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發(fā)動機冷卻系水泵設(shè)計
[摘要]
隨著各式各樣的汽車類層出不窮，什么輕快敏捷的轎車，環(huán)城的公交車以及載貨跑長途的重型卡車等等。所有的車都有一個相同的特點，都必須有一個完整的冷卻系統(tǒng)，一般采用的方法都是通過發(fā)動機帶動水泵進行水循環(huán)進行冷卻，我們主要應(yīng)用離心泵，離心泵主要有流量，揚程，轉(zhuǎn)速，比轉(zhuǎn)數(shù)等基本參數(shù)。水泵的設(shè)計包括對其總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，葉輪的設(shè)計，渦室的設(shè)計，進出口管的設(shè)計及其他零件的設(shè)計。本次設(shè)計運用三維建模軟件——UG，對冷卻水泵的各個零部件進行建模，并完成最后的裝配設(shè)計。
[關(guān)鍵詞]
冷卻系統(tǒng)，離心泵，設(shè)計，UG
Engine cooling pump design
Abstract：
With the endless variety of car classes, what light and agile car, around the city by bus and heavy-duty trucks, and so laden long distances. All cars have the same characteristics.They must have a complete cooling system. Our general approach is driven by the engine cooling water pump for water circulation. Our main application centrifugal pumps, centrifugal pumps are flow, head rise, speed, and other basic parameters than the number of revolutions. Pump design includes its overall structural design, design of the impeller, the design of the vortex chamber, the design of inlet and outlet tubes and other parts of the design. Through this design, so I have a comprehensive understanding of the structure and working principle of centrifugal pumps as well as the emergence and operation of the process of using some of the problems that may arise.
Key words:
Cars，Cooling system，Centrifugal pumps，Design，UG
- II -
目 錄
目 錄 I
1.緒論 1
1.1泵的概述 1
1.1.1水泵的作用 1
1.1.2水泵的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 1
1.2離心泵的基本理論知識 2
1.2.1離心泵的主要零件 2
1.2.2離心泵的結(jié)構(gòu)形式 4
1.2.3離心泵的主要性能參數(shù) 6
1.2.4離心泵的汽蝕問題 8
2.冷卻水泵的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
2.1計算參數(shù)及要求和結(jié)構(gòu)形式的確定 11
2.2泵軸及其支承的設(shè)計計算 12
2.2.1泵軸設(shè)計計算 12
2.2.2軸承的選擇 14
3.冷卻水泵水力設(shè)計計算 16
3.1基本參數(shù) 16
3.2葉輪參數(shù)計算 16
3.3渦室參數(shù)計算 20
3.4進出水管參數(shù)計算 22
4.冷卻水泵主要通用零部件的選擇 24
4.1正確選用離心泵主要通用零部件的重要性 24
4.2軸封的選擇 24
4.2.1機械密封的優(yōu)缺點 25
4.2.2作用在密封面上的力 25
4.2.3密封面間的液膜 26
4.2.4機械密封的安裝 26
4.2.5機械密封的冷卻和沖洗 27
4.2.6機械密封的材料選擇 27
5.冷卻水泵的三維建模 29
5.1冷卻水泵各零件的建模 29
5.1.1葉輪的三維建模 29
5.1.2渦室的三維建模 32
5.1.3泵軸的三維建模 38
5.2冷卻水泵的裝配 41
6.結(jié)論 43
致謝 44
參考文獻 45
1.緒論
1.1泵的概述
1.1.1水泵的作用
隨著各式各樣的汽車類層出不窮，什么輕快敏捷的轎車，環(huán)城的公交車以及載貨跑長途的重型卡車等等。所有的車都有一個相同的特點，都必須有一個完整的冷卻系統(tǒng)，因為發(fā)動機轉(zhuǎn)動提供功率的同時，一定產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量，使機體降溫，當(dāng)溫度過高時就會影響機器的性能，必須將溫度降下來，一般采用的方法都是通過發(fā)動機帶動水泵進行水循環(huán)進行冷卻。那么水泵的功用就是對冷卻液加壓，保證其在冷卻循環(huán)中循環(huán)流動。
1.1.2水泵的基本結(jié)構(gòu)及工作原理
汽車發(fā)動機廣泛采用離心式水泵如下圖1.1。其基本結(jié)構(gòu)由水泵冷卻殼體，水泵軸及軸承，水泵葉輪和水封裝置等零件構(gòu)成。
圖1.1 冷卻水泵的示圖
發(fā)動機通過皮帶輪帶動水泵軸傳動，水泵軸帶動葉輪轉(zhuǎn)動，水泵中的冷卻液被葉輪帶動一起旋轉(zhuǎn)，并在離心力的作用下被甩向水泵殼體邊緣，同時產(chǎn)生一定的壓力，然后從出水管流出，在葉輪的中心處由于冷卻液被甩出而壓力下降，散熱器中的冷卻液在水泵進口與葉輪中心的壓差作用下經(jīng)水管流入葉輪，實現(xiàn)冷卻液的往復(fù)循環(huán)。
支撐水泵軸的軸承用潤滑脂潤滑，因此要防止冷卻液泄露到潤滑脂造成潤滑脂乳化，同時還要防止冷卻液的泄露，密封圈與軸通過過盈配合裝在葉輪與軸承之間，使密封座緊緊的靠在水泵的殼體上達到密封冷卻的目的。
水泵殼體上還有泄水孔，位于水封之前，一旦有冷卻液漏過水封，可從泄水孔泄出，以防止冷卻液進入軸承破壞軸承潤滑，如果發(fā)動機停止后仍有冷卻液漏出，則表明水封已經(jīng)損壞。
水泵的驅(qū)動一般由曲軸通過V帶驅(qū)動，傳動帶環(huán)繞在曲軸帶輪和水泵帶輪之間，曲軸一轉(zhuǎn)水泵也就跟著轉(zhuǎn)。
葉輪由鑄鐵或塑料制造，葉輪上通常有6～8個徑向直葉片或后彎葉片。水泵殼體由鑄鐵或鑄鋁制成，進、出水管與水泵殼體鑄成一體。
因為汽車發(fā)動機上的水泵是采用離心式的，所以設(shè)計時完全可以按照離心泵的設(shè)計方法來設(shè)計。
1.2離心泵的基本理論知識
離心泵依靠旋轉(zhuǎn)葉輪對液體的作用把原動機的機械能傳遞給液體。由于離心泵的作用液體從葉輪進口流向出口的過程中，其速度和壓力都能增加，被葉輪排出的液體經(jīng)過壓出室，大部分速度能轉(zhuǎn)換成壓力能，然后沿排出管路輸送出去，這是葉輪進口處因液體的排出而形成真空或低壓，吸水池中的液體在液面壓力（大氣壓）作用下，被壓入葉輪的進口，于是旋轉(zhuǎn)著的葉輪就連續(xù)不斷的吸入和排出液體。
流量在5—20000m/h，揚程在8—2800m的范圍內(nèi)，使用離心泵是比較合適的。因為在此性能范圍內(nèi)，離心泵具有轉(zhuǎn)速高，體積小，重量輕，效率高，流量大，結(jié)構(gòu)簡單，性能平穩(wěn)，容易操作和維修等優(yōu)點。國內(nèi)生產(chǎn)實踐表明，離心泵的產(chǎn)值是泵類產(chǎn)品中最高的。
離心泵有其長處，但也有其不足之處。離心水泵的實際使用效率低，還有實際使用時流量隨壓力而變，對轉(zhuǎn)速要求嚴(yán)格，單級揚程較低，啟動前泵內(nèi)要灌滿液體，而且液體黏度對泵性能也有很大影響，只能用于精度近似于水的液體，對于某一定流量的離心泵，有一個相應(yīng)的黏度極限，如果液體超過了這個黏度極限，泵的效率會迅速降低，甚至無法工作。
1.2.1離心泵的主要零件
離心泵結(jié)構(gòu)形式雖然很多，但是由于作用原理相同，所以零部件的形狀是相似的，其主要部件有以下幾種：
（1）葉輪
葉輪是將來自原動機的能量傳遞給液體的零件，液體流經(jīng)葉輪后能量增加，葉輪一般由前蓋板，后蓋板葉片和輪轂組成，這種葉輪叫閉式葉輪；如果葉輪沒有前蓋板就叫半開式葉輪，如圖1.2
（a)閉式葉輪 （b)半開式葉輪
圖1.2 葉輪
（2）吸入室
吸入室的作用是使液體以最小的損失均勻地進入葉輪。吸入室主要有三種結(jié)構(gòu)形式：錐形管吸入室，環(huán)形吸入室和半螺旋形吸入室。
（3）壓出室
壓出室的作用是以最小的損失，將從葉輪中流過的液體收集起，均勻地引至泵的吐出口或次級葉輪，在這個過程中，還將液體的一部分動能轉(zhuǎn)變成為壓力能。壓出室主要有以下幾種類型：螺旋形渦室，環(huán)形壓出室，徑向?qū)~、流道式導(dǎo)葉和扭曲葉片式導(dǎo)葉等。
離心泵的葉輪，吸入室，壓出室以及泵的吐出和吸入稱為泵的過流部件，過流部件形狀和材質(zhì)的好壞是影響泵的性能，效率和壽命的主要因素之一。
（4）密封環(huán)
由于葉輪旋轉(zhuǎn)時將能量傳遞給液體，所以在離心泵中形成了高壓區(qū)和低壓區(qū)，為了減少高壓區(qū)液體向低壓區(qū)流動，在泵體和葉輪上分別安裝了兩個密封環(huán)，裝在泵體上的叫泵體密封環(huán)，裝在葉輪上的叫葉輪密封環(huán)，常用密封環(huán)如圖1.3
（a）普通圓柱形 （b）迷宮型 （c）鋸齒形
圖1.3 密封環(huán)的形式
（5）軸封機構(gòu)
在泵軸伸出泵體外，旋轉(zhuǎn)的泵軸和固定的泵體之間有軸封機構(gòu)。離心泵的軸封機構(gòu)由兩個作用：減少有壓力的液體流出泵體外和防止空氣進入泵體內(nèi)。離心泵中常用的軸封機構(gòu)有四種結(jié)構(gòu)形式：有骨架的橡膠密封，填料密封，機械密封和浮動環(huán)密封等。
（6）軸向力平衡機構(gòu)
泵在運行中由于作用在轉(zhuǎn)子上的力不對稱就產(chǎn)生了軸向力，單級泵主要采用平衡孔或者平衡管來平衡軸向力；多級泵一般用平衡鼓或平衡盤平衡軸向力。
(7)皮帶輪
皮帶輪在水泵中是一個很重要的零部件，它主要的作用是帶動水泵的運轉(zhuǎn)，使水泵正常的工作。在這次的設(shè)計中，我使用的是梯形皮帶帶動方式，梯形橫截面鑲嵌在V型皮帶輪中，隨著皮帶輪的轉(zhuǎn)動，V型皮帶會被卡在皮帶輪中，從而通過強大的摩擦來傳遞動力，這樣設(shè)計的好處是運轉(zhuǎn)起來沒有噪音，而且便于更換。
(8)中心軸
中心軸與皮帶輪的帶動方式我采用的是銷子，固定方式則是螺母固定，這樣的帶動以及固定方式減少了對皮帶輪的加工，切削，有力的保證了皮帶輪堅固性，也加強了皮帶輪的安裝穩(wěn)定性，使水泵的運轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定以及可靠。
離心泵除了以上幾種主要零部件以外，還有泵軸，軸承體，托架，支架，聯(lián)軸器等主要零部件。
1.2.2離心泵的結(jié)構(gòu)形式
離心泵的結(jié)構(gòu)形式基本上可以按軸的位置分為臥式和立式兩大類，再根據(jù)壓出室形式，吸入方式和葉輪級數(shù)又分為：
泵的結(jié)構(gòu)形式很多，現(xiàn)將上表中最常遇到的幾種結(jié)構(gòu)形式簡述如下：
(1)單吸單級泵
單吸單級泵的用途很廣泛，在工農(nóng)業(yè)各個部門均有采用，一般流量在5.5~300m/h，揚程在8~1500m范圍內(nèi)都用這種泵。泵軸的一端在托架內(nèi)用軸承支承，另一端懸出稱為懸臂泵。軸承可以用機油潤滑，也可以用黃油潤滑，油封機構(gòu)可以采用機械密封，也可以采用填料密封和浮動環(huán)密封，對于較小的泵還可以采用有骨架的橡膠密封，在葉輪上一般均有平衡孔平衡軸向力，這種泵結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，零部件少，易于加工，產(chǎn)量也比較大。
（2）雙吸單級泵
雙吸單級泵在工業(yè)和農(nóng)業(yè)各部門使用也比較廣泛，產(chǎn)量也比較大。雙吸單級泵實際上等于將兩個相同的葉輪背靠背裝在一根軸上，并聯(lián)的工作，所以這種泵不但流量大，而且能自動平衡軸向力。雙吸單級泵一般采用半螺旋形吸水室，泵體水平中開，大泵一般采用滑動軸承，小泵采用滾動軸承。軸承裝在泵的兩側(cè)，工作可靠，維修方便打開泵蓋后即可將整個轉(zhuǎn)子取出，我國的雙吸單級泵一般流量在120~20000m/h，揚程在10~110m范圍內(nèi)。
（3）渦殼式多級泵
采用螺旋形壓出室的泵俗稱渦殼泵。把幾個渦殼泵裝在一根軸上，串聯(lián)地工作，就叫渦殼式多級泵，這種泵一般采用半螺旋形吸入室，每個葉輪均有相應(yīng)的螺旋形壓出室，泵體水平中開，吸入口和吐出口都鑄在泵體上，檢修是非常方便，不用拆卸吸入和吐出管路，只要把上泵體取下，即可取去整個轉(zhuǎn)子，將備用轉(zhuǎn)子放入即可工作。另一方面，由于葉輪對稱布置，自動平衡軸向力，所以一般渦殼式多級泵不需要平衡機構(gòu)。缺點是：渦殼式多級泵較同性能的分段式多級泵體積大，鑄造和加工的技術(shù)要求也比較高。這種泵主要用于流量較大揚程較高的城市給水，礦山排水和輸油管線等，其性能范圍一般流量為450~1500m/h，揚程為100~150m。吐出壓力高的渦殼式多級泵，壓力可達18MPa左右。
1.2.3離心泵的主要性能參數(shù)
（1）流量
流量又叫做排量，揚水量，是泵在單位時間內(nèi)排出液體的數(shù)量，有體積單位和重量單位兩種表示法。
體積流量用Q表示，單位為m/s、m/h和L/s等；
重量流量用G表示，單位為t/h、kg/s等；
重量流量G和體積流量Q的關(guān)系為：G=γQ
式中：γ——液體重度（kg/m）
（2）揚程
單位重量液體通過泵后所獲得的能量俗稱揚程，又叫總揚程或全揚程，用H表示，其單位為米液柱（m），簡稱米
對于高壓泵，有時也近似地用泵的出口和入口的壓力差（p-p）表示揚程的大小，此時揚程的表達式為：
H=
式中p——泵的出口壓力（kg/cm）
p——泵的入口壓力（kg/cm）
（3）轉(zhuǎn)速
離心泵的轉(zhuǎn)速離心泵的轉(zhuǎn)速是指泵軸每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，用n表示，單位為r/min。
功率
泵的功率可分為有效功率和軸功率，有效功率系指泵在單位時間內(nèi)對流體所做的功，也就是泵傳遞給流體的功率，用符號P表示，單位為kW。
式中:為流體的密度kg/m;g為重力加速度m/s;Q為流量L/min;H為揚程m。
軸功率系指原動機傳遞給泵軸的功率，用符號P表示，單位為kw。該軸功率可通過試驗來測定。也可以在已知泵的總效率的基礎(chǔ)上進行計算:
式中:為泵的總效率。
由于在泵的內(nèi)部存在各種損失，因而軸功率不可能完全傳給流體，所以有效功率始終小于軸功率，即P
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