毕业论文双吸式二螺杆泵的结构设计

本科毕业论文双吸式二螺杆泵的结构设计STRUCTURAL DESIGN OF THE DOUBLE SUCTION OF THE TWO-SCREW PUMP 学院部：机械工程学院专业班级： 学生姓名： 指导教师： 2012年 5月 28 日双吸式二螺杆泵的结构设计 摘要双吸式螺杆泵在最近几年里有着突飞猛进的开展，现在已经应用于很多领域而且取得了很好的成果。双吸式二螺杆泵的应用范围和领域在将来一定会越来越大的，对其技术的要求也越来越高了。因此本文主要介绍了双吸式二螺杆泵的结构设计步骤，以及其中各个零部件的选择。首先，我们要知道和了解双吸式螺杆泵的工作原理。双吸式二螺杆泵是主动螺杆在转动时带动从螺杆在衬套中转动，依靠形成的密封腔的容积变化来输送流体的。其次，螺杆是一个螺杆泵最重要的局部，因此我们首先设计的便是双吸式二螺杆泵的主从动螺杆的结构。双吸式二螺杆泵的设计过程中螺杆的设计有着举足轻重的作用，螺杆的结构设计主要与所给定的流量和压力以及所输送的介质这些数据来确定的。在次，螺杆泵的密封是很重要的。螺杆泵是一个压力泵，只有它的密封系统做好了才能产生足够的压力来输送介质。因此在设计的过程中衬套与螺杆的密封、衬套与壳体的密封、螺杆与端盖的密封都是我们要考虑的。最后，我们就是要选择一些双吸式二螺杆泵用的附件，像螺钉、轴承、平安阀、垫圈等。文章中重点介绍了双吸式二螺杆泵的螺杆的设计计算和衬套壳体的密封性设计，另外对于双吸式二螺杆泵的附件的选择也做了很多的介绍。关键词：双吸式二螺杆泵，结构设计，密封系统，设计步骤 STRUCTURAL DESIGN OF THE DOUBLE SUCTION OF THE TWO-SCREW PUMP ABSTRACTDouble suction of the two-screw pump has a rapid development in recent years, and it is now used in many areas and have a good achievement. Range of applications and fields of the double suction of the two-screw pump in the future will become increasingly large, and its technical requirements have become higher. So this paper describes the structural design steps of the double suction of the two-screw pump and the choice of the various components.First, we need to know and understand how the double suction of the two-screw pump works. Double suction of the two-screw pump is active screw driven in rotation from the screw rotation in the bushing, it relies on the formation of the sealed chamber of volume change transmission fluid. Second, The screw is the most important part of a screw pump, so we first design the active screw and driven screw structure of the double suction of the two-screw pump. Screw design has a very important role in the design process of the double suction of the two-screw pump, the data to determine of the structural design of the screw with the flow and pressure as well as the transmission medium. Third, the seal of screw pump is very important. Screw pump is a pressure pump, a good sealing system in order to generate enough pressure to the transmission medium. We should consider of the bushing and screw seal, bushing and casing seal, screw and end cap seal when we design the double suction of the two-screw pump .Last, we have to choose the double suction of the two-screw pump with accessories, such as screws, bearings, safety valves, gaskets, etc.The article highlights the double suction of the two-screw pump design calculations and sealing of the bushing shell design, in addition the article do a lot of introduction to the choice of attachment of the double suction of the two-screw pump.KEYWORDS：double suction of the two-screw pump，structural design，sealing system，design step1绪论螺杆泵的使用领域及其分类螺杆泵的使用领域常见的泵可以分为容积式泵和动力式泵两大类。容积式泵包括往复泵、转子泵和齿轮泵等，离心泵和轴流泵等那么属于动力式泵。本文所研究的双吸式双螺杆泵属于容积式泵。螺杆泵的适用范围很广，被广泛应用于石油、化工、航运、电力、机械液压系统、食品、冶金、轻工、造纸、军工、医药、船舶、机床、采矿、环保和污水处理等各种工业部门当中，发挥了巨大作用，具有很高的使用价值。螺杆泵特点是：流量平稳，压力脉动小，自吸能力强即很小的NPSHr值，噪声低，效率高，使用寿命长，工作可靠，运行本钱低。此外螺杆泵还具有结构简单，零件少，易损件少、体积紧凑，重量轻等一系列特点。而螺杆泵在工作时一最为突出的优点是输送介质时不会形成涡流、无剪切、无乳化作用、可输送粘度范围宽广的各种介质，对输送介质不敏感，既可以输送各种粘度的润滑性或腐蚀性介质，也可以输送各种粘度的非牛顿液体，特别是有的双螺杆泵还可以输送气液混合物，这对油田输送成分复杂的原油具有重要意义。一般来说，螺杆泵可以输送多种混合介质，正是由于螺杆泵具有以上特点，各个行业纷纷投入到此研究当中。无论是什么类型的螺杆泵，其工作原理都是利用螺杆泵的转子与转子之间以及转子与定子之间形成的密封腔，在泵运转时使密封腔连续不断地由入口向出口移动，从而排出流体。如果螺杆泵内两个相邻密封腔之间没有理论泄漏通道，那么被称为严格密封型螺杆泵。反之，那么为非严格密封型螺杆泵。螺杆泵的分类 螺杆泵的种类繁多，通常有三种分类方法：1)按螺杆泵转子的数目进行分类 这种类型的螺杆泵有单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵和五螺杆泵。单螺杆泵是1932年由法国工程师Moineau创造，并由德国PCM泵公司制成产品41。它是一种内啮合偏心回转的容积泵，泵的主要构件是一根单头螺旋的转子和一个通常用弹性材料制造的定子，当转予在定子型腔内绕定子的轴线作行星回转时，转定予之间形成的密闭腔就沿转子螺线产生位移，因此就将介质连续地，均速地、而且容积恒定地从吸入口送到压出端。基于这种特性，单螺杆泵特另适合于输送高粘度介质。1890年，美国麻省的Warren公司创造了全球第一台双螺杆泵，荷兰的Houttuin公司于1929年创造了欧洲第一台双螺杆泵“1。双螺杆泵分为密封型和非密封型两种。非密封型螺杆泵能输送污液和非润滑性液体，甚至液气比为1：4的液体以及输送粘度高或粘度有变化的情况。它具有很好的吸入性能，运转中如发生吸入大量空气而产生短时间脱流，仍能迅速恢复正常。密封型双螺杆泵虽然起步较晚，在效率方面略逊于IMO泵，但由于在可靠性方面超过它，故在舰船上得到广泛应用，主要用于输送油类和燃料“1。三螺杆泵属于回转渐进式容积泵，是1931年由瑞典IMO公司创造并制造的。它通常是指摆线啮合的IMO泵，即密封型螺杆泵。理论上由于螺杆螺旋和螺杆衬套形成的密封容积能把吸入腔和压出腔完全隔开，因此在各类螺杆泵中它的容积效率最高1。该泵适于输送高压、清洁、润滑性的液体，可输送的介质粘度范围大，吸上能力高，结构紧凑，它大量用于液压系统。由于它输送液体脉动小，噪声低，以及压力建立慢等重要特性，使得人们在今天常优先于其它容积泵而选用它。其噪声低，可靠性好及结构紧凑，使它在潜艇中得到广泛的应用。但其缺点是对液体中的污染物极为敏感，不能输送含污及磨料的液体，也不适于输送非润滑性的介质。三螺杆泵主要是由固定在泵体中的衬套以及安插在衬套中的主动螺杆和与其啮合的两根从动螺杆所组成。三根互相啮合的螺杆，在衬套内按每个导程形成为一个密封腔，造成吸排口之间的密封。泵工作时，由于两从动螺杆与主动螺杆左右对称啮合，故作用在主动螺杆上的径向力完全平衡，主动螺杆不承受弯曲负荷。从动螺杆所受径向力沿其整个长度都由衬套来支承，因此，不需要在外端另设轴承，根本上也不承受弯曲负荷。在运行中，螺杆外圆外表和衬套内壁之自J形成的一层油膜，可防止金属之间的直接接触，使螺杆齿面的磨损大大减少。五螺杆泵的整体结构类似于三螺杆泵，在同样流量的情况下，吸入能力比双螺杆泵高。但比双螺杆泵制造工艺复杂，本钱也高。2按螺杆和衬套形成的容积腔密封程度分类这种类型的螺杆泵有密封型螺杆泵和非密封型螺杆泵。实际上即使是密封型螺杆泵在理论上也不是完全密封的，因为需要考虑到正常运行所必须的|日J隙，流体通过这些间隙从压出腔漏回到吸入腔。理论上完全密封的条件为。(1)相瓦啮合的螺杆，其形成齿轮的齿剖面服从齿轮啮合的规那么(把螺杆看成是无穷多个无限薄的形状相同的形成齿轮的集合体，这些形成齿轮一个对另一个扭转无限小的角度并固连在起)。形成齿轮的啮合线应是封闭的，并和螺杆的相互接触线在横截面上的投影相重合；(2)螺杆头数应使啮合螺杆所沟通的凹槽形成密闭的容积；(3)螺杆衬套的长度应大于凹槽密闭容积的长度；(4)螺杆以最小的允许间隙安装在螺杆衬套内。3)根据螺杆泵相应轴的情况进行分类这种类型的螺杆泵包括内轴式螺杆泵和外轴式螺杆泵两类。内轴式螺杆泵对于内轴式双螺杆泵和五螺杆泵而言，轴承按压力差额上油，接近无磨损滑动轴承，转轴液压传动给驱动轴侧面，独特的驱动部件线接触设计，即无滑动速度。可用于腐蚀性介质如重热油，承受压力至最大16MPa。对于内轴式三螺杆泵，为产生流体力学油膜，需要联通转腔的狭窄间隙。可用于腐蚀性介质如重热油，可承受压力至最大16MPa，有时会更高。外轴式螺杆泵典型的是外轴式四螺杆泵，其双流路要求两个传动轴的4轴卷设计。能量传递从驱动轴经外部油腔中转动的齿轮至传动轴。尽管轴侧面无接触运转，但结构上要求4个轴封。双吸式二螺杆泵的介绍根本结双吸式二螺杆泵按其结构和使用特点分两大类：一是由主杆直接带动从杆，其工作原理、型线结构及适用范围类似三螺杆泵；二是外支承型，从动螺杆由主动螺杆借助同步齿轮传动到达工作型面间无接触运行。图1-1双吸式螺杆泵根本结构图按照轴承的位置，双吸式二螺杆泵又可分为内置轴承和外置轴承两种形式。在内置轴承的结构型式中轴承由输送物进行润滑。外置轴承结构的双螺杆泵工作腔同轴承是分开的。由于这种泵的结构和螺杆间存在的侧间隙，它可以输送非润滑性介质。此外，调整同步齿轮使得螺杆不接触，同时将输出扭矩的一半传给从动螺杆。其典型的结构如图11所示，正如所有螺杆泵一样，外置轴承式双螺杆泵也有自吸能力，而且多数泵输送元件本身都是双吸对称布置，可消除轴向力，也有很大的吸高。泵的这些特性使它在油田化工和船舶工业中得到了广泛的应用。外置轴承式双吸式二螺杆泵可根据各种使用情况分别采用普通铸铁、不锈钢等不同材料制造，输送温度可达2500C。采用独立润滑的外置轴承，允许输送各种非润滑性介质。卧式、立式、带加热套等各种结构型式齐全，可以输送各种清洁的不含固体颗粒的低粘度或高粘度介质，选用正确的材质，甚至可以输送许多腐蚀性介质。电动潜油全金属双螺杆泵属于采油螺杆泵，因具有较高的系统效率而日益受到重视。双吸式二螺杆泵工作原理双吸式二螺杆泵是外啮合的螺杆泵，它利用相互啮合，互不接触的两根螺杆来抽送液体。在泵的工作过程中，主动螺杆与从动螺杆及与泵体之间形成密封腔，随着主动螺杆的旋转，带动从动螺杆运动，液体随着密封腔一起作轴向运动，平稳而又连续地输送到泵的出口处。由于泵工作过程中密封腔容积不变，所以泵供给液体时不会产生脉动。采用两段螺纹对称的设计，使轴向力相互平衡是机器不会产生太大的轴向力，所以泵在一定时间范围内干转没有伤害。进出口采用特殊设计，工作时介质轴向速度相对减小，泵的吸上能力很强。双螺杆泵作为一种容积式泵，泵内吸入室应与排出室严密地隔开。因此，泵体与螺杆外圆外表及螺杆与螺杆间隙应尽可能小些。同时螺杆与泵体、螺杆与螺杆间又相互形成密封腔，保证密闭，否那么就可能有液体从间隙中倒流回去。由双吸式二螺杆泵的原理知道，对于外置轴承的双螺杆泵，通过轴承定位，两根螺杆在泵体内互不接触，齿侧之问保持恒定的间隙，螺杆外圆与衬套内圆面也保持恒定间隙不变。这种结构的优点大大拓宽了双螺杆泵的使用范围，即除了输送润滑性良好的介质外，还可输送大量的非润滑性介质，各种粘度的介质以及具有腐蚀性(酸、碱等性质)，磨蚀性的液体。还可输送气体和液体的混合物，即气液混输，这也是双螺杆泵非常独特的优点之一。1双吸式二螺杆泵的密封条件双吸式二螺杆泵是一种容积泵，容积效率是评判泵类特性的主要指标，而螺杆泵密封性能的优劣又是评判其容积效率的依据。在螺杆泵行业中，分析螺杆泵密封性能的依据是螺杆泵的四类密封条件：1)相互啮合的螺杆齿形应遵循密封意义上的啮合规律；2)螺杆螺纹的头数和螺杆的根数应该使螺杆在工作区范围内形成互不相通的密封腔；3)村套的长度应该大于密封腔的长度；4)螺杆与螺杆，螺杆与泵体应具有允许的最小间隙。符合上述条件的为严格密封型螺杆泵。其中密封的完善程度取决于第一、二类密封条件。螺杆泵的核心技术是螺杆齿形，不同的齿形不仅直接决定着螺杆泵的工作压力、额定流量、容积效率、振动、噪声和自吸高度等技术性能指标的差异，还决定着螺杆加工工艺直至产品本钱。对于各种类型的螺杆泵而言，其螺杆齿形能否到达严格密封是判断该螺杆泵性能指标的一个非常重要的前提因素，这也是第一类密封条件的重要性。满足了第一类密封条件后，判断螺杆泵密封性能的又一个前提依据是螺杆泵的第二类密封性。在螺杆泵行业传统理论中，经常引用俗称为孟氏定律的公式来评判螺杆泵的第二类密封性能：主螺杆为凸杆时： Z=K(Z1一1) (1一1)主螺杆为凹杆时： Z=K(Z2一1) (12)式中z1，z2分别为螺杆泵凸、凹螺杆的头数，K为螺杆泵从动螺杆的杆数。单头或双头的双螺杆泵一直以来都被认为是非严格密封的双螺杆泵，故原有的国内外资料中都未见有严格密封的双螺杆泵，这就是传统双螺杆泵工作压力普遍不高的原因。由于孟氏定律的缘故，现有双螺杆泵的应用将受到限制。因此如何解决双螺杆泵的严格密封问题，就成为螺杆泵开展的重要研究课题。华南理工大学工控系螺杆机械研究室的杨凯等经研究发现孟氏定律是以摆线齿形为根底推导的，具有适用范围的局限性。也就是说，孟氏定律可以评判传统摆线齿形螺杆泵的第二类密封性，但是对于其他的螺杆齿形，孟氏定律不一定适用。不同齿形的第二类密封性状况是不同的，对于都能满足第二类密封性的不同齿形来说，它们的头数、杆数的关系式也会不同，也就是说，不同齿形螺杆泵的二类密封性可以有不同表达式的定律。研究发现，一些不同的齿形已经突破了孟氏定律的限制，能够形成严格密封特性而又具有实际的应用能力。工作时的冷却要求与第四类密封性密切相关。由于双吸式二螺杆泵需要在密封条件下才能正常工作，因此在工作时对螺杆泵的工作温度有一定的要求，以保证螺杆与螺杆之间以及螺杆和泵体之问有适宜的间隙值。假设温度过高，由于热胀冷缩的原理将会使螺杆泵中螺杆和泵套之间的配合变为过盈配合，从而加居I摩擦，增大工作噪音，减少螺杆泵的使用寿命，并大大降低工作效率。这些后果是我们不愿意看到的，因此需要在关键部位进行冷却，以保证螺杆泵有良好的工作状态及较高的工作效率。为了解决这个问题，我们研究了多种机械结构及实际应用情况，认为其中较好的一种方法是在泵体内采用润滑螺杆做动力源对润滑油进行循环以到达冷却的目的。1.3 课题的来源及意义双吸式二螺杆泵作为一种机械采油设备，具有其它液体运送设备所不能替代的优越性，二螺杆泵工作原理不像抽油机，它是利用两根螺杆的旋转运动实现抽油或其他液体物质的。通过多年的应用实践证明它投资少、能耗低、适应性强，这些特点正被用户逐渐接受。而且双吸式二螺杆泵是一个螺杆两段螺纹在运转时可以自身平衡轴向力比其他螺杆泵有着很大的优越性，另外随着大庆油田开发的逐步深入，油田开发的难度不断增加，举升设备的重要性也日益突出，双吸式二螺杆泵以其优越的性能在油田生产中的作用越来越显著。双吸式二螺杆泵在国内尚属较新型的产品，尤其是井下采油用金属双螺杆泵还属于空白，对其独特特性的认识正日渐深化，经螺杆泵开发机构、生产厂和使用部门的密切合作，新的应用领域不断开拓，在替代原来的传统技术方面已取得良好的使用效果和节能节材收益。 另外双吸式二螺杆泵具有一定的相对优势，相对于单吸式的二螺杆泵双吸式二螺杆泵更能自己平衡螺杆的轴向力双吸式可以产生更大的流量。双吸式二螺杆泵在市场上有多的应用空间。1.4 国内外的研究现状现在，美国科尔法泵业集团公司是世界最大的螺杆泵制造商，旗下拥有Allweiler、IMO等5家子公司均为世界知名品牌，销售效劳网络普及全球80多个国家。Allweiler公司三螺杆泵市场的占有率是世界上第一，双螺杆泵根本上是世界排名第二，单螺杆是第四。在螺杆泵方面，德国的耐驰主要是做单螺杆泵产品，且规模很大。国外油气混输多相泵的研制是从上世纪70年代开始起步，并且首先从海上石油生产入手。目前，国外阿吉普(AGIP)、英国石油、壳牌、德士古、道达尔等石油公司均看好双螺杆混输泵，都积极参与开发和油田实验工作。对于多相混输泵问题进行研究的主要有法国、挪威、英国、美国、加拿大等国家，其混输泵主要有Poseidon海底混输泵、Weir混输泵、MSP混输泵和WST混输泵等。在成功研制并应用于海上平台或陆地的多相流混输泵根底上，国外多家公司还考虑水下的特殊使用环境，开发了水下多相流混输泵，1985年，阿吉普(AGIP)、Snamprogetti和新比隆三方在欧共体资助下，开始开发采用双螺杆多相流混输泵的水下增压系统侣BS)。开发目标是最大水深1000m，距陆地lOOkm，混输扬程为88MPa，顶峰产量为4800m，h。第一代SBS已在意大利阿吉普公司所属的海上油田通过了试验。德国鲍曼公司生产的水下双螺杆多相流混输泵，从1997年8月起，开始在瑞典的海上油田进行了现场试验。德国雷斯特利兹(Leistfitz)公司在1998年，提供了系列化、商品化的水下用双螺杆多相混输泵。加拿大CAN【公司于19992000年问在新产品研究开发方面花费了将近40的预算资金，成功地推出了“井下双螺杆泵采油系统。螺杆泵的开展在我国起步较晚，但通过引进国外技术也取得较快开展。1993年，天津工业泵厂从德国Bomcmann公司引进w、v系列双螺杆泵，从德国Allweiler公司引进系列三螺杆泵。中国渤海油田从IMO公司引进4台双螺杆泵用于海洋平台。1996年胜利油田从德国Bomemann公司引进MW73l(_-57双螺杆泵，该泵在东营采油厂11站做过集输试验。原油粘度554x105m2 Is，含气量82，应用情况良好。经过1984年以来二十多年的开展，我国目前已有螺杆泵专业厂近30家。单、双、三、五螺杆泵的年产量总计约10000余台，以三螺杆泵产量最大，约占半数以上，其次为单、双螺杆泵，五螺杆泵产量很少。其中单螺杆泵制造厂近20家，主要生产厂家有天津工业泵厂和重庆明珠机电研究所。其他单螺杆泵厂有杭州水泵总厂、兰州水泵厂、浙江东阳螺杆泵厂、上海轻工机械技术研究所、靖江化工机械厂、无锡梁中螺杆泵厂、北京石油机械厂、嘉兴石油机械厂、中成机械制造等。双螺杆泵结构复杂，螺杆转子制造困难，只有天津市工业泵厂、上海7ll研究所、沈阳市工业泵厂、江苏淮阴通用机械厂和广州造船厂机械分厂等生产双螺杆泵。三螺杆泵厂除天泵、沈泵、兰泵外，还有南京工业泵厂、上海水工机械厂。后两家年产量较少。五螺杆泵厂唯一的生产厂沈泵厂将转让生产权给天泵厂。天津市工业泵厂1984年引进Allwciler公司制造技术、英Holroyd公司2AC螺杆铣床一台及其配套设备，1993年引进德国Bomcmann公司技术、奥地利Linsinger公司数控螺杆旋风铣床台、和2AG_I，5AC螺杆铣床各一台，1998年引进德国Klingelnbcrg公司HNC35SL全部数控高精度螺杆磨床一台。年产单、双、三螺杆泵约6000台。石首水泵厂1989年引进捷克Sigma公司技术和空心管压制单螺杆泵转子设备。目前，在国内开展双螺杆多相混输泵的研究并不多。中国石油天然气集团公司已将开发此项产品列入“石油装备科技进步规划，并作为其中的重点工程。1995年，大庆油F开和胜利油田从Bomemann公司引进3台多相混输泵，目的是开发我国自己的混输泵，以满足大规模开发海上和沙漠油田的需要。西安交通大学、石油大学和大港油田中成机械制造都开展了相应的研究工作。1997年，双螺杆多相混输泵工程列入大港油田集团公司科研攻关方案，1999年列入国家重大技术装备国产化创新工程。目前大港油田中成机械制造研制开发了轴承外置式双吸双螺杆多相混输泵，在大港等油田推广应用，取得了较好的效果。与此同时，中海石油渤海石油基地采油技术效劳公司正在进行采油双螺杆泵研究，且已取得了一定进展。华南理工大学螺杆机械研究所正在进行双螺杆泵新齿形的产业化开发，&一AB齿形单头双螺杼泵已成功地通过了中试，各项技术指标均到达或超过Bornemann公司和Allwciler公司的水平。西安交通大学曹锋博士在混输泵理论分析方面进行了研究。西安交通大学刘代中硕士对双螺杆泵的流体流动性进行了研究，天津大学韩永辉硕士在螺杆泵流量计算及实验方面进行了研究。2 主动螺杆和从动螺杆的设计在对螺杆泵的设计中首先要考虑螺杆泵的整体结构的使用材料，在这次的设计过程中选用的是45号钢具有较好的承压能力和屈服应力双吸式二螺杆泵螺杆螺纹的设计与计算 泵功率的计算所给的设计数据为流量Q=50L/min 压力P=10Mp由公式可知Pw=PQ 把上面的数据带入公式计算可知其中流量和压力均换为国际单位：双吸式二螺杆泵一般是选择四级电动机，由?机械设计课程设计?附表9-1可以选择Y160M1-4型电动机额定功率为11Kw，其中转速为：n=1460r/min 螺杆工作长度的过流断面积A的计算 螺杆衬套内孔的横截面面积A3A3=2R-AABCD=2R-R2-sin2 式中R-螺杆的外径 -两螺杆相啮合的区域的角度 一根螺杆的螺旋横截面积A1A1=AQr+AQR其中:r R3)3)有效过流断面A A=A3-2A1=2R-R2-sin2-R1+r/R 螺旋深度的选择在螺杆螺旋外形尺寸相同时，螺旋深度r/R越大，螺旋段的过流断面面积就越大，泵的理论流量Q也越大。在螺旋头数和导程相同时，的泵理论流量几乎比的泵大50%左右。当r/R接近时，螺旋深度的减小使理论流量减小，却会造成相对泄露量的增大，也会使容积效率的下降。因此r/R取何种比例最正确是需要进行慎重考虑的。r/R的允许范围为0r/R1,但是根据经验通常选择比较合理的范围为。较小的r/R值建议用于低压泵和用来输送的介质为黏度较大的介质；较大的r/R值适用于水和黏度较小的介质以及排出压力相对较高的泵。假设仅仅从最高容积效率的角度看，较好的螺旋深度为左右。现在所设计的泵是高压力泵因此选择 螺旋导程的选择理论流量Q和螺旋导程T螺距的长度存在着线性关系，导程越大，每转的理论流量也越大。导程的增大也会引起螺旋面之间的间隙总量的增大，该间隙与导程之间也存在着近于线性的关系。工作长度相同时导程越小，密封腔数就越多。这样就有可能在相同的容积效率情况下，建立较高的压力，或在相同的压力下，泄漏减小，具有较高的容积效率，但理论流量也会随着导程的变小而减小，反之亦然。经验指出，用不同的螺旋深度和导程相配合得到相同的理论流量的方法，从获得更高容积效率的观点，选择较小的螺旋深度和较大的导程构成螺旋的方法是较为有利得。常用的螺旋导程为所以对设计的泵选用T/R=1 螺杆半径R和r的计算对于双吸式二螺杆泵有：Q=2ATn又A=2R-R2-sin2-R1+r/R 其中 cos=r/ T=R n=1460r/min 把以上都换算成国际单位带入计算可知：R= 由?机械手册?附表螺纹直径可知圆整后的直径为R=55mm由上可以得出：r=0.6R=33mmT=R=55mm 螺杆两段螺纹每段的圈数选择根据多年的经验积累及容积效率和密封的考虑，这个泵是高压泵应选择的工作长度较长，一般在3到5周左右，因此取每段的圈数为4圈。 双吸式二螺杆泵的同一螺杆两端螺纹间距确实定 由书本的介绍及往日的经验可以知道一般的间距选择在螺距的一到两倍之间，因此从多方面考虑可以选择两段螺纹的间距为L=80mm2.2 两螺杆的原件定位和中心距的选择 A B C D E F G H I J d1 d2 d3 d4图2-1主动螺杆的结构图图2-2从动螺杆结构图22.1 轴向定位的设计 1轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两种。利用轴肩定位结构简单、可靠，但轴的直径加大，轴肩处出现应力集中；轴肩过多也不利于加工。因此，定位轴肩多在不致过多地增加轴的阶梯数和轴向力较大的情况下使用，定位轴肩的高度一般取36mm，滚动轴承定位轴肩的高度需按照滚动轴承的安装尺寸确定。非定位轴肩多是为了装配合理方便和径向尺寸过度时采用，轴肩高度无严格限制，一般取为12mm。2套筒定位可以防止轴肩定位引起的轴径增大和应力集中，但受到套筒长度和与轴的配合因素的影响，不宜用在使套筒过长和高速旋转的场合。3挡圈的种类较多，且多为标准件，设计中需按照各种挡圈的用途和国标来选用由上可以选择出轴的各段直径为：d1=42mmd2=50mmd3=55mmd4=66mm 各轴段长度确实定从装配来考虑：应合理的设计非定位轴肩，使轴上不同零件在安装过程中尽量减少不必要的配合面；为了装配方便，轴端应设计45的倒角；在装键的轴段，应使键槽靠近轴与轮毂先接触的直径变化处，便于在安装时零件上的键槽与轴上的键容易对准；采用过盈配合时，为了便于装配，直径变化可用锥面过渡等。由上设计可知螺纹用四周所以:E=G=4T带入数据可得E=G=220mm 由经验取值可得F=80mm 根据螺杆泵内各个结构合理的选择各段的尺寸为 A=60mm B=110mm C=D=H=I=35mm J=30mm经过一系列的设计之后主动轴的总尺寸为 L1=860mm从动轴的总尺寸为L2=720mm以上两螺杆的尺寸定位根本确定了.主动螺杆和从动螺杆的中心距a选取的主动螺杆和从动螺杆具有相同的直径:D=110mm两螺杆的螺纹曲线相同螺纹的深度:h=R-r带入数据得:h=22mm又2=2mm所以中心距取a=D-h+2带入数据可得a=90mm 轴上键槽的选择1常见的周向定位和固定的方法采用键、花键、过盈配合、成形联结、销等多种结构。2键是采用最多的方法。同一轴上的键槽设计中应布置在一条直线上，如轴径尺寸相差不过大时，同一轴上的键最好选用相同的键宽键槽的选择标准如下表：表2-1标准键槽尺寸铸铁轮毂钢轮毂序号直径D键宽B键高H轴槽深t轮毂槽深t1轴槽深t轮毂槽深t1157221271033231014444141855351824666243087473036108836421289424814951048551610511556518114126575201261375902414791490105281681510512032189161201403620101714017040221118170200452513192002305028141720230260553015机械设计手册 由上表可以知道当直径 d=42mm 可以取B=14mmH=9mm 3 双吸式二螺杆泵密封有关零件的设计双吸式二螺杆泵的工作时各种间隙的计算与选择螺杆螺旋顶圆和螺杆衬套间隙11是螺杆螺旋顶圆和衬套内孔圆柱面之差，单边间隙为1/2。1应该保证螺杆能自由的旋转，而且使总的摩擦功率损失和给定压力下的介质泄漏为最小。1与螺旋深度和导程的大小无关。根据经验通常取：带入数据可得1=4mm螺旋齿顶圆和相啮合的螺杆齿根圆的圆柱面的间隙22是螺杆螺旋齿顶圆和相啮合的螺杆齿根圆的圆柱面的间隙,这个间隙也因该保证螺杆能自由的旋转,假设形成间隙的齿顶圆和另一螺杆的螺旋齿根圆相切,就会引起额外的摩擦损失因此间隙也应使摩擦损失的功率和介质的泄漏均为最小通常取2小于等于1/2,所以取2=2mm 相互啮合的两根螺杆螺旋面之间的间隙3 由螺杆泵的表4-1可知当:T/R=1=0时带入数据可知所以取螺旋面间距为3=3mm3.2 衬套的厚度及结构的设计计算 衬套尺寸及结构确实定由两螺杆的直径及配合和间隙可以确定衬套的根本结构如以下图图3-1图3-2衬套的结构图由机械设计手册2-4表2-2-27可以查得在压力为10Mp的情况下密封衬套的厚度一般选择为10mm所以衬套的壁厚选择为10mm衬套的整体尺寸如上图根本确定了总的高度由以上计算可知H=a+2R+1+2倍壁厚带入数据可得H=224mm整体的宽度B=2R+1+2倍壁厚带入数据可得B=134mm另外衬套需要与客体间有相对的固定因此在衬套的下端加了筋板,有两个孔可以进行螺钉的固定.衬套的总长度应该比螺杆两段螺纹的长度加上中间的距离要长，一般每边长10mm左右，因此取衬套的长度为L=540mm。泵外壳的尺寸及结构的设计泵外壳外形壳体厚度设计选择由于是双吸式的二螺杆泵，进口与出口必须隔离，且上方平安阀的两口也要隔开于是设计了两支撑的筋板进行了密封。在每个筋板的中间有个放橡胶密封垫的槽，这个使筋板与衬套外外表之间形成更好的密封结构防止泄露另外泵的总长度要比内衬套的长因此设计时结构如以下图：图3-3 图3-4壳体的结构图螺杆泵外壳的长度取Lk=580mm另外螺杆泵的外壳内直径要比内衬套总高度大，经各方面的综合考虑 外壳的直径应该取Rw=300mm壳体的支撑筋板的厚度选择30mm，因为筋板起支撑作用接触面积要大些这样密封性能才能跟好的表现出来。螺杆泵壳体进出口的直径及法兰直径和螺孔的固定直径和两段法兰的计算选择图3-5壳体的下视图及法兰尺寸法兰免得选择在泵课题的设计之中也有着重要的作用，由下表的一系列的数据可以为法兰面直径确实定由较好的指导：图3-6外壳法兰外形图3-7法兰的安装机械设计手册由上表可以查到当壳体卧式安装时由泵的直径及整体的长度流量可以选择出进出口的直径了，由Q=50L/min 直径D=300mm 长度Lk=580mm 综合各方面的考虑之后可以确定进口的直径DN=150mm进口的法兰面直径d1=300mm进口法兰的螺纹孔位置直径为d2=240mm出口的直径设可以为DN2=100mm出口法兰面的直径为d 1=200mm出口法兰面得直径为d 2=160mm每个法兰面上都用8个螺纹孔，用8个螺钉来紧固连接的外表保持着一定的强度。两法兰面的距离定为 B=470mm由上面的表可以确定螺杆泵的壳体两端端面的法兰的直径及螺孔的位置直径也是可以确定的，根据泵的压力和材料的综合考虑之后端面得法兰直径为d2=350mm螺纹孔的定位直径为d 2=314mm、3.4 支撑端盖和外端盖的设计支撑端盖的结构设计3-8端盖外形图 在设计支撑端盖时要考虑到整体的密封效果所以壳体与支撑端盖、螺杆与支撑端盖之间的密封一定要做好.支撑端盖的设计要根据两螺杆的各段直径的大小及轴段的长度来确定的另外还要考虑到壳体的长度与总体的结构等.经计算设计后的结构如图10-1、10-2: 孔A孔B孔C3-9 支撑端盖剖视图 图3-10支撑端盖前视图图中的尺寸都是由壳体的外圆直径和螺杆直径中心距以及轴承的直径这些数据经过综合的考虑最终确定选择的端盖的整体的宽度Bd=75mm图中留得台阶孔C是为了装橡胶密封垫时密封用得,而台阶孔B是为了支撑固定引导螺杆用的,台阶孔A是为了装轴承用的与轴承之间用的是间隙配合.法兰端盖的外面16个通孔是根据壳体的两端上的螺纹孔的位置设计的,里面的8个螺纹孔是为了装配固定外端盖而设计的.这样设计的目的是为了让轴承与可体内运送的液体隔离开来可以起到单独的润滑可以定期的把外端盖翻开定期的参加润滑油比较方便快捷.伸出的局部选择较大的圆角设计看起来更加美观而且更加节省材料降低了生产的本钱.外端盖的结构设计外端盖的设计比较简单,他的主要作用是用来固定轴承的轴向定位的,外观图如下:图3-11外端盖外形图图3-12外端盖剖视图外端盖的宽度设计为B=40mm,外端盖的螺纹通孔是根据支撑端盖的螺纹孔的位置确定的，两个突出的原型薄壁是用来固定圆锥滚子轴承的轴向位置。外端盖可以较简单的卸下来有利于轴承的润滑油的参加。4 附件的选择4.1 主从动螺杆两端轴承的选择主从动螺杆的螺杆末端的直径是相同的为:d2=50mm因此两螺杆的轴承是相同的,由于两螺杆同时要承受轴向力和径向力,因此我们应该选择圆锥滚子轴承,该轴承的主要特点是可以同时承受径向和轴向的压力载荷.由附表6-6 P222可以查得得当d=50mm时可以选择32021型的圆锥滚子轴承所选的数据为:d=50mmB=20mmD=80mm如图外观图4-1圆锥滚子轴承平安阀的选择螺杆泵的一个重要特点是在泵的强度允许的情况下，其排出压力取决于它的背压。因此，当螺杆泵运行时，一旦排出管路堵塞或操作失误未翻开排出阀门等原因，排出压力就会急剧升高，导致泵过载损坏。泵配置了平安阀就能使当排出压力超过某规定值时，平安阀在排出压力作用下，开启平安阀内的阀，介质就回流至泵的进口端，从而使排出压力回落，防止了排出压力的进一步升高，保护泵不被破坏。平安阀的结构如下： 连出口 连进口图4-2平安阀的装配图当出口的压力大于额定的压力时，平安阀内套就会被推动使进口和出口连接在一起这样整体的压力就为0了从而使泵的压力不会大于调定的压力。当压力正常时弹簧将内衬套推回原位泵又正常工作了。压力的设定主要靠锁紧螺钉和锁紧螺母来控制弹簧的伸缩来控制压力的。 密封垫圈的选择 在整个的结构中衬套的密封垫有着很大的作用，衬套与支撑筋板之间的密封决定着这个泵的压力。垫圈选择的材料是橡胶的这样有弹性比较容易密封，也比较好密封的。衬套密封垫圈外形为图4-3衬套垫圈还有一个垫圈是轴承与端盖间的密封垫选择的也是橡胶的材质是根据螺杆的直径及长度选择的。5 两螺杆和轴承以及螺钉的强度校核5.1 螺杆的强度校核双吸式二螺杆泵的一个螺杆是由两段螺纹组成的每个螺纹的长度螺距都是一样的，不过螺旋的方向是不同的这就使在螺杆泵转动的过程中，每段螺纹的轴向力都相中间的从而轴向力在中间局部抵消了。因此在计算强度是只要计算转动过程中的螺杆的转矩符合要求就行了对于螺杆的轴校核如下：根据轴的转矩的大小，通过计算切应力来建立轴的强度条件。这种方法计算简便，但计算精度较低，主要用于初步估算轴径以便进行结构设计和以传递转矩为主的传动轴。强度条件为： T轴所传递的扭矩 Wr轴抗扭截面模量，对实心轴 轴的直径：mm P轴所传递的功率kw n轴的转速r/min; 许用扭转切应力Mpa。 C与材料有关的系数。当轴所受弯矩较大时，C值宜取较大值，反之相反。最小直径处有键槽时，单键轴径需增加3%，双键轴径需增加7%。 轴选的是45钢将:n=1460r/minP=11Kwd=66mm 带入之后计算可知扭转的切应力大于许用扭转切应力轴的强度是平安的。5.2 轴承的强度校核分析角接触轴承所受的轴向载荷要同时考虑由径向力引起的附加轴向力和作用于轴上的其他工作轴向力，根据具体情况由力的平衡关系进行计算。 图17-9中，FR和FA分别为作用于轴上的径向和轴向载荷，两轴承的径向反力为Fr1及Fr2，相应产生的附加轴向力那么为Fs1和Fs2。双吸式的螺杆泵的螺杆两段螺纹产生的轴向力相平衡了，因此两端的轴承的轴向力可以忽略不记： 滚动轴承的寿命随载荷的增大而降低，命寿与载荷的关系其曲线方程为 PL10=常数 其中 P-当量动载荷，N；L10-根本额定寿命，常以106r为单位当寿命为一百万转时，L10=1；-寿命指数，球轴承=3，滚子轴承=10/3。 由手册查得的根本额定动载荷C是以L10=1、可靠度为90为依据的。由此可得当轴承的当量动载荷为P时以转速为单位的根本额定寿命L10为 C1=PL10 L10=(C/P) 106r (17.6) 假设轴承工作转速为n r/min，可求出以小时数为单位的根本额定寿命：应取L10Lh。 Lh 为轴承的预期使用寿命。通常参照机器大修期限的预期使用寿命。 假设轴承的当量动载荷P和预期使用寿命Lh，那么可按下式求得相应的计算额定动载荷C，它与所选用轴承型号的C值必须满足下式要求： 将:n=1460r/minP=11Kw又当d=50mm时Cr=61KNCor=89KN带入数据验证后可以得到轴承的强度是平安的。5.3 螺钉的强度计算端盖的螺钉选择M16的螺钉，由设计可知在两端连接处的螺钉受到轴向和径向力的双重作用。由?机械设计手册?P5-178表5-2-197可知，螺杆受拉应力和拧紧螺栓时的扭转剪应力的合力作用，是复合应力状态 端盖的受力为Fmax=P/AD螺钉数目Z=16，那么单个螺钉受力螺钉危险截面面积那么螺钉危险截面剪切应力螺栓杆剪切强度条件为许用剪切应力取平安系数，查得级螺钉屈服极限，那么将数据AD=d=16mmP=10Mp将数据代入以上的公式那么有 故剪切应力校核平安。那么螺钉危险截面挤压应力螺栓杆挤压强度条件为许用挤压应力取平安系数，级螺钉屈服极限，那么将数据; d=16mmLmin=28mm代入数据后那么有故挤压应力校核平安。6 结论与展望经过了将近半个学期的努力，现在终于将要把毕业论文完成了，从当初接到题目时的一无所知到现在对于双吸式二螺杆泵的结构原理了解透彻并自己亲自去设计完成整个螺杆泵的结构设计，这其中有着辛苦但更多的是对自己能力的提升对自己的更好的锻炼。当初在接到双吸式二螺杆泵的结构设计这个毕业设计的题目的时候自己当时对这个东西很陌生，在以前的学习中叶没有见过这种泵，在自己的脑海中以为是水泵的那样。但是后来是指导老师让我先自己好好的查些资料，先去了解下什么是螺杆泵的外形是什么样子的，在去了解下泵的工作原理。指导老师告诉我们谁也不是刚开始都会得要自己慢慢的了解之后才会知道怎么去做，于是在指导老师的一步一步的指引下我渐渐的知道了自己该去做什么该怎么做。其实在设计的过程中最大的困难就是螺杆泵的壳体与衬套之间的密封问题，因为双吸式二螺杆泵是中高压的泵因此它的密封性要做的很好。这个难题在脑海里不断的闪现，我于是自己在网上查各种图片查书然后再去和指导老师探讨最终把壳体的密封结构确定下来了。在设计的过程中充分的认识到了只要自己想去做想去了解什么样的事都可以做好的，特别是在自己不懂时要及时的问指导老师或同学，人多在一起想讨论的时候问题会更好的解决掉的。在设计的过程中有过很多的问题但是很多的困难在于自己慢慢的去克服，从结构的设计到最终的装配体的形成对于双吸式的二螺杆泵的了解更加的加深了，使自己的专业知识得到了更好的升华。在对双吸式螺杆泵的结构设计过程中，我自己懂得了很多的东西，更多的是学会了怎样做事。在设计的过程中通过对双吸式二螺杆泵的了解克制，不同类型的双螺杆泵，其性能参数和使用场合各有特点。近40年来双吸式二螺杆泵从品种到产量都有了飞跃的开展，在各种螺杆泵中占有越来越重要的地位，特别是应用范围越来越广，许多领域无法用其他泵类来代替。从开展的角度看，它还会有新的螺杆螺旋齿形出现构成新的双吸式双螺杆泵品种的出现，具有很大的开展空间。在这次的设计中自己用了一种比较简单的螺杆的螺旋线的线型设计，对于更复杂的螺杆泵的线型设计自己感觉现在还掌握不了。希望自己在以后的工作学习中随着自己专业知识的积累自己能设计更好螺杆的螺旋线线型。 。参考文献1 李福天.螺杆泵M. 机械工业出版社，2021.2 美 利弗尼立克 ,吉姆布伦南.螺杆泵与井下螺杆钻具M. 2021.3 美 James LWhite,Helmut Potente ,何红 ,金志明 译.螺杆挤出M. 2005.4 阿莫索夫.螺杆压缩机手册M. 19855 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理M. 高等教育出版社 ,2021.6 濮良贵,纪名刚.机械设计M.高等教育出版社 ,2021.7 秦大同,谢里阳.机械设计手册M.北京工业出版社, 2021.8 Martin Cereijo，Ana Mercedes，Multiphase twin-screw pump modeling for the oil and gas industryTEXASA&M UNIVERSITY 2003PhD diss