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中國礦業(yè)大學(xué)2008屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 104 頁
一 概述
1.1往復(fù)泵的發(fā)展概況
往復(fù)泵是工業(yè)泵中不可缺少的一類產(chǎn)品.它的突出優(yōu)點是:可獲得高的排壓,且流量與壓力無關(guān),適應(yīng)輸送介質(zhì)十分廣泛,吸入性能好,效率高,泵的性能不隨壓力和輸送介質(zhì)粘度的變動而變動.在當(dāng)今世界能源緊缺的形勢下,往復(fù)泵作為節(jié)能產(chǎn)品,在石油開發(fā)、管道輸煤、煤氣化工、電站排渣、礦山開采等方面起著重要作用,而且在壓力容器檢測和實現(xiàn)現(xiàn)代化石油化工工業(yè)全面自動化方面也是不可缺少的品種.近年來,其產(chǎn)量明顯增長,證實了它在國民經(jīng)濟發(fā)展中的地位.
1.2 往復(fù)泵的原理及特點
1-泵缸 2-活塞 3-活塞桿
圖1-1 往復(fù)泵裝置簡圖
1.2.1 往復(fù)泵的原理
(一)主要部件：泵缸、活塞，活塞桿及吸人閥、排出閥。
(二)工作原理：活塞自左向右移動時，泵缸內(nèi)形成負壓，則貯槽內(nèi)液體經(jīng)吸入閥進入泵缸內(nèi)。當(dāng)活塞自右向左移動時，缸內(nèi)液體受擠壓，壓力增大，由排出閥排出。
活塞往復(fù)一次，各吸入和排出一次液體，稱為一個工作循環(huán)；這種泵稱為單動泵。
活塞往返一次，各吸入和排出兩次液體，稱為雙動泵。
活塞由一端移至另一端，稱為一個沖程。
(三)往復(fù)泵的流量和壓頭:
往復(fù)泵的流量與壓頭無關(guān)，與泵缸尺寸、活塞沖程及往復(fù)次數(shù)有關(guān)。
單動泵的理論流量為:
QT=Asn
往復(fù)泵的實際流量比理論流量小，且隨著壓頭的增高而減小，這是因為漏失所致。
往復(fù)泵的壓頭與泵的流量及泵的幾何尺寸無關(guān)，而由泵的機械強度、原動機的功率等因素決定。
(四)往復(fù)泵的安裝高度和流量調(diào)節(jié):
往復(fù)泵啟動時不需灌入液體，因往復(fù)泵有自吸能力，但其吸上真空高度亦隨泵安裝地區(qū)的大氣壓力、液體的性質(zhì)和溫度而變化，故往復(fù)泵的安裝高度也有一定限制。
往復(fù)泵的流量不能用排出管路上的閥門來調(diào)節(jié)，而應(yīng)采用旁路管或改變活塞的往復(fù)次數(shù)、改變活塞的沖程來實現(xiàn)。往復(fù)泵啟動前必須將排出管路中的閥門打開。
往復(fù)泵的活塞由連桿曲軸與原動機相連。原動機可用電機，亦可用蒸汽機。往復(fù)泵適用于高壓頭、小流量、高粘度液體的輸送，但不宜于輸送腐蝕性液體。有時由蒸汽機直接帶動，輸送易燃、易爆的液體。
1.2.2 往復(fù)泵的特點
在離心式和容積式兩大類泵中,往復(fù)泵屬于容積式泵.亦即它也是借助工作腔里的容積周期性變化來達到輸送液體的目的的;原動機的機械能經(jīng)泵直接轉(zhuǎn)化為輸送液體的壓力能;泵的流量只取決于工作腔容積變化值及其在單位時間內(nèi)的變化次數(shù)(頻率),而(在理論上)與排出壓力無關(guān).
往復(fù)泵和其它類型容積式泵的區(qū)別,僅在于它實現(xiàn)工作腔容積變化的方式和結(jié)構(gòu)特點上;往復(fù)泵是借助于活塞(柱塞)在液缸工作腔內(nèi)的往復(fù)運動(或通過隔膜、波紋管等撓性元件在工作腔內(nèi)的周期性彈性變形)來使工作腔容積產(chǎn)生周期性變化的.在結(jié)構(gòu)上,往復(fù)泵的工作腔是借助密封裝置與外界隔開,通過泵閥(吸入閥和排出閥)與管路溝通或閉合.
往復(fù)泵這一實現(xiàn)工作容積變化的方式和結(jié)構(gòu)特點,構(gòu)成了這類類型泵性能參數(shù)和總體結(jié)構(gòu)的一系列特點.這些特點也正是這類類型泵借以生存、競爭和發(fā)展的依據(jù):
1. 瞬時流量是脈動的
這是因為在往復(fù)泵中,液體介質(zhì)的吸入和排出過程(即容積變化過程)是交替進行的,而且活塞(柱塞)在位移過程中,其速度又在不斷地變化之中.在只有一個工作腔(單缸泵)的泵中,泵的瞬時流量不僅隨時間而變化,而且是不連續(xù)的;在具有多個工作腔(多缸泵)的泵中,如果工作腔的工作相位安排適當(dāng),則可減小排出集液管路中瞬時流量的脈動幅度,乃至可達到在實用上可認為是穩(wěn)定流的地步.當(dāng)然,此時相應(yīng)的泵的結(jié)構(gòu)也就變得復(fù)雜了.也正因為如此,往復(fù)泵的工作腔不宜設(shè)置過多.因此往復(fù)泵瞬時流量的脈動性也就不可避免,只不過因不同泵型其脈動程度有大有少而已.
2. 平均流量(即泵的流量)是恒定的
由前述往復(fù)泵實現(xiàn)工作腔容積變化的方式和結(jié)構(gòu)特點可知,當(dāng)泵的設(shè)計合理、制造質(zhì)量又好時,泵的流量只取決于工作腔容積的變化值及其頻率.具體地講:泵的流量只取決于泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)——n(每分鐘往復(fù)次數(shù))、S(活塞或柱塞行程)、D(活塞或柱塞直徑)、Z(工作腔或活塞數(shù)目),而(在理論上)與排出壓力無關(guān),且與輸送介質(zhì)(液體)的溫度、粘度等物理、化學(xué)性質(zhì)有關(guān)(實際上,由于介質(zhì)性質(zhì)和排出壓力不同,密封或泵閥處的泄漏量也有所不同,因此也可以說有一點關(guān)系).當(dāng)泵的每分鐘往復(fù)次數(shù)一定時,泵的流量也是恒定的.
由于受活塞(柱塞)密封技術(shù)以及泵閥、液缸體等設(shè)計技術(shù)及材料強度等方面的限制、往復(fù)泵的工作腔容積一般不宜太大(特別是高壓時),工作腔數(shù)目不宜太多、每分鐘往復(fù)次數(shù)也不宜太高.因此,泵的流量也就不可能很大.
3. 泵的壓力取決于管路特性
離心式泵流量和揚程是由泵本身所限定的,而且兩者是密切相關(guān)的.往復(fù)泵則不同,它的排出壓力不能由泵本身限定,而是取決于泵裝置的管路特性,并且與流量無關(guān).換句話說,不論泵裝置的管路有多大的水力阻力,原則上泵都可以按其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定的恒定流量予以排出.也就是說,如果認為輸送液體是不可壓縮(因液體壓縮率很小,通?？蛇@樣認為,但在高壓或超高壓下、液體的壓縮性也不容忽視)的,那么,在理論上可認為往復(fù)泵的排出壓力將不受任何限制,即可根據(jù)泵裝置的管路特性,建立泵的任何所需的排出壓力.
當(dāng)然,在往復(fù)泵實際出廠時,都有一個泵的排出壓力的規(guī)定,這不是說該泵的排出壓力不會再升高,而只是說,由于受到配帶原動機的額定功率(或者其它動力源參數(shù))和該泵本身的結(jié)構(gòu)強度(包括液力端和傳動端所有承壓、受力的零部件)的限制,不允許高出這一排出壓力下使用而已.
由這一特點導(dǎo)致往復(fù)泵在啟動和操作過程中與離心泵有著重大區(qū)別:
① 在泵的排出管路上必須設(shè)置安全閥,以保證泵的排出壓力不高于它的額定值;
② 在泵啟動前,必須把管路上的排出閥門全部打開,且不允許排出管路堵塞,否則就有可能造成設(shè)備或人身傷亡事故;
③ 往復(fù)泵允許降壓使用,此時不會產(chǎn)生超載,也沒有機件損傷的可能,只不過沒有充分發(fā)揮原設(shè)計的功能而已.
4.對輸送的介質(zhì)(液體)有較強的適應(yīng)性
往復(fù)泵原則上可以輸送任何介質(zhì),幾乎不受介質(zhì)的物理性能或化學(xué)性能的限制.當(dāng)然,在實際應(yīng)用中,有時也會遇到不能適應(yīng)的情況.但是,當(dāng)遇到這種情況時,多半是因為液力端的材料和制造工藝以及密封技術(shù)一時不能解決的緣故.其它類型泵就不能做到這一點.
4. 有良好的自吸性能
往復(fù)泵不僅有良好的吸入性能,而且還有良好的自吸性能.因此,對多數(shù)往復(fù)泵(除高速泵)來說,在啟動前通常不需灌泵.
由上述往復(fù)泵的主要特點可以看出往復(fù)泵的主要適用范圍.即往復(fù)泵主要適用于高壓(超高壓)、小流量,要求泵的流量恒定或定量(計量)或成比例地輸送各種不同的介質(zhì)(液體),或者要求吸入性能或者要求有自吸性能的場合.
1.3往復(fù)泵的分類
往復(fù)泵(相對離心泵來講)的特點決定了它的“能用性”越來越差,而專業(yè)配套性越來越強.于是就出現(xiàn)了這樣的情況——雖然它的產(chǎn)量少,但泵型和品種卻繁多,以至于已經(jīng)無法按照某一統(tǒng)一原則來進行分類了.這里所講的分類,只能是按照這類型泵各方面特點進行比較,并兼顧到目前已經(jīng)習(xí)慣了的稱呼,予以相對的分類和命名:
(一) 按泵的液力端特點分
1. 按與輸送介質(zhì)接觸的工作構(gòu)件可分為:活塞泵、柱塞泵和隔膜(包括油隔離)泵;
2. 按泵的工作原理或流量的脈動特性可分為:單作用泵、雙作用泵、差動泵、單缸泵、雙缸泵、三缸泵、多缸泵等;
3. 按泵的活塞(柱塞)數(shù)目可分為:單聯(lián)泵、雙聯(lián)泵、三聯(lián)泵、多聯(lián)泵等;
4. 按活塞(柱塞)中心線所處的位置可分為:臥式泵、立式泵、角度式(Y形、V形等)泵,對置式泵和軸向平行式(無曲柄)泵等;
(二) 按傳動端的結(jié)構(gòu)特點分
根據(jù)傳動端把原動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為活塞(柱塞)的往復(fù)運動的方式特點可分為:曲柄(曲柄連桿機構(gòu))泵、凸輪(凸輪軸機構(gòu))泵和無曲柄(無曲柄機構(gòu))泵等;
(三) 按泵的驅(qū)動方式或配帶的原動機分
機動(以電動機或旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機驅(qū)動的)泵、直動(以蒸汽、氣體或液體直接驅(qū)動的)泵和手機(人為驅(qū)動)泵.
(四) 按泵的排出壓力()分
根據(jù)泵排出壓力高與低可分為:低壓泵(＜1mpa)、中壓泵(1～10mpa)、高壓泵(＞10～100mpa)、超高壓泵(＞100mpa);
(五) 按泵的每分鐘往復(fù)次數(shù)(n)分
按每分鐘往復(fù)次數(shù)高與低分為:低速泵(n＜80spm)、高速泵(n＞550spm).介于兩者之間的,對一般性往復(fù)泵來講,通常是正常選擇范圍(當(dāng)然各類型往復(fù)泵,其正常范圍也有所不同),因此,沒有劃分.
(六) 按泵輸送介質(zhì)某一突出特性分
根據(jù)泵設(shè)計時主要適用的介質(zhì)可分為:熱油泵、酸泵、堿泵、鹽泵、液氨泵、甲銨(氨基甲酸銨)泵、泥漿泵、重水泵、清水泵、高溫泵、低溫泵、超低溫泵、高粘液泵、低粘液泵等.
(七) 按泵的用途分
根據(jù)泵主要的使用部門或主要用途可分為:工業(yè)泵、農(nóng)業(yè)用泵、陸用泵、船用泵、化工用泵、原子能用泵、電站用泵、石油礦場用泵、液壓機用泵、壓裂泵、固用泵、農(nóng)藥噴霧用泵、注水泵、清砂泵、清渣泵、除銹泵、試壓泵、消防泵、計量泵、平流泵等.
由上述分類可知,往復(fù)泵的品種十分繁雜,而且從分類命名中也很難找出它們之間相互聯(lián)系,有些稱呼也不能確切地反映泵的特點.在實際采用上述稱呼時(特別是設(shè)計和生產(chǎn)部門),往往為了較為確切地反映該泵的結(jié)構(gòu)特點和性能特點,常常就要冠以一連串的組合式稱呼,例如:臥式三聯(lián)(缸)單作用機動柱塞泵、臥式雙缸雙作用蒸汽直接作用活塞泵、立式五缸單作用機動柱塞泵等等.這種組合方式是多種多樣的.見表1-1
1.4往復(fù)泵的應(yīng)用與發(fā)展
綜合前述可知,往復(fù)泵是一類產(chǎn)品品種多、批量少,而通用化程度較低、專業(yè)配套性很強的產(chǎn)品.它常常是隨著某一生產(chǎn)工藝的需要而產(chǎn)生,又隨著這一生產(chǎn)工藝的重大改革或取消而更新或淘汰.當(dāng)這種生產(chǎn)工藝長期穩(wěn)定時,也有基本上適應(yīng)這一工藝需要的定型產(chǎn)品.從上述分類可知,往復(fù)泵的應(yīng)用仍然十分廣泛.下面將列舉若干實際應(yīng)用領(lǐng)域來補充說明這一情況.例如:
用于化肥生產(chǎn)配套用的有銅液泵、堿液泵和氨基甲酸銨(甲銨)泵和液氨泵等;
用于高壓聚乙烯裝置配套用的超高壓催化劑注射泵等;
用于11.5萬t/a、30萬t/a乙稀、3萬t/a乙醛、5萬t/a丙烯腈、2.5萬t/a芳烴、6萬t/a乙二醇、4.2萬t/a丁二烯等裝置上的各種藥液注射計量泵以及用于各種研究院所中間試驗裝置上的各種計量泵等;
用于提供造船或機械制造大型鍛壓設(shè)備上配套用的液壓機用泵;
用于輸送石油及其副產(chǎn)品和電站鍋爐給水備用配套的各種蒸汽走動泵;
用于陸上石油鉆井或海上石油開發(fā)配套用的鉆井泥漿泵、壓裂泵、固井泵和注水泵等;
用于鑄造、軋鋼方面的水力清砂、除銹泵;
用于長距離管道輸送煤粉、冶金礦尾礦的油隔離泵,用于礦井排水的無曲柄泵以及用于加固井壁、防止地下水害的注漿、堵水用泵等;
用于船舶的艙底泵;
用于農(nóng)藥噴霧機配套用的農(nóng)用泵;
用于水壓試驗或容器爆破試驗以及水力切割配套的高壓泵和超高壓泵;
用于城市污水清洗車配套的清洗泵,用于消防的消防泵;
用于電站或船臺等污水處理的各種計量泵.
總之,往復(fù)泵無論是在工業(yè)或農(nóng)業(yè)、陸上和海上、國防與民用、科研與生產(chǎn)等各個部門,仍然是作為一種不可缺少的品種被廣泛地采用著.總括各類往復(fù)泵,它的排出壓力可由常壓一直到1500mpa,其流量范圍由100/h～600/h,輸送介質(zhì)的溫度由-200～450℃,粘度由0.1cp～250000cp.被輸送的介質(zhì),由一般常溫清水直至具有強腐蝕、易揮發(fā)、易結(jié)晶、易燃、易爆、劇毒、惡臭、磨礪性強、比重大、粘度高、有放射性或其它貴重液體等.
從今后發(fā)展的角度來看,盡管往復(fù)泵原來占據(jù)的位置有不少已被其它類型泵所取代,其產(chǎn)量也很少,但這并不意味著往復(fù)泵有全部被取代的趨勢.實際情況是:在各類型泵的生存與競爭中,則是更加突出地發(fā)揮了它們各自的特長,顯示其本身的優(yōu)越性,從而更好地為國民經(jīng)濟、為建設(shè)社會主義中國而服務(wù).由此可知,要想求得往復(fù)泵的生存與更進一步的發(fā)展,從根本意義上講,就是要揚長避短,充分發(fā)揮往復(fù)泵本身的優(yōu)勢.這就是說:
第一,要充分發(fā)揮往復(fù)泵配套性強、適應(yīng)介質(zhì)廣泛的優(yōu)勢.
對于其它任何一類泵來講,它所適應(yīng)的介質(zhì)都要受到.例如,離心泵就不能適應(yīng)粘度很高的液體;轉(zhuǎn)子泵則通常不能適應(yīng)于化工介質(zhì).而目前隨著石油化工、化學(xué)化工、醫(yī)藥衛(wèi)生等部門生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,使得輸送介質(zhì)的名目繁多、形狀各異.有些介質(zhì)對其它類型泵來講,就不能適應(yīng),但對往復(fù)泵來講,因為它原則上不受介質(zhì)的物理和化學(xué)性能的限制,可見,往復(fù)泵是大有用武之地的.
第二,要充分發(fā)揮往復(fù)泵在流量比較小而排出壓力又很高的情況下,它的整機效率高、運轉(zhuǎn)經(jīng)濟性好的優(yōu)勢.
上述兩點,往往不被使用部門所重視.他們往往是過分地注意了往復(fù)泵體積較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、瞬時流量又脈動這些缺點,而忽視了這類泵的特長,因此常常習(xí)慣于選用其它類型泵.他們不了解這些泵正是因為對某些介質(zhì)不能適應(yīng)或者在壓力高、流量小的范圍內(nèi)不可能有較高的效率這一弱點,以至有這樣的情況發(fā)生——歷經(jīng)數(shù)年,幾經(jīng)周折,最后又不得不回到往復(fù)泵這一選型上來.由此可見,在當(dāng)前世界性能能源危機、強調(diào)以節(jié)能原則采用省能機械的現(xiàn)實面前,對于使用部門來講,如何正確地認識種類型泵的特點,如何正確地選型,是面臨的新課題;對于從事往復(fù)泵研究、設(shè)計和生產(chǎn)的部門來講,如何正確地宣傳往復(fù)泵的特點,如何努力地發(fā)展新品種以滿足用戶的需要,要面臨的新任務(wù).
特別是當(dāng)排出壓力很高(高壓或超高壓)而流量又很小時,其它類型泵已經(jīng)不僅是效率很低的問題,而是根本不能適用.因此,往復(fù)泵主要是在高壓或超高壓、流量小或比較小的范圍內(nèi)發(fā)展新品種.在這一領(lǐng)域內(nèi),往復(fù)泵是獨占優(yōu)勢的.
第三,要充分發(fā)揮往復(fù)泵的流量恒定而且與排出壓力無關(guān)的優(yōu)勢.
往復(fù)泵這一特長是它成為計量泵選型的基礎(chǔ),而計量泵這一新品種是隨著現(xiàn)代工業(yè)朝著自動化操作,遠距離自動控制這一發(fā)展形勢而出現(xiàn)的.由于計量泵這一新品種的出現(xiàn),使得原來生產(chǎn)工藝由手工進行物料配比這一環(huán)節(jié),被計量泵所代替,使物料配比實現(xiàn)了遠距離自動控制下的連續(xù)操作,并使物料配比更加準確無誤,從而為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、改善勞動條件、提高全員生產(chǎn)率、全面實現(xiàn)工藝流程的自動化創(chuàng)造了條件.計量泵雖然只是從五十年代才興起的新品種,但是至今已經(jīng)不僅是在石油、化工合成裝置上被廣泛采用,而且在水處理裝置、研究院所的中間試驗裝置以及化學(xué)分析儀器、醫(yī)藥、食品加工和礦井注漿堵水方面也已被廣泛采用.
當(dāng)然,要求往復(fù)泵的不斷發(fā)展,不僅要注意到充分發(fā)揮它的特長或優(yōu)勢,而且還要不斷地克服它的缺點.為此,就必須加強技術(shù)基礎(chǔ)的研究、不斷地提高產(chǎn)品質(zhì)量、注意采用新技術(shù)、新材料、新工藝,以及在保證產(chǎn)品好用、耐用的同時,要力求結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、體積小、重量輕和外形美觀.
二 方案論證
2.1大流量柱塞泵
本次設(shè)計泵為臥式乳化液大流量柱塞泵，其中包括曲軸、曲柄、柱塞等，該泵設(shè)置有五個柱塞，與五個柱塞相對應(yīng)地設(shè)置有五個相互獨立的吸排液閥，各吸排液閥相互獨立地分別與泵的殼體相連，且各閥的出液口相互串通后再與泵的出液口相通。因此，即使得該泵的流量得以大幅度提高，在設(shè)計上又使各零件的加工制造簡單，制造方便.
2.1.1柱塞泵的基本原理
如圖1-2所示的單柱塞泵同偏心輪1、柱塞2、彈簧3、缸體4、和單向閥5、6等組成,柱塞與缸體孔之間形成密閉容積.當(dāng)原動機帶動偏心輪順時針方向旋轉(zhuǎn)時,柱塞在彈簧力的作用下向下運動,柱塞與缸體孔組成的密閉容積增大同,形成真空,油箱中的油液在大氣壓下的作用下經(jīng)單向閥5進入其內(nèi)(此時單向閥6關(guān)閉).這一過程稱為吸油,在偏心輪的幾何中心轉(zhuǎn)到最下點，容積增大到極限時終止.吸油過程終了,偏心輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn),柱塞隨偏心輪向上運動,柱塞與缸體孔組成的密閉容積減少,油液受擠壓經(jīng)單向閥6排出(單向閥5關(guān)閉),這一過程稱為排油,到偏心輪的幾何中心轉(zhuǎn)到最上點.容積減少至極限時終止.偏心輪連續(xù)旋轉(zhuǎn),柱塞上下往復(fù)運動,泵在半個周期內(nèi)吸油、半個周期內(nèi)壓油.如圖1-2所示原理圖
圖1-2 單柱塞泵的工作原理
柱塞泵是依靠柱塞的往復(fù)運動,改變柱塞缸內(nèi)的容積進行吸入和排出液體的泵,是容積式泵的一種,柱塞泵比較其他容積式泵——齒輪泵、葉片泵、螺桿泵有以下優(yōu)點:
1.參數(shù)高:常用壓力達20～40mpa,超高壓泵可達70mpa以上;常用泵的排量為每轉(zhuǎn)為幾ml至500ml,大排量泵每轉(zhuǎn)可達數(shù)千ml;常用泵的驅(qū)動功率在200KW以下,大功率泵可達500KW以上.
2.效率高:容積效率可達95%以上,總效率可達90%以上.
3.壽命較長:泵內(nèi)軸承的設(shè)計壽命一般為2000～5000h,泵的使用壽命可達10000h以上.
4.變量方便,型式較多:利用變量柱塞泵,實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)和無級變速,是液壓傳動特別是高壓液壓傳動系統(tǒng)的最重要的優(yōu)點之一.
5.可以使用不同的工作介質(zhì):例如,既可以使用礦物油;也可以使用乳化液或其他人工合成介質(zhì),這對適應(yīng)某此液壓設(shè)備的抗燃要求和節(jié)省能源具有重要意義.
6.單位功率的重量輕.
但柱塞泵也有如下缺點:
1.結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,零件數(shù)較多.
2.制造工藝要求較高,成本較貴.
3.除閥式柱塞泵以外,一般對介質(zhì)的清潔度比較敏感,因此對使用和維護水平要求較高.
雖然柱塞泵有以上的缺點,但隨著泵設(shè)計制造水平的提高,液壓系統(tǒng)趨向于高壓,要求更多地使用功率調(diào)節(jié)和無級變速以及工作介質(zhì)的發(fā)展和污染控制技術(shù)的不斷完善,柱塞泵的應(yīng)用正在愈來愈廣泛.
2.1.2柱塞泵的分類
柱塞泵按其柱塞放置的位置分為軸向柱塞泵和徑向柱塞泵,柱塞沿徑向放置稱為徑向柱塞泵.柱塞沿軸向放置稱為軸向柱塞泵.如果其吸、壓油是通過兩個單向閥的開啟或關(guān)閉實現(xiàn)的,就稱為閥式配流柱塞泵.除閥式配流外,還有配流軸配流和配流盤配流兩種。
圖1-3 軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)圖
配流軸配流結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對介質(zhì)粘度、溫度敏感，對污染敏感性一般，效率也比較低，磨損后間隙不能補償，需要更換主要零件，裝配、拆卸比較麻煩．而且體積和重量很大，制造時要求精度很高，成本也較高．
配流盤配流結(jié)構(gòu)簡單，對介質(zhì)粘度、溫度敏感性一般，也可使用乳化液工作，對污染敏感，通常要求油液的過濾精度為10~25um，制造精度要求非常高．
閥配流柱塞泵是發(fā)展最早的液壓泵之一，由于它最容易獲得高壓力，因此目前所有的超高壓泵者是閥式泵．閥式柱塞泵制造工藝比較簡單，維修也比較方便，抗污染能力強，在較惡劣的條件下工作，也有較長的壽命．這種配流方式對介質(zhì)粘度、溫度和污染不敏感．可使用乳化液作工作介質(zhì)．而且它的工作效率也比較高，結(jié)構(gòu)也較簡單，所以本次設(shè)計采用閥式配流。
下面介紹幾種典型的柱塞泵的結(jié)構(gòu)和工作原理.
一、配流軸式徑向柱塞泵
圖l-4配流軸式徑向柱塞泵結(jié)構(gòu)圖
(一)工作原理
如圖1-5所示,七個柱塞7徑向均勻放置在缸體3的柱塞孔內(nèi),因定子8與缸體之間存在一定偏心,因此當(dāng)傳動軸1帶動缸體逆時針方向旋轉(zhuǎn)時:位于上半圓的柱塞受定子內(nèi)圓的約束而向里縮,柱塞底部的密閉容積減小,油液受擠壓經(jīng)配流軸4的壓油窗口排出;位于下半圓的柱塞因壓環(huán)5的強制作用而外伸,柱塞底部密閉容積增大,形成局部真空,油箱的油液在大氣壓的作用下經(jīng)配流軸的吸油窗口吸入.配流軸上的吸、壓油窗口由中間隔墻分開.
圖1-5配流軸式徑向柱塞泵
1－傳動軸 2－離合器 3－缸體(轉(zhuǎn)子) 4－配流軸
5－壓環(huán) 6－滑履 7－柱塞 8－定子 9、10－控制活塞
雖然,單個柱塞在壓油區(qū)的行程等于定子的兩倍偏心,因此泵的排量: （1.1）
式中 d—柱塞直徑; e—定子與缸體(轉(zhuǎn)子)之間的偏心距 z—柱塞數(shù).
(二)結(jié)構(gòu)特點
1.配流軸上吸、壓油窗口的兩端與吸壓油窗口對應(yīng)的方向開有平衡油槽,用于平衡配流軸上的液壓徑向力,保證配流軸與缸體之間的徑向間隙均勻.這不僅減少了滑動表面的磨損,又減小了間隙泄漏,提高了容積效率.
2.柱塞頭部增加了滑履6,滑履與定子內(nèi)圓的接觸為面接觸,而且接觸面實現(xiàn)了靜壓平衡,接觸面的比壓很小.
3.可以實現(xiàn)多泵同軸串聯(lián),液壓裝置結(jié)構(gòu)緊湊.
4.改變定子相對于缸體的偏心距e可以改變排量.其變量方式靈活,可以具有多種變量形式.
二、斜盤式軸向柱塞泵
1-6斜盤式軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)圖
(一)工作原理
如圖1-7所示,柱塞7沿軸向均布在缸體6的柱塞孔內(nèi),安裝在傳動軸9中空部分的彈簧8一方面通過壓盤3將柱塞頭部的滑履5壓向與軸成一傾角的斜盤2,一方面將缸體壓向配流盤10,柱塞底部容積為密閉容積.當(dāng)原動機通過傳動軸帶動缸體旋轉(zhuǎn)時,因斜盤的約束反力的作用,位于最遠點(上止點)的柱塞在缸體柱塞孔內(nèi)向里運動,柱塞底部的密閉容積減小,油液經(jīng)配流盤的壓油窗口排出;位于最近點(下止點)的柱塞因彈簧力的作用向外伸,柱塞底部容積增大,油箱的油液經(jīng)配流盤的吸油窗口吸入.原動機連續(xù)不斷旋轉(zhuǎn),泵連續(xù)不斷地吸油和壓油.
如果記柱塞直徑為d,缸體柱塞孔分布圓直徑為D,柱塞數(shù)為Z,斜盤傾角為,則斜盤式軸向柱塞泵的排量:
(1.2)
(a)半軸式
(b)通軸式
圖1-7 斜盤式軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)圖
1-變量機構(gòu) 2-斜盤體 3-壓盤 4-缸體外大軸承 5-滑履 6-缸體 7-柱塞 8-彈簧 9-傳動軸 10-配流盤 11-斜盤耐磨板 12-軸銷 13-變量活塞 14-絲桿 15-手輪
雖然,改變斜盤的傾角可以改變泵的排量.斜盤式軸向柱塞泵的變量方式可以有多種形式,圖1-7(a)為手動變量泵.當(dāng)旋轉(zhuǎn)手輪15帶動絲桿14旋轉(zhuǎn)時,因?qū)蚱芥I的作用,變量活塞13將上下移動并通過軸銷12使斜盤繞其回轉(zhuǎn)中心擺動、改變傾角大小.圖示位置斜盤傾角=,軸銷距水平軸線的位移S=.若記軸銷距斜盤回轉(zhuǎn)中心的力避為L,則可得.又由于軸銷隨同變量活塞一起位移,因此軸銷的位移即變量活塞的位移s,于是有,代入公式(1-2),則有 (1.3)
泵的排量也變量活塞的位移成正比.為限制柱塞所受的液壓側(cè)向力不致過大,斜盤的最大傾角一般小于18°~20°.
(二)結(jié)構(gòu)特點
1.在構(gòu)成吸壓油腔密閉容積的三對運動摩擦副中,柱塞與缸體柱塞孔之間的圓柱環(huán)形間隙加工精度易于保證;缸體與配流盤、滑履與斜盤之間的平面縫隙采用靜壓平衡,間隙磨損后可以補償,因此軸向柱塞泵的容積效率較高,額定壓力可達32mpa.
2.為防止柱塞底部的密閉容積在吸、壓油腔轉(zhuǎn)換是因壓力突變而引起的壓力沖擊,一般在配流盤吸、壓油窗口的前端開設(shè)減振槽(孔),或?qū)⑴淞鞅P順缸體旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一定角度放置,如圖1-8所示.開減振槽(孔)的配流盤可使柱塞底部的密閉容積在離開吸油腔(壓油腔)時先通過減振槽(孔)與壓油腔(吸油腔)緩慢溝通,壓力逐漸上升(下降),然后再接通壓油腔(吸油腔);配流盤偏轉(zhuǎn)一定角度放置可利用一寫的封閉角度使離開吸油腔(壓油腔)的柱塞底部的密閉容積實現(xiàn)預(yù)壓縮(預(yù)膨脹),待壓力升高(降低)接近或達到壓油腔(吸油腔)壓力時再與壓油腔(吸油腔)連通.在采取上述措施之后可有效減緩壓力突變,減小振動、降低噪聲,但因為它們都是針對泵的某一旋轉(zhuǎn)方向而采取的非對稱措施,因此泵軸旋轉(zhuǎn)方向不能任意改變.如要求泵反向旋轉(zhuǎn)或雙向旋轉(zhuǎn),則需要更換配流盤或生產(chǎn)廠家聯(lián)系.
3.泵內(nèi)壓油腔的高壓油經(jīng)三對運動摩擦副的間隙泄漏到缸體與泵體之間的空間后,再經(jīng)泵體上方的泄漏油口直接引回油箱,這不僅可保證泵體內(nèi)的油液為零壓,而且可隨時將熱油帶走,保證泵體內(nèi)的油液不致過熱.
圖1-8 配流盤的結(jié)構(gòu)
a)對稱結(jié)構(gòu) b)減振槽 c)減振孔 d)偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
4.圖1-7(a)所示斜盤式軸向柱塞泵的傳動軸僅前端由軸承直接支承,另一端則通過缸體外大軸承支承,其變量斜盤裝在傳動軸的尾部,因此又稱其為半軸式或后斜盤式.圖1-7(b)為通軸式或前斜盤式的軸向柱塞泵,其傳動軸兩端均由軸承直接支承,變量斜盤裝在傳動軸的前端.
5.斜盤式軸向柱塞泵以及前面介紹的徑向柱塞泵和后面介紹的斜軸式軸向柱塞泵的瞬時理論流量隨缸體的轉(zhuǎn)動而周期性變化,其變化頻率與泵的轉(zhuǎn)速和柱塞數(shù)有關(guān),由理論推導(dǎo)柱塞數(shù)為奇時的脈動小于偶數(shù)時的脈動,因此柱塞泵的柱塞取為奇數(shù),一般為5、7、9.所以本次設(shè)計采用5柱塞.
三、斜軸式無鉸軸向柱塞泵
(一)工作原理
如圖1-9所示,斜軸式軸向柱塞泵的缸體軸線與傳動軸不在一條直線上,它們之間存在一個擺角.柱塞3與傳動軸1之間通過連桿2連接,當(dāng)傳動軸旋轉(zhuǎn)時不是通過萬向鉸,而是通過連桿撥動缸體4旋轉(zhuǎn)(故稱無鉸泵),同時強制帶動柱塞在缸體孔內(nèi)作往復(fù)運動,實現(xiàn)吸沒和壓油,其排量公式與斜盤式軸向柱塞泵完全相同,用缸體的擺角代替公式中的斜盤傾角即可.
1-傳動軸 2-連桿 3-柱塞 4-缸體 5-配流盤
圖1-9 斜軸式無鉸軸向柱塞泵
2.1.3方案確定
由于本次設(shè)計為大流量柱塞泵,柱塞泵的變化量與柱塞的直徑和行程有關(guān),如果想增大流量就必須增大柱塞的直徑和行程,這樣就會增加泵的體積和重量,所以為了使柱塞泵體積小重量輕,本次設(shè)計采用臥式五柱塞泵,它的排量是一個柱塞的五倍,這樣就有效的減小了泵的體積和重量,使泵的流量增加.
立式柱塞泵共同特點是:
1. 高度方向尺寸較大,廠房高,但長、寬方向尺寸小、占地面積少
2. 運轉(zhuǎn)時,柱塞密封不承受柱塞自重,不易產(chǎn)生偏磨
3. 機械慣性力水平分力小,垂直分力大,而泵基礎(chǔ)有較強的承受垂直分力的能力,故對基礎(chǔ)要求不高.
4. 泵的外形以及動力端結(jié)構(gòu)較簡單,利于減少總體尺寸和重量.
5. 一般講,立式泵的吸排閥、吸排管布置較困難,拆裝、維護也不太方便特別是當(dāng)液力端置于傳動端下側(cè)時更明顯.但當(dāng)把液力端置于傳動端上側(cè)時,則有所改善.
柱塞泵多為臥式泵,臥式泵的共同特點是:
1. 便于操作者觀察泵的運轉(zhuǎn)情況,拆、裝，使用、維修均較方便.
2. 機組在高度方向尺寸小時,不需要很高的廠房,但是長、寬方向尺寸較大時,占地面積則較大.
3. 因為柱塞做水平往復(fù)運動,密封件在工作時須承受柱塞自重,容易產(chǎn)生偏磨,尤其當(dāng)柱塞較重、懸臂很長時,這種現(xiàn)象將更為明顯.
4. 臥式泵的機械慣性力水平分力較大,而泵的基礎(chǔ)承受水平分力的能力又較差,故臥式泵對基礎(chǔ)的強度和剛度要求較高.
雖然臥式泵缺點不少,但因優(yōu)點突出,故采用臥式泵的較多.
本次設(shè)計五柱塞泵的結(jié)構(gòu)圖:
圖1-10 五柱塞泵結(jié)構(gòu)圖
工作原理:利用柱塞的往復(fù)運動,使泵腔的容積發(fā)生變化,從而達到出液體的目的,當(dāng)柱塞向后移動時泵腔的容積空間逐漸贈大,形成部分真空這時吸入閥在壓差的作用下克服了彈簧的壓力,而打開閥門,液體充滿泵腔此時由于排出閥彈簧壓住閥片的方向與吸入閥門相反.因此閥片在壓差和彈簧力的作用下緊緊關(guān)閉,這就是吸汝過程,當(dāng)柱塞向前移動時,此時液體已充滿泵腔,工作室內(nèi)的液壓與吸入端的液壓是平衡的.因此,吸入閥盤在彈簧力的作用下而關(guān)閉,當(dāng)柱塞繼續(xù)向前移動,泵腔的工作空間就逐漸升到能克服排出閥盤彈簧壓力和管道阻力的情況下,液體就頂開排出閥盤,流向排出管道,這就是泵的排出過程,曲軸旋轉(zhuǎn)一周每個柱塞桿往復(fù)行程一次,也就是完成一次吸入與排出.
液缸體結(jié)構(gòu)型式的確定:
液缸體的結(jié)構(gòu)型式按照泵的作用數(shù)分為單作用液缸體和雙作用泵液缸體；按照各工作腔是否在同一塊體上可分為整體式和組合式（分離式）。
整體型液缸體是指泵的多個工作腔都在同一塊體上的液缸體。這種液缸體剛性好、工作腔間距小、機加工量少，但工件較大，加工精度要求高，且高壓缸套的徑向密封易產(chǎn)生過定位。
組合式液缸體是指把只包括一個或一部分工作腔的塊體分別制造，然后用一個高壓集液塊將排液口貫通后匯總出液。大部分是一個工作腔制成一件，甚至還有把柱塞工作腔和閥室也加以分開的。這種液缸多用于高壓、超高壓或輸送強腐蝕性介質(zhì)的泵上，并且多半是鍛鋼和鑄造件。其目的是：一旦一個工作腔塊體破裂，只需單個更換，而不至損壞一個整體。也正因為如此，這種液缸體加工面增多，連接處的密封件也增多。
綜合考慮結(jié)構(gòu)特點和受力情況，本設(shè)計采用組合式液缸體。
傳動方式的確定:
由上面參數(shù)的選擇知道曲軸的轉(zhuǎn)速比電機的額定轉(zhuǎn)速要低得多,就一般的柱塞泵來說也總是這樣.因此,就要求減速常用的減速方法有蝸桿、蝸輪傳動、皮帶傳動和齒輪傳動.在這三種傳動方式中蝸輪、蝸桿傳動的摩擦熱量大而且由于泵的傳動比不是很大就要求蝸桿的頭數(shù)較多.這樣給蝸桿的加工帶來不便,對泵的冷卻也不利,而皮帶傳動不夠緊湊傳動的平穩(wěn)性差,不能保證定傳動比傳動,對于齒輪傳動具有平穩(wěn)、精度高、加工方便、裝拆維護方便的特點,因此本泵采用齒輪傳動.
潤滑方式的確定:
曲軸連桿、滑塊及齒輪傳動是泵的主要運動部件,對于搞好這些部件的潤滑是提高運轉(zhuǎn)和壽命的重要因素.
(1) 根據(jù)軸承的單位壓力和圓周速度來計算軸瓦的平均載荷系數(shù),選定分析本泵的PV值,選用了飛濺潤滑方式.這樣的潤滑方式既滿足了潤滑的要求又結(jié)構(gòu)簡單,具有連續(xù)潤滑的特點.曲軸上的中心保證軸瓦的潤滑,滑塊的潤滑靠拋到滑塊上方的存油池中的油,經(jīng)小孔流入滑塊的導(dǎo)向中潤滑.滑塊再經(jīng)滑塊帶回油池.大齒輪浸入油池中.柱塞由于和導(dǎo)向套與密封件間有摩擦存在.因此也需要潤滑,因為柱塞接觸水,為此需要能夠防水性的潤滑,本泵采用油杯加入黃油來保證柱塞的潤滑.
(2) 潤滑油的選擇 對于滑動軸瓦應(yīng)保證油膜的形成,潤滑油的粘度愈大,油膜愈容易形成.但液體摩擦阻力愈大,發(fā)熱量也愈大.又降低了粘度,為了減小液體的摩擦阻力.在不破壞油膜的條件下,選用粘度較小的油.為此選用50#機油.潤滑脂要求有耐水性能.因此,選用鈣機油潤滑脂.
安裝位置的確定:
臥式柱塞泵的齒輪的安裝位置不外乎兩種.一種是安裝在曲軸箱內(nèi),另一種是安裝在曲軸箱外面.前一種由于曲軸的跨度大,曲軸的變形影響其嚙合精度.齒輪的載荷不均勻增加,甚至有可能破壞其齒輪.否則對曲軸高度要求高就必須增加曲軸的尺寸.這樣的安裝方式裝拆也不方便.后一種安裝方式,曲軸的受力比較好,裝拆維護也很方便.為此,本次設(shè)計選用后一種布置方式.
柱塞數(shù)目的確定:
一般柱塞泵的柱塞數(shù)為奇數(shù),這是因為奇數(shù)的柱塞比偶數(shù)柱塞泵的流量脈動小,如果柱塞數(shù)過多造成曲軸加工和組裝的難度增大,在曲軸中間必須有幾支撐才能滿足剛度和強度條件且脈動量減小也不怎么顯著,柱塞過少低于五時,其流量脈動相當(dāng)大,這對機構(gòu)是不利的,當(dāng)柱塞數(shù)是五時,其脈動系數(shù)近似為0.07比較均勻,因此取五根柱塞為宜.與三缸乳化液泵相比,五缸泵除能有效贈大泵的流量外,還具有壓力平穩(wěn),流量均勻,易損零部件通用性好的特點.
五缸泵:有五個柱塞交替在工作,即曲軸轉(zhuǎn)一周時每個柱塞桿往復(fù)行程一次運動.所以它的排量應(yīng)該是一個柱塞的五倍,本泵為臥式五柱塞往復(fù)式,四級電機驅(qū)動經(jīng)一級齒輪傳動帶動五曲拐,曲軸旋轉(zhuǎn)再經(jīng)連桿滑塊帶動柱塞往復(fù)運動,液體介質(zhì)由吸排液閥吸入和排出,從而使機械能轉(zhuǎn)化為液壓能輸出高壓介質(zhì),柱塞的往復(fù)運動使泵的容積反復(fù)變化,工作介質(zhì)連續(xù)送到工作機構(gòu)中去.
本泵結(jié)構(gòu)由箱體、曲軸、連桿、滑塊、柱塞、排液閥組成,每個缸筒都有一個進液單向閥和一個出液單向閥,當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)動時柱塞將液體吸入,再將高壓送出,由于柱塞的運動規(guī)律近似正弦,因此其輸出的液體壓力與流量也為正弦規(guī)律,當(dāng)五個缸相疊加能使流量與壓力為直線.
此泵的主要特點為:
曲軸有五個曲拐,分別連接連桿滑塊,帶動五個柱塞往復(fù)運動.
泵頭部分:每個泵內(nèi)設(shè)有一組吸排液閥,用一個高壓集液塊把五個排液口連通由一個排液口出液一般三柱塞泵的泵頭是將三組獨立的吸排液閥做在一個泵頭內(nèi),加工精度要求高且缸套的徑向密封易產(chǎn)生過定位該泵采用分體式泵頭后可以克服這些缺點,采用進口墊料作柱塞密封在無油潤滑情況下也可起到潤滑作用.柱塞采用熱噴鍍等措施可提高柱塞的密封壽命且可減少維修工作量,本泵的流量脈動率小于三柱塞泵,本泵設(shè)計時,盡可能考慮實現(xiàn)“條例化、通用化、標(biāo)準化”以利于加工、制造、使用和維護.
主要技術(shù)參數(shù):
公稱流量:500L/min
公稱壓力:31.5mpa
三 主要參數(shù)的設(shè)計
3.1 泵內(nèi)主要參數(shù)的計算
根據(jù)容積效率選取的一般原則,當(dāng)泵的排出壓力高流量Q小時,每分鐘往復(fù)次數(shù)高液力端余隙容積大、制造精度低且當(dāng)輸送高溫或低粘度高飽合蒸汽壓的液體介質(zhì)或介質(zhì)中含氣量大含有固體顆粒時應(yīng)選取較低值,反之可取較高值.當(dāng)輸送常溫清水時=0.80～0.98,當(dāng)輸送石油產(chǎn)品熱水介質(zhì)時=0.60～0.80取容積效率=0.92.
計算折合成單聯(lián)單作用泵的有效功率:
=52500w
=52.2kw （3.1）
式中 P— 合壓力 當(dāng)泵的出口壓力遠大于進口壓力時近似于出口壓力
Q— 流量
Z— 柱塞數(shù)目液缸數(shù)
K—系數(shù) ,對于單作用泵 K=0 對于雙作用泵 0
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