海水淡化余压能量回收装置的设计毕业设计

本 科 毕 业 设 计 第 44 页 共 44 页1 引言1.1 反渗透海水淡化技术的发展及现状海水淡化是科学家们多年来不断进行研究的技术课题。随着水资源危机的加剧，海水淡化技术得到迅速发展。在已经开发的二十多种淡化技术中，蒸馏法、电渗析法、反渗透法都已经达到工业规模化生产的水平。最早的淡化方法有两种：冷冻法和蒸馏法。冷冻法，即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分离出去。这两种方法都有难以克服的弊端，其中蒸馏法会消耗大量的能源并在仪器里产生大量的锅垢，而所得到的淡水却并不多；而冷冻法同样要消耗许多能源，但得到的淡水味道却不佳，难以使用。蒸馏法，即将水蒸发而盐留下，再将水蒸气冷凝为液态淡水。这个过程与海水制盐的过程相似，其相异的地方是人类要攫取的是淡水。蒸馏法海水淡化技术利用热能将海水转化为优质淡水，它又分为低温多效、多级闪蒸和压汽蒸馏三种技术。蒸馏法海水淡化技术是最早投入工业化应用的淡化技术。蒸馏法具有可利用电厂和其他工厂的低品位热、对原料海水水质要求低、装置的生产能力大等优点，是当前海水淡化的主流技术，占海水淡化技术总市场份额的57%以上。反渗透海水淡化法是二十世纪六十年代后期发展起来的一项新技术。渗透是一种物理现象，当两种含有不同浓度盐类的水，如用一张只让淡水通过而不让盐分通过的“半透膜”隔开，就会发现含盐量少的一边的水分会透过膜渗到含盐量高的水中，而所含的盐分并不渗透，这样，直到两边含盐浓度相等为止。然而，要完成这一过程需要很长时间，这一过程也称为自然渗透。但如果在含盐量高的水侧，试加一定压力，其结果可以使上述渗透停止，这时的压力称为渗透压力。如果压力再加大，可以使水向相反方向渗透，而盐分剩下。因此，反渗透淡化法，就是在有盐分的水中（如原水），施以比自然渗透压力更大的压力，使渗透向相反方向进行，把原水中的水分子压到膜的另一边，变成洁净的水，从而达到除去水中盐分的目的，这就是反渗透淡化法的原理。反渗透主体设备主要由高压泵、反渗透膜、能量回收三部分组成。在足够高压力的情况下，除水分子外，水中其他矿物质、有机及各种离子几乎都被拒之于膜外，并被高压水流冲出。渗透到另一面的水即是安全、卫生、纯净的水。反渗透法最大的优点是节约能源，生产同等质量的淡水它的能源消耗仅为蒸馏法的1/40。随着海水淡化技术的发展，反渗透已成为所有海水淡化方法中最具竞争力的脱盐技术之一，因此从1974年以来，世界上的发达国家不约而同地将海水淡化的研究方向转向反渗透法。但其产品水成本与传统的市政供水相比较仍较高。反渗透系统中的能耗约占海水厂总运行费用的75%，而且随着社会的发展能量成本还在增加，减少系统能耗已成为降低反渗透淡化运行成本的有效方法之一。在淡化系统中，反渗透膜组件排出的浓盐水仍有很高的压力，如能回收这部分能量来增压进料海水，则系统能耗将大幅度降低，为了降低能耗，余压能量回收装置已成为淡化系统中必不可少的关键设备1.2反渗透基本原理反渗透是一种高效节能的膜技术，以压力为驱动力将进料水中的水（溶剂）和离子（或小分子）分离，从而达到纯化和浓缩的目的。反渗透基本原理如图1-1所示。用半透膜分离浓度不同的两个水溶液，稀溶液测得水会自发的通过半透膜流入浓溶液侧，这种现象叫做渗透。如在浓溶液侧施加压力P，则水的自发流动将受到抑制而减慢，当施加的压力达到某一数值时，水通过摸的净流量等于零，出现渗透平衡，浓盐水侧所施加压力称为渗透压II。渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度，而与膜本身无关。如在浓溶液侧施加大于渗透压的外压P，就能使水分子透过半透膜向稀溶液侧扩散渗透，上述现象是反渗透的基本原理。在实际操作中，为了提高透过水量，所加的外压一般都达到渗透压差的若干倍。2 海水淡化缸材料的选择2.1 玻璃钢玻璃钢（FRP）亦称作GRP，即现为强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体。以玻璃纤维或其制品作为增强材料的增强塑料，称谓为玻璃纤维增强塑料，或称谓为玻璃钢。由于所使用的树脂品种不同，因此有聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢之称。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。可以代替钢材制造机械零件和汽车、船舶、压力容器外壳等。2.1.1 玻璃钢的力学性能玻璃钢的力学性能突出的一点是比强度高，这是金属材料和其他材料无法比拟的。玻璃钢质轻而高强的性能，来源于较低的树脂密度以及玻璃纤维的高抗伸强度（普通钢材的5倍以上）。玻璃钢的密度随着树脂含量的不同而有所不同。从高树脂含量的玻璃毡制品到低树脂含量的玻璃钢缠绕制品，玻璃钢的密度只有普通碳钢的1/41/5，比铝还轻1/3左右。复合材料的力学性能具有明显的方向性，这是与金属材料不同的。金属材料，不论在任何方向，强度和弹性模量几乎完全相同。而对于木材、玻璃钢等，沿纤维方向的强度和弹性模量就比垂直于纤维方向上的要高得多。象金属那样强度不随方向变化而变化的材料称为各向同性材料，而像玻璃钢、木材、钢筋混凝土等，它们的强度随方向不同而变化，称它们是各向异性材料。玻璃钢等人造的复合材料还可以人为地变化纤维方向和数量来达到某种特定的强度要求。玻璃钢主要的化学性能就是它有突出的耐腐蚀性。它不仅不会象金属材料那样生锈腐蚀；同时，也不会象木材那样腐烂，而且几乎不被水、油等介质所侵蚀，可以代替不锈钢在化工厂中用来制造贮罐、管道、泵、阀等，不仅使用寿命长，而且不需采取防腐、防锈或防虫蛀等防护措施，减少了维降费用。玻璃钢在耐腐蚀方面的应用是很广泛的，国外一些主要工业国家，玻璃钢用作耐腐制品方面都在13%以上，其用量有逐年增高趋势。国内用量也不少，大都用作金属设备的衬里，以保护金属。玻璃钢的耐腐蚀性，主要取决于树脂，作为玻璃钢用的树脂，其耐腐蚀性是好的，但单纯的用树脂涂覆在金属表面上，会出现较严重的龟裂裂缝，起不到防渗漏和保护金属的作用。在树脂中添加一定量的玻璃纤维后，将树脂中出现较严重龟裂的可能性转化为数量众多的微小裂缝，而这些小裂缝形成一个贯串裂缝的机率是很小的，而相互间还有止裂作用，这样可以阻止化学溶液介质的渗透腐蚀。玻璃钢不仅对多种低浓度的酸、碱、盐介质及溶剂有较好的稳定性，而且有抗大气、海水和微生物作用的良好性能。不过，对于不同的腐蚀性介质，应选择适当的树脂和玻璃纤维及其制品。关于玻璃钢防腐，近几年来应用越来越普遍，显示了防腐投资少，使用寿命长，节约大量不锈钢材等方面的优越性，取得了显著的经济效果。2.1.2 FRP的生产方法基本上分两大类，即湿法接触型和干法加压成型。如按工艺特点来分，有手糊成型、层压成型、RTM法、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。手糊成型又包括手糊法、袋压法、喷射法、湿糊低压法和无模手糊法。目前世界上使用最多的成型方法有以下四种。手糊法：主要使用国家有挪威、日本、英国、丹麦等。喷射法：主要使用国家有瑞典、美国、挪威等。模压法：主要使用国家有德国等。RTM法（树脂传递模塑）：主要使用国家有欧美各国、日本。还有：纤维缠绕成型法、拉挤成型法和热压灌成型法等等。我国有90%以上的FRP产品是手糊法生产的，其他有模压法、缠绕法、层压法。日本的手糊法仍占50%。从世界各国来看，手糊法仍占相当比重，说明它仍有生命力。手糊法的特点是用湿态树脂成型，设备简单，费用少，一次能糊10m以上的整体产品。缺点是机械化程度低，生产周期长，质量不稳定。近年来，我国从国外引进了挤拉、喷涂、缠绕等工艺设备，随着FRP工业的发展，新的工艺方法将会不断出现。2.2 不锈钢在众多的工业用途中，不锈钢都能提供今人满意的耐蚀性能。根据使用的经验来看，除机械失效外，不锈钢的腐蚀主要表现在：不锈钢的一种严重的腐蚀形式是局部腐蚀（亦即应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀）。这些局部腐蚀所导致的失效事例几乎占失效事例的一半以上。303和303Se 是分别含有硫和硒的易切削不锈钢，用于主要要求易切削和表而光浩度高的场合。303Se不锈钢也用于制作需要热镦的机件，因为在这类条件下，这种不锈钢具有良好的可热加工性。 不锈钢的特点： 表面美观以及使用可能性多样化； 耐腐蚀性能好，比普通钢长久耐用； 耐腐蚀性好； 强度高，因而薄板使用的可能性大； 耐高温氧化及强度高，因此能够抗火灾； 常温加工，即容易塑性加工； 不必表面处理，简便、维护简单； 清洁，光洁度高； 焊接性能好。 3 管路的选择3.1管路的概述及要求管路在液压系统中主要用来把各种元件及装置连接起来传输能量。对管路的基本要求是要有足够的强度，能承受系统的最高冲击压力和工作压力，管路与各元件及装置的连接处要密封可靠、不泄露、决不能松动。在系统中的不同部位，应选用不同规格的管径，管路在安装前必须清洗干净，管内不允许有锈蚀、杂质、粉尘、水及其他液体或胶质等其他污物。管路安装要固定结实，布局合理，排列整齐，方便维修和更换元件。管筒规格按外径和壁厚确定。外径定寸管比通径定寸管具有较高的外径尺寸精度和内外表面粗糙度，易于对管子进行弯曲，适合选用各种管接头。这类管子有钢管、铜管和铝管，后两种一般用于低压系统。铜管虽易弯曲与扩口成型，但扩口时易冷作硬化且铜管有易于油液氧化的催化作用。钢管是液压系统的主要用管，其强度高，适合各种液压设备和高压设备。确定管路的内径、壁厚等尺寸时可按下列方法计算。3.2管内油液的推荐流速 对吸油管道取 0.61.3 m/s （一般取1m/s以下） 对压油管道取 2.57.6 m/s （压力高时取大值，反之取小值；管道较长时取小值，反之取大值；油液粘度大时取小值，反之取大值）。 对短管及局部收缩处，可取 v=57.62 m/s。 对回油管道，可取 1.74.5 m/s。 对管内流速也可按照表3-1选取表3-1液压系统管路推荐流速吸油管压油管回油管流速/(m/s)运动粘度流速/(m/s)压力/MPa流速/(m/s)1500.62.52.531.74.51000.755.03.54501.2104.55301.320562067.6海水淡化系统的工作压力为10MPa，但在活塞杆进入缓冲时压力会达到19.17MPa，因此根据表3-1选取海水淡化系统的海水流速为7.6m/s。3.3管子的内径的计算管子内径的计算公式为 （3-1）式中 d-管子内径（mm）。 q-海水的流量（L/mm）。 v-管内海水的流速，可按推荐流速选取，见表3-1。.根据式3-1可得 管道的内径为 =29.65 mm为方便加工，将其圆整为整数，选取管道的内径为30mm。3.4 管子壁厚的计算管子壁厚的计算公式为 （3-2）式中 t管子壁厚（mm）。 p-工作压力（MPa）。 d-管子内经 （mm）。 -许用应力（MPa），对于钢管。 -抗拉强度 （MPa）。 n-安全系数。（当压力p17.5MPa时，取n=4）。由式3-2得管道的壁厚为=1.91 mm将其圆整为整数，选取壁厚为2mm。3.5 管道的安装布置应注意的问题管子长度要短，管径要合适，流速过高会损失能量。固定两点之间的硬管连接，应避免紧拉直管，要有一个松弯部分，这不仅便于装卸，且也不会因为热胀冷缩，造成严重的拉应力。管子的弯管半径应尽可能大，其最小弯管半径应为管外径的2.5倍。参考表3-2管子最小弯曲半径。管端处不宜有弯管半径，应当留出部分直管，其距离为管接头螺母高度的2倍以上。对系统的管路安装连接必须牢固结实。当管路较长时，需加支撑，支撑管夹的间距，可参考美国材料试验学会推荐的关夹间距见附表一。表3-2管子最小弯曲半径管外径D681012141618202225283035384260最小弯管半径r16202532.540455565801001101604 密封件的选择4.1 密封件的作用在液压系统及其元件中，设计、安置密封装置和密封元件的作用，在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。设置于密封装置中，起密封作用的元件，即为密封件。流体状态的工作介质，在液压元件及系统的空腔内流动和暂存，由于受压力、间隙、粘度等因素变化，而导致少量工作介质越过空腔边界，由高压腔向低压腔流出。这种“越界流出”的现象，称为泄露。泄露，内泄漏和外泄漏两种。单位时间内泄露的液体体积量，称为泄漏量。内泄漏，会引起液压系统容积效率的急剧下降，达不到所需的工作压力，使机械设备无法正常工作。外泄漏，会造成工作介质浪费和污染环境，甚至引发机械操作失灵和人身事故。4.2 密封件的设计和选用的原则4.2.1 基本要求 密封件胶料的配方，其理化性能应满足在工况条件下，长期浸泡于介质中的物化性能指标要稳定，即密封件材料与海水的相容性要好； 在液压系统出现瞬时脉动峰值压力的条件下，仍能保障密装置不被击穿，并且在正常作业条件下，能满足主机作业一个大修期内无泄漏的使用要求； 动密封装置的动、静摩擦阻力要小，并须保持摩擦系数的稳定。避免出现运动偶件咬死或蠕动等情况； 结构灵巧、拆装方便、成本低廉。4.2.2 对密封件材料的要求密封件的材料，随着科学技术的发展，有了长足的进步。物理和化学的性能都以满足科技发展的需要。 在介质中有良好的化学稳定性，即不溶胀，不收缩，不软化，不硬化； 在介质中压缩永久性变形要小、具有良好的物理性能稳定性； 在介质中机械性能变化幅度要小； 耐热、耐寒、耐磨耗及摩擦系数要低； 不腐蚀密封副偶件表面，不粘结； 易加工，成本低。液压系统和元件中，常用的密封件材料，主要是合成橡胶和合成树脂。由于合成橡胶的胶种颇多，且各自的性能也不一样。因此密封件使用者，除要求合成树脂满足以上要求外，还应根据不同种类的橡胶的特性和适用范围，参照密封件的使用工况条件，正确选择。附表二可作为密封件材料的的选择参考。5 海水淡化缸的主要性能参数5.1 压力 公称压力pn，也称为额定压力，是液压缸能用以长期工作的压力。国标GB7938-87规定了液压缸公称压力系列见表5-1 表5-1液压缸的公称压力 单位：MPa0.631.01.62.54.06.310.016.025.031.540.0 最高允许压力pmax，也是动态试验压力，是液压缸在在瞬间所能承受的极限压力。各国规范通常规定为： (MPa) （5-1） 耐压试验压力pT,是液压缸在检查质量时需承受的试验压力。在规定时间内，液压缸在此压力下，全部液压缸零件不得有破坏或永久性变形等异常现象。各国规范多规定为：当 额定压力16Mpa时 （Mpa） （5-2）当 额定压力16Mpa时 （Mpa） （5-3） 最低启动压力p0，是液压缸在空载工况下，通入液压油逐渐升压，活塞杆在刚启动使得压力值，此压力值为液压缸的最低启动压力。5.2 活塞行程国家标准GB2349-80规定了液压缸活塞行程系列见表5-2。表5-2（a）液压缸活塞行程系列 单位：mm2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表5-2（b）液压缸活塞行程系列 单位：mm406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表5-2（c）液压缸活塞行程系列 单位：mm240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800注：液压缸活塞行程参数以优先次序按表（a）（b）（c）选取； 活塞行程大于4000时，按GB321-80优先数和优先数系中R10数系选用，如不能满足要求时，按R40数系选择。根据使用要求和安装空间的要求，海水淡化缸的行程选为1m5.3 液压缸活塞的理论推力和拉力以双作用活塞杆液压缸为例，活塞受力如图5-1。F1F2dDA1A2 图5-1 液压缸活塞受力示意图当活塞杆伸出时的理论推力F1： （N） （5-4）当活塞杆缩回时的理论拉力F2: (N) （5-5）6 海水淡化缸的主要结构尺寸参数6.1缸筒内径D国家标准GB/T2348-93规定了液压缸缸筒内经尺寸系列见表6.1。 表6.1液压缸缸筒内经尺寸系列 单位：mm810121620253240506380(90)100(110)125(140)160(180)200(220)250(280)320(360)400(450)500注：圆括号内尺寸为非优先选用者6.2活塞杆外径d国家标准GB/T2348-93规定了活塞杆外径尺寸系列见表6.2。 表6.2液压缸活塞外径尺寸系列 单位：mm456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360活塞杆的外径尺寸选为50mm7 液压缸参数计算7.1 单活塞杆液压缸两腔面积比单活塞杆液压缸其面积比可由下列公式计算 （7-1）式中 A1-活塞无杆侧有效面积（m2）； A2-活塞有杆侧有效面积（m2）； V1-活塞杆伸出速度（m/s）； V2-活塞杆缩回速度（m/s）； D-活塞直径（m）； d-活塞杆直径（m）。根据所选的缸筒内径和活塞杆外径的尺寸可得所以将以上数据代入式（7-1）得单活塞杆液压缸的面积比为单活塞杆液压缸两腔面积比应符合国家标准GB7933-87规定的面积比值系列。7.2活塞的瞬间线速度活塞的瞬间线速度为 （m/s） （7-2）式中 q-液压缸瞬时体积流量（）； A-活塞的有效作用面积（活塞无杆侧面积为，活塞有杆侧面积）。由式（7-2）及以上的计算可得活塞的瞬时线速度为 m/s8 液压缸主要零部件设计8.1缸筒8.1.1缸筒的结构缸筒的结构和端盖的连接形式、液压缸的用途、工作压力、使用环境以及安装要求等因素有关。端盖分为前端盖和后端盖。前端盖将液压缸的活塞杆腔封闭，并起着为活塞杆导向，防尘和密封的作用。后端盖将缸筒内腔一端封闭，并常常起着将液压缸与其他机件连接的作用。常用的缸筒与端盖的连接有拉杆、法兰、焊接、外螺纹、外卡环、内螺纹、内卡环和挡圈等八中连接形式。其中焊接只用于缸筒与后端盖的连接。法兰连接结构较简单，易加工、易拆装；所以海水淡图8-1缸筒端部的连接形式化缸的缸筒选用法兰连接。如图8-1。8.1.2缸筒的材料缸筒的材料，一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的焊接性能。目前，普遍采用的缸筒材料是热轧和冷拔无缝钢管。近几年来由专业厂提供内圆已经过垳磨和外圆精加工的高精度冷拔无缝钢管，按所需长度切割下料。再根据与端盖连接形式的要求在两端进行加工，就可清洗安装。海水淡化缸必须考虑防腐蚀，但又要考虑其经济性，因此内部采用不锈钢材料，外部用玻璃钢材料。8.1.3缸体的技术要求 缸体内径采用H8、H9配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈时，Ra为0.1-0.4vm，当活塞用活塞环密封时Ra为0.2-0.4vm。且均需绗磨。 缸体内径D的圆度公差值可按9、10或11级精度选取，圆柱度公差值可按8级精度选取。 缸体端面T的垂直度公差可按7级精度选取。 当缸体与缸头采用螺纹连接时，螺纹应采用米制螺纹。 当缸体带有耳环或销轴时，孔径D或轴颈d2的中心线对缸体内孔轴线的垂直度公差值应按9级精度选取。5.1.4缸筒计算 液压缸缸筒内径的计算根据液压缸的供油压力和负载，缸筒内径D可按公式初步计算。最后确定液压缸的内径D值应根据表3.1“液压缸缸筒内径尺寸系列”进行圆整。根据要求缸筒内径的尺寸初步选为180mm。 缸筒壁厚计算缸筒壁厚值，可按下列情况分别进行计算。当时（可用薄壁缸筒的实用计算式） （m） （8-1）当时 （m） （8-2）式中 D-缸筒内径（m） Pmax-最高允许压力(MPa) （见表2-1和式2-1） -缸筒材料的许用应力（MPa）液压缸的壁厚为 m当按式（8-1）计算时0.0214 此时 (不符合条件舍去)；当按式（8-2）计算时0.024 此时 （符合条件保留）。将壁厚圆整为整数，选取壁厚为90mm。由于海水淡化缸的介质为海水，缺乏润滑而且有很高的腐蚀性，玻璃钢表面粗糙度难以加工的很小，所以在玻璃钢的内部嵌套一个不锈钢的衬套用来降低缸筒内壁的粗糙度，降低摩擦阻力和磨损。不锈钢的厚度为4mm。由此，海水淡化缸缸筒的外径为=368 mm 缸筒壁厚的验算计算求得的缸筒壁厚值后，应进行以下四个方面的验算，以保证液压缸安全的工作。 液压缸的额定压力pn应低于一定的极限值，保证工作安全： （8-3） = =11.98 MPa液压缸的额定压力为12MPa。 为了避免钢桶在工作时发生塑性变形，液压缸的额定压力值应与塑性变形压力有一定的比例范围： （MPa） （8-4） （MPa） （8-5）由式（8-5）得塑性变形压力为 =32 MPa由式（8-4）得液压缸的额定压力为 =0.432 （系数选取0.4）=12.8MPa 为了确保液压缸安全的使用，液压缸的爆裂压力应大于耐压试验压力： (MPa) （8-6） = =157 同样也可用费伯尔公式来计算缸筒的爆裂压力的值 (8-7)以上各式中 D-缸筒内径（m）； -缸筒外径（m）； -液压缸的额定压力（）； -缸筒发生完全塑性变形的压力（）； -液压缸耐压试验压力（）； -缸筒发生爆裂时的压力（）； -缸筒材料的抗拉强度（）； -缸筒材料的屈服强度（）； 计算求得时，应远远超过耐压试验压力时，才可保证液压缸安全的使用。 即 缸筒底部厚度的计算缸筒底部为平面时，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度公式进行近似的计算如图8-1 图8-1 缸筒平面底部其计算公式为 （8-8）式中 -缸筒底部厚度（m）；-计算厚度处的直径(m)；-液压缸的额定压力（）；-缸筒底部材料的许用应力（）。其选用方法与缸筒壁厚计算相同。由公式（8-8）得缸筒底部厚度为 =0.051mm为了加工方便，将其圆整为整数，选取缸底厚度为52mm。 缸筒端部法兰厚度计算 (m) (8-9)式中 F-法兰在缸筒最大内压下，所承受的轴向力（N）； -法兰外圆半径（m）。其余符号代表的意义见图8-2图8-2 缸筒端部法兰厚度为了便于安装螺栓，将螺栓孔的中心线距离缸筒外表面的距离为46mm，距离法兰外圆的距离为41mm，所以法兰处外圆直径为D=287+368=542mm。法兰的厚度为m将其圆整为整数，选取法兰的厚度为50mm。8.2活塞8.2.1活塞的结构形式活塞根据压力、速度、温度等工作条件来选择密封件的结构形式，而选定的密封件形式决定了活塞的机构形式。常用的活塞的结构形式分为整体活塞和分体活塞，活塞的宽度一般由密封件、导向环的安装沟槽尺寸来决定。有时，对长行程的液压缸为了避免负载引起的侧向力，可以结合中隔圈来确定活塞的宽度。根据以上考虑得出的活塞宽度通常能满足强度的要求。8.2.2活塞的密封活塞的密封选用准则取决与压力、速度、温度和工作介质等因素。以往活塞常用的密封有间隙密封，活塞环，O型密封、Y型密封、U型密封和V型密封圈等橡胶密封件。近年来选用较多的是O型密封圈或特殊的外形轮廓密封件作为副密封件和聚四氟乙烯主密封件组合在一起使用（图8-3）。这种组合方式显著提高了密封性能，降低了摩擦阻力，无爬行现象，具有良好的动态及静态密封性，耐磨损，使用寿命长、安装沟槽简单、拆装方便。另一个特点就是允许活塞外圆与缸筒内壁间有较大的间隙。因为组合式的密封圈能防止挤入间隙内，这就降低了活塞和缸筒的加工要求。图8-3 活塞的组合式密封圈8.2.3活塞的材料一般情况下，无导向环（支承环）的活塞选用高强度铸铁HT200300、球墨铸铁和青铜QAl9-4等材料。有导向环（支承环）的活塞选用碳素钢20号、35号及40号。现在海水淡化用液压缸的活塞需要满足防腐蚀的要求，所以选用玻璃钢材料。8.2.4活塞的技术要求 活塞外径D对内孔D1的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。 端面T对内孔D1轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取。 外径D的圆柱度公差值，按9、10或11级精度选取。 活塞与缸体的密封结构:活塞与缸体之间既有相对运动，又需要使两腔之间不漏油。因此在结构上应慎重考虑。8.2.5活塞的质量活塞的体积可看做为总体的体积减去四个密封圈槽的体积、与活塞杆配合处的体积再减去安装螺母处的体积。如图8-4图8-4 活塞的结构活塞外圆处密封圈槽的体积为=69.8 活塞外圆组合式密封槽的体积为 =51 与活塞杆配合处的密封槽的体积为 =3.14 与活塞杆配合处的通孔的体积为 =50 安装螺母处的体积为 =321.5 活塞总体积为 =2645 由以上各式得，活塞的实际体积为 = =2149.56 活塞的质量为=3.87 kg8.3活塞杆8.3.1活塞杆的结构活塞杆的杆体分为实心杆和空心杆两种。由于海水淡化用液压缸缸杆不对外做功（即不承受拉力或压力），现在为减轻液压缸的重量采用空心杆。如图8-5。图8-5 空心活塞杆活塞杆的外端是液压缸用以与负载连接的部位，可根据液压缸的安装连接方式有多种结构形式。活塞杆的外端螺纹形式和尺寸系列应符合国家标准GB2350-80的规定。活塞杆的内端是用来和活塞连接的部位。所有的连接形式都应该有锁紧措施，以防止活塞作往复运动时松动。当选用螺纹连接结构形式时，需有一个定位轴肩，以防止螺纹的间隙引起活塞的径向跳动，另外还需要考虑活塞与活塞杆的静密封。由于活塞杆不是拉力或压力所以不用对活塞杆进行弯曲稳定性校核。5.3.2活塞杆的材料活塞杆选用45号碳素钢，由于海水有很强的腐蚀性，所以在活塞杆的外部喷涂一种名为Ceramax-1000陶瓷涂层，具有比镀硬洛的活塞杆在强度、抗腐蚀性和抗磨损方面更好的特性。5.3.4活塞杆的技术要求 活塞杆的热处理：粗加工后调制到硬度为229-285HBW，必要时，再经高频淬火，硬度达到45-55HRC。 活塞杆d和d1的圆度公差值，按9、10或11级精度选取。 活塞杆d的圆柱度公差值，应按8级精度选取。 活塞杆d对d1的径向跳动公差值，应为0.01mm。 端面的垂直度公差值，则应按7级精度选取。 活塞杆上的螺纹，一般按6级精度加工；如载荷较小，机械振动也较小时允许用7级或8级精度选取。 活塞杆上如有连接销孔时，该孔径应按H11级加工。该孔轴线与活塞杆轴线的垂直度公差值，按6级精度选取。 活塞杆上工作表面的粗糙度为Ra0.63m。5.3.5活塞杆的尺寸图8-6 活塞杆的结构活塞杆的主体部分（即5处）外径为50mm，由于活塞杆的两端为连接用的螺纹，而螺纹有国家的标准，见附表三所以初选外螺纹的直径和螺距为M362，（即1处、10处）。9与10处开螺纹退刀槽，9处为活塞杆和活塞的配合部分，根据密封环的尺寸选取9处的轴颈为40mm。8处轴段的作用一是为了活塞的轴向定位，二是为了活塞杆在到达液压缸的左端时用于活塞杆的减速。根据缓冲和定位的要求8处轴段的外径为92mm。3、4、6、7轴段处的作用是为了和活塞的空心部分焊接。2处轴段起过度作用，减缓轴径的变化。5.3.6 活塞杆的重量活塞杆的重量为 ，其中由组成由于活塞杆的材料为45号钢，所以活塞杆各轴段处的密度相同，由此可先求得各轴段处的体积，相加后再乘以密度可得活塞杆的质量。1轴段处的体积为= 2轴段处的体积为= 3轴段处的体积为= 4轴段处的体积为= 5轴段处的体积为= 6轴段处的体积为= 7轴段处的体积为= 8轴段处的体积为= 9轴段处的体积为= 10轴段处的体积为= 11轴段处的体积为= 有以上各式得活塞杆的总体积为 = 活塞杆的质量为kg =22kg5.3.7 活塞杆的刚度校核由于活塞杆在海水淡化缸中的起到增压作用，而不是用来对外做功，所以只校核其刚度。当活塞杆运动到液压缸的最左端时，其受力分析如图8-7。图8-7 活塞杆的受力分析活塞杆的总长度为L=1583mm，L2的长度为368mm。所以活塞杆的重心距离支点的距离为=1583-368 =1215 mm活塞杆的重力在支撑点处产生的弯矩为 = =262 Nm空心圆轴危险截面处应满足以下强度条件 其中 所以危险截面处的应力为 =因为所以空心活塞杆是安全的。8.4 活塞杆的导向、密封和防尘在液压缸的前端盖内，又对活塞杆导向的内孔；有对缸筒有杆侧腔密封的密封件；有活塞杆内缩时刮出附着在表层的杂质、灰尘和水分的防尘圈。图8-8所示为活塞杆的导向、密封和防尘的典型结构。图8-8 活塞杆的导向、密封和防尘5.4.1 活塞杆的导向活塞杆的导向有无导向环、金属导向环和和非金属导向环等三种形式。（1） 无导向环 前端盖用青铜QAL9-4，球墨铸铁和高强度铸铁的耐磨材料制成，用其内孔对活塞杆导向。特点：耐磨金属材料用料较多，成本高。当内控磨损后无法修补。（2） 金属导向套 前端盖用碳素钢制成，其内孔压入如青铜QAL9-4等耐磨金属材料制的导向套，对活塞杆导向。特点：用耐磨金属材料制导向套，材料是节约了但加工复杂了。内空磨损后，维修较困难。（3） 非金属导向套 前端盖用碳素钢制成，其内孔安装有高强度塑料或纤维复合材料等非金属材料的导向环，对活塞杆导向。如图8-8特点：用高强度塑料或纤维复合材料制造导向环。前端盖和活塞杆为非金属接触，摩擦阻力低，耐磨、使用寿命长，装导向环沟槽加工简单。当磨损后，导向环更换方便。5.4.2 活塞杆的密封和防尘以往活塞杆的密封多用O型密封圈、窄断面Y型密封圈及V型密封圈。这些密封形式由于活塞杆和密封件之间是干摩擦，摩擦阻力大，往往导致密封唇过早磨损。因此近几年来多选用组合式密封圈，如K型斯特封，它是由两个不同元件组成：一个是聚四氟乙烯加入青铜填料制造的阶梯型密封圈（主密封件），另一个是O型密封圈（弹性元件和副密封作用）。如图8-9。组合式密封圈（K型斯特封）具有低摩擦阻力、启动时无爬行、极低的泄漏量和抗磨损等特点。123 图8-9 组合式密封圈（K型斯特封）1-前端盖 2-活塞杆 3-组合式密封圈（K型斯特封）活塞杆的防尘，以往多选用无骨架防尘圈。目前多采用，既可以防尘又可以密封双唇型防尘圈，见图8-10。123图8-10 双唇型防尘圈1-前端盖 2-双唇型防尘圈 3-活塞杆外唇起防尘作用，保持活塞杆表面干净，内唇相当于密封唇口。当当活塞杆外伸时，通过主密封圈黏在活塞杆表层的油膜，即被双唇型防尘圈的内唇（密封唇口）刮下，这样就在主密封圈防尘圈之间保留了一层油膜，起润滑作用，提高密封圈的使用寿命。5.4.3 活塞杆的导向环尺寸的计算活塞杆的导向环的主要尺寸是导向宽度，通常按活塞杆直径、导向环的形式、导向环材料的承载能力，以及可能遇到的最大侧向负载等因素来考虑。导向环的受力情况，因根据液压缸的安装方式，导向环的结构形式、外部载荷、有无导向装置等因素作具体分析。导向环承受的支撑压力 (MPa) （8-10）式中：b-导向环的宽度（m）； K-安全系数，通常取12； FG-活塞杆导向环承受的载荷； d-活塞杆的外径。式(8-10)中计算的支撑压力，应在导向环材料允许范围之内。通常聚四氟乙烯：15MPa。 导向环的宽度b （m） （8-11）式中 -导向环材料允许的压力（MPa）。其他符号同前。由式（8-11）得活塞杆导向环的宽度为 =12mm所以活塞杆导向环的宽度为12mm。8.5 缓冲装置液压缸的行程终端缓冲装置可是带着负载的活塞在达到形成终端时减速到零，目的是消除因活塞的惯性力和液压力所造成的活塞与端盖之间的机械撞击，同时也为了降低活塞在改变运动方向时液体发出的噪声。缓冲装置的工作原理，是在活塞到达行程终端之前的一段距离内，设设法把排油腔内之油液的一部分或全部封存起来，使其通过节流小孔（或缝隙）排除。从而使被封存的油液，产生适当的缓冲压力作用在活塞的排油侧上，与活塞的惯性力相对抗，以达到加速制动的目的。缓冲装置的结构形式，可根据节流小孔（或缝隙）的流通面积，在缓冲过程中能否自动改变来分类，通常可分为恒流节流和变节流型。海水淡化缸的缓冲装置采用恒节流型。8.5.1恒节流缓冲装置恒节流型缓冲装置其缓冲柱塞通常为圆柱形，当缓冲柱塞进入后端盖时，缓冲腔连通排油口节流面积减减变小，最后变为零。缓冲腔内油液被封存，而只能通过缓冲柱塞与后端盖的环形缝隙流入后端盖的排油口。在缓冲腔被封存的油液受活塞的挤压缓冲压力上升到高于活塞另一侧的压力，是活塞减速制动，以达到缓冲制动的目的。8.5.2缓冲装置的计算A. 假设油液是不可压缩的；节流系数是恒定的；流动状态是紊流；缓冲过程中，进口压力不变；密封件摩擦阻力相对于惯性力很小，可忽略不计。B. 缓冲压力一般计算公式在缓冲制动情况下，液压缸活塞的运动方程式（见图8-11） 为一般情况下，出口压力p20，由此可得缓冲压力 （MPa） （8-12）式中 -缓冲腔内的缓冲压力（MPa）； A-缓冲腔内的有效作用面积()； p1-进油口压力（MPa）； A1-工作腔活塞的有效作用面积（）； R-折算到货赛上的一切外部载荷，包括重量及液压缸内外摩擦阻力在内（N），其作用方向与活塞的运动方向一致者取“+”，反之则取“-”号，（因此摩擦阻力取“-”）； G-折算到活塞上的一切运动部分的重量（N）； g-重力加速度 g=9.81； a-活塞的减速度（）；在式（8-12）中带入平均减速度，即得平均缓冲压力 （MPa） （8-13）pcAp1A1dp2A2SSc图8-11 用环形缝隙节流的缓冲装置采用环形缝隙节流的缓冲装置，其环形缝隙的计算。环形缝隙可按以下近似公式计算 （m） (8-14)式中 -从环形缝隙中流过的平均体积流量（）； -液压油的动力粘度（Pa/s）； -活塞的缓冲行程（m）； -平均缓冲压力（MPa），按式（8-14）计算； -环形缝隙的平均直径（m），可取d（m）； d-缓冲柱塞直径（m）；因为，活塞的平均减速度 （），所以，缓冲时间（s）。平均体积流量 （）。式中 -活塞在开始缓冲时的速度（m/s）； A、Se 符号代表的意义同前。将、d代入式（8-14）中，则环形缝隙可用一下的计算公式来计算 （8-15）在实际设计中环形缝隙不能过小，通常取0.100.12mm。缓冲行程Se不可过长，以免外形尺寸过大。当活塞运动到缸筒的底部时，对活塞杆进行受力分析 图8-12F2F11121152260G图8-12 活塞杆的受力分析活塞杆的重量为G=mg=229.8=223 N以F1处支点为原点，由弯矩公式可得F2的大小为 =97 N所以活塞杆上的折算到活塞上的重量为97N。螺母的质量为 =0.91 kg活塞受到的压力为活塞杆折合到活塞上的压力、活塞的重量、螺母的重量。 = =144 N活塞杆在减速时的平均缓冲压力为 =19.17MPa根据以上各式可得由式（5-14）得缓冲缝隙为= =0.112 mm选取缓冲缝隙为0.12mm。8.6 排气阀排气阀用于排除液压缸内的空气，使其工作稳定。一般把排气阀安装在液压缸两端的端盖的最高位置，与压力腔相通，以便安装后调试前排除液压缸内的气体。8.7 进、出油口尺寸液压缸的进、出油口可布置在液压缸缸筒或前、后端盖上，其连接形式有螺纹、方形法兰或矩形法兰等。海水淡化缸进、出油口的形式采用螺纹连接。国家标准 GB/T2878-93规定了液压缸进、出口螺纹连接的油口尺寸系列表。另外，16MPa小型系列单杆液压、16MPa中型系列档案液压缸和25MPa系列单杆液压缸均有国际标准规定其油口安装尺寸。9 螺栓的选择9.1 载荷计算采用普通螺栓联接，螺栓个数为6个。对螺栓进行受力分析，可得，缸底受到的载荷为轴向载荷，其作用线与螺栓轴线平行，并且通过螺栓组的对称中心，因此计算时可认为各螺栓均匀承载，则每个螺栓所承受的轴向载荷为： （9-1）式中 -轴向总载荷； z-螺栓的个数。轴向总载荷为 N9.2 螺栓工作载荷计算由式（9-1）得，每个螺栓所承受的轴向载荷为 N液压缸为压力容器，因此装配时需要拧紧螺母，螺栓受预紧力作用，加轴向工作载荷F后，由于螺栓和被连接件的弹性变形，螺栓受到的总拉力，并不等于预紧力和工作载荷的简单叠加，经研究分析得轴向载荷作用后，螺栓受到的总拉力为： (9-2)随着工作载荷的增大，残余预紧力将逐渐减小，当工作载荷大到一定程度时，残余预紧力将为零，这时如工作载荷继续增大，被连接件就会出现缝隙。因此为了保证一定的残余预紧力，残余预紧力可按表9-1选取。工作情况残余预紧力无紧密性要求工作载荷稳定（0.20.6）F工作载荷不稳定（0.61.0）F有紧密性要求（1.51.8）F表9-1 残余预紧力的选取根据表9-1，海水淡化缸有紧密性要求，因此残余预紧力选取1.6F。单个螺栓的工作压力为 考虑到螺栓在承受工作载荷的作用下可能补充拧紧，此时螺栓在承受总拉力的同时还受拧紧力矩的作用，为安全起见按式（9-3）的强度条件进行计算。 (9-3)9.3 计算螺栓直径根据式（9-3）得螺栓的小径为 m根据GB196-2003的规定 螺栓选择为M362。10 泵的选择泵的主要参数是压力、流量、转速、效率，一般应根据系统的实际工况来选择，为了提高系统的可靠性，延长泵的的使用寿命，一般在固定设备中液压系统的正常工作压力可选则为泵的额定压力的70%80%。选择泵的第二个主要因素是泵的流量和排量，泵的流量与工矿有关，选择泵的流量应大于液压系统的工作时的最大流量，泵的效率值是泵好坏的体现，一般来说，应使主机的常用工作参数处在泵效率曲线的高效区域。另外，泵的最高压力与最高转速不宜同时使用，以延长泵的使用寿命。转速的选择应严格按照产品技术规格表中规定的数据，不得超过最高转速值，至于最低转速，在正常的使用条件下没有严格要求。其他方面的技术性能参数在液压泵的选择上也应当考虑，如泵的自吸能力、流量的脉动、噪声、污染敏感度、变量能力、价格等。 根据附表四，选择叶片泵，由于海水淡化系统的介质为具有腐蚀性的海水，所以所选用的叶片泵除了能够满足海水淡化系统的压力和流量的要求外，还应能够满足抗腐蚀的性能。 叶片泵承受工作压力为10MPa，最大的压力为19.17MPa，海水淡化系统中海水的流量为20，根据实际的工况条件，选用YB-F型叶片泵，此叶片泵的额定压力为17.5MPa，转速在2200600r/min，排量mL/r，可以满足工作要求。但是一般的YB-F型叶片泵不能满足防腐蚀的性能，因此可根据YB-F型叶片泵进行改装设计。 11 电机的选择如无特殊要求，一般选用Y系列三相交流异步电动机。Y系列具有高效、节能、噪声小、振动小、运行安全可靠的特点，安装尺寸和功率等级符合国家标准（ICE），适用于无特殊要求的各种机械设备，如机床、鼓风机、运输机、液压系统以及农业机械和食品机械等对于启动频繁、制动和换向的机械(如起重机)，宜选用允许有较大振动和冲击、转动惯量小、过载能力大的YZ和YZR系列起重用三相异步电动机。根据液压泵的功率选择电动机的型号为Y280S-4。12 阀的选择单向阀常被安置在液压泵的出油口处，可防止系统压力突然升高时破坏液压泵。另外拆装泵时系统中的介质不会损失。单向阀还可以当做保压阀来使用，对开启压力大的单向阀还可当做背压阀使用。海水淡化系统中用到了四个单向阀和一个先导式二位五通电液换向阀，普通阀不能满足抗腐蚀的性能，因此可根据普通阀的结构形式自行设计单向阀和先导式三位四通电液换向阀。结 论经过一个学期的紧张设计，我终于完成了海水淡化余压能量回收装置的设计。从开始的课程调研，方案确定到最后的实际设计，在指导老师的认真指导下，脚踏实地地完成了每一项设计，在设计中逐渐认识到机械自动化行业的重要性。在本次设计中，遇到了一些困难，但是在老师和同学的帮助下也顺利的克服了它。通过本次设计让我充分对机械自动化设备有了一个全新的认识，同时学会了在设计中利用资源的方法。在实际设计中，根据实际调研，生产实践的经验以及大量参考文献基础上不断进行创造性思维，确定技术方案，规划功能作用、分析工作原理、分