乳化液泵站系统设计

1 摘 要 在当今的生产技术领域内 广泛应用着乳化液泵 它与乳化液箱组成乳化液泵站 是井下综合采煤工作面支护设备的动力源泉 煤矿井下支护作业 外注式单体液压支柱 及 液压支架 的专用小型推移式注液设备 该泵具有体积小 重量轻 操作简便 移 动灵活 工作平稳可靠和高效节能安全的特点 尤其空间狭小的坑道口 掘进头 低煤 层等地段 更是一般大型泵站无法替代的产品 此次设计乳化液泵主要是因为它在煤矿 工业上有主要的应用 在此次设计中 首先选用往复泵采用了对比的方法进行总体方案的设计 确定泵的 型式 选用曲轴连杆机构为传动方式的结构型式 将曲线运动转变为直线运动 总体方 案确定以后通过液力计算对液力端型式进行选择 根据流体力学及流体机械对传动端的 结构型式进行选择 选出电机的型号考虑到给定的设计参数通过计算确定泵的主要结构 尺寸及参数 再通过设计计算进行液力端主要部件液缸体的设计及校核 传动端的主要 部件减速机构 曲轴 连杆的设计及校核 经过校核计算 最终设计合理 关键词 柱塞 流量 往复泵 曲柄 连杆 1 目 录 1 绪论 1 1 1 选题的意义 1 1 2 乳化液泵的用途 1 1 3 设计的理论基础研究的内容及方法 1 2 总体方案的确定 3 2 1 泵型的选择及特点 3 2 2 液力端结构型式选择 6 2 3 传动端结构型式选择 6 3 泵的主要结构参数的选择与确定 8 3 1 泵的主要尺寸参数的确定 8 3 2 电动机的选择 10 4 主要零部件的设计 13 4 1 液力端主要零部件的设计 13 4 2 传动端主要零部件的设计 15 结 论 24 参考文献 25 致 谢 26 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 1 1 绪论 1 1 选题的意义 乳化液泵作为一种通用机械 在国民经济各个领域中都得到了广泛的应用 它是井 下综合采煤工作面支护设备的动力源泉 其工作状态好坏与安全生产密切相关 要实现 煤矿井下安全作业 提高采煤工作效率 防止出现重大设备安全事故 保障乳化液泵井 下安全运行是十分必要的一个环节 乳化液泵是煤矿井下支护作业和安全生产的重要装 备与工具 其传动方式简单可靠 量大面广 具有高效低耗 安全可靠 移动灵活轻便 操作简单 无污染的特点 深受广大煤矿工作者的欢迎 这些产品填补了国内空白 拥 有多项国家专利 其核心技术上具有完全自主知识产权 处国内领先水平 乳化液泵在 其他行业也有广泛的应用 市场的需求量特别大 1 2 乳化液泵的用途 乳化液泵站是井下综合采煤工作面支护设备的动力源泉 煤矿井下支护作业 外注式 单体液压支柱 及 液压支架 的专用小型推移式注液设备 也是支护作业更换维修的不可 缺少的工具 乳化液泵具有体积小 重量轻 操作简便 移动灵活 工作平稳可靠和高 效 节能 安全的特点 尤其是在空间狭小的坑道口 掘进头 低煤层和回采面等地段 更是一般大型注液泵站无法替代的产品 深受广大煤矿工作者的欢迎 乳化液泵是要实 现煤矿井下安全运行的十分必要的一个环节 由于乳化液泵具有流量均匀 压力稳定 运转平稳 强度高 脉冲小 油温低 噪声小 使用维护方便等特点 所以还广泛适用 于管道清洗 工件清洗 玻璃清洗 工程掘进等 1 3 设计的理论基础研究的内容及方法 乳化液泵在许多行业中都有广泛的应用 通过对流体力学 液压传动 机械制图和 流体机械等的学习对设计有了一定的理论基础 在实习过程中到车间的参观和对泵的一 些零部件及工作原理的认识使我对乳化液泵的设计有了基本的思路 利用理论课学过的 知识进行理论分析热力学分析和对比计算 再通过查阅资料与分析计算相结合进行方案 的设计 根据计算校核进行及时的修改和设计修订 实现优化设计 并能很直观的反映 出乳化液泵的内部结构和工作原理 随着经济的发展在很多生产技术领域内 广泛使用着以曲柄连杆机构为传动方式的 柱塞泵 此种传动方式 简单可靠 量大面广 从小型的实验室计量泵到超过 1 MW 的 大功率石油钻井泵 以及油田注水 压裂 固井 输油 输液等工况往复泵 几乎均被 此种传动方式所覆盖 可谓独领风骚 经久不衰 应该肯定 以往对传统往复泵的理论 研究和实验研究 系统完整 揭示其运动规律与动力特性 对发展生产技术将继续发挥 重要作用 但与任何其它事物的发展过程一样 恰恰在对传统往复泵工作机理研究逐步 深入并取得积极成果的同时 也开始认识到传统的曲柄连杆机构所决定的运动与动力特 性局限了其自身的应用范畴及发展 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 2 通过以上分析可以领悟出一个道理 即在曲柄连杆机构传动的往复泵中 其所以要 发展三缸泵 四缸泵 五缸泵 六缸泵甚至七缸泵等多缸泵 从动力学特性的本质上来 判断 都仅仅是为了尽可能减少叠加加速度 以减小液流惯性损失 以及减小叠加排量 波动度 以改善吸入性能和排液工艺质量 即采用增加结构复杂性的手段来改善曲柄连 杆传动方式的动力特性与运动特性 这在机械设计中是常见的事情 但其所付出的代价 是巨大的 在传统的曲柄连杆机构传动的往复泵发展过程中 排量 压力的波动以及吸入系统 惯性损失对自吸性能的严重影响 始终制约着泵速的提高 虽然排出预压空气包 吸入 缓冲器及吸入灌注泵的配套使用能在一定程度上缓解这些矛盾 但不是从根本上解决问 题 所以 20 世纪 80 年代初期出现的 适当增长冲程长度 合理降低额定泵速 发展中 速往复泵 的技术路线 这种对策的实质 实际上就是对曲柄连杆机构往复泵适用范围 的标定 也就是说 在综合考虑运行工况 使用条件 制造水平 基础工业水准的条件 下 曲柄连杆机构的往复泵只适应在中速或较低的泵速下才能确保其运动的可靠性 如 果提高泵速 则必须附加排出端减振装置和吸入端灌注设备 在这种情况下 由于提高 泵速所导致的减小往复泵体积及质量的优点 将被附属设备复杂程度的提高 质量的增 加以及维修成本的增加抵销得一干二净 也就是说 企图在单纯的参数设计上提高泵速 缩短冲程来减小往复泵的体积与质量 主观愿望在情理之中 客观效果在意料之外 因 而限制了它的进一步发展 但任何事物的发展都存在矛盾 并且任何新生事物也只能在一定的领域内具有适应 性 归纳起来 有以下几点认识作为引玉之砖 1 传统的往复泵 仍将继续在生产技术领域内发挥巨大作用 一般地说 在中速 和较低的泵速下 可靠性程度较高 适当增长冲程长度 合理降低泵速 的技术路线仍 是切合实际和具有现实意义的 2 恒排量往复泵 以发展三缸单作用型式为宜 如果盲目增加缸数 其效果将与 发展恒排量泵的宗旨背道而驰 如果毫无顾忌地提高泵速 也将引起单缸内的汽化并使 工况恶化 因此 凸轮传动的恒排量往复泵的参数设计 似宜为 适当缩短冲程长度 合理提高额定泵速 3 恒排量往复泵对油田注水泵 增压注水泵 注聚合物泵特别适应 具有现实的 技术开发价值 并将对驱油泵 特别是稠油泵 等有特殊工艺要求的泵的发展起促进作 用 4 传统往复泵与恒排量往复泵 在相当长的历史阶段内必将长期共存 并按技术 特征 工况条件 工艺要求 经济效益来划分其各自占领的领域 各扬其长 各得其所 互相补充 共同发展 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 3 2 总体方案的确定 2 1 泵型的选择及特点 根据给定的设计参数和压力高等应用特点 选用的泵型为往复泵 往复泵可以分为 机动泵 手动泵 柱塞泵 隔膜泵 计量泵 立式泵 卧式泵 对置式泵 轴向平行式 泵等 这些泵之间有着密切联系 22 2 1 1 机动泵及其共同特点 用独立的旋转原动机 如电动机 柴油机 汽油机等 驱动的泵 称为机动泵 用 电动机驱动的泵又叫电动泵 机动泵通常由液力端 传动端 减速机 原动机及其附属设备 润滑 冷却系统等 所组成 机动泵的共同特点 瞬时流量脉动而平均流量 泵的流量 只取决于泵的主要结构参数 每分钟Qn 往复次数 柱塞的行程 柱塞直径 而与泵的排出压力几乎无关 当 SD 为确定值时 泵的流量是基本恒定的 SD 泵的排出压力 是一个独立参数 不是泵的固有特性 它只取决于排出管路的特P 性而与泵的结构参数和原动机的功率无关 机动泵都需要有一个把原动旋转运动转化为柱塞往复运动或隔膜周期性弹性变形 的传动端 故一般讲 结构较复杂 运动零部件数量较多 造价也较昂贵 表 2 1 常见的几种机动柱塞泵的参数范围 22 用途 介质 化工用泵 化工介 质 液压机 乳化液 泵型 卧式三联 缸 单 作用柱塞泵 卧式三联 缸 单作用柱塞泵 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 直接作用泵及其特点 液力端柱塞与动力端直接连接的泵 通称为直接作用泵 动力端的工作介质可以是 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 4 蒸汽 压缩气体 通常是空气 或有压液体 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 动力缸 配汽 气或液 机构及其它附属设备所组成 直接作用泵的共同特点 瞬时流量脉动较小 平均流量 泵的流量 也只取决于 但在蒸汽泵中 nSD 由于蒸汽源的压力是恒定的 因此当在蒸汽进口截流时 进入汽缸 动力缸 的蒸汽量 和蒸汽压力将同时发生变化 相应的柱塞速度和或 将发生变化 从而泵的流量就不能恒 定 另一方面 如果泵的排出压力增高时 由于汽缸内蒸汽压力不变 所以柱塞速度 或 就会自行降低 泵的流量也随之减小 故蒸汽直接作用不会过载 n 泵的排出压力取决于管路特性 因此 对于直接作用泵来讲 泵的最大排出压力 取决于它和动力端工作介质的压差 这样一来 安全阀就可设置工作介质一侧 既可以 保护动力源设备又使操作上比较安全 直接作用泵无须具备由旋转运动转化为柱塞往复运动的传动端 因此 就泵本身 来讲 结构较简单 易损件少 造价也较低廉 但对于需要自备动力源的直接作用泵 泵机组还是较为复杂的 直接作用实现流量调节则较为方便 只要改变工作介质的流量就可以达到泵的流 量调节的目的 直接作用泵 特点是蒸汽直接作用泵 因无产生火花的动力装置 因此适用于要 求防火的场合 直接作用的型式较少 只有双联 缸 双作用 双联 缸 单作用 单联 缸 双作用或单联 缸 单作用几种有限的型式 由于上述特点 直接作用泵使用范围没有机动泵那样广泛 目前 蒸汽直接作用泵 主要用于输送石油及其副产品 如石蜡 沥青等 以气或液体为工作介质的直接作用泵 则主要用作产生高压或超高压的增压泵 22 2 1 3 手动泵及其特点 用人力通过杠杆机构驱动柱塞做往复运动的泵 称为手动泵 手动泵的特点 泵的流量和均匀度均无定植 它取决于人力在单位时间内的操作次数和操作均匀 程度 泵的排出压力取决于排出管路特性和排出端压力 泵的额定排出压力则与泵的结 构强度 液力端密封质量及人力大小有关 手动泵主要用于缺少动力或无须其他动力的场合 例如 简易水压试验 简易农药 喷雾 农村简易深井提水 食品工业提升液状物以及简易消防用泵等 2 1 4 柱塞泵及其特点 在液力端往复运动副上 运动件上无密封元件的叫柱塞 相应的泵称为柱塞泵 柱塞泵的特点 柱塞泵的柱塞形状简单 柱塞直径可制得很小 但不宜过大目前所见到的柱塞直 径范围大多在 3 150 10 m 个别的达 0 2m 直径过小 会遇到加工工艺上的困D3 难 直径过大 特别是卧式泵 因柱塞自重过大造成对密封的偏磨 影响密封的使用寿 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 5 命 由于结构的原因 柱塞泵大多制成单作用的 几乎不制成双作用泵 因柱塞密封 填料箱 在结构上易于变形 在材料选择上也比较灵活 故柱塞泵 适用的排出压力范围较广泛 且宜制成高压泵 2 1 5 隔膜泵及其特点 泵的液力端借助于隔膜 膜片 波纹管等 来组成工作腔 以隔膜周期弹性变形来 代替柱塞的往复运动的泵 称为隔膜泵 隔膜泵的特点 在泵的液力端以隔膜的静密封代替了柱塞的动密封 因此可作到输送介质绝对不 外漏 因此 隔膜泵适于输送易燃 易爆 剧毒 恶臭以及具有放射性等对人体有害的 介质 也用于输送纯度高 价格昂贵的物料 对于强腐蚀 易挥发 易结晶以及磨砺性 很强的悬浮液 有时也采用隔膜泵 以改善柱塞密封的工作条件 延长其使用寿命 为了保证隔膜的强度和使用寿命 隔膜的弹性变形挠度通常很小 故对隔膜泵来 讲 隔膜工作腔的行程容积不可能很大 否则其径向尺寸就会很大 另外 隔膜泵的每 分钟的往复次数也较低 由于结构上的原因 隔膜泵的余隙容积较大 而且在泵的吸入过程中需要额外克 服隔膜变形的阻力 故隔膜泵吸入性能较差 容积效率也较低 隔膜泵 特别是液力隔膜泵在结构上要比柱塞泵复杂 使用 维护的技术要求也 较高 2 1 6 卧式泵及其共同特点 液缸或柱塞中心线为水平布置的泵 均称为卧式泵 往复泵多为卧式泵 其共同特点如下 便于操作者观察泵的运转情况 拆 装 使用 维修较为方便 机组在高度方向尺寸时 不需要很高的厂房 但在长 宽方向尺寸较大时 占地面 积则较大 因为柱塞做水平往复运动 密封件在工作时须承受柱塞自重 容易产生偏磨 尤 其当柱塞较重 悬臂很长时 这种现象更为明显 卧式泵的机械惯性力水平分力较大 而泵的基础承受水平分力的能力又较差 故 卧式泵对基础的强度和刚度要求较高 2 1 7 立式泵及其共同特点 液缸或柱塞中心线是垂直布置的泵 称为立式泵 立式泵的共同特点 高度方向尺寸较大 厂房高 但长 宽方向尺寸小 占地面积少 运转时 柱塞密封不承受柱塞自重 不易产生偏磨 机械惯性力水平分力小 垂直分力大 而泵基础有较强的承受垂直分力的能力 故对基础要求不高 一般讲 立式泵的吸排阀 吸排管布置上较困难 拆装 维护也不太方便 特别 是当液力端置于下侧时更明显 但当把液力端置于上侧时 则有所改善 通过对以上几种型式泵的特点的对比 再结合乳化液泵本身的结构特点及其用途 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 6 此次设计选用三联单作用机动卧式柱塞泵 2 2 液力端结构型式选择 在往复泵上把柱塞从滑块处脱开一直到泵的进出口处的部件 称为液力端 液力端 是介质过流部分 通常由液缸体 活塞和缸套或柱塞及其密封 填料箱 吸入阀和排出 阀组件 缸盖和阀箱盖以及吸入和排出集合管 或集液器 等所组成 液力端结构型式 的选择应与泵型及总体结构型式时 应遵循下述基本原则 过流性好 水力阻力损失小 为此 液流通道应力求短而直 尽管避免拐弯和急 剧的断面变化 液流通道应利于气体排出 不允许有死区 造成气体滞留 通常 吸入阀应置于 液缸体下部 排出阀应置于液缸体顶部 吸入阀和排出阀应垂直布置 以利于阀板正常启闭和密封 特殊情况下也可以倾 斜和水平布置 余隙容积应尽可能小 尤其是对高压短行程泵或当泵输送含气量大 易挥发性介 质时 更应力求减小余隙容积 易损件寿命长 更换方便 制造工艺性好 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 因此液力端结构型 式很难统一划分 按泵的吸入阀 排出阀的布置型式 液流通道特性和结构特性可分为 直通式 直角式 阶梯式 对于卧式三联单作用柱塞泵的液力端选用直通式 2 3 传动端结构型式选择 往复泵上传递动力的部件叫传动端 对于机动泵 传动端是指从滑块起一直到主轴 曲轴 伸出端 动力输入端 为止的部件 如果是泵内减速的 则传动端包括减速机 构 如果是泵外减速的 则传动端不包括减速机构 减速机独立 如果是直联泵则传动 端没有减速机构 也无减速机 对直接作用泵 传动端即指动力缸 汽缸 气缸 等部 件 机动泵的传动端主要由机体 曲轴连杆 曲柄 滑块及润滑冷却等辅助设备所组成 11 传动端结构型式选择也应和泵型及总体结构型式选择同时进行 在选择和设计传动端时 应遵循以下基本原则 传动端所属主要零部件必须满足泵最大柱塞力下是强度和刚度的要求 传动端内各运动副 必须是润滑可靠 满足比压和 Pv 允许值 润滑油温升也限 制在设计要求以内 必要时应有冷却设备 在结构和尺寸要求允许的范围内 应力求减小连杆比 l 这样不仅可减小滑块 处的比压 而且可减少惯性水头的影响 从而可改善泵阀工作条件和泵的吸入性能 要合理的选择液缸中心线的夹角 曲柄间错角 力求使机械的惯性力和惯性力矩 得到平衡 减轻对基础的挠力载荷 传动端 尤其是立式泵传动端 应考虑重心的稳定性 传动端顶部应设有运转时 排气 停车时封闭的排气装置 底部应设有排放润滑油的油脂 拆 装 检修方便 大型泵的传动端还应考虑到传动端各零部件的起吊方式和措 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 7 施 易损件及运动副应工作可靠 寿命长 更换较方便 加工 制造工艺性好 图 2 1 乳化液泵总体结构图 1 机体 2 连杆 3 滑块 4 曲轴 5 减速机构 6 缸套组件 7 柱塞 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 8 3 泵的主要结构参数的选择与确定 3 1 泵的主要尺寸参数的确定 3 1 1 给定设计参数 工作介质 乳化液油 含 3 5 乳油的中性溶液 排出压力 P 35MP 排量 Q 80L min 往复泵柱塞个数 Z 3 个 泵的排出压力额定值仅取决于结构强度 液力端密封对对质量及原动机的额定功率 而与流量无关 由公式 22 vvv KSnEDKASnEQt 1 240 1 60 10 m svvmZZUD 24 1 832 9 3 式中 泵的实际流量 10 m stQ 泵的理论流量 10 m s9 3v 泵的容积效率 24DA 柱塞截面积 m 2 柱塞直径 mS 柱塞行程长度 mn 曲轴转数 rpm 或柱塞的每分钟往复次数 spmZ 泵的联数 柱塞数 K 系数 Ar 1 柱塞杆截面积 m 2 1Dr r 柱塞杆直径 m 230snUm 柱塞的平均速度 m sDS 程径比 由上式可知 流量 与 n s r Z等结构参数有关 如果在总体设计时预Q 先选定了泵型和总体结构型式 那么 K即为已知 因此 决定 Q 的主要结构参数就 是 n s 和 r 对于柱塞泵则只有 s D三个主要结构参数 22 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 9 3 1 2 柱塞直径和行程的确定 1 柱塞平均速度 的选择mUm 的大小直接影响泵各运动副零 部件的摩擦和磨损 特别是对柱塞及其密封这一 对运动副的影响尤为显著 不应选择过大 mU过大摩擦和磨损严重 特别是当柱塞 及其密封一旦严重磨损 泄露就将增加 流量下降 排出压力也不能达到额定值 mU也 不能选择过小 要获得一定的 值 当 一经确定 D即为确定值如果 选择过小 QD 值就必须较大 这样一来 不仅使液力端径向尺寸增加 而且因柱塞力是和 2D成正比 的 传动端受力也随之聚增 从而会使泵的总体尺寸和重量增大 选取 mU值的一般原则和方法 可参考泵的有效功率 eN来选取 一般讲 eN越大 mU也越大 反之则宜取较小值 因为 eN大 柱塞力趋于增大 为了减小活塞力 或加大 s 或提高 n 其结果都使 mU增 大 活塞平均速度 m的确定 22 m 的大小主要与折合成单联单作用泵的有效功率 ez有关mU m s4 0eztNK 式中 U 柱塞平均速度 m stK 统计系数 tK 0 18 0 8 ezN 折合成单联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 当选取 mU时 t2P 泵的排出压力 10 N m521 泵的吸入压力 10 N m 当 P 1或 为常压事 全压力 2P 1 2Z 泵的联数K 系数 Ar 1 对于单作用泵 Ar K 0 对双作用泵 K取 0 3 r10 由公式 3 1 kw25 36285 1 62 KZPQNez 所以 m s9 0 04 4 eztmU 2 曲轴转数 和柱塞行程长度 的选择ns 当 选定后 柱塞的直径可算出由公式 3nsUm查表 2 6 常见泵型的 值范围及建n 议值 22 对一般的卧式三联单作用机动泵 值范围现有产品 180 720spm 取i53rn 053892 0 USm 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 10 通过圆整取行程 m04 S 对于机动泵 8 L 16 S m4 01 SL 3 柱塞直径的确定 由经验公式 22 3 2 QZn 1 式中 曲轴的转数 r min 柱塞的行程长度 m S 柱塞的面积 m 12 联数 Z 容积效率 泵的流量 L minQ 对于容积效率 v的选择 当输送常温清水时 v 0 80 0 98 当输送石油产品 热水 液化胫等介质时 0 60 0 80 对乳化液泵取 0 9 由公式 3 2 31 102586 9034 min53i8 rLnSZ 解出柱塞直径 m24D 4 程径比 1 04 DS 5 吸入和排出管内径 21d的选择 这两个值的选取主要取决于吸入 排出管内介质的流速 1v和 2 1 2v过大 水力 阻力损失过大 消耗能量多 泵的吸入性能差 而且容易产生液缸内空化和汽蚀以及泵 的过流量现象 1v 2过小 管路和液力端尺寸较大 在往复泵中 通常要限制 1 2v 值 尤其 值限制更重要 一般取值范围是 1 v 2m s 5 2 2 5 m s 为了 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 吸入管内径 m 2 排出管内径 mQ 泵的流量 m s 31v 吸入管内介质的平均流速 m s 2 排出管介质的平均流速 m s 3 2 电动机的选择 3 2 1 原动机功率的选择与确定 1 原动机的选择 kw PS7 36PQNe 2 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 11 式中 泵的全压力 P 泵的实际流量 L minQ 也可以按下列公式计算 kw75 40612 Ne 式中 泵的全压力 10 N m P2 泵的实际流量 L min 2 泵的轴功率 输入功率 3 3 eN 式中 泵的效率 电动泵的效率范围 6 0 0 9 取 9 0 由公式 3 3 kw83 59 74 eN 3 原动机的功率 kw 3 4 ded 式中 泵的传动装置效率 d 原动机的效率 取 d 0 99 由于泵的效率 已包括了泵的传动机构的摩擦损失 所以 泵的传动装置效率只与泵 的减速机构的机械损失有关 当采用齿轮传动时 94 0 d 0 99 闭式 采用平皮带 传动时 d 0 92 0 98 三角皮带传动时 d 0 90 0 94 由公式 3 4 kw kw dedN 6 549 0 74 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 12 3 2 2 电动机的选择 图 3 1 Y250M 4 型电动 表 3 1 20 原动机功率储备系数 cK 泵的 型号 电动机的功率 W 机动 泵 2 610 2 2 储备 系数 cK2 1 5 1 25 1 15 1 10 kw51 96 41 dcdNK 通过圆整后取 kw5 dN 查表 3 2 Y 系列电动机技术数据可知 20 选取 Y250M 4 型电动机 55kw P A r min 功率因数 0 885 102 I1480n6 92 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 13 4 主要零部件的设计 4 1 液力端主要零部件的设计 柱塞泵液力端通常由液缸体和缸盖 吸入和排出阀箱 阀盖 缸套柱塞和填料箱以 及进出口法兰等 液缸体是柱塞泵中主要承受液压的零件之一 由于它的形状复杂 壁 后不均 内有十字或 T 型交孔 应力集中大 而且是与输送介质接触 并承受内压交变 载荷 因此 它的设计合理性 对其寿命有较大的影响 特别是当输送高温 高压 强 腐蚀性介质时 应注意以下几点 要选取合适的材料和热处理方式 既要有较高的强度指标和抗腐能力 又要特别 注意到材料对应力集中的敏感性 在结构设计上要求形状简单 壁厚均匀 内部流道孔相交也应尽可能减少 实践 证明 在同等条件下 T 型交孔要比十字型交孔的液缸体寿命长一些 如果加工工艺允许 在内部流道交孔应予导圆 并对加工表面做强化处理 以减 弱应力集中的影响 如果在总体和液力端部件设计时就能注意到把液缸体内的高度应力集中部位和高 度变载荷区分开来 将会有效地提高液缸的使用寿命 图 4 1a 直通式布置的液缸体 图 4 1b 垂直布置的液缸体 液缸体的结构型式主要是服从本泵的总体结构型式和液力端结构选型 液缸体的结 构特点可按泵的数分为单作用液缸体和双作用液缸体 对于单作用柱塞泵适合于整体式 液缸体 此形式的泵的多个工作腔在同一个块体上 这种液缸体钢性好 工作间距小 机加工量少 但工件较大 整体式柱塞泵液缸体除特殊型外 大多是由若干个垂直相交 圆柱面流道孔所组成的一个多工作腔体 下图是典型的液缸体剖视图 图 a 是吸入阀 和排出阀组直通式布置的液缸体 图 b 是吸入阀和排出阀互相垂直布置的液缸体 4 1 1 液缸体壁厚的确定及强度校核 1 液缸体壁厚的确定 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 14 假定液缸体为一外圆半径为 2r 内圆半径为 1r的等厚壁圆筒且壁厚 相对轮薄 12r5 时 则可由薄壁筒公式确定壁厚 CPD 1 10 m 4 1 2 一般取 C 0 3 0 8 10 m 对于球墨铸铁 600 800 10 N m2 52 式中 壁厚 10 m 焊接系数 无焊接 1 P 缸内最大工作压力 10 Pa3 1D 液缸体内径 10 m2 C 考虑铸造偏心及腐蚀所留的裕量 由公式 4 1 m 015 1 P 2 强度校核 对于薄壁筒 12 r 1CD 10 N m 4 2 52 因为液缸体一般不焊接支管 所以 1 由公式 4 2 5 192 03 245 13 符合要求 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 15 图 4 2 缸套组件 4 2 传动端主要零部件的设计 4 2 1 机体的组成及设计 机动往复泵传动端主要由机体 曲轴 连杆 滑块等主要零部件所组成 机体是传动端主要零部件之一 通常由机身 机盖 轴承盖等主要零部件所构成 1 机体的主要作用 作为传动机构和曲柄连杆机构的支承 定位及运动导向用 承受或传递泵的作用力和力矩 作为液力端的支承作用并用天安装某些辅助设备 泵的机体 按其毛坯的形式可分为铸造机体和焊接机体两种 一般讲 铸造机体具体有较高的刚度和抗震能力 稳定性好 易于获得所需的强 度 生产周期短 成本也较低 因而在柱塞泵中广为应用 但铸造机体壁厚较厚 整个机体很笨重 通常只适用于固定基础安装 焊接机体多采用低碳钢组焊而成 重要 较轻 便于移动 但此种机体刚性较差 制造周期长 成本高 通常只用于要求往常移 动的泵 2 机体的结构设计 机体结构设计的一般原则 应有足够的强度和刚度 在此前提下 力求重量轻 结构上力求简单 外形力求美观 铸造和机加工工艺性能应良好 在结构设计上 要有便于制造 加工的基准面 以期能较好的保证各加工表面的几何形状 尺寸精度和 形状位置分差 不必要的加工表面应力求减小 简化工表 缩短生产周期 降低成本 便于曲柄机构和传动机构的拆装 调整和检修 便于机体内部的清洗和润滑油的 排放和更新 机体底部应有足够的承重面积 尽可能的降低重心 保证其承载能力和泵运转时 的稳定性 3 减速机构的设计 由于从电动机轴输出的转速过高 采用泵内减速 即一级齿轮减速 传动比的计算 查表 2 2 Y 系列电动机技术数据可知 20 选取 Y250M 4 型电动机 kw 5 P 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 16 L min 功率因数 0 88AI5 102 1480n6 92 A5 3 i 式中 电动机转数 r min 电机效率 曲轴的转数 r min 1n 图 4 3 减速机构 选定精度等级 材料及齿数 此机器为一般工作机器 速度不高 故选用 7 级精度 选小齿轮材料为 40Cr 调质 硬度为 HBS 大齿轮材料为 45 钢 调质 硬280 度为 HBS240 选小齿轮齿数 大齿轮齿数 取241 Z4 612 iZ62 Z 按齿面接触强度设计 4 3 231 HEdtIt uTkd 试选载荷系数 2 tK 计算小齿轮传递的转矩 N m21 1054 39148059 TP 查表 10 7 选取齿宽系数 21 d 查表 21 10 6 查得材料的弹性影响系数 azMPZ8 9 查图 10 21d 按齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳极限 MPa 大齿轮602lim H 的接触疲劳强度极限 MPa 21 502lim H 计算应力循环次数查由表 10 13 得 21 91 103 6 538 1460 hjLnN992 3 式中 齿轮转速 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 17 齿轮每转一圈时 同一齿面啮合的次数j 齿轮的工作寿命 单位为 h hL 查图 10 19 查得接触疲劳强度寿命系数 21 89 01 HNK90 2 HZK 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 MPa 53416089 1lim1 SHNH MPa 2li2K 按齿面接触强度设计计算 试算小齿轮分度圆直径 代入 中极小值Itd H 由公式 4 3 0 078m 3 2 5231 498 1 6 21 04 2 HEdtIt ZuTKd 计算圆周速度 v m s04 6160874 160 nvIt 计算齿宽 b 查表 10 7 取齿宽系数 21 d m 78 Itdb 计算齿宽和齿高之比 h 模数 mm25 31ZItt 齿高 m071 25 h7103 8b 计算动载荷系数 根据 m s 7 级精度 查由图 10 8 查得动载荷系数 21 对于直齿4 6v 15 vK 轮 假设 100N mm 查由表 21 10 3 查得 查表 10 2 查得使用bFKtA 2 FH 安全系数 21 1 查表 10 4 查得 7 级精度 小齿轮相对支撑非对称布置时 21 bdH 3210 6 0 8 2 代入数据后 426 178 1 1 K 由 查图 21 10 13 得7hb4 H 5 FK 故载荷系数 HvAK968 2 5 按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 18 m08 2196 78331 tItKd 计算模数 m mm 2401Z 按齿根弯曲强度设计 由弯曲强度的设计公式为 4 4 321 FsadYZKTm 确定系数 查图 10 20C 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPa 大齿轮的弯曲疲501 FE 劳强度极限 MPa 21 3802 FE 查图 10 18 查得弯曲疲劳寿命系数 21 82 1FNK8 2N 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳系数 4 1S MPa 8 29 50811 KFENF MPa34 22S 计算载荷系数 FVAK 86 15 21 查取齿形系数 由表 21 10 5 查得 6 1 aY30 2FaY 查取齿形系数 由表 21 10 5 查得 58 s 74 12 s 计算大小齿轮的 并加以比较 FSa 0143 296 1 FSaY 7 3 2FSa 按齿根弯曲强度设计计算 由公式 4 4 mm21 3074 2415 386 3 m 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的模数 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的m 模数 由于齿轮模数 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力 而齿面接触疲劳 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 19 强度所决定的承载能力 反与齿轮直径 即模数和齿数的乘积 有关 可取弯曲强度算 得的模数 3 33mm 进行圆整为标准的值 mm 按接触强度算得的分度圆直径 算3 m801 d 出小齿轮齿数 260 381 mdZ 通过圆整后取 1Z 大齿轮齿数 取5923 2 i 52Z 这样设计出的齿轮传动既满足了齿面接触疲劳强度 又满足了齿根弯曲疲劳强度 并做到结构紧凑 避免浪费 几何尺寸计算 计算分度圆直径 m069 321 mZd m1552 计算中心距 m17 2 21 a 计算齿轮宽度 m05 698 01 db 取 m m52B1B 验算 N87 026069 4321 dTFt N m 100000 N m5 1 87 bKtA 由验算可知符合要求 4 2 2 曲轴设计 曲轴是把原动机的旋转运动转化为柱塞往复运动的重要部件之一 工作时 它为承 受周期性的交变载荷 产生交变的扭转应力和弯曲应力 1 曲轴的结构特点和选择 对于乳化液泵采用两支承三曲拐曲轴型式 这种型式的曲轴因具支承少 使曲轴和 机体的加式量减少 传动端装配也简单 相反的 因曲柄错角为 120o的三拐二支承曲轴 不能简化成平面曲轴 故受力状况复杂 刚度和强度较差 在同等条件下就显得粗笨 曲轴典型结构及各个部位 轴端 轴心线与曲轴旋转中心同心的轴向端部叫轴端 曲轴通常有两端 轴的外伸端叫前 端 因前端一般均与原动机或机泵外减速机相连接 并作为总扭矩的输入端 故前端也 叫输入端 相对的另一端叫后端 也叫尾端 轴颈 轴颈包括主轴颈 支承轴颈和曲柄销 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 20 主轴颈系指轴端上安装主轴承或曲轴支承中间轴承上的部位 显然支承轴颈须与主 轴颈同轴心 曲柄销是指曲轴上与连杆大头连接的部位 也叫连杆轴颈 它与主轴颈不 同心 曲拐 曲柄 曲柄半径 曲轴上连接主轴和曲柄销或连接两相邻曲柄销的部位叫做曲柄 前者又称为短臂 后者又称为长臂 曲柄与曲柄销的组合体称为曲拐 靠近主轴颈的曲拐较短又叫短拐 连接两曲柄销 的拐较长 又叫长拐 由主轴颈中心 亦即旋轴中心 到任意曲柄销中心的距离称为曲柄半径 曲拐布置或曲柄错角选定 曲轴的拐数和曲轴柄错角主要取决于泵的型式 联数和作用数的选择 曲柄错角的 选择还应考虑有利于减小流量不均匀度 惯性力和惯性力矩的平衡并有利于两主轴颈处 挠曲交形相接近 对于三联单作用泵取曲柄错角为 120o 各错角均等 而且若以靠近曲 轴输入端为第一曲柄 并以它为基准 顺旋转方向计算时 第二曲柄与第一曲柄间的错 角取为 240o 第三曲柄与第一曲柄的错角则取为 120o 这样才有利于主轴颈处的交形 倾角 接近 特别轴前端主轴颈外伸部位有附加力矩时 更是如此 曲轴支承和轴承选择 对于二支承三拐曲轴的刚度较差 主轴承处的主轴颈变形倾角较大 故主轴承多采 用允许倾角较大的向心球轴承而很少采用滑动轴承 轴颈 铸造曲轴则因铸造工艺能够获得较为复杂的形状 故轴颈可采用空心结构 内孔径 约为外圆直径的 2 5 1 5 空心结构可以减轻曲轴重量 降低材料应力集中 使应力分 布均匀 有利于提高曲轴的疲劳强度 一般空心比实心轴可提高疲劳强度约 50 曲柄 采用椭圆形的曲柄 材料利用最合理 疲劳强度高 但对自由锻造曲轴 曲柄外形 需靠模加工成型 过渡圆角 泵工作时 轴颈与曲柄连接处最容易形成应力集中 而导致曲轴早期破坏 因此在 此处应取圆滑过渡的圆角以提高曲轴的疲劳强度 油孔 曲轴轴颈一般采用有压润滑油强迫润滑和冷却 为此曲轴内应有油孔作为润滑油的 通道 曲轴主油孔 轴向 直径一般取 0 07 0 08 其中 为曲柄销直径 但最D 小不应小于 0 004m 曲柄销上的径向油孔直径比主轴孔直径略小 一般取 0 05 其出D 口与轴颈表面相贯处 应倒圆 抛光 以避免此处应力集中和降低曲轴疲劳强度 倒圆 的圆角半径约为油孔直径的一半 轴端 轴端常见的形状是 前端多为圆柱体或圆锥体 后端多为圆柱体 圆柱轴端加工方 便 但拆装较困难 圆锥轴端便于拆装 但加工较麻烦 锥面锥度一般取 1 10 也可取 1 15 或 1 20 因前端为总扭矩输入端 故前端多有键槽以备安装键来传递扭矩 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 21 轴封 轴前端为外伸端 为防止润滑油由外伸处泄漏 在相应的机体处应设轴封 最常用 的轴封是橡胶轴封和毛毡轴封 2 曲轴结构设计 图 4 4 曲轴 曲轴销直径确定 htDt1 图 4 5 曲柄销直径的尺寸 曲拐轴的曲柄销直径 D 图 4 5 22 可按经验公式初步确定 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 对于二支承三拐曲轴系数应取偏大值 由公式 4 5 m038 4 D 通过圆整后取 m4 主轴颈 t m04 1 9 t 一般曲拐主轴颈变形倾角最大 故考虑到主轴承倾角允许值且应根据主轴承内径进 行圆整 此外 当确定主轴颈尺寸时 还应顾及到轴颈重叠度 应尽可能避免DS 等于零或接近于零甚至于小于零的情况 见图 4 6 22 DS 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 22 D S0Dt Dt S0 图 4 6 曲拐主轴颈尺寸 轴颈长度 轴颈长度还应满足曲柄销问题 即液缸中间距 a 的要求 4 6 12tLa 式中 曲柄厚度 10 m t2 曲柄两侧台肩厚度 10 m1 曲柄厚度 m5 0 t 05 4 60 7 Dc 式中 曲柄销直径 10 m2 曲柄宽度 h m4 1 h 581 式中 曲柄销直径 10 m2 曲柄半径 r m0 2 sr 核算轴颈重叠度 相邻两曲柄销处 13 0 3 0 DrS 式中 曲柄销直径 10 mD2 主轴颈与曲柄销处 5 0 t 连杆大头轴瓦宽度 m2 5 6 0 4 b 式中 曲柄销直径 10 m 曲柄长度 m2 L 03 5 0 曲柄厚度 t 长臂 m 取 m5 01 24 67 D25 t 短臂取 m2t 曲柄宽 h 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 23 m4 1 h06 4 51 8 D 式中 曲柄销直径 10 m2 校核液缸中心距 a 由公式 4 6 m035 015 21 tLa 式中 曲柄长度 10 m 3 曲柄厚度 10 mt 长臂曲柄厚度 10 m1 025 1 t 3 曲轴受力分析 作用在两支点三拐曲轴上的力有 作用在曲柄销中点的集中力 切向力 和径向iT 力 的作用在主轴颈上的支反力 作用在输入端主轴颈上的总扭矩 iRBAN M 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 24 结 论 乳化液泵与乳化液箱组成乳化液泵站 乳化液泵站是井下综合采煤工作面支护设备 的动力源泉 煤矿井下支护作业 外注式单体液压支柱 及 液压支架 的专用小型推移式注 液设备 也是支护作业更换维修的不可缺少的工具 乳化液泵具有体积小 重量轻 操 作简便 移动灵活 工作平稳可靠和高效 节能 安全的特点 尤其是在空间狭小的坑 道口 掘进头 低煤层和回采面等地段 更是一般大型注液泵站无法替代的产品 深受 广大煤矿工作者的欢迎 乳化液泵是要实现煤矿井下安全运行的十分必要的一个环节 由于乳化液泵具有流量均匀 压力稳定 运转平稳 强度高 脉冲小 油温低 噪声小 使用维护方便等特点 所以还广泛适用于管道清洗 工件清洗 玻璃清洗 工程掘进等 乳化液泵的设计目标就是保证井下设备的正常运行 较好的适应环境 满足实际的 应用 本文主要介绍了乳化液泵的总体方案的对比设计 选用曲轴连杆机构为传动方式 的结构型式 将曲线运动转变为直线运动 总体方案确定以后通过液力计算对液力端型 式进行选择 根据流体力学及流体机械对传动端的结构型式进行选择 再通过设计计算 进行液力端主要部件液缸体的设计及校核 传动端的主要部件减速机构 曲轴 连杆的 设计及校核 经过校核计算 最终设计合理 此次设计的主要优点是尺寸设计合理 看 起来较美观 乳化液泵的滑块机构采用的是镀膜材料 可以延长滑块的使用寿命 减少 安全隐患 通过这些天的设计对该产品已经有了深刻的了解 但由于能力有限 不免在 设计的许多方面考虑欠佳 还请老师给予相应的指正 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 25 参考文献 1 郭卫 王云平 乳化液泵曲轴应力的有限元分析 机床与液压 2004 06 2 石惠天 乳化液泵微机在线状态监测的实验研究 煤矿机械 1997 03 3 胡启智 王艳 施锦华 张美玲 温度压力测试系统的研制 煤矿机械 2004 11 4 马丽 乳化液泵容积效率的试验研究 煤矿机电 1997 05 5 马海风 宋胜伟 胡金平 QRB125 N系列乳化液泵的研制 煤炭技术 2003 04 6 王云平 郭卫 PRB250 31 5乳化液泵曲轴结构的有限元 优化分析 机床与液压 2004 08 7 朱松青 周辉 乳化液泵节能控制的一种方法 煤矿机电 2001 06 8 魏季良 一种乳化液泵用二级压力控制液控阀 液压与气动 2001 10 9 郭卫 孙战彬 樊小晶 王云平 乳化液泵的工况故障诊断系统 重型机械 2003 10 张天然 PRB 型乳化液泵卸载阀的改进 煤矿机械 1998 07 11 曹春玲 李海宁 乳化液泵滑块的特点及结构改进 煤矿机械 2006 02 12 周前 杨师斌 乳化液泵发热问题的研究 煤矿机械 2002 12 13 周雷 金光熹 王春六 陆太谦 无连杆往复压缩机滑块的摩擦热学研究 压缩机技术 1993 07 14 唐建华 乳化液泵箱体两垂直孔垂直度的检测 煤矿机电 1996 05 15 李桂三 吴庆国 斜面摩擦与自锁新探 机械工程师 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 大连理工大学工程画教研室 机械制图 第五版 2003 8 19 甘永立 几何量公差与检测 第五版 2001 4 20 任金泉 机械设计课程设计 西安交通大学出版社 2002 12 21 濮良贵 纪名刚 机械设计 第七版 22 韩建勇 往复泵 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 中国矿业大学成人教育学院 2014 届毕业设计 26 致 谢 本论文是在指导老师韩老师的指导下完成的 指导老师广博的学识 严谨的治学态 度 高度的事业心和责任感给了我很大的影响 使我受益匪浅并使我能积极主动的去完 成设计 在大学生活的四年当中 许多老师在学习 生活中都给了我亲人般的关怀和帮 助 使我在学习 生活 为人处事等方面均有了很大提高 在此向所有的老师表示由衷 的感谢和深深的敬意 能够顺利完成这次毕业设计 也离不开老师精心的指导 为了让我明白每一个环节 老师不厌其烦的给我讲解 许多的同学也给予了我很大的帮助和支持 我向他们表示衷 心的感谢 再次感谢所有关心 支持和帮助我的老师和朋友们