乳化液泵站系統設計

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1 摘 要 在當今的生產技術領域內 廣泛應用著乳化液泵 它與乳化液箱組成乳化液泵站 是井下綜合采煤工作面支護設備的動力源泉 煤礦井下支護作業(yè) 外注式單體液壓支柱 及 液壓支架 的專用小型推移式注液設備 該泵具有體積小 重量輕 操作簡便 移 動靈活 工作平穩(wěn)可靠和高效節(jié)能安全的特點 尤其空間狹小的坑道口 掘進頭 低煤 層等地段 更是一般大型泵站無法替代的產品 此次設計乳化液泵主要是因為它在煤礦 工業(yè)上有主要的應用 在此次設計中 首先選用往復泵采用了對比的方法進行總體方案的設計 確定泵的 型式 選用曲軸連桿機構為傳動方式的結構型式 將曲線運動轉變?yōu)橹本€運動 總體方 案確定以后通過液力計算對液力端型式進行選擇 根據流體力學及流體機械對傳動端的 結構型式進行選擇 選出電機的型號考慮到給定的設計參數通過計算確定泵的主要結構 尺寸及參數 再通過設計計算進行液力端主要部件液缸體的設計及校核 傳動端的主要 部件減速機構 曲軸 連桿的設計及校核 經過校核計算 最終設計合理 關鍵詞 柱塞 流量 往復泵 曲柄 連桿 1 目 錄 1 緒論 1 1 1 選題的意義 1 1 2 乳化液泵的用途 1 1 3 設計的理論基礎研究的內容及方法 1 2 總體方案的確定 3 2 1 泵型的選擇及特點 3 2 2 液力端結構型式選擇 6 2 3 傳動端結構型式選擇 6 3 泵的主要結構參數的選擇與確定 8 3 1 泵的主要尺寸參數的確定 8 3 2 電動機的選擇 10 4 主要零部件的設計 13 4 1 液力端主要零部件的設計 13 4 2 傳動端主要零部件的設計 15 結 論 24 參考文獻 25 致 謝 26 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 1 1 緒論 1 1 選題的意義 乳化液泵作為一種通用機械 在國民經濟各個領域中都得到了廣泛的應用 它是井 下綜合采煤工作面支護設備的動力源泉 其工作狀態(tài)好壞與安全生產密切相關 要實現 煤礦井下安全作業(yè) 提高采煤工作效率 防止出現重大設備安全事故 保障乳化液泵井 下安全運行是十分必要的一個環(huán)節(jié) 乳化液泵是煤礦井下支護作業(yè)和安全生產的重要裝 備與工具 其傳動方式簡單可靠 量大面廣 具有高效低耗 安全可靠 移動靈活輕便 操作簡單 無污染的特點 深受廣大煤礦工作者的歡迎 這些產品填補了國內空白 擁 有多項國家專利 其核心技術上具有完全自主知識產權 處國內領先水平 乳化液泵在 其他行業(yè)也有廣泛的應用 市場的需求量特別大 1 2 乳化液泵的用途 乳化液泵站是井下綜合采煤工作面支護設備的動力源泉 煤礦井下支護作業(yè) 外注式 單體液壓支柱 及 液壓支架 的專用小型推移式注液設備 也是支護作業(yè)更換維修的不可 缺少的工具 乳化液泵具有體積小 重量輕 操作簡便 移動靈活 工作平穩(wěn)可靠和高 效 節(jié)能 安全的特點 尤其是在空間狹小的坑道口 掘進頭 低煤層和回采面等地段 更是一般大型注液泵站無法替代的產品 深受廣大煤礦工作者的歡迎 乳化液泵是要實 現煤礦井下安全運行的十分必要的一個環(huán)節(jié) 由于乳化液泵具有流量均勻 壓力穩(wěn)定 運轉平穩(wěn) 強度高 脈沖小 油溫低 噪聲小 使用維護方便等特點 所以還廣泛適用 于管道清洗 工件清洗 玻璃清洗 工程掘進等 1 3 設計的理論基礎研究的內容及方法 乳化液泵在許多行業(yè)中都有廣泛的應用 通過對流體力學 液壓傳動 機械制圖和 流體機械等的學習對設計有了一定的理論基礎 在實習過程中到車間的參觀和對泵的一 些零部件及工作原理的認識使我對乳化液泵的設計有了基本的思路 利用理論課學過的 知識進行理論分析熱力學分析和對比計算 再通過查閱資料與分析計算相結合進行方案 的設計 根據計算校核進行及時的修改和設計修訂 實現優(yōu)化設計 并能很直觀的反映 出乳化液泵的內部結構和工作原理 隨著經濟的發(fā)展在很多生產技術領域內 廣泛使用著以曲柄連桿機構為傳動方式的 柱塞泵 此種傳動方式 簡單可靠 量大面廣 從小型的實驗室計量泵到超過 1 MW 的 大功率石油鉆井泵 以及油田注水 壓裂 固井 輸油 輸液等工況往復泵 幾乎均被 此種傳動方式所覆蓋 可謂獨領風騷 經久不衰 應該肯定 以往對傳統往復泵的理論 研究和實驗研究 系統完整 揭示其運動規(guī)律與動力特性 對發(fā)展生產技術將繼續(xù)發(fā)揮 重要作用 但與任何其它事物的發(fā)展過程一樣 恰恰在對傳統往復泵工作機理研究逐步 深入并取得積極成果的同時 也開始認識到傳統的曲柄連桿機構所決定的運動與動力特 性局限了其自身的應用范疇及發(fā)展 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 2 通過以上分析可以領悟出一個道理 即在曲柄連桿機構傳動的往復泵中 其所以要 發(fā)展三缸泵 四缸泵 五缸泵 六缸泵甚至七缸泵等多缸泵 從動力學特性的本質上來 判斷 都僅僅是為了盡可能減少疊加加速度 以減小液流慣性損失 以及減小疊加排量 波動度 以改善吸入性能和排液工藝質量 即采用增加結構復雜性的手段來改善曲柄連 桿傳動方式的動力特性與運動特性 這在機械設計中是常見的事情 但其所付出的代價 是巨大的 在傳統的曲柄連桿機構傳動的往復泵發(fā)展過程中 排量 壓力的波動以及吸入系統 慣性損失對自吸性能的嚴重影響 始終制約著泵速的提高 雖然排出預壓空氣包 吸入 緩沖器及吸入灌注泵的配套使用能在一定程度上緩解這些矛盾 但不是從根本上解決問 題 所以 20 世紀 80 年代初期出現的 適當增長沖程長度 合理降低額定泵速 發(fā)展中 速往復泵 的技術路線 這種對策的實質 實際上就是對曲柄連桿機構往復泵適用范圍 的標定 也就是說 在綜合考慮運行工況 使用條件 制造水平 基礎工業(yè)水準的條件 下 曲柄連桿機構的往復泵只適應在中速或較低的泵速下才能確保其運動的可靠性 如 果提高泵速 則必須附加排出端減振裝置和吸入端灌注設備 在這種情況下 由于提高 泵速所導致的減小往復泵體積及質量的優(yōu)點 將被附屬設備復雜程度的提高 質量的增 加以及維修成本的增加抵銷得一干二凈 也就是說 企圖在單純的參數設計上提高泵速 縮短沖程來減小往復泵的體積與質量 主觀愿望在情理之中 客觀效果在意料之外 因 而限制了它的進一步發(fā)展 但任何事物的發(fā)展都存在矛盾 并且任何新生事物也只能在一定的領域內具有適應 性 歸納起來 有以下幾點認識作為引玉之磚 1 傳統的往復泵 仍將繼續(xù)在生產技術領域內發(fā)揮巨大作用 一般地說 在中速 和較低的泵速下 可靠性程度較高 適當增長沖程長度 合理降低泵速 的技術路線仍 是切合實際和具有現實意義的 2 恒排量往復泵 以發(fā)展三缸單作用型式為宜 如果盲目增加缸數 其效果將與 發(fā)展恒排量泵的宗旨背道而馳 如果毫無顧忌地提高泵速 也將引起單缸內的汽化并使 工況惡化 因此 凸輪傳動的恒排量往復泵的參數設計 似宜為 適當縮短沖程長度 合理提高額定泵速 3 恒排量往復泵對油田注水泵 增壓注水泵 注聚合物泵特別適應 具有現實的 技術開發(fā)價值 并將對驅油泵 特別是稠油泵 等有特殊工藝要求的泵的發(fā)展起促進作 用 4 傳統往復泵與恒排量往復泵 在相當長的歷史階段內必將長期共存 并按技術 特征 工況條件 工藝要求 經濟效益來劃分其各自占領的領域 各揚其長 各得其所 互相補充 共同發(fā)展 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 3 2 總體方案的確定 2 1 泵型的選擇及特點 根據給定的設計參數和壓力高等應用特點 選用的泵型為往復泵 往復泵可以分為 機動泵 手動泵 柱塞泵 隔膜泵 計量泵 立式泵 臥式泵 對置式泵 軸向平行式 泵等 這些泵之間有著密切聯系 22 2 1 1 機動泵及其共同特點 用獨立的旋轉原動機 如電動機 柴油機 汽油機等 驅動的泵 稱為機動泵 用 電動機驅動的泵又叫電動泵 機動泵通常由液力端 傳動端 減速機 原動機及其附屬設備 潤滑 冷卻系統等 所組成 機動泵的共同特點 瞬時流量脈動而平均流量 泵的流量 只取決于泵的主要結構參數 每分鐘Qn 往復次數 柱塞的行程 柱塞直徑 而與泵的排出壓力幾乎無關 當 SD 為確定值時 泵的流量是基本恒定的 SD 泵的排出壓力 是一個獨立參數 不是泵的固有特性 它只取決于排出管路的特P 性而與泵的結構參數和原動機的功率無關 機動泵都需要有一個把原動旋轉運動轉化為柱塞往復運動或隔膜周期性彈性變形 的傳動端 故一般講 結構較復雜 運動零部件數量較多 造價也較昂貴 表 2 1 常見的幾種機動柱塞泵的參數范圍 22 用途 介質 化工用泵 化工介 質 液壓機 乳化液 泵型 臥式三聯 缸 單 作用柱塞泵 臥式三聯 缸 單作用柱塞泵 m h Q356 120 7 10N m 2P23205 spm n48 10 m S3 10 m D15 160 2 57 m s30 nsum 0 48 kw DN25 750 4 2 1 2 直接作用泵及其特點 液力端柱塞與動力端直接連接的泵 通稱為直接作用泵 動力端的工作介質可以是 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 4 蒸汽 壓縮氣體 通常是空氣 或有壓液體 一般是油 其中最常用的是蒸汽 也叫蒸 汽直接作用泵 直接作用泵通常由液力端 動力缸 配汽 氣或液 機構及其它附屬設備所組成 直接作用泵的共同特點 瞬時流量脈動較小 平均流量 泵的流量 也只取決于 但在蒸汽泵中 nSD 由于蒸汽源的壓力是恒定的 因此當在蒸汽進口截流時 進入汽缸 動力缸 的蒸汽量 和蒸汽壓力將同時發(fā)生變化 相應的柱塞速度和或 將發(fā)生變化 從而泵的流量就不能恒 定 另一方面 如果泵的排出壓力增高時 由于汽缸內蒸汽壓力不變 所以柱塞速度 或 就會自行降低 泵的流量也隨之減小 故蒸汽直接作用不會過載 n 泵的排出壓力取決于管路特性 因此 對于直接作用泵來講 泵的最大排出壓力 取決于它和動力端工作介質的壓差 這樣一來 安全閥就可設置工作介質一側 既可以 保護動力源設備又使操作上比較安全 直接作用泵無須具備由旋轉運動轉化為柱塞往復運動的傳動端 因此 就泵本身 來講 結構較簡單 易損件少 造價也較低廉 但對于需要自備動力源的直接作用泵 泵機組還是較為復雜的 直接作用實現流量調節(jié)則較為方便 只要改變工作介質的流量就可以達到泵的流 量調節(jié)的目的 直接作用泵 特點是蒸汽直接作用泵 因無產生火花的動力裝置 因此適用于要 求防火的場合 直接作用的型式較少 只有雙聯 缸 雙作用 雙聯 缸 單作用 單聯 缸 雙作用或單聯 缸 單作用幾種有限的型式 由于上述特點 直接作用泵使用范圍沒有機動泵那樣廣泛 目前 蒸汽直接作用泵 主要用于輸送石油及其副產品 如石蠟 瀝青等 以氣或液體為工作介質的直接作用泵 則主要用作產生高壓或超高壓的增壓泵 22 2 1 3 手動泵及其特點 用人力通過杠桿機構驅動柱塞做往復運動的泵 稱為手動泵 手動泵的特點 泵的流量和均勻度均無定植 它取決于人力在單位時間內的操作次數和操作均勻 程度 泵的排出壓力取決于排出管路特性和排出端壓力 泵的額定排出壓力則與泵的結 構強度 液力端密封質量及人力大小有關 手動泵主要用于缺少動力或無須其他動力的場合 例如 簡易水壓試驗 簡易農藥 噴霧 農村簡易深井提水 食品工業(yè)提升液狀物以及簡易消防用泵等 2 1 4 柱塞泵及其特點 在液力端往復運動副上 運動件上無密封元件的叫柱塞 相應的泵稱為柱塞泵 柱塞泵的特點 柱塞泵的柱塞形狀簡單 柱塞直徑可制得很小 但不宜過大目前所見到的柱塞直 徑范圍大多在 3 150 10 m 個別的達 0 2m 直徑過小 會遇到加工工藝上的困D3 難 直徑過大 特別是臥式泵 因柱塞自重過大造成對密封的偏磨 影響密封的使用壽 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 5 命 由于結構的原因 柱塞泵大多制成單作用的 幾乎不制成雙作用泵 因柱塞密封 填料箱 在結構上易于變形 在材料選擇上也比較靈活 故柱塞泵 適用的排出壓力范圍較廣泛 且宜制成高壓泵 2 1 5 隔膜泵及其特點 泵的液力端借助于隔膜 膜片 波紋管等 來組成工作腔 以隔膜周期彈性變形來 代替柱塞的往復運動的泵 稱為隔膜泵 隔膜泵的特點 在泵的液力端以隔膜的靜密封代替了柱塞的動密封 因此可作到輸送介質絕對不 外漏 因此 隔膜泵適于輸送易燃 易爆 劇毒 惡臭以及具有放射性等對人體有害的 介質 也用于輸送純度高 價格昂貴的物料 對于強腐蝕 易揮發(fā) 易結晶以及磨礪性 很強的懸浮液 有時也采用隔膜泵 以改善柱塞密封的工作條件 延長其使用壽命 為了保證隔膜的強度和使用壽命 隔膜的彈性變形撓度通常很小 故對隔膜泵來 講 隔膜工作腔的行程容積不可能很大 否則其徑向尺寸就會很大 另外 隔膜泵的每 分鐘的往復次數也較低 由于結構上的原因 隔膜泵的余隙容積較大 而且在泵的吸入過程中需要額外克 服隔膜變形的阻力 故隔膜泵吸入性能較差 容積效率也較低 隔膜泵 特別是液力隔膜泵在結構上要比柱塞泵復雜 使用 維護的技術要求也 較高 2 1 6 臥式泵及其共同特點 液缸或柱塞中心線為水平布置的泵 均稱為臥式泵 往復泵多為臥式泵 其共同特點如下 便于操作者觀察泵的運轉情況 拆 裝 使用 維修較為方便 機組在高度方向尺寸時 不需要很高的廠房 但在長 寬方向尺寸較大時 占地面 積則較大 因為柱塞做水平往復運動 密封件在工作時須承受柱塞自重 容易產生偏磨 尤 其當柱塞較重 懸臂很長時 這種現象更為明顯 臥式泵的機械慣性力水平分力較大 而泵的基礎承受水平分力的能力又較差 故 臥式泵對基礎的強度和剛度要求較高 2 1 7 立式泵及其共同特點 液缸或柱塞中心線是垂直布置的泵 稱為立式泵 立式泵的共同特點 高度方向尺寸較大 廠房高 但長 寬方向尺寸小 占地面積少 運轉時 柱塞密封不承受柱塞自重 不易產生偏磨 機械慣性力水平分力小 垂直分力大 而泵基礎有較強的承受垂直分力的能力 故對基礎要求不高 一般講 立式泵的吸排閥 吸排管布置上較困難 拆裝 維護也不太方便 特別 是當液力端置于下側時更明顯 但當把液力端置于上側時 則有所改善 通過對以上幾種型式泵的特點的對比 再結合乳化液泵本身的結構特點及其用途 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 6 此次設計選用三聯單作用機動臥式柱塞泵 2 2 液力端結構型式選擇 在往復泵上把柱塞從滑塊處脫開一直到泵的進出口處的部件 稱為液力端 液力端 是介質過流部分 通常由液缸體 活塞和缸套或柱塞及其密封 填料箱 吸入閥和排出 閥組件 缸蓋和閥箱蓋以及吸入和排出集合管 或集液器 等所組成 液力端結構型式 的選擇應與泵型及總體結構型式時 應遵循下述基本原則 過流性好 水力阻力損失小 為此 液流通道應力求短而直 盡管避免拐彎和急 劇的斷面變化 液流通道應利于氣體排出 不允許有死區(qū) 造成氣體滯留 通常 吸入閥應置于 液缸體下部 排出閥應置于液缸體頂部 吸入閥和排出閥應垂直布置 以利于閥板正常啟閉和密封 特殊情況下也可以傾 斜和水平布置 余隙容積應盡可能小 尤其是對高壓短行程泵或當泵輸送含氣量大 易揮發(fā)性介 質時 更應力求減小余隙容積 易損件壽命長 更換方便 制造工藝性好 不同的泵有不同的液力端 甚至相同的泵型也有不同的液力端 因此液力端結構型 式很難統一劃分 按泵的吸入閥 排出閥的布置型式 液流通道特性和結構特性可分為 直通式 直角式 階梯式 對于臥式三聯單作用柱塞泵的液力端選用直通式 2 3 傳動端結構型式選擇 往復泵上傳遞動力的部件叫傳動端 對于機動泵 傳動端是指從滑塊起一直到主軸 曲軸 伸出端 動力輸入端 為止的部件 如果是泵內減速的 則傳動端包括減速機 構 如果是泵外減速的 則傳動端不包括減速機構 減速機獨立 如果是直聯泵則傳動 端沒有減速機構 也無減速機 對直接作用泵 傳動端即指動力缸 汽缸 氣缸 等部 件 機動泵的傳動端主要由機體 曲軸連桿 曲柄 滑塊及潤滑冷卻等輔助設備所組成 11 傳動端結構型式選擇也應和泵型及總體結構型式選擇同時進行 在選擇和設計傳動端時 應遵循以下基本原則 傳動端所屬主要零部件必須滿足泵最大柱塞力下是強度和剛度的要求 傳動端內各運動副 必須是潤滑可靠 滿足比壓和 Pv 允許值 潤滑油溫升也限 制在設計要求以內 必要時應有冷卻設備 在結構和尺寸要求允許的范圍內 應力求減小連桿比 l 這樣不僅可減小滑塊 處的比壓 而且可減少慣性水頭的影響 從而可改善泵閥工作條件和泵的吸入性能 要合理的選擇液缸中心線的夾角 曲柄間錯角 力求使機械的慣性力和慣性力矩 得到平衡 減輕對基礎的撓力載荷 傳動端 尤其是立式泵傳動端 應考慮重心的穩(wěn)定性 傳動端頂部應設有運轉時 排氣 停車時封閉的排氣裝置 底部應設有排放潤滑油的油脂 拆 裝 檢修方便 大型泵的傳動端還應考慮到傳動端各零部件的起吊方式和措 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 7 施 易損件及運動副應工作可靠 壽命長 更換較方便 加工 制造工藝性好 圖 2 1 乳化液泵總體結構圖 1 機體 2 連桿 3 滑塊 4 曲軸 5 減速機構 6 缸套組件 7 柱塞 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 8 3 泵的主要結構參數的選擇與確定 3 1 泵的主要尺寸參數的確定 3 1 1 給定設計參數 工作介質 乳化液油 含 3 5 乳油的中性溶液 排出壓力 P 35MP 排量 Q 80L min 往復泵柱塞個數 Z 3 個 泵的排出壓力額定值僅取決于結構強度 液力端密封對對質量及原動機的額定功率 而與流量無關 由公式 22 vvv KSnEDKASnEQt 1 240 1 60 10 m svvmZZUD 24 1 832 9 3 式中 泵的實際流量 10 m stQ 泵的理論流量 10 m s9 3v 泵的容積效率 24DA 柱塞截面積 m 2 柱塞直徑 mS 柱塞行程長度 mn 曲軸轉數 rpm 或柱塞的每分鐘往復次數 spmZ 泵的聯數 柱塞數 K 系數 Ar 1 柱塞桿截面積 m 2 1Dr r 柱塞桿直徑 m 230snUm 柱塞的平均速度 m sDS 程徑比 由上式可知 流量 與 n s r Z等結構參數有關 如果在總體設計時預Q 先選定了泵型和總體結構型式 那么 K即為已知 因此 決定 Q 的主要結構參數就 是 n s 和 r 對于柱塞泵則只有 s D三個主要結構參數 22 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 9 3 1 2 柱塞直徑和行程的確定 1 柱塞平均速度 的選擇mUm 的大小直接影響泵各運動副零 部件的摩擦和磨損 特別是對柱塞及其密封這一 對運動副的影響尤為顯著 不應選擇過大 mU過大摩擦和磨損嚴重 特別是當柱塞 及其密封一旦嚴重磨損 泄露就將增加 流量下降 排出壓力也不能達到額定值 mU也 不能選擇過小 要獲得一定的 值 當 一經確定 D即為確定值如果 選擇過小 QD 值就必須較大 這樣一來 不僅使液力端徑向尺寸增加 而且因柱塞力是和 2D成正比 的 傳動端受力也隨之聚增 從而會使泵的總體尺寸和重量增大 選取 mU值的一般原則和方法 可參考泵的有效功率 eN來選取 一般講 eN越大 mU也越大 反之則宜取較小值 因為 eN大 柱塞力趨于增大 為了減小活塞力 或加大 s 或提高 n 其結果都使 mU增 大 活塞平均速度 m的確定 22 m 的大小主要與折合成單聯單作用泵的有效功率 ez有關mU m s4 0eztNK 式中 U 柱塞平均速度 m stK 統計系數 tK 0 18 0 8 ezN 折合成單聯但作用泵的有效功率 kw 3 1 1 62 1 62 KZPQZPez 式中 Q 泵的流量 L min 當選取 mU時 t2P 泵的排出壓力 10 N m521 泵的吸入壓力 10 N m 當 P 1或 為常壓事 全壓力 2P 1 2Z 泵的聯數K 系數 Ar 1 對于單作用泵 Ar K 0 對雙作用泵 K取 0 3 r10 由公式 3 1 kw25 36285 1 62 KZPQNez 所以 m s9 0 04 4 eztmU 2 曲軸轉數 和柱塞行程長度 的選擇ns 當 選定后 柱塞的直徑可算出由公式 3nsUm查表 2 6 常見泵型的 值范圍及建n 議值 22 對一般的臥式三聯單作用機動泵 值范圍現有產品 180 720spm 取i53rn 053892 0 USm 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 10 通過圓整取行程 m04 S 對于機動泵 8 L 16 S m4 01 SL 3 柱塞直徑的確定 由經驗公式 22 3 2 QZn 1 式中 曲軸的轉數 r min 柱塞的行程長度 m S 柱塞的面積 m 12 聯數 Z 容積效率 泵的流量 L minQ 對于容積效率 v的選擇 當輸送常溫清水時 v 0 80 0 98 當輸送石油產品 熱水 液化脛等介質時 0 60 0 80 對乳化液泵取 0 9 由公式 3 2 31 102586 9034 min53i8 rLnSZ 解出柱塞直徑 m24D 4 程徑比 1 04 DS 5 吸入和排出管內徑 21d的選擇 這兩個值的選取主要取決于吸入 排出管內介質的流速 1v和 2 1 2v過大 水力 阻力損失過大 消耗能量多 泵的吸入性能差 而且容易產生液缸內空化和汽蝕以及泵 的過流量現象 1v 2過小 管路和液力端尺寸較大 在往復泵中 通常要限制 1 2v 值 尤其 值限制更重要 一般取值范圍是 1 v 2m s 5 2 2 5 m s 為了 制造方便常常采用相同的 1 2v值 即取 2d 令 m s0 94 38042121 Qvd 式中 吸入管內徑 m 2 排出管內徑 mQ 泵的流量 m s 31v 吸入管內介質的平均流速 m s 2 排出管介質的平均流速 m s 3 2 電動機的選擇 3 2 1 原動機功率的選擇與確定 1 原動機的選擇 kw PS7 36PQNe 2 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 11 式中 泵的全壓力 P 泵的實際流量 L minQ 也可以按下列公式計算 kw75 40612 Ne 式中 泵的全壓力 10 N m P2 泵的實際流量 L min 2 泵的軸功率 輸入功率 3 3 eN 式中 泵的效率 電動泵的效率范圍 6 0 0 9 取 9 0 由公式 3 3 kw83 59 74 eN 3 原動機的功率 kw 3 4 ded 式中 泵的傳動裝置效率 d 原動機的效率 取 d 0 99 由于泵的效率 已包括了泵的傳動機構的摩擦損失 所以 泵的傳動裝置效率只與泵 的減速機構的機械損失有關 當采用齒輪傳動時 94 0 d 0 99 閉式 采用平皮帶 傳動時 d 0 92 0 98 三角皮帶傳動時 d 0 90 0 94 由公式 3 4 kw kw dedN 6 549 0 74 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 12 3 2 2 電動機的選擇 圖 3 1 Y250M 4 型電動 表 3 1 20 原動機功率儲備系數 cK 泵的 型號 電動機的功率 W 機動 泵 2 610 2 2 儲備 系數 cK2 1 5 1 25 1 15 1 10 kw51 96 41 dcdNK 通過圓整后取 kw5 dN 查表 3 2 Y 系列電動機技術數據可知 20 選取 Y250M 4 型電動機 55kw P A r min 功率因數 0 885 102 I1480n6 92 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 13 4 主要零部件的設計 4 1 液力端主要零部件的設計 柱塞泵液力端通常由液缸體和缸蓋 吸入和排出閥箱 閥蓋 缸套柱塞和填料箱以 及進出口法蘭等 液缸體是柱塞泵中主要承受液壓的零件之一 由于它的形狀復雜 壁 后不均 內有十字或 T 型交孔 應力集中大 而且是與輸送介質接觸 并承受內壓交變 載荷 因此 它的設計合理性 對其壽命有較大的影響 特別是當輸送高溫 高壓 強 腐蝕性介質時 應注意以下幾點 要選取合適的材料和熱處理方式 既要有較高的強度指標和抗腐能力 又要特別 注意到材料對應力集中的敏感性 在結構設計上要求形狀簡單 壁厚均勻 內部流道孔相交也應盡可能減少 實踐 證明 在同等條件下 T 型交孔要比十字型交孔的液缸體壽命長一些 如果加工工藝允許 在內部流道交孔應予導圓 并對加工表面做強化處理 以減 弱應力集中的影響 如果在總體和液力端部件設計時就能注意到把液缸體內的高度應力集中部位和高 度變載荷區(qū)分開來 將會有效地提高液缸的使用壽命 圖 4 1a 直通式布置的液缸體 圖 4 1b 垂直布置的液缸體 液缸體的結構型式主要是服從本泵的總體結構型式和液力端結構選型 液缸體的結 構特點可按泵的數分為單作用液缸體和雙作用液缸體 對于單作用柱塞泵適合于整體式 液缸體 此形式的泵的多個工作腔在同一個塊體上 這種液缸體鋼性好 工作間距小 機加工量少 但工件較大 整體式柱塞泵液缸體除特殊型外 大多是由若干個垂直相交 圓柱面流道孔所組成的一個多工作腔體 下圖是典型的液缸體剖視圖 圖 a 是吸入閥 和排出閥組直通式布置的液缸體 圖 b 是吸入閥和排出閥互相垂直布置的液缸體 4 1 1 液缸體壁厚的確定及強度校核 1 液缸體壁厚的確定 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 14 假定液缸體為一外圓半徑為 2r 內圓半徑為 1r的等厚壁圓筒且壁厚 相對輪薄 12r5 時 則可由薄壁筒公式確定壁厚 CPD 1 10 m 4 1 2 一般取 C 0 3 0 8 10 m 對于球墨鑄鐵 600 800 10 N m2 52 式中 壁厚 10 m 焊接系數 無焊接 1 P 缸內最大工作壓力 10 Pa3 1D 液缸體內徑 10 m2 C 考慮鑄造偏心及腐蝕所留的裕量 由公式 4 1 m 015 1 P 2 強度校核 對于薄壁筒 12 r 1CD 10 N m 4 2 52 因為液缸體一般不焊接支管 所以 1 由公式 4 2 5 192 03 245 13 符合要求 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 15 圖 4 2 缸套組件 4 2 傳動端主要零部件的設計 4 2 1 機體的組成及設計 機動往復泵傳動端主要由機體 曲軸 連桿 滑塊等主要零部件所組成 機體是傳動端主要零部件之一 通常由機身 機蓋 軸承蓋等主要零部件所構成 1 機體的主要作用 作為傳動機構和曲柄連桿機構的支承 定位及運動導向用 承受或傳遞泵的作用力和力矩 作為液力端的支承作用并用天安裝某些輔助設備 泵的機體 按其毛坯的形式可分為鑄造機體和焊接機體兩種 一般講 鑄造機體具體有較高的剛度和抗震能力 穩(wěn)定性好 易于獲得所需的強 度 生產周期短 成本也較低 因而在柱塞泵中廣為應用 但鑄造機體壁厚較厚 整個機體很笨重 通常只適用于固定基礎安裝 焊接機體多采用低碳鋼組焊而成 重要 較輕 便于移動 但此種機體剛性較差 制造周期長 成本高 通常只用于要求往常移 動的泵 2 機體的結構設計 機體結構設計的一般原則 應有足夠的強度和剛度 在此前提下 力求重量輕 結構上力求簡單 外形力求美觀 鑄造和機加工工藝性能應良好 在結構設計上 要有便于制造 加工的基準面 以期能較好的保證各加工表面的幾何形狀 尺寸精度和 形狀位置分差 不必要的加工表面應力求減小 簡化工表 縮短生產周期 降低成本 便于曲柄機構和傳動機構的拆裝 調整和檢修 便于機體內部的清洗和潤滑油的 排放和更新 機體底部應有足夠的承重面積 盡可能的降低重心 保證其承載能力和泵運轉時 的穩(wěn)定性 3 減速機構的設計 由于從電動機軸輸出的轉速過高 采用泵內減速 即一級齒輪減速 傳動比的計算 查表 2 2 Y 系列電動機技術數據可知 20 選取 Y250M 4 型電動機 kw 5 P 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 16 L min 功率因數 0 88AI5 102 1480n6 92 A5 3 i 式中 電動機轉數 r min 電機效率 曲軸的轉數 r min 1n 圖 4 3 減速機構 選定精度等級 材料及齒數 此機器為一般工作機器 速度不高 故選用 7 級精度 選小齒輪材料為 40Cr 調質 硬度為 HBS 大齒輪材料為 45 鋼 調質 硬280 度為 HBS240 選小齒輪齒數 大齒輪齒數 取241 Z4 612 iZ62 Z 按齒面接觸強度設計 4 3 231 HEdtIt uTkd 試選載荷系數 2 tK 計算小齒輪傳遞的轉矩 N m21 1054 39148059 TP 查表 10 7 選取齒寬系數 21 d 查表 21 10 6 查得材料的彈性影響系數 azMPZ8 9 查圖 10 21d 按齒面的硬度查得小齒輪的接觸疲勞極限 MPa 大齒輪602lim H 的接觸疲勞強度極限 MPa 21 502lim H 計算應力循環(huán)次數查由表 10 13 得 21 91 103 6 538 1460 hjLnN992 3 式中 齒輪轉速 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 17 齒輪每轉一圈時 同一齒面嚙合的次數j 齒輪的工作壽命 單位為 h hL 查圖 10 19 查得接觸疲勞強度壽命系數 21 89 01 HNK90 2 HZK 計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1 安全系數 S 1 MPa 53416089 1lim1 SHNH MPa 2li2K 按齒面接觸強度設計計算 試算小齒輪分度圓直徑 代入 中極小值Itd H 由公式 4 3 0 078m 3 2 5231 498 1 6 21 04 2 HEdtIt ZuTKd 計算圓周速度 v m s04 6160874 160 nvIt 計算齒寬 b 查表 10 7 取齒寬系數 21 d m 78 Itdb 計算齒寬和齒高之比 h 模數 mm25 31ZItt 齒高 m071 25 h7103 8b 計算動載荷系數 根據 m s 7 級精度 查由圖 10 8 查得動載荷系數 21 對于直齒4 6v 15 vK 輪 假設 100N mm 查由表 21 10 3 查得 查表 10 2 查得使用bFKtA 2 FH 安全系數 21 1 查表 10 4 查得 7 級精度 小齒輪相對支撐非對稱布置時 21 bdH 3210 6 0 8 2 代入數據后 426 178 1 1 K 由 查圖 21 10 13 得7hb4 H 5 FK 故載荷系數 HvAK968 2 5 按實際載荷系數校正所算得的分度圓直徑 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 18 m08 2196 78331 tItKd 計算模數 m mm 2401Z 按齒根彎曲強度設計 由彎曲強度的設計公式為 4 4 321 FsadYZKTm 確定系數 查圖 10 20C 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 MPa 大齒輪的彎曲疲501 FE 勞強度極限 MPa 21 3802 FE 查圖 10 18 查得彎曲疲勞壽命系數 21 82 1FNK8 2N 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞系數 4 1S MPa 8 29 50811 KFENF MPa34 22S 計算載荷系數 FVAK 86 15 21 查取齒形系數 由表 21 10 5 查得 6 1 aY30 2FaY 查取齒形系數 由表 21 10 5 查得 58 s 74 12 s 計算大小齒輪的 并加以比較 FSa 0143 296 1 FSaY 7 3 2FSa 按齒根彎曲強度設計計算 由公式 4 4 mm21 3074 2415 386 3 m 對比計算結果 由齒面接觸疲勞強度計算的模數 大于由齒根彎曲疲勞強度計算的m 模數 由于齒輪模數 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力 而齒面接觸疲勞 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 19 強度所決定的承載能力 反與齒輪直徑 即模數和齒數的乘積 有關 可取彎曲強度算 得的模數 3 33mm 進行圓整為標準的值 mm 按接觸強度算得的分度圓直徑 算3 m801 d 出小齒輪齒數 260 381 mdZ 通過圓整后取 1Z 大齒輪齒數 取5923 2 i 52Z 這樣設計出的齒輪傳動既滿足了齒面接觸疲勞強度 又滿足了齒根彎曲疲勞強度 并做到結構緊湊 避免浪費 幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 m069 321 mZd m1552 計算中心距 m17 2 21 a 計算齒輪寬度 m05 698 01 db 取 m m52B1B 驗算 N87 026069 4321 dTFt N m 100000 N m5 1 87 bKtA 由驗算可知符合要求 4 2 2 曲軸設計 曲軸是把原動機的旋轉運動轉化為柱塞往復運動的重要部件之一 工作時 它為承 受周期性的交變載荷 產生交變的扭轉應力和彎曲應力 1 曲軸的結構特點和選擇 對于乳化液泵采用兩支承三曲拐曲軸型式 這種型式的曲軸因具支承少 使曲軸和 機體的加式量減少 傳動端裝配也簡單 相反的 因曲柄錯角為 120o的三拐二支承曲軸 不能簡化成平面曲軸 故受力狀況復雜 剛度和強度較差 在同等條件下就顯得粗笨 曲軸典型結構及各個部位 軸端 軸心線與曲軸旋轉中心同心的軸向端部叫軸端 曲軸通常有兩端 軸的外伸端叫前 端 因前端一般均與原動機或機泵外減速機相連接 并作為總扭矩的輸入端 故前端也 叫輸入端 相對的另一端叫后端 也叫尾端 軸頸 軸頸包括主軸頸 支承軸頸和曲柄銷 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 20 主軸頸系指軸端上安裝主軸承或曲軸支承中間軸承上的部位 顯然支承軸頸須與主 軸頸同軸心 曲柄銷是指曲軸上與連桿大頭連接的部位 也叫連桿軸頸 它與主軸頸不 同心 曲拐 曲柄 曲柄半徑 曲軸上連接主軸和曲柄銷或連接兩相鄰曲柄銷的部位叫做曲柄 前者又稱為短臂 后者又稱為長臂 曲柄與曲柄銷的組合體稱為曲拐 靠近主軸頸的曲拐較短又叫短拐 連接兩曲柄銷 的拐較長 又叫長拐 由主軸頸中心 亦即旋軸中心 到任意曲柄銷中心的距離稱為曲柄半徑 曲拐布置或曲柄錯角選定 曲軸的拐數和曲軸柄錯角主要取決于泵的型式 聯數和作用數的選擇 曲柄錯角的 選擇還應考慮有利于減小流量不均勻度 慣性力和慣性力矩的平衡并有利于兩主軸頸處 撓曲交形相接近 對于三聯單作用泵取曲柄錯角為 120o 各錯角均等 而且若以靠近曲 軸輸入端為第一曲柄 并以它為基準 順旋轉方向計算時 第二曲柄與第一曲柄間的錯 角取為 240o 第三曲柄與第一曲柄的錯角則取為 120o 這樣才有利于主軸頸處的交形 傾角 接近 特別軸前端主軸頸外伸部位有附加力矩時 更是如此 曲軸支承和軸承選擇 對于二支承三拐曲軸的剛度較差 主軸承處的主軸頸變形傾角較大 故主軸承多采 用允許傾角較大的向心球軸承而很少采用滑動軸承 軸頸 鑄造曲軸則因鑄造工藝能夠獲得較為復雜的形狀 故軸頸可采用空心結構 內孔徑 約為外圓直徑的 2 5 1 5 空心結構可以減輕曲軸重量 降低材料應力集中 使應力分 布均勻 有利于提高曲軸的疲勞強度 一般空心比實心軸可提高疲勞強度約 50 曲柄 采用橢圓形的曲柄 材料利用最合理 疲勞強度高 但對自由鍛造曲軸 曲柄外形 需靠模加工成型 過渡圓角 泵工作時 軸頸與曲柄連接處最容易形成應力集中 而導致曲軸早期破壞 因此在 此處應取圓滑過渡的圓角以提高曲軸的疲勞強度 油孔 曲軸軸頸一般采用有壓潤滑油強迫潤滑和冷卻 為此曲軸內應有油孔作為潤滑油的 通道 曲軸主油孔 軸向 直徑一般取 0 07 0 08 其中 為曲柄銷直徑 但最D 小不應小于 0 004m 曲柄銷上的徑向油孔直徑比主軸孔直徑略小 一般取 0 05 其出D 口與軸頸表面相貫處 應倒圓 拋光 以避免此處應力集中和降低曲軸疲勞強度 倒圓 的圓角半徑約為油孔直徑的一半 軸端 軸端常見的形狀是 前端多為圓柱體或圓錐體 后端多為圓柱體 圓柱軸端加工方 便 但拆裝較困難 圓錐軸端便于拆裝 但加工較麻煩 錐面錐度一般取 1 10 也可取 1 15 或 1 20 因前端為總扭矩輸入端 故前端多有鍵槽以備安裝鍵來傳遞扭矩 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 21 軸封 軸前端為外伸端 為防止?jié)櫥陀赏馍焯幮孤?在相應的機體處應設軸封 最常用 的軸封是橡膠軸封和毛氈軸封 2 曲軸結構設計 圖 4 4 曲軸 曲軸銷直徑確定 htDt1 圖 4 5 曲柄銷直徑的尺寸 曲拐軸的曲柄銷直徑 D 圖 4 5 22 可按經驗公式初步確定 10 m 4 5 4 5 P 272 式中 P 最大柱塞力 t 柱塞力 2 1 max 1 5P 對于二支承三拐曲軸系數應取偏大值 由公式 4 5 m038 4 D 通過圓整后取 m4 主軸頸 t m04 1 9 t 一般曲拐主軸頸變形傾角最大 故考慮到主軸承傾角允許值且應根據主軸承內徑進 行圓整 此外 當確定主軸頸尺寸時 還應顧及到軸頸重疊度 應盡可能避免DS 等于零或接近于零甚至于小于零的情況 見圖 4 6 22 DS 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 22 D S0Dt Dt S0 圖 4 6 曲拐主軸頸尺寸 軸頸長度 軸頸長度還應滿足曲柄銷問題 即液缸中間距 a 的要求 4 6 12tLa 式中 曲柄厚度 10 m t2 曲柄兩側臺肩厚度 10 m1 曲柄厚度 m5 0 t 05 4 60 7 Dc 式中 曲柄銷直徑 10 m2 曲柄寬度 h m4 1 h 581 式中 曲柄銷直徑 10 m2 曲柄半徑 r m0 2 sr 核算軸頸重疊度 相鄰兩曲柄銷處 13 0 3 0 DrS 式中 曲柄銷直徑 10 mD2 主軸頸與曲柄銷處 5 0 t 連桿大頭軸瓦寬度 m2 5 6 0 4 b 式中 曲柄銷直徑 10 m 曲柄長度 m2 L 03 5 0 曲柄厚度 t 長臂 m 取 m5 01 24 67 D25 t 短臂取 m2t 曲柄寬 h 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 23 m4 1 h06 4 51 8 D 式中 曲柄銷直徑 10 m2 校核液缸中心距 a 由公式 4 6 m035 015 21 tLa 式中 曲柄長度 10 m 3 曲柄厚度 10 mt 長臂曲柄厚度 10 m1 025 1 t 3 曲軸受力分析 作用在兩支點三拐曲軸上的力有 作用在曲柄銷中點的集中力 切向力 和徑向iT 力 的作用在主軸頸上的支反力 作用在輸入端主軸頸上的總扭矩 iRBAN M 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 24 結 論 乳化液泵與乳化液箱組成乳化液泵站 乳化液泵站是井下綜合采煤工作面支護設備 的動力源泉 煤礦井下支護作業(yè) 外注式單體液壓支柱 及 液壓支架 的專用小型推移式注 液設備 也是支護作業(yè)更換維修的不可缺少的工具 乳化液泵具有體積小 重量輕 操 作簡便 移動靈活 工作平穩(wěn)可靠和高效 節(jié)能 安全的特點 尤其是在空間狹小的坑 道口 掘進頭 低煤層和回采面等地段 更是一般大型注液泵站無法替代的產品 深受 廣大煤礦工作者的歡迎 乳化液泵是要實現煤礦井下安全運行的十分必要的一個環(huán)節(jié) 由于乳化液泵具有流量均勻 壓力穩(wěn)定 運轉平穩(wěn) 強度高 脈沖小 油溫低 噪聲小 使用維護方便等特點 所以還廣泛適用于管道清洗 工件清洗 玻璃清洗 工程掘進等 乳化液泵的設計目標就是保證井下設備的正常運行 較好的適應環(huán)境 滿足實際的 應用 本文主要介紹了乳化液泵的總體方案的對比設計 選用曲軸連桿機構為傳動方式 的結構型式 將曲線運動轉變?yōu)橹本€運動 總體方案確定以后通過液力計算對液力端型 式進行選擇 根據流體力學及流體機械對傳動端的結構型式進行選擇 再通過設計計算 進行液力端主要部件液缸體的設計及校核 傳動端的主要部件減速機構 曲軸 連桿的 設計及校核 經過校核計算 最終設計合理 此次設計的主要優(yōu)點是尺寸設計合理 看 起來較美觀 乳化液泵的滑塊機構采用的是鍍膜材料 可以延長滑塊的使用壽命 減少 安全隱患 通過這些天的設計對該產品已經有了深刻的了解 但由于能力有限 不免在 設計的許多方面考慮欠佳 還請老師給予相應的指正 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 25 參考文獻 1 郭衛(wèi) 王云平 乳化液泵曲軸應力的有限元分析 機床與液壓 2004 06 2 石惠天 乳化液泵微機在線狀態(tài)監(jiān)測的實驗研究 煤礦機械 1997 03 3 胡啟智 王艷 施錦華 張美玲 溫度壓力測試系統的研制 煤礦機械 2004 11 4 馬麗 乳化液泵容積效率的試驗研究 煤礦機電 1997 05 5 馬海風 宋勝偉 胡金平 QRB125 N系列乳化液泵的研制 煤炭技術 2003 04 6 王云平 郭衛(wèi) PRB250 31 5乳化液泵曲軸結構的有限元 優(yōu)化分析 機床與液壓 2004 08 7 朱松青 周輝 乳化液泵節(jié)能控制的一種方法 煤礦機電 2001 06 8 魏季良 一種乳化液泵用二級壓力控制液控閥 液壓與氣動 2001 10 9 郭衛(wèi) 孫戰(zhàn)彬 樊小晶 王云平 乳化液泵的工況故障診斷系統 重型機械 2003 10 張?zhí)烊?PRB 型乳化液泵卸載閥的改進 煤礦機械 1998 07 11 曹春玲 李海寧 乳化液泵滑塊的特點及結構改進 煤礦機械 2006 02 12 周前 楊師斌 乳化液泵發(fā)熱問題的研究 煤礦機械 2002 12 13 周雷 金光熹 王春六 陸太謙 無連桿往復壓縮機滑塊的摩擦熱學研究 壓縮機技術 1993 07 14 唐建華 乳化液泵箱體兩垂直孔垂直度的檢測 煤礦機電 1996 05 15 李桂三 吳慶國 斜面摩擦與自鎖新探 機械工程師 1994 05 16 Ochonski W Studies on Radial Pressure Distribution and Friction Forces in Soft Packed Stuffing box Seal Proceedings of the JSLE International Tribology Conference Tokyo Japan 1985 17 Herbich and Vallcatince Characteristics of a model dredge pump Lehigh University Report No 33 for USA Army Engineers Sep 1961 18 大連理工大學工程畫教研室 機械制圖 第五版 2003 8 19 甘永立 幾何量公差與檢測 第五版 2001 4 20 任金泉 機械設計課程設計 西安交通大學出版社 2002 12 21 濮良貴 紀名剛 機械設計 第七版 22 韓建勇 往復泵 第一版 23 Zangeneh M Coto A Harada H On the Design Criteria for Suppression of Secondary Flows in Centrifugal and Mixed Flow Impellers ASME Journal of Turbomachinery 1998 120 723 735 中國礦業(yè)大學成人教育學院 2014 屆畢業(yè)設計 26 致 謝 本論文是在指導老師韓老師的指導下完成的 指導老師廣博的學識 嚴謹的治學態(tài) 度 高度的事業(yè)心和責任感給了我很大的影響 使我受益匪淺并使我能積極主動的去完 成設計 在大學生活的四年當中 許多老師在學習 生活中都給了我親人般的關懷和幫 助 使我在學習 生活 為人處事等方面均有了很大提高 在此向所有的老師表示由衷 的感謝和深深的敬意 能夠順利完成這次畢業(yè)設計 也離不開老師精心的指導 為了讓我明白每一個環(huán)節(jié) 老師不厭其煩的給我講解 許多的同學也給予了我很大的幫助和支持 我向他們表示衷 心的感謝 再次感謝所有關心 支持和幫助我的老師和朋友們