擦副的磨損加快，引起泄漏加快，流量下降，使排出壓力達不到額定的值，平均速度Um的值過大會使吸入管路內(nèi)的慣性水頭增加，使吸入性能變壞。而Vm選得過小會相應(yīng)的使活塞直徑D增大，使液力端的徑向尺寸增加，相應(yīng)零部件尺寸、總體尺寸和重量都要增大。所以活塞平均速度Vm的選擇對泵的性能有直接的影響。 2、活塞直徑D的計算 據(jù)公式 D= （2.2） 其中 Q——流量，190 L/h； z——液缸數(shù)，z=1； k——作用數(shù)，k=1； τ——排擠系數(shù)，=0.15； α——流量系數(shù)，α=0.90。 代入公式得 D=22mm 3、計算行程比 （2.3） ψ在1.0～3.5范圍內(nèi)，尺寸方案合適。 (1)活塞往復(fù)次數(shù) 當往復(fù)次數(shù)增加，活塞的行程容積減小，即可減小活塞的直徑D或行程s。減小活塞直徑不僅可使液力端的徑向尺寸減小，同時可減小活塞力，也可使傳動端的受力和傳動端零部件的尺寸減小。 可見提高往復(fù)次數(shù)n對減小泵的總體尺寸和重量都很明顯，但提高往復(fù)次數(shù)受到許多因素的限制。如：隨著往復(fù)次數(shù)增加，損失增加，同時閥的阻力損失增加，使泵的吸入性能變壞；往復(fù)次數(shù)提高后，相應(yīng)零件的磨損要增加，降低易損件的壽命。 所以選 n=175～275 rpm (2)活塞行程 活塞行程和泵總長L的關(guān)系如下： L≈(8～16)s 可見減小行程后可大幅度地減小泵的總長度。 代入數(shù)據(jù)得 mm （2.4） (3)行程缸徑比 λ=0.909 2.3 驅(qū)動形式的選擇 2.3.1驅(qū)動的分類 驅(qū)動部分是低溫活塞泵系統(tǒng)的重要組成部分，低溫活塞泵常用的驅(qū)動形式主要分為機動泵、直動泵、手動泵三種基本類型。 1、 機動泵 用獨立的旋轉(zhuǎn)原動機驅(qū)動的泵稱為機動泵。機動泵通常由獨立旋轉(zhuǎn)的原動機、減速器、傳動端以及其他設(shè)備所組成。 機動泵的特點是： (1)順勢流量脈動、平均流量和往復(fù)次數(shù)、活塞行程和直徑有關(guān)。理論上和往復(fù)泵的排出壓力無關(guān)。 (2)往復(fù)泵的排出壓力與排除管路的阻力損失、排出端壓力、液力端的密封質(zhì)量有關(guān)。而排出壓力取決于往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)強度、液力端的密封質(zhì)量和原動機的額定功率。 (3)機動泵需要有一個將原動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)運動的傳動端，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格也較昂貴。 (4)電動往復(fù)泵的動力來源較方便，不像直動泵那樣需要另外配備鍋爐、氣源或液壓源。但在流量調(diào)節(jié)時必須配備變速原動機、變速機構(gòu)或采用改變活塞行程等方法來實現(xiàn)，不如直動泵方便。 (5)結(jié)構(gòu)變形容易，可以根據(jù)使用情況做成單缸、雙缸、多缸、雙作用、立式、臥式等各種型式。 2、 直動泵 液力端活塞與動力端活塞用同一活塞桿連接，動力端可以用有壓蒸汽、空氣、氣體或液體直接驅(qū)動活塞做往復(fù)運動的泵，稱為直接作用泵，或簡稱為直動泵。 直動泵通常由液力端、動力缸、配汽（液）機構(gòu)和其它輔助設(shè)備所組成。不需要獨立的原動機和減速機構(gòu)，直動泵根據(jù)所用動力介質(zhì)分為蒸汽直動泵、氣動直動泵和液壓直動泵等幾種。它們共同的特點是： (1)瞬時流量脈動小平均流量和直動泵的排出壓力、往復(fù)次數(shù)n、活塞行程s、活塞直徑D及活塞桿直徑d有關(guān)。在直動泵中，往復(fù)次數(shù)n或活塞泵平均速度一般來說不是一個恒定的值，特別是對蒸汽、氣動直動泵更為明顯，當排出壓力增加時，活塞平均速度或往復(fù)次數(shù)n隨之降低，平均流量也相應(yīng)減少。因此，直動泵不易過載，比較安全。同時當輸送介質(zhì)的粘度變化時，流量也隨之變化，粘度增加時，排出壓力增高而流量減小，仍能保持良好的吸入性能。 (2)直動泵往復(fù)次數(shù)n或活塞的平均速度和動力介質(zhì)的流量大小有關(guān)，即直動泵的流量取決于動力介質(zhì)的流量。因此，直動泵實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)容易，只要通過閥門控制動力介質(zhì)的流量，就可以調(diào)節(jié)泵的流量。 (3)直動泵活塞死點換向時慣性力很大，并隨往復(fù)次數(shù)增加而加大。通常直動泵的往復(fù)次數(shù)較低，大多在n=10～100之間。 (4)直動泵需要有壓動力介質(zhì)作為動力源，而造成有壓動力介質(zhì)需要專門的設(shè)備，因此，有關(guān)的設(shè)備較多。而且直動泵的動力介質(zhì)只能在活塞的排出行程時做功，在回程時，則不能利用已被壓縮的介質(zhì)做功，能量損失較大，動力介質(zhì)的壓力越高，損失也越大。 (5)直動泵作為高壓、超高壓、增壓泵時，其超載安全閥可設(shè)在低壓動力介質(zhì)管路系統(tǒng)上，比較安全。同時不會因原動機啟動或運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生火花而引起燃燒、爆炸等危險。 3、 手動泵 用人力操作杠桿機構(gòu)驅(qū)動活塞做往復(fù)運動的泵，通稱為手動泵。手動泵主要用在小型水壓試驗、噴灑農(nóng)藥設(shè)備等場合。 本次設(shè)計驅(qū)動形式選用原動機驅(qū)動，原動機選用電動機驅(qū)動。機械裝置的原動機應(yīng)按照其工作環(huán)境條件、機器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)的運動和動力參數(shù)要求選擇。原動機的類型主要有內(nèi)燃機、電動機、氣動和液壓件等。電動機是一種標準系列產(chǎn)品，它具有效率高、價格低、選用方便等特點。 2.3.2 驅(qū)動電機的選擇 電動機有直流電動機和交流電動機兩類。常用的交流電動機有三相異步電動機(或感應(yīng)電動機)和同步電動機.異步電動機結(jié)構(gòu)簡單,維護容易,運行可靠,價格便宜,具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性,因此,它是工業(yè)中使用最為廣泛的一種電動機. 1、機械傳動效率 輸入到泵軸上的功率要經(jīng)過曲柄連桿機構(gòu)、填料箱等各種傳動機構(gòu)及摩擦副，要消耗一部分功率。在這里取0.97。 2、泵的總效率 泵的總效率等于有效功率與軸功率N之比，即 （2.5） 取用 0.8。 3、泵的軸功率 輸入到泵軸上的功率 kW （2.6） 4、型號 Y系列三項異步電動機 JB/T 5271 5、電動機轉(zhuǎn)速 1440r/min 6、功率 4kW 2.4 本章小結(jié) 本章對低溫活塞泵的整體設(shè)計作了系統(tǒng)的分析和說明，詳細地介紹了驅(qū)動形式的選擇并詳盡的說明了設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與計算。 第3章 低溫活塞泵的液力端的設(shè)計 液力端是直接輸送液體，把機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，是介質(zhì)的過流部分。液力端包括液缸體、吸入閥、排出閥、活塞、填料箱及其密封等主要零部件。 3.1 液力端的結(jié)構(gòu)及工作原理 液力端包括液缸體、吸入閥、排出閥、活塞和缸套和填料箱及密封等主要零部件。往復(fù)泵液力端的結(jié)構(gòu)主要取決于液缸數(shù)、液缸的位置、作用數(shù)及吸入閥、排出閥的布置型式等。 3.1.1液力端結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則 (1)過流性好，水利損失少； (2)過流部分應(yīng)有利于氣體的排出，不允許有氣體滯留的死區(qū)； (3)余隙容積盡可能??； (4)易損件壽命長，拆裝方便； (5)加工工藝性好。 3.1.2 結(jié)構(gòu)及原理 低溫活塞泵的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，采用開路方法：活塞泵中的活塞不再是一個實心的活塞，而是一個空心的活塞，且液體將從活塞兩端同時進入，使活塞成為通路，也就是開路。把吸入閥置于活塞中，使得結(jié)構(gòu)緊湊，減小了液缸的尺寸和余隙容積。 在吸入行程中，十字頭通過中間桿帶動活塞向右移動，液缸a內(nèi)容積增大，壓力降低小于b中壓力，在壓力差的作用下克服吸入管路和吸入閥2的阻力損失，使吸入閥2遠離B口，B口打開，液體從C口進入活塞腔b中，再從B口通過2的邊槽充入液缸a內(nèi)。在排出行程中，十字頭帶動中間桿使活塞向左運動，液體被擠壓，液缸a中的液體壓力急劇增加，在這一壓力作用下，吸入閥2向右滑動，封住B口，而排出閥1被打開，液缸內(nèi)液體在壓力差作用下被排送到排出管路中去。 3.2 液力端的設(shè)計 3.2.1液力端材料的選取 由于介質(zhì)物性的決定，要滿足低溫環(huán)境下能長期工作，所有制造零件：泵缸（套）、活塞（柱塞）、環(huán)等材料在低溫下不發(fā)生脆性變化，仍能滿足機械性能。 對絕熱低溫部件，如泵缸、活塞體、環(huán)、活門等，在滿足強度前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計一定要輕巧，配合要適宜。低溫泵的過流部分與低溫流體相接觸。當泵低溫工作時，就必然對材料有所要求。一般金屬材料在低溫下冷脆，故不能選用。碳鋼的強 1.排出閥2.吸入閥3.活塞4.中間桿5.十字頭6.連桿7.曲軸 圖3.1 活塞泵工作原理圖 B C a B 3 5 2 1 7 6 4 b 度隨溫度的降低而降低，同時塑性也減小，且變得更脆。相反，鋁合金在低溫狀態(tài)下其強度會增加。能供選用的材料有奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅合金以及鎳合金等。凡與液氧接觸的主要零件材質(zhì)選定如下：泵殼體、液缸體為鋁合金，活塞桿等為奧氏體不銹鋼。目前已開發(fā)并成功地使用了較高強度的18/8奧氏體鋼，且奧氏體鋼在低溫下其基本性能保持不變。 考慮到在液氧低溫下材料收縮變形較大，為此上述零件在精加工前均在液氧中進行冷處理以使尺寸穩(wěn)定。有配合的部位均要考慮材料冷縮的協(xié)調(diào)性和低溫下工作時的合理間隙。此外，盡量使零件結(jié)構(gòu)上軸對稱。 低溫泵與其它普通泵一樣，都存在著汽蝕余量和汽蝕問題，但由于受低溫結(jié)構(gòu)材料和輸送液體特性等因素的影響，使得低溫泵還具有其特殊性。 3.2.2液缸體材料的選用與尺寸的確定 活塞在工作時，液缸體內(nèi)承受工作內(nèi)壓力；由于液缸體內(nèi)相關(guān)某些零件以及沖擊載荷的作用，使液缸壁內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力；活塞泵輸送低溫液體時，由于液缸壁內(nèi)外存有溫差，相應(yīng)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；且液缸內(nèi)流道中存在交叉點，在這些交叉點處存在局部應(yīng)力。為保證液缸體能正常安全工作，液缸體材料的選擇與壁厚大小的選取要合適。 1、缸體材料的選用 液缸體的毛坯采用鑄件，其重量輕，材料消耗少，機械加工量少且成本低。鑄件的組織不均勻和殘余應(yīng)力等缺陷應(yīng)通過熱處理或時效處理消除。為提高液缸體的疲勞強度，要對液缸體進行表面強化或涂保護層措施。 2、 液缸體主要尺寸的確定 由于液缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上液缸以內(nèi)液體壓力的脈動，使液缸體的受力復(fù)雜，給設(shè)計帶來較大的困難。我們把液缸體看成一個壓力容器，泵在工作時由于液缸體內(nèi)受工作內(nèi)壓力、壁內(nèi)產(chǎn)生的附加應(yīng)力、溫差應(yīng)力及應(yīng)力集中，這就對液缸體的強度有一定要求。液缸體鋼套壁厚為： （3.1） 式中δ——液缸體的壁厚； ——工作內(nèi)壓力，既排出壓力，=15.2 MPa； ——液缸體的內(nèi)半徑，11mm； [σ]——液缸體材料的許永應(yīng)力，泵缸材料鋁合金； c——考慮到所輸送介質(zhì)的腐蝕和由于鑄造造成的偏心的壁厚附加量，即腐蝕余量，c選取3mm； 得缸套計算壁厚6.4mm； 設(shè)計壁厚取 8mm； 氣缸外壁設(shè)計壓力=； 其外壁計算壁厚=5.2mm； 則 外壁設(shè)計壁厚=6mm。 3.3 密封及其它 3.3.1密封 密封是低溫泵研制的技術(shù)關(guān)鍵，它直接影響到泵的可靠性。其型式有填料式、機械密封和迷宮式等，本低溫泵采用的是填料式。 活塞與液缸體內(nèi)壁組成一對動密封，密封元件組裝在活塞上。此次設(shè)計選用脹緊式活塞。脹緊式活塞是靠裝配狀態(tài)活塞環(huán)對缸套內(nèi)壁的彈力實現(xiàn)密封的，磨損后可自行補償。這種結(jié)構(gòu)簡單，活塞環(huán)可更換，應(yīng)用廣泛?；钊麠U與中間桿連接處密封采用軟填料密封。 雖然采用多種方法對泵的液力端進行密封，但是仍會產(chǎn)生泄漏。 1、泄漏點主要有五處 (1)軸套與軸間的密封； (2)動環(huán)與軸套間的密封； (3)動、靜環(huán)間密封； (4)對靜環(huán)與靜環(huán)座間的密封； (5)密封端蓋與泵體間的密封。 2、產(chǎn)生泄漏時，一般為以下泄漏原因 (1)安裝靜試時泄漏。機械密封安裝調(diào)試好后，一般要進行靜試，觀察泄漏量。如泄漏量較小，多為動環(huán)或靜環(huán)密封圈存在問題；泄漏量較大時，則表明動、靜環(huán)摩擦副間存在問題。 (2)試運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的泄漏。泵用機械密封經(jīng)過靜試后，運轉(zhuǎn)時高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，會抑制介質(zhì)的泄漏。因此，試運轉(zhuǎn)時機械密封泄漏在排出軸間及端蓋密封失效后，基本上都是由于動、靜環(huán)摩擦副受破壞所致。 (3)引起摩擦副密封失效的因素主要有： l）操作中，因抽空、氣蝕、憋壓等異?，F(xiàn)象，引起較大的軸向力，使動、靜環(huán)接觸面分離； 2）對安裝機械密封時壓縮量過大，導致摩擦副端面嚴重磨損、擦傷； 3）動環(huán)密封圈過緊，彈簧無法調(diào)整動環(huán)的軸向浮動量； 4）靜環(huán)密封圈過松，當動環(huán)軸向浮動時，靜環(huán)脫離靜環(huán)座； 5）工作介質(zhì)中有顆粒狀物質(zhì)，運轉(zhuǎn)中進人摩擦副，探傷動、靜環(huán)密封端面； 6）設(shè)計選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質(zhì)冷縮性較大等。上述現(xiàn)象在試運轉(zhuǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)，有時可以通過適當調(diào)整靜環(huán)座等予以消除，但多數(shù)需要重新拆裝，更換密封。 由上述的原因可見，在出現(xiàn)泄漏時，要對密封進行改進。 3.3.2摩擦及潤滑 低溫活塞泵的摩擦顯然存在，就是程度不同而已，由于該設(shè)備以氣體為主，如果缸套活塞頻繁磨損，勢必影響設(shè)備的主要性能。尤其是高壓小流量更難以對付。因此活塞環(huán)（導向環(huán)）以及活塞桿的密封應(yīng)選用耐磨性好、摩擦系數(shù)小的聚四氟乙烯。經(jīng)多種配方用特定工藝處理研制而成。減小摩擦可采取了以下幾種方法： 1、提高液體的過冷度，保證活塞在缸套內(nèi)作運動時，有充分的液體加以潤滑，以減少缸套與活塞間的磨損。 2、改進密封結(jié)構(gòu)，在缸套活塞磨損到一定程度后，仍能靠一定的密封結(jié)構(gòu)繼續(xù)工作一段時間，延長缸套活塞的壽命。 3、改進泵的結(jié)構(gòu)，是缸套活塞工作時，缸套于活塞間產(chǎn)生液墊或氣墊，減少磨損。 低溫活塞泵由于工作性質(zhì)的決定，在運轉(zhuǎn)時其低溫部分不允許有潤滑油污染。因為： (1)多數(shù)潤滑劑在低溫時便應(yīng)失去其潤滑性能。 (2)輸送介質(zhì)不允許污染。 (3)輸送液氧為了安全起見，不允許使用潤滑劑。 3.3.3氣體回收及絕熱 眾所周知，用泵輸送液體，液體的溫度隨效率降低而升高，在一定情況下有可能發(fā)生兩相流，為此在設(shè)計上應(yīng)考慮氣體的排放問題。因液化氣體很昂貴，活塞泵工作時的漏損應(yīng)盡可能小。即使蒸發(fā)的液化氣體是以氣態(tài)回收的，但如此冷損依然很大。本設(shè)計回收氣體方法如圖3.1所示。 圖3.1回收氣體的方法 3.3.4絕熱 低溫泵輸送的介質(zhì)是低溫液化氣體，為減少低溫介質(zhì)損耗，泵的質(zhì)量應(yīng)盡可能小而且有適當?shù)谋亟^熱措施。而且使冷卻的量盡可能小些，它倆之間的溫差約300℃左右，應(yīng)有一定的措施將它傳熱隔離開來。 泵殼、吸入管道、排出管道等以聚氨酯發(fā)泡絕熱。 低溫活塞泵與周圍絕熱法 1、 絕熱對低溫活塞泵是十分必要的，特別對泵進口部分顯得尤其重要。但對不同絕熱方法的成本及效果也就不同，見表3.1。因此不同低溫泵就須選擇不同的絕熱方法。 對工作溫度很低的介質(zhì)，一般多采用粉末真空后多層絕熱。絕熱結(jié)構(gòu)必須把傳導熱和輻射熱減少到最小程度。 表3.1 不同絕熱方法比較 序號 絕熱方法 絕熱效果 重量 制造難易 要求真空度 穩(wěn)定性 附加熱容量 價格 1 氣泡材料 差 輕 易 良 大 極便宜 2 高真空 優(yōu)良 —— 難 1.3×10-4Pa 尚良 最小 較貴 3 粉末真空 良 輕 易 1.3×10-1Pa 良 大 便宜 4 粉末真空+金屬粉 優(yōu)良 重 難 1.3×10-1Pa 良 大 貴 5 保冷管襯 優(yōu)良 重 難 1.3×10-1Pa 良 較小 貴 6 多層絕熱 優(yōu)良 根輕 難 1.3×10-2Pa 優(yōu)良 小 貴 把傳導熱和輻射熱減少到最小程度。 3、對采用氣泡材料絕熱方法，其絕熱效果很大程度上取決于材料本身的導熱度和填裝密度與層厚，常見絕熱導熱材料如表3.2所示。 表3.2 絕熱材料導熱系數(shù) 材料名稱 λ(kJ/m2˙h˙℃) 材料名稱 λ(kJ/m2˙h˙℃) 聚苯乙烯泡沫塑料 0.09～0.0243(-160℃) 脲甲醛泡沫塑料 0.05～0.109(-196℃) 聚氯乙烯泡沫塑料 0.155～0.167(-200℃) 礦 渣 棉 0.155～0.188 碳酸鎂(γ=131kg/m3) 0.092(-150℃) 0.075(-200℃) 玻 璃 棉 0.01 珠光砂(γ=80kg/m3) 0.067～0.105 白 霜 13 3.4 本章小結(jié) 本章對低溫活塞泵液力端的基本結(jié)構(gòu)及工作原理作了系統(tǒng)的分析和說明，詳細地介紹了低溫活塞泵液力端的設(shè)計。 第4章 低溫活塞泵的傳動端設(shè)計 低溫活塞泵傳動端是泵中傳遞動力的部件，是將電動機的運動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動的部件。 4.1 傳動端的工作原理 傳動端其實就是帶有減速裝置的曲柄連桿機構(gòu)。如圖4.1所示 1.曲柄 2.連桿 3.十字頭 4.中間桿 5.活塞 圖4.1 曲柄連桿結(jié)構(gòu) 曲柄1以ω的角速度順時針旋轉(zhuǎn)時，當從A轉(zhuǎn)到B連桿2帶動十字頭3向右移動，使活塞5也向右移動，進入吸入行程；當從B到A時，進入排出行程。當曲柄以角速度ω不停的旋轉(zhuǎn)時，低溫活塞泵就不斷地吸入和排出液體。 4.2 傳動端的結(jié)構(gòu)設(shè)計 低溫活塞泵的傳動端主要包括有曲軸、連桿、十字頭、軸承、軸瓦等部件，且配有皮帶減速裝置。泵的傳動端在選擇和設(shè)計時，應(yīng)遵循的原則是： 1、傳動端的零部件必須滿足泵的強度和剛度的要求； 2、傳動端內(nèi)各運動副必須滿足比壓和pv值，且潤滑可靠； 3、在結(jié)構(gòu)和尺寸要求的允許范圍內(nèi)，應(yīng)力求減小徑長比λ，以減小十字頭出比壓和減小慣性水頭的影響，從而改善了泵閥的工作條件和泵的吸入性能； 4、合理選擇液缸中心線夾角、曲柄間錯角，力求使機組的慣性力和慣性力矩得到平衡，減輕對基礎(chǔ)的撓力載荷； 5、拆裝、檢修方便； 6、易損件及運動副應(yīng)工作可靠、壽命長； 7、加工工藝性好。 傳動端主要結(jié)構(gòu)如4.2圖所示： 1.連桿 2.曲軸箱 3.中間桿4.擋油傘 5.十字頭 6.十字頭銷7.十字頭襯套 8.曲軸 9.大帶輪 圖4.2 低溫活塞泵傳動端 除了本設(shè)計采用的曲柄連桿機構(gòu)，現(xiàn)在很多人都在關(guān)注其它結(jié)構(gòu)，如今凸輪機構(gòu)引起廣泛的關(guān)注。凸輪機構(gòu)運動規(guī)律是等加速-等速-等減速運動規(guī)律的組合，能實現(xiàn)恒流量輸出，無剛性沖擊的存在，無壓力波動，這是曲柄連桿機構(gòu)無法解決的問題。但凸輪機構(gòu)有柔性沖擊，加速度有突變，必然導致運動件慣性力突變，特別是轉(zhuǎn)速越高，突變幅度越大，柔性沖擊越嚴重，不宜做高速運動，需要進一步修正和改進運動規(guī)律。 4.3 曲軸的設(shè)計 曲軸是往復(fù)泵的重要運動件，它將電動機的功率經(jīng)連桿、十字頭傳給活塞，推動活塞作往復(fù)運動并做功。曲軸在工作時承受著周期性的交變載荷，是曲柄連桿機構(gòu)中最重要的受力零件。 曲軸的形式有：曲拐軸、曲柄軸、偏心輪軸及N型軸等幾種形式。本低溫活塞泵采用的是偏心輪軸，采用這種結(jié)構(gòu)，偏心輪為整體鑄或鍛件，心軸為簡支梁，主軸承安在心軸兩端。當偏心輪直徑大于主軸承軸徑時，連桿大頭可為整體結(jié)構(gòu)，連桿結(jié)構(gòu)可簡化。該傳動端可獲得較大的曲柄半徑。由于支撐在兩端，故液缸間距較小。 4.3.1曲軸主要尺寸的初步確定 曲軸的連桿軸頸直徑D可按經(jīng)驗公式得 （4.1） （4.2） 式中 ——最大活塞力，單位N； D——活塞直徑，單位mm； ——泵的最大排出壓力，單位N/㎡。 得 mm 主軸徑D選取為70mm 4.3.2曲軸強度校核 危險截面的選?。簩B桿軸徑校核力作用點截面；主軸頸校核主軸頸與連桿軸徑交接截面。 據(jù)彎矩、扭矩計算找出各危險截面相應(yīng)最大彎矩和最大扭矩值，作為強度計算的依據(jù)。 曲軸的載荷分析如圖4.3所示，從圖中可知C面是危險截面，需要進行強度校核。 軸所受扭矩： T=9550000=9550000=27477Nmm （4.3） 作用在偏心輪上的支反力： F=2T/d=T/r=17477/12=2290N （4.4） 彎矩： M=F×52/2=5953Nmm （4.5） 則危險截面上的計算應(yīng)力 MPa （4.6） 式中 α——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力，取1； W——抗彎截面系數(shù)，W≈0.1。 曲軸材料選用的是碳素鋼，經(jīng)計算，故安全。 a)軸的結(jié)構(gòu) b)計算簡圖 c)受力分析 d)彎矩圖 e)扭矩圖 f)合力矩圖 圖4.3 軸的載荷分析圖 W——抗彎截面系數(shù)，W≈0.1 曲軸材料選用的是碳素鋼，經(jīng)計算，故安全。 4.4 連桿的設(shè)計 連桿是曲柄連桿機構(gòu)中連接軸和十字頭的部件。 連桿體截面形狀有圓形、工字形、矩形和十字形。本設(shè)計選用的是鑄成的工字體形，其運動質(zhì)量小，即材料消耗最少，應(yīng)用廣泛。連桿大頭采用整體式結(jié)構(gòu)，其強度和剛度較好，工作可靠。 連桿小頭亦制成整體式。小頭與十字頭的連接選用銷連接。在連桿大頭和小頭上分別設(shè)計相應(yīng)的進油孔，利用甩油器實現(xiàn)飛濺潤滑。 4.4.1連桿體截面最小強度校核 連桿體與小頭聯(lián)接的過渡截面為最小截面，該截面可看作承受單純的拉伸或壓縮作用，其最大應(yīng)力 =40MPa≤[σ] （4.7） 式中 ——最大連桿力,單位：N ——連桿最小截面面積,單位：m； ——連桿體材料許用應(yīng)力,單位：MPa。 碳素鋼的=120 MPa，故安全。 4.4.2銷連接小頭強度校核 危險截面A-A的強度校核，如圖4.4所示。 按兩端自由支承在側(cè)壁重心點的梁受均布載荷的彎曲應(yīng)力和兩端固定支承在側(cè)壁重心點的梁受均布載荷的平均彎曲應(yīng)力計算，即 16MPa≤[σ] （4.8） 式中 F——最大作用力； l——兩端壁重心間距離，l=52mm； d——小頭襯套內(nèi)徑，d=44mm； ——截面A-A抗彎截面系數(shù)，=1200mm； ——許用應(yīng)力，碳素鋼=70MPa。 故安全。 危險截面B-B按彎曲和拉伸聯(lián)合作用進行強度校核： （4.9） 其中 （4.10） （4.11） 式中 ——截面B-B面積，mm； l——兩側(cè)壁重心間距離，l=52mm； ——截面B-B抗彎截面系數(shù)，等于； 合格。 連桿大頭校核方法同上，經(jīng)驗算，各危險截面均滿足強度要求，故合格。 圖4.4 危險截面強度校核 4.5 十字頭的設(shè)計 十字頭在滑道里作直線往復(fù)運動，起導向作用。它的作用是把連桿的搖擺運動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運動，把連桿傳來的機械能傳遞給活塞。獅子頭的材料要求具有一定的耐磨性，有一定的強度。本次設(shè)計采用的材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼中的45號鋼。 近年來發(fā)展起來一種新材質(zhì)即貝氏體球鐵。由于這種材質(zhì)具有較高的耐磨性能、強韌性能和耐腐蝕性能，因此被廣泛用作耐磨材料，尤其在濕磨條件下顯示出比普通耐磨鋼和高鉻鑄鐵更大的優(yōu)越性。鑄態(tài)貝氏體球鐵是通過加入適當?shù)暮辖鹪?，使球鐵在凝固后直接形成貝氏體組織。這種工藝的優(yōu)點是由于取消了淬火熱處理，特別適合于生產(chǎn)形狀復(fù)雜，不宜熱處理的鑄件，如泥漿泵殼等。但是由于具體性能和經(jīng)濟性等方面考慮未被選用。 十字頭與連桿小頭聯(lián)接選用銷連接，與活塞桿連接通過中間桿連接，且連接方法選用剛性連接，即圓柱螺紋連接。其優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，但由于十字頭與活塞桿承受交變載荷，會產(chǎn)生松動，故需要加鎖緊螺母以防松。 十字頭銷是連接十字頭與連桿小頭的連接件，承受交變載荷。因此要有足夠的強度和剛度。工作表面要有一定的硬度，使其在工作時變形小而耐腐蝕性好。 十字頭銷強度校核計算簡圖如下： 強度校核時，把十字頭銷看作是兩端自由支撐在銷孔座接觸部位中點的簡支梁，在連桿稱套長度上作用一均布載荷如圖4.5所示。在A-A截面上有最大彎曲應(yīng)力，在B-B截面處產(chǎn)生剪切。 圖4.5 十字頭銷計算簡圖 A-A截面處彎曲應(yīng)力較核： （4.12） ——最大活塞力，=8358N； d——十字頭銷直徑，d=40mm； ——空心銷孔徑，＝16mm； L——十字頭銷兩支撐點間距，L= 60mm； ——連桿小頭套襯長度，=32mm； [σ]——許用彎曲應(yīng)力，碳素鋼：[σ]=70MPa。 =15 MPa≤[σ]故安全。 B-B截面的剪切應(yīng)力： MPa （4.13） 式中[τ]——許用剪切應(yīng)力，碳素鋼[τ]=50Mpa，τ≤[τ]安全。 4.6皮帶及其它 4.6.1皮帶傳動設(shè)計 電動機與曲軸間用皮帶相連，以達到減速的目的。 在帶傳動中，常用的有平帶傳動、V帶傳動、多楔帶傳動和同步帶傳動等，V帶傳動應(yīng)用最廣。據(jù)槽面摩擦原理，在同樣的張緊力下，V帶傳動能產(chǎn)生較大的摩擦力，且V帶傳動允許的傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊。而且V帶多已標準化并大量生產(chǎn)，對于維修，更換方便。 帶傳動的主要失效形式即為打滑和帶的疲勞破壞。因此帶傳動的設(shè)計準則應(yīng)為：在保證帶傳動不打滑的條件下，具有一定疲勞強度和壽命。 1、 確定計算功率 得工作情況系數(shù)，故 kW （4.14） 2、確定帶輪基準直徑 得主動輪基準直徑 mm 從動輪基準直徑 mm （4.15） 取 mm 式中 ——傳動比 驗算帶的速度 （4.16） 帶的速度合適。 3、確定V帶的基準長度和傳動中心距 據(jù)，初步確定中心距450mm 計算帶所需的基準長度 mm （4.17） 選帶的基準長度 1600mm 計算實際中心距 mm （4.18） 4、 輪上的包角 （4.19） 主動輪上的包角合適。 5、計算V帶的根數(shù) （4.20） 由、mm、，得 kW kW 又因，，則 取根。 6、力 （4.21） 得，故 N 7、作用在軸上的壓軸力 N （4.22） 4.6.2其它 本次設(shè)計軸承選用的是調(diào)心滾子軸承，其能自動調(diào)心，且具有較大的徑向承載能力。 4.7 本章小節(jié) 本章對低溫活塞泵的傳動端的基本結(jié)構(gòu)和工作原理作了系統(tǒng)的分析和說明，詳細地介紹了曲軸、連桿、十字頭及傳動件皮帶輪的計算及對一些重要部件進行了強度校核。 結(jié) 論 往復(fù)泵是一種很古老的發(fā)明，它是把自然能轉(zhuǎn)變成有用功的最早發(fā)明，而且世界上泵的產(chǎn)量僅次于電機。隨著時代的變遷，泵在一些基礎(chǔ)行業(yè)仍煥發(fā)著魅力，在一些新的行業(yè)中也越來越活躍。這次設(shè)計使我對活塞泵有了新的認識。本論文結(jié)合理論與實踐，主要完成了以下幾方面的工作。 1、對泵的發(fā)展過程及低溫活塞泵的特點進行了詳細地介紹，并對其發(fā)展的未來進行了描述。 2、對低溫活塞泵的整體進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，選出符合設(shè)計要求的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)和電動機，為以下具體部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計做好充分的準備 3、對低溫活塞泵的主要部件進行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計和驗算。其中以活塞泵的液力端和傳動端為主。液力端中除了液缸體進行了主要分析和計算，還對液缸體中的密封、潤滑、活塞及桿件的摩擦、氣體的回收和絕熱等情況進行了深入地探討，對應(yīng)采取的措施也作了一定的介紹。在活塞泵的傳動端中，對傳動系統(tǒng)中的重要部件如：曲軸、十字頭等除了確定了尺寸還對他們進行了安全校核，使其具有一定的強度等。 通過本課題的研究發(fā)現(xiàn)，為進一步提高低溫活塞泵的性能，需要對其完善以下幾種功能： 1、對活塞泵的基本結(jié)構(gòu)的改進，使活塞泵在滿足性能的前提下結(jié)構(gòu)趨于簡單化，使泵的總體體積縮小；整機趨于標準化，可便于用戶的選用; 2、應(yīng)進一步加強研究液力端的密封、氣體回收等問題，進一步提高活塞泵的效率; 3、傳動結(jié)構(gòu)應(yīng)繼續(xù)改進，以進一步減小流量的脈動為努力方向。 參考文獻 [1]朱俊華.往復(fù)泵及其它類型泵[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982. 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