3069 離心泵的設(shè)計及其密封2,離心泵,設(shè)計,及其,密封 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書論文（設(shè)計）題目： 離心泵的設(shè)計及其密封 學(xué)號： 2006183917 姓名： 謝力爭 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 文美純 系主任： 周友行 一、主要內(nèi)容及基本要求1、了解離心泵的基本原理和密封在應(yīng)用中的重要性。 2、設(shè)計離心泵的內(nèi)部零件以及密封部件。用 CAD 繪圖合計 2 張 A0 圖紙。 3、設(shè)計說明書 7000 字以上，內(nèi)容完整，計算準(zhǔn)確。 4、外文翻譯 5000 字符以上，中文翻譯通順。 二、重點(diǎn)研究的問題離心泵的工作原理和設(shè)計及其機(jī)械密封設(shè)計。 三、技術(shù)指標(biāo) 主要技術(shù)參數(shù)：離心泵的揚(yáng)程 40m，流量 100m3/h。 機(jī)械密封的端面比壓 0.58Mpa。 四、進(jìn)度安排序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間1 查閱與課題相關(guān)資料 1 周2 開題報告、制定設(shè)計方案 2—3 周3 設(shè)計計算 4 周4 校核計算 5 周5 CAD 繪圖 6-10 周6 整理說明書、外文翻譯 11 周7 修改圖紙和說明書 12 周8 打印圖紙、畢業(yè)設(shè)計答辯 13 周四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1.《機(jī)械設(shè)計》吳宗澤主編 北京：高等教育出版社，2001 2.《離心泵與軸流泵》丁成偉著 南寧：機(jī)械工業(yè)出版社，1985 3.《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》關(guān)醒凡著 北京：宇航出版社，1995 4.《機(jī)械設(shè)計手冊》 （第二卷）機(jī)械設(shè)計手冊編委會編著 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.8 5. 《機(jī)械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊》 （第二卷）汪凱著 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.8 6. 《中國機(jī)械設(shè)計大典》(第三卷) 南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社,2002.1 7. 《材料力學(xué)》宋子康 蔡文安著 北京:同濟(jì)大學(xué)出版社,1993.8 8. 《機(jī)械制圖》(第五版) 大連理工大學(xué)工程畫教研室編 北京:高等教育出版社,2003.89. 《工程流體力學(xué)》侯國祥等編 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.7 10.《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計》陳立德主編 北京：高等教育出版社，2006.7 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文題 目： 離心泵的設(shè)計及其密封 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化學(xué) 號： 2006183917 姓 名： 謝力爭 指導(dǎo)教師： 文美純 完成日期： 2010 年 06月 06日 目錄一 內(nèi)容摘要……………………………………………………………1二 離心泵的工作原理以及密封方案選擇……………………………22.1 離心泵的工作原理………………………………………… 22.2 密封方案選擇……………………………………………… 2三 離心泵的設(shè)計………………………………………………………43.1 離心泵的基本原理………………………………………… 43.2 離心泵氣蝕余量的計算…………………………………… 5 3.3 離心泵基本參數(shù)的確定…………………………………… 61 確定泵的進(jìn)口直徑…………………………………………62 確定泵的出口直徑…………………………………………63 泵轉(zhuǎn)速的確定………………………………………………74 軸功率和原動機(jī)功率確定 ……………………………… 73.4 壓入室和吸出室的計算…………………………………… 81 壓出室水力計算………………………………………… 82 吸入室的水力設(shè)計……………………………………… 83.5 軸的計算…………………………………………………… 91 扭矩的計算……………………………………………… 92 泵軸直徑的初步計算…………………………………… 93 軸的強(qiáng)度計算……………………………………………194 軸的強(qiáng)度校核……………………………………………123.6 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要尺寸計算……………………………141 結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………………………142 葉輪結(jié)構(gòu)型式的確定……………………………………143 葉輪輪轂直徑 的計算…………………………………14hd4 葉輪進(jìn)口直徑 的計算 ……………………………… 15jD5 葉輪外徑的計算…………………………………………156 葉輪出口寬度的計算……………………………………167 葉片數(shù)的計算和選擇……………………………………168 精算葉輪外徑……………………………………………179 葉輪出口速度……………………………………………1710 葉輪進(jìn)口速度……………………………………………1811 葉輪強(qiáng)度計算……………………………………………193.7 泵體和鍵的強(qiáng)度計算………………………………………211 泵體強(qiáng)度計算……………………………………………212 鍵的強(qiáng)度校核……………………………………………23四 離心泵的密封設(shè)計及其計算…………………………………… 264.1 密封的介紹…………………………………………………264.2 端面比壓的計算……………………………………………27五 結(jié)論………………………………………………………………29 六 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………30七 附錄………………………………………………………………31英文翻譯…………………………………………………………311題目 離心泵的設(shè)計及其密封摘要：在當(dāng)今社會離心泵的應(yīng)用是很廣泛的,在國民經(jīng)濟(jì)的許多部門要用到它。在供給系統(tǒng)中幾乎是不可缺少的一種設(shè)備。在泵的實(shí)際應(yīng)用中損耗嚴(yán)重，特別是化工用泵在實(shí)際應(yīng)用中損耗，主要是軸封部分，在輸送過程中由于密封不當(dāng)而出現(xiàn)泄漏造成重大損失和事故。軸封有填料密封和機(jī)械密封。填料密封使用周期短，損耗高，效率低。本設(shè)計使用機(jī)械密封。主要以自己設(shè)計的離心泵為基礎(chǔ)，對泵的密封進(jìn)行改進(jìn)，以減少損耗，提高離心泵壽命。本設(shè)計其主要工作內(nèi)容如下，自己設(shè)計一臺揚(yáng)程為 40m，流量為 100m /h 的離心泵。電機(jī)功率為 7.5kw，轉(zhuǎn)速為 2900r/min，.在 0—380 C 工作環(huán)境下輸送帶雜質(zhì)液體的離心泵的機(jī)械密封。0關(guān)鍵詞： 泵 填料密封 離心泵 機(jī)械密封Centrifugal pump design and sealingAbstract: In today's society, the centrifugal pump is applied widely in the national economy, many departments should use it. In the supply system is almost an indispensable equipment. The practical application in pump industry, especially with serious loss in actual application of pump shaft seals, mainly is loss in the process of conveying, due to improper seal leakage caused heavy losses and accidents. Shaft seals have packing seal and mechanical seal. Packing seal use short cycle, the loss is high. Efficiency is low. This design USES mechanical seal. Mainly in their design based on centrifugal pump, and the improved seal pump, in order to reduce loss, improve the centrifugal pump life. This design is the main content of work, design a head for 40 MB, flow 100m/h of centrifugal pump. Electric power is 7.5 kw, speed for 2900r/min, the 0-80 C work environment impurity liquid conveyer belt of centrifugal pump mechanical seal.Keywords: pump packing seal centrifugal pump mechanical seal2二 離心泵的工作原理以及方案選擇2.1 離心泵的工作原理離心泵工作前，先將泵內(nèi)充滿液體，然后啟動離心泵，葉輪快速轉(zhuǎn)動，葉輪的葉片驅(qū)使液體轉(zhuǎn)動，液體轉(zhuǎn)動時依靠慣性向葉輪外緣流去，同時葉輪從吸入室吸進(jìn)液體，在這一過程中，葉輪中的液體繞流葉片，在繞流運(yùn)動中液體作用一升力于葉片，反過來葉片以一個與此升力大小相等、方向相反的力作用于液體，這個力對液體做功，使液體得到能量而流出葉輪，這時候液體的動能與壓能均增大。就可以達(dá)到效果。離心泵依靠旋轉(zhuǎn)葉輪對液體的作用把原動機(jī)的機(jī)械能傳遞給液體。由于離心泵的作用液體從葉輪進(jìn)口流向出口的過程中，其速度能和壓力能都得到增加，被葉輪排出的液體經(jīng)過壓出室，大部分速度能轉(zhuǎn)換成壓力能，然后沿排出管路輸送出去，這時，葉輪進(jìn)口處因液體的排出而形成真空或低壓，吸水池中的液體在液面壓力（大氣壓）的作用下，被壓入葉輪的進(jìn)口，于是，旋轉(zhuǎn)著的葉輪就連續(xù)不斷地吸入和排出液體。2.2 密封方案選擇離心泵的密封也叫軸封。它是旋轉(zhuǎn)軸和泵體之間的密封。分為機(jī)械密封和填料密封。填料密封一般采用油浸石棉盤根或油浸棉紗盤根。他的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用范圍廣。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)這樣的狀況：新修好的設(shè)備，開始運(yùn)行時軸封狀況良好，但用不了多久，泄漏量便不斷增加，調(diào)整壓蓋和更換填料的工作也逐漸頻繁，運(yùn)轉(zhuǎn)不到一個周期，軸套就已磨損成花瓶狀，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)軸套磨斷，并且水封環(huán)后面更換不到的盤根均已腐爛，無法起到密封作用。它的主要缺點(diǎn)是 1、填料與軸直接接觸，且相對轉(zhuǎn)動，造成軸與軸套的磨損，所以必須定期或不定期更換軸套。2、為了使填料與軸或軸套間產(chǎn)生的摩擦熱及時散掉，填料密封必須保持一定量的泄漏，而且不易控制。3、填料與軸或軸套間的摩擦，造成電機(jī)有效功率降低，消耗電能，有時甚至達(dá)到 5％－10％的驚人比例。也就是說：從填料密封的原理來看，流體在密封腔內(nèi)可泄漏的通道有三處：其一是流體穿透纖維材料造成泄漏；其二是從填料與填料箱體之間泄漏；其三是從填料與軸表面之間泄漏。機(jī)械密封是靠一對或數(shù)對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的軸封裝置。 常用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)由靜止環(huán)（靜環(huán)）1、旋轉(zhuǎn)環(huán)（動環(huán)）2 、彈性元件 3、彈簧座4、緊定螺釘 5、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈 6 和靜止環(huán)輔助密封圈 8 等元件組成，防轉(zhuǎn)銷 7 固定在壓蓋 9 上以防止靜止環(huán)轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)往往還可根據(jù)它們是否具有軸向補(bǔ)償能力而稱為補(bǔ)償環(huán)或非補(bǔ)償還。相對于填料密封，機(jī)械密封的優(yōu)點(diǎn)是：1 密封可靠在長周期的運(yùn)行中，密封狀態(tài)很穩(wěn)定，泄漏量很小，按粗略統(tǒng)計，其泄漏量一般僅為軟填料密封的 1/100；2 使用壽命長在油、水類介質(zhì)中一般可達(dá) 1～2 年或更長時間，在化工介質(zhì)中通常也能達(dá)半年以上；3 摩擦功率消耗小機(jī)械密封的摩擦功率僅為軟填料密封的 10%～50%；4 軸或軸套基本上不受摩損；35 維修周期長端面磨損后可自動補(bǔ)償，一般情況下，毋需經(jīng)常性的維修；6 抗振性好 對旋轉(zhuǎn)軸的振動、偏擺以及軸對密封腔的偏斜不敏感；7 適用范圍廣機(jī)械密封能用于低溫、高溫、真空、高壓、不同轉(zhuǎn)速，以及各種腐蝕性介質(zhì)和含磨粒介質(zhì)等的密封。8 對現(xiàn)今許多工廠的“零泄漏” 需要，填料無法達(dá)到此要求；根本適應(yīng)范圍廣，隨意性更大，但對于在工廠，經(jīng)常更換或維護(hù)將對工廠造成很大損失。但是機(jī)械密封由于零件相對較多，所以結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對制造加工要求高，并且安裝與更換比較麻煩，并要求工人有一定的安裝技術(shù)水平。發(fā)生偶然性事故時，處理較困難。還有機(jī)械密封的一次性投資高，必須考慮成本問題。綜合二種密封方式，考慮本設(shè)計中輸送的化學(xué)液體，并可能帶有腐蝕性，一旦泄漏會出重大事故。必須選擇密封性能好的方式。故本設(shè)計采用機(jī)械密封。要求計算出機(jī)械密封的各種力和端面比壓。4三 離心泵的設(shè)計3.1 離心泵的基本原理泵是把原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體能量的機(jī)器。泵用來增加液體的位能、壓能、動能.原動機(jī)通過泵軸帶動葉輪旋轉(zhuǎn),對液體做功,使其能量增加,從而使需要數(shù)量的液體,使液體經(jīng)泵的過流部件輸送到要求的高度或要求壓力的地方。如下圖 1-1 所示,是簡單的離心泵裝置。原動機(jī)帶動葉輪旋轉(zhuǎn),將水從 A 處吸入泵內(nèi),排送到 B 處。泵中起主導(dǎo)作用的是葉輪,葉輪中的葉片強(qiáng)迫液體旋轉(zhuǎn),液體在離心力作用下向四周甩出。這種情況和轉(zhuǎn)動的雨傘上的水滴向四周甩出去的道理一樣。泵內(nèi)的液體甩出去后,新的液體在大氣壓力下進(jìn)入泵內(nèi),如此連續(xù)不斷地從 A 處向 B 處供水。泵在開動前,應(yīng)先灌滿水。如不灌滿水,葉輪只能帶動空氣旋轉(zhuǎn),因空氣的單位體積的質(zhì)量很小,產(chǎn)生的離心力甚小,無力把泵內(nèi)和排水管路中的空氣排出,不能在泵內(nèi)造成一定的真空,水也就吸不上來。泵的底閥是為灌水用的,泵出口側(cè)的調(diào)節(jié)閥是用來調(diào)節(jié)流量的。如圖 3-1底 閥下 液 面 p1p0圖 （ 2） ： 工 作 原 理 示 意 圖圖 3-153.2 泵汽蝕余量的計算方法汽蝕余量對于泵的設(shè)計、試驗(yàn)和使用都是十分重要的汽蝕基本參數(shù)。設(shè)計泵時根據(jù)對汽蝕性能的要求設(shè)計泵,如果用戶給定了具體的使用條件,則設(shè)計泵的汽蝕余量必須小于按使用條件確定的裝置汽蝕余量 。欲提高泵的汽蝕性能,應(yīng)盡rNPSHaNPSH量減小 。泵試驗(yàn)時,通過汽蝕試驗(yàn)驗(yàn)證 ,這是確定 唯一可靠的方法。r r rS它一方面可以驗(yàn)證泵是否達(dá)到設(shè)計的 值。另一方面,考慮一個安全余量,得到許r用汽蝕余量[ ],作為用戶確定幾何安裝高度的依據(jù).可見,正確地理解和確定汽蝕NPS余量是十分重要的。為了深入理解汽蝕的概念,應(yīng)區(qū)分以下幾種汽蝕余量：1. ——裝置汽蝕余量又叫有效的汽蝕余量。是由吸入裝置提供的, 越大aH aNPSH泵越不容易發(fā)生汽蝕。2. ——泵汽蝕余量又叫必需的汽蝕余量,是規(guī)定泵要達(dá)到的汽蝕性能參數(shù), rNPS越小,泵的抗汽蝕性能越好。r3. ——試驗(yàn)汽蝕余量,是汽蝕試驗(yàn)時算出的值, 試驗(yàn)汽蝕余量有任意多個,但對tH應(yīng)泵性能下降一定值的試驗(yàn)汽蝕余量只有一個,稱為臨界汽蝕余量,用表示。cNPS4. ——許用汽蝕余量,這是確定泵使用條件(如安裝高度)用的汽蝕余量,它應(yīng)大??于臨界汽蝕余量,以保證泵運(yùn)行時不發(fā)生汽蝕,通常取 =??NPSH或 = +k, k 是安全值。??cNPSH5.1~??cNPSH這些汽蝕余量有如下關(guān)系: arc ??泵汽蝕余量的計算:HNPSr???式中: ——托馬汽蝕系數(shù)；——泵最高效率點(diǎn)下的泵單級揚(yáng)程；6——最高效率點(diǎn)下的泵汽蝕余量。rNPSH根據(jù)【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》關(guān)醒凡編著，宇航出版社。 】 查圖 4-7取 =0.075?所以 =0.035 40=3r??3.3 泵的基本參數(shù)的確定1 確定泵的進(jìn)口直徑泵進(jìn)口直徑也叫泵吸入口徑,是指泵吸入法蘭處管的內(nèi)徑.吸入口徑由合理的進(jìn)口流速確定。泵的進(jìn)口流速一般為 3m/s 左右，從制造經(jīng)濟(jì)行考慮，大型泵的流速取大些，以減小泵體積，提高過流能力。從提高抗汽蝕性能考慮，應(yīng)取較大的進(jìn)口直徑，以減小流速。常用的泵吸入口徑，流量和流速的關(guān)系如圖所示。對抗汽蝕性能要求高的泵，在吸入口徑小于 250mm 時，可取吸入口徑流速 ，在吸入口徑大于smVs/8.1~0?250mm 時，可取 。選定吸入流速后，按下式確定 ,在該設(shè)計中，此smVs/2.~41? sD泵為單吸離心泵。 sVQD?吸入口徑（mm）40 50 65 80 100 150 200 250流速（m/s）1.375 1.77 2.1 2.76 3.53 2.83 2.65 2.83單級泵流量（m 3/h） 6.25 12.5 25 50 100 180 300 500表 3-1注：此表取自【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》關(guān)醒凡編著，宇航出版社。 】取吸入口流速 V =3.2m /h，代入公式得：S3 mQRs 123.064????入取泵的吸入口徑為 125mm。2. 確定泵的出口直徑泵出口直徑也叫泵排出口徑，是指泵排出法蘭處管的的內(nèi)徑。對于低揚(yáng)程泵，排出口徑可與吸入口徑相同；對于高揚(yáng)程泵，為減小泵的體積和排出管路直徑，可取排出口徑小于吸入口徑，一般取sDR)7.0~1(?出7式中：R ——泵的排出口徑出R ——泵的吸入口徑入根據(jù)該泵的特性，由于該泵的流量大，考慮排水管路的經(jīng)濟(jì)性 mDS1057.0. ???出取 m10?出3. 泵轉(zhuǎn)速的確定 確定泵轉(zhuǎn)速應(yīng)考慮以下因素：(1).泵的轉(zhuǎn)速越高，泵的體積越小，重量越輕，據(jù)此應(yīng)選擇盡量高的轉(zhuǎn)速；(2).轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，而比轉(zhuǎn)數(shù)和效率有關(guān)，所以轉(zhuǎn)速應(yīng)該和比轉(zhuǎn)數(shù)結(jié)合起來確定；(3).確定轉(zhuǎn)速應(yīng)考慮原動機(jī)的種類（電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)等）和傳動裝置（皮帶傳動、齒輪傳動、液力偶合器傳動等） ；(4).轉(zhuǎn)速增高，過流部件的磨損加快，機(jī)組的振動、噪聲變大；(5).提高泵的轉(zhuǎn)速受到汽蝕條件的限制，從汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)公式4362.5rNPSHQnC?式中： ——泵的轉(zhuǎn)速（r/min）——泵流量（m 3/s）可知：轉(zhuǎn)速 和汽蝕基本參數(shù) 及 有確定的關(guān)系，如得不到滿足，將發(fā)生nrNPSHC汽蝕。對既定得泵汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù) 值為定值，轉(zhuǎn)速增加，流量增加，則 增加，當(dāng)rNPSH該值大于裝置汽蝕余量 時，泵將發(fā)生汽蝕。a選 ,. =3，150?CrNPSHsmQ/05.3?則 in/79.62.51. 443 rnr??根據(jù)汽蝕要求，泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)小于 ，而實(shí)際轉(zhuǎn)速為3min/290r4. 軸功率和原動機(jī)功率的確定泵的軸功率 KwgQHP356.7608.10149?????軸原動機(jī)功率 KwKt 25.3.7??原8式中: ——余量系數(shù) 查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》關(guān)醒凡編著】 表 7-10K取 =1.1(原動機(jī)為電動機(jī))——傳動效率 查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》關(guān)醒凡編著】 表 7-11t?取 (直聯(lián))0.1?t所以選擇 7.5Kw 的電動機(jī)可滿足要求,查【《機(jī)械零件手冊》吳宗澤主編】選擇電動機(jī)的型號為 Y132S2-23.4 壓出室和吸入室的設(shè)計1. 壓出室的水力設(shè)計壓出室的作用在于：1 將葉片中流出的液體收集起來并送往下一級葉輪或管路系統(tǒng)。2.降低液體的流速，實(shí)現(xiàn)動能到壓能的轉(zhuǎn)化，并可減小液體流往下一級葉輪或管路系統(tǒng)的損失。3.消除液體流出葉輪后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以避免由于這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶來的水力損失。本設(shè)計采用的壓出室是蝸形體，即螺旋形渦室。2. 吸入室的水力設(shè)計(1) 吸入室的作用吸入室是指泵的吸入法蘭到葉輪入口前泵體的過流部分，吸入室的作用是將吸入管中的液體以最小的損失均勻地引向葉輪。吸入室中的水力損失要比壓出室的水力損失小的多，因此，與壓出室相比，吸入室的重要性要小的多，盡管如此，吸入室仍是水泵不可缺少的部件，它直接影響著葉輪的效率和泵的汽蝕性能。(2) 吸入室的分類吸入室有以下四類：直錐形吸入室、環(huán)形吸入室、半螺旋形吸入室、單吸泵螺旋形吸入室直錐形吸入室常用于單級懸臂式泵中，它能保證液流逐漸加速而均勻地進(jìn)入葉輪。環(huán)形吸入室又叫同心吸入室，在接近入口處設(shè)有許多導(dǎo)向徑，以防止液體在其中打轉(zhuǎn)而產(chǎn)生預(yù)旋，常用于雜質(zhì)泵和多級泵。半螺旋形吸入室主要用于單級泵中和水平式開式泵等,能保證在葉輪進(jìn)口得到均勻的速度場。本次設(shè)計泵采用單吸泵螺旋形吸入室。這種結(jié)構(gòu)的吸入室性能好，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，液體在單吸泵螺旋形吸入室內(nèi)流動速度遞增，使液體在葉輪進(jìn)口能得到均勻的速度，液體在雙吸泵螺旋形吸入室水力損失很小，汽蝕性能也比較好。3.5 軸的設(shè)計離心泵軸的設(shè)計為空心軸和電機(jī)軸用聯(lián)軸器直接相聯(lián)。為了保證這根軸符合要求,我們最后按外伸梁方法分析計算。1 扭矩的計算 9mNnPnMcn ??????1.29705.12.1950原式中: ——扭矩( )mN?——計算功率 取P原2.12 泵軸直徑的初步計算 ??mMdn 0276.152.0..3531 ????式中: ——材料的許用切應(yīng)力( ) 查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》關(guān)醒凡編著】 表 7-Pa12 取 ??Pa51???值的大小決定軸的粗細(xì),軸細(xì)可以節(jié)省材料,提高葉輪水力和汽蝕性能;軸粗能增強(qiáng)泵的剛度,提高運(yùn)行可靠性.故泵軸的最小軸徑取 ,泵軸的最大尺寸取md30?m603 軸的強(qiáng)度計算（1）葉輪所受徑向力的計算( )32108.9??BHDKFrN式中: ——泵揚(yáng)程 m4?——葉輪外徑 2 25.02——包括蓋板的葉輪出口寬度( )B3...02????——試驗(yàn)系數(shù) 查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》關(guān)醒凡編著】 rK圖 17-30 取 2.rK則 NBHDFr32108.9??N1506.7013?（2）葉輪所受徑向不平衡離心力的計算(N)0290298.18.2RnGRGnc ??????式中: ——最大半徑處的殘余不平衡質(zhì)量(g)取Ggc3?10——葉輪的最大半徑( ) 0RmR153?則 NRnGFcc 38.4229098.10198.2 ????????（3）水平總的受力: Fc8.4'3?垂直總的受力: CR .1353（4）計算水平面支承反力 ?? NFFQRR 4.63598702.1598223'3'1 ???????RQR .30.'3'2 ??（5）計算垂直面支承反力 ??NFFRR 4.28359.1859831 ?????RR.223（6）計算水平面 C 和 D 處的彎矩(考慮到 C 和 D 處可能是危險截面)mNNFMRCH ?????2.18034.68'1???? mND ????1734546352'（7）計算垂直面 C 處和 D 處的彎矩RCV ?????2.8034.831 mNFMD 549125（8）計算合成彎矩C 點(diǎn)合成彎矩：mNCVH ??????? 197522.80.22D 點(diǎn)合成彎矩： mNMDV ??80549173222（9）計算 C 和 D 處當(dāng)量彎矩查【《機(jī)械設(shè)計》吳宗澤主編】表 2-7 由插入法得??3.21??b???3.10?b???591??b???6.01??b??11????mNTMC ???????? 2342106.19752222' ?D 180780'（10）校核軸的強(qiáng)度根據(jù)彎矩大小及軸的直徑選定 C 和 D 兩截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，由【《機(jī)械設(shè)計》吳宗澤主編】表 2-5，當(dāng) 45 鋼 ，按表 2-7 用插值法得MPab64????MPab591???C 截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力： ??bCmNdMW133''' 095.041.2.0 ??????（因 C 截面有鍵槽，考慮對軸強(qiáng)度削弱影響，故 d 乘以 0.95）D 截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力： ??bDMPad133''' 20451.087. ??????? ??因此：C 和 D 兩截面均安全（11）校核軸徑在葉輪中心截面處： mNMC?23'1在電動機(jī)第一軸承處： ????mNT ??????? 2637106.422212?在電動機(jī)中間截面處：?945.3722223??mMdb 45591.041.03??????b6..27.33122???mdb 58.59.04.0331 ??????軸的受力分析如下12FR3R1MnFR2FR3R3R1R2FQ軸 受 力 簡 圖水 平 面 受 力 R1R2垂 直 面 受 力水 平 面 彎 矩 圖垂 直 面 彎 矩 圖 8002.圖 3-24 軸的強(qiáng)度校核軸的校核（1）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度，以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取 = =18.6Mpa；ca?WTM/)(2321??13查表《機(jī)械設(shè)計》表 15-1 查得[ ]=60Mpa;因此 ＜[ ]，故安全。 （2）精1??ca?1?確校核軸的疲勞強(qiáng)度S =S *S / ≥Sca??2??S?S = /K * + * ≥S1?a?m截面Ⅲ抗彎截面系數(shù) W=0.1d =0.1*55 =16637mm333抗扭截面系數(shù) W =0.2 d =0.2*55 =33250 mmT截面Ⅲ的左側(cè)的彎矩 M 為M=166758*(71-36)/71=92534N.m 截面Ⅲ上的扭矩 T 為T=960000N.m截面上的彎曲應(yīng)力=M/W=92534/16637=5.6Mpa?截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力=T/ W =960000/33250=28..2Mpa?T軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表 15-1 查=640Mpa； =275Mpa； =155Mpa；?B?1?截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù) 及 按表查取，因???r/d=2.0/55=0.036,D/d=60/55=1.09;經(jīng)插值得， =1.310.2????軸按磨削加工，得表面質(zhì)量系數(shù)為= =0.92???軸未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，即 =1，得qK =2.80 K =1.62??計算安全系數(shù) S 值，caS =S *S / =9.5＞＞S=1.5ca??2???14故可知其安全。3.6 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要尺寸計算1 結(jié)構(gòu)設(shè)計葉輪是離心泵傳遞能量的主要部件，通過它把電能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能和動能，因此，要求葉輪具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和完好的葉片形狀，在材料上，除了考慮介質(zhì)腐蝕，磨損外，由于它是旋轉(zhuǎn)部件，故還應(yīng)考慮離心力作用下的強(qiáng)度。通常，用于葉輪的材料有鑄鐵，青銅鑄件，不銹鋼，鉻鋼等。當(dāng)葉輪圓周速度超過30m/s，考慮鑄鐵強(qiáng)度不能承受這樣大的離心力的作用，則需改用青銅作材料，由于本設(shè)計泵屬于中小型泵，其圓周速度遠(yuǎn)小于 30m/s，在考慮到材料來源的難易，鑄造上的方便與否，同時考慮到泵的效率和抗汽蝕性能的要求，故選灰口鑄鐵，雖然它的強(qiáng)度不高，但它的生產(chǎn)工藝簡單，價格低廉，易于熔化，澆鑄性能好，冷凝的收縮性小，而且，其切削性能好，便于加工，減振性好，可以減輕由于水力沖擊造成的振動，而HT200 又是在灰口鑄鐵中這些性能更為突出的，所以，本設(shè)計中葉輪的材料選用 HT200作為原材料，熱處理采用退火，許用應(yīng)力為[&]25-35MP2 葉輪結(jié)構(gòu)型式的確定本設(shè)計選用半閉式葉輪。閉式葉輪由前蓋板，后蓋板，葉片和輪轂組成，半閉式葉輪多用于雜質(zhì)泵。葉輪主要尺寸的確定有三種方法：相似換算法、速度系數(shù)法、葉輪外徑 或葉2D片出口角 的理論計算。2?葉輪采用速度系數(shù)法設(shè)計，速度系數(shù)法是建立在一系列相似泵基礎(chǔ)上的設(shè)計，利用統(tǒng)計系數(shù)計算過流部件的個部分尺寸。圖 3-33 葉輪輪轂直徑 的計算hd葉輪輪轂直徑必須保證軸孔在開鍵槽之后有一定的厚度，使輪轂具有足夠的強(qiáng)度，15通常 ，在滿足輪轂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，盡量減小 ，則有利于改善流??ihdd4.1~2? hd動條件。取 ??Pa50??軸直徑 ?? mMdn 6.270.152...353 ????根據(jù)葉輪輪轂直徑應(yīng)取 1.2～1.4 倍的軸直徑，根據(jù)設(shè)計要求，取葉輪所在的軸的直徑為 35 ，所以 。取mmh.. dh4 葉輪進(jìn)口直徑 的計算jD因?yàn)橛械娜~輪有輪轂（穿軸葉輪） ，有的葉輪沒有輪轂（懸臂式葉輪） ，為從研究問題中排除輪轂的影響，即考慮一般情況，引入葉輪進(jìn)口當(dāng)量直徑 的概念。以O(shè)D為直徑的圓面積等于葉輪進(jìn)口去掉輪轂的有效面積，即 。 按OD ??422?hjd??O下式確定3nQKO?2hOjdD??式中： ——泵流量（m 3/s）對雙吸泵取 ；Q——泵轉(zhuǎn)速（ ）ni/r——系數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計資料選取OK主要考慮效率 0.4~53?OK兼顧效率和汽蝕 主要考慮汽蝕 .OmnQKDO 810.293601.43 ????dhj 822?取 mj105 葉輪外徑的計算16????3213212 90606.9~5.06.9~35. ??????????????? ??nQDsm..1取 256 葉輪出口寬度的計算 ????3653652 2901107.~4.107.~4. ???????????????nQbsm.因?yàn)閮蓚€葉輪設(shè)計在一起，所以葉輪出口寬度 mb2?7 葉片數(shù)的計算和選擇葉片數(shù)對泵的揚(yáng)程、效率、汽蝕性能都有一定的影響。選擇葉片數(shù)，一方面考慮盡量減小葉片的排擠和表面的摩擦；另一方面又要使葉道有足夠的長度，以保證液流的穩(wěn)定性和葉片對液體的充分作用。葉輪葉片數(shù)： 2sin131???eRZm對于低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪， ，??21R?12e??則 sin23sin13 21121 ??????eRZi5.6i5.6 212212??D60sin70.sin.112 ????????jDK53.式中： ——葉輪進(jìn)口直徑j(luò)——葉片進(jìn)口直徑1——葉輪外徑2D17——葉片進(jìn)口角 取1?012??——葉片出口角 取2 6低比轉(zhuǎn)數(shù)葉輪取大值0.~71?K通常采用葉片數(shù) ，取該葉輪葉片數(shù)為 65Z8 精算葉輪外徑（1）.葉片出口排擠系數(shù) 95.0sin2612536sin1222 ????????????????????? ctgctgD??????（2）.出口軸面速度 smbQVVm /83.296.0.0.42 ??（3）.出口圓周速度 6.1308.26.283.00222 ???????????????????tgtgHttgUtmm?s/8.（4）.葉輪外徑 mnD256.02983602 ????外與假定值接近，不再進(jìn)行計算9 葉輪出口速度（1）.出口軸面速度（由上述計算得）5.02??smV/83（2）. 出口圓周速度 smsnDU/26.38/60295.60????外（3）. 出口圓周分速度 ssmgHVtU /./2.38792（4）. 無窮葉片數(shù)出口圓周分速度18smsUgHVt /45.3/26.381092????10 葉輪進(jìn)口速度（1）.葉輪進(jìn)口圓周速度進(jìn)口分點(diǎn)半徑為 ??22hji RnR???式中: ——所分的流道數(shù)n——從軸線側(cè)算起欲求的流線序號如圖所示,中間的流線序號為 ,所分的i 2?i流道 4?圖 3-4則: ????mRRhja 8.453045343 2222 ????????hjb .12222????mRRhjc 360435042222 ??????? ssnDUaa /9.1/698.6011 ??bb /5.2/0241.11 ??smnDUcc /1/693.2601??（2）.葉片進(jìn)口軸面液流過水?dāng)嗝婷娣e19221 013.04.5.2mbRFaca ????8679b 221 4..3.cc（3）.C 流線處葉片進(jìn)口角(假定 ).01?c?smsFQVCmlc /7.36/9.042.9651????''''1 17387???????cc??5?（4）.校核 c1?2111sin??????????ccc tgDZ????290i75362?t894.0?由軸面投影圖假設(shè) ,與假設(shè) 相近.?1?c?901?c?11 葉輪強(qiáng)度計算(1） 蓋板強(qiáng)度計算蓋板中的應(yīng)力主要由離心力造成的，半徑越小的地方應(yīng)力越大，葉輪簡圖如下：圖 3-5葉輪外徑： mD25.0?材料密度： 3/78Kg?20葉輪簡圖： mDx09.? sradMPn/5.2601.5???葉輪出口圓周速度 的值按下式計算：2UsmgHK/3.4078.9203.1???式中： ——出口圓周速度系數(shù) 根據(jù)比轉(zhuǎn)數(shù)查《葉片泵設(shè)計手冊》圖 5-3 得2U.2按等強(qiáng)度設(shè)計蓋板，蓋板任意直徑處的厚度 按下式計算xD???????????422nDxe?????????????409.25.10426782.0.m4?式中： ——材料密度（ ）?3/Kg——許用應(yīng)力 對鋼 ，對鑄鐵?????4~s???6~5s??——材料的屈服強(qiáng)度s ??Pa——材料的抗拉強(qiáng)度b該蓋板符合要求(2) 葉片厚度計算根據(jù)葉片工作面和背面的壓力差，可近似得出下面計算葉片厚度的公式： mZHADS8.2675.0132 ???式中： ——泵的揚(yáng)程——葉片數(shù)——葉輪外徑2A——系數(shù)，與比轉(zhuǎn)數(shù)和材料有關(guān)，查【《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》關(guān)醒凡編著，宇航出版社。 】表 19-9 取 A=3.1根據(jù)實(shí)際情況和鑄造工藝要求取 為合適。mS4?21（3) 輪轂強(qiáng)度計算熱裝葉輪輪轂和軸配合的選擇對一般離心泵，葉輪和軸是間隙配合，但鍋爐給水水泵等有時采用過盈配合，為了使輪轂和軸的配合不松動，運(yùn)轉(zhuǎn)時離心力產(chǎn)生的變形應(yīng)小于軸與輪轂配合的最小公盈。離心力在輪轂中產(chǎn)生的應(yīng)力亦可用下式計算，即 KPau10453.78025.8.02?????軸與輪轂的配合：孔 軸.0?59.4?最大間隙： m.ax?最小間隙： 018in?mEDe 036.245.9???m18.036.???式中： ——輪轂平均直徑e——材料的彈性模量E輪轂強(qiáng)度計算輪轂中的應(yīng)力為裝配應(yīng)力（有過盈時）和停泵后輪轂和軸心溫差應(yīng)力之和溫差應(yīng)力： KPat 4573210261.92 ???????安全系數(shù)： ??5.47302??nnb3.7 泵體和鍵的強(qiáng)度計算1 泵體強(qiáng)度計算(1)殼體壁厚因渦殼幾何形狀復(fù)雜,且受力不均,故難以精確計算,下面可以用來估計壁厚 ??)(5.9806cmHQSd???式中: ——泵揚(yáng)程(m)——泵流量( ) s/3——許用應(yīng)力(Pa) (鑄鐵)???????aKP1470~98?22——當(dāng)量壁厚,按下式計算dS2.7084.15??ssdn.6.6?453則 ???.980??HQSd 1405.986736245.?mc.1?(2)強(qiáng)度校核用魯吉斯方法進(jìn)行校核,本方法假定最大應(yīng)力發(fā)生在尺寸最大的軸面上,角度為處m?圖 3-6aKP80?m026.??R174.0?12.?15.74.0R??.2.6???????64.0217.507.114242 ?????????K23?????radKm3.164.025.123????軸面應(yīng)力 KPaPu 1895.07215.85.15.1332 ?????????????.4.06.31p ?????? ????? 15.0.172405.172.15.72803KPa436KPapu 84369811 ???圓周應(yīng)力 31252.0???u?? 3317.2501.7280652.897. ???KPa64????????3322 41..0?????P ??????????323 17.504.7.5.718Ka624.7? KPaPu 691.64.2 ???徑向應(yīng)力 a803?25.????KPaaud 35488025.341 ????（符合條件）1.7580??dbn軸向變形24??0212?????EP???026.1285.7. 93?????????m179.0?2 鍵的強(qiáng)度校核（1）葉輪與軸相連處的鍵圖 3-7葉輪鍵尺寸： 91407???hbl軸徑： md45扭矩： NMn?.21工作面的擠壓應(yīng)力： dhlMlFnj42??Pa70.9.05.1?????KPaKj 1963~4347????a—a 斷面的剪切應(yīng)力： dblMFn70..05.22??????aPaj 86~94,169????則該鍵符合要求。（2）電動機(jī)軸與葉輪軸相連處的鍵25圖 3-8鍵尺寸： 1067???hbl軸徑： md5扭矩： NMn?.21工作面的擠壓應(yīng)力： dhlMlFnj42??Pa07.105.?????KPaKaj 1963~4193???a—a 斷面的剪切應(yīng)力： dblMFn07..05.22??????aPaj 86~94,6854????則該鍵符合要求。26四 離心泵的密封設(shè)計及其計算4.1 密封的介紹旋轉(zhuǎn)的泵軸和固定的泵體間的密封簡稱軸封，我在本設(shè)計中用的是機(jī)械密封。在次泵的設(shè)計中，機(jī)械密封的作用主要是防止高壓液體從泵中漏出和防止空氣進(jìn)入泵內(nèi)。盡管機(jī)械密封在離心泵中所占的位置不大，但泵是否能正常運(yùn)行，卻和機(jī)械密封密切相關(guān)。機(jī)械密封是靠一對或數(shù)對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達(dá)到阻漏的軸封裝置。 常用機(jī)械密封結(jié)構(gòu)由靜止環(huán)（靜環(huán)）1、旋轉(zhuǎn)環(huán)（動環(huán)）2 、彈性元件 3、彈簧座 4、緊定螺釘 5、旋轉(zhuǎn)環(huán)輔助密封圈 6 和靜止環(huán)輔助密封圈 8 等元件組成，防轉(zhuǎn)銷 7 固定在壓蓋 9 上以防止靜止環(huán)轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)環(huán)和靜止環(huán)往往還可根據(jù)它們是否具有軸向補(bǔ)償能力而稱為補(bǔ)償環(huán)或非補(bǔ)償還。機(jī)械密封中流體可能泄漏的途徑有 A、B、C、D 四個通道。C 、D 泄漏通道分別是靜止環(huán)與壓蓋、壓蓋與殼體之間的密封，二者均屬靜密封。B 通道是旋轉(zhuǎn)環(huán)與軸之間的密封，當(dāng)端面摩擦磨損后，它僅僅能追隨補(bǔ)償環(huán)沿軸向作微量的移動，實(shí)際上仍然是一個相對靜密封。因此，這些泄漏通道相對來說比較容易封堵。靜密封元件最常用的有橡膠 O 形圈或聚四氟乙烯 V 形圈，而作為補(bǔ)償環(huán)的旋轉(zhuǎn)環(huán)或靜止環(huán)輔助密封，有時采用兼?zhèn)鋸椥栽δ艿南鹉z、聚四氟乙烯或金屬波紋管的結(jié)構(gòu)。A 通道則是旋轉(zhuǎn)環(huán)與靜止環(huán)的端面彼此貼合作相對滑動的動密封，它是機(jī)械密封裝置中的主密封，也是決定機(jī)械密封性能和壽命的關(guān)鍵。因此，對密封端面的加工要求很高，同時為了使密封端面間保持必要的潤滑液膜，必須嚴(yán)格腔制端面上的單位面積壓力，壓力過大，不易形成穩(wěn)定的潤滑液膜，會加速端面的磨損；壓力過小，泄漏量增加。所以，要獲得良好的密封性能又有足夠壽命，在設(shè)計和安裝機(jī)械密封時，一定要保證端面單位面積壓力值在最適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)。由于是單機(jī)單吸離心泵，可采用單端面外裝式平衡型密封。基本圖 4-1 如下；271-密封墊 2-靜止環(huán) 3-旋轉(zhuǎn)環(huán) 4-密封圈 5-推環(huán) 6-彈簧 7-彈簧座 8-緊定螺釘圖 4-1一些基本數(shù)據(jù)d ——軸徑，mm；0D ——密封環(huán)接觸端面內(nèi)徑，mm；1D ——密封環(huán)接觸端面外徑，mm；2P ——密封腔介質(zhì)壓力，Mpa ；LP ——彈簧比壓， Mpa；s4.2 端面比壓的計算1， 密封環(huán)接觸端面平均壓力 p /MpaP =pL??P =2.8Mpa =0.5L?)(321D?p =0.5 2.8=1.4Mpa?2 密封環(huán)接觸端面液膜推開力 R/NR= (D -D )P4?21PD =69mm D =58mm2R= （69 -58 ） =1535.3N24.?3 總的彈簧力 F /NsF = (D -D )PS4?21SP =0.3MpaF = （69 -58 ） 0.3=329Ns2?4 密封腔內(nèi)介質(zhì)作用力 F /NL28F = ( D - d ) PL4?210Ld =35mm0F = (69 -35 ) 2=5551.5NL2?5 動環(huán)所受的合力 F/NF= F + F -RSL=329+5551.5-1535.3=4345.2N6 端面比壓 p /Mpac=4F/ ( ) =P +P (K- )CP?21D?SL?K=0.6P =0.3+2.8(0.6-0.5)=0.58MpaC7 校核 P v 值查《機(jī)械設(shè)計手冊 潤滑與密封》表 10-3-27 可知；P v （P v） C?P故符合要求。29結(jié) 論離 心 泵 的 機(jī) 械 密 封 設(shè) 計 完 成 了 ， 通 過 為 時 兩 個 月 的 設(shè) 計 ， 將 我 四 年 所 學(xué) 的 知識 做 了 一 次 大 的 串 聯(lián) ， 使 我 逐 漸 把 一 些 分 散 的 知 識 點(diǎn) 結(jié) 合 成 了 一 個 整 體 。通 過 畢 業(yè) 設(shè) 計 ， 使 我 對 離 心 泵 的 基 本 工 作 原 理 、 設(shè) 計 步 驟 的 關(guān) 鍵 環(huán) 節(jié) 以 及機(jī) 械 密 封 的 各 種 知 識 等 有 了 一 個 詳 細(xì) 的 認(rèn) 識 ， 了 解 了 它 的 設(shè) 計 過 程 ， 學(xué) 會 了 查 閱相 關(guān) 資 料 和 各 種 設(shè) 計 手 冊 ， 翻 閱 理 論 課 程 書 。機(jī) 械 設(shè) 計 是 需 要 細(xì) 心 和 耐 心 的 一 項 工 作 ， 要 求 設(shè) 計 人 員 能 夠 在 設(shè) 計 的 過 程 中 有條 理 ， 一 絲 不 茍 ， 并 且 要 有 一 定 的 耐 心 來 培 養(yǎng) 自 己 做 設(shè) 計 的 信 心 ， 這 樣 才 能 有 利于 設(shè) 計 ， 切 不 可 在 設(shè) 計 過 程 中 有 半 點(diǎn) 的 煩 躁 心 理 ， 否 則 便 會 事 倍 功 半 。通 過 這 次 設(shè) 計 使 我 明 白 了 我 們 無 論 做 什 么 事 情 都 要 使 自 己 有 濃 厚 的 興 趣 ， 以 嚴(yán)謹(jǐn) 持 之 以 恒 的 態(tài) 度 來 面 對 ， 這 樣 才 能 把 一 件 事 情 做 好 。30參 考 文 獻(xiàn)1.《機(jī)械設(shè)計》吳宗澤主編 北京：高等教育出版社，20012.《離心泵與軸流泵》丁成偉著 南寧：機(jī)械工業(yè)出版社，19853.《現(xiàn)代泵技術(shù)手冊》關(guān)醒凡著 北京：宇航出版社，19954.《機(jī)械設(shè)計手冊》 （第二卷）機(jī)械設(shè)計手冊編委會編著北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.85. 《機(jī)械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊》 （第二卷）汪凱著 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.8 6. 《中國機(jī)械設(shè)計大典》(第三卷) 南昌:江西科學(xué)技術(shù)出版社,2002.17. 《材料力學(xué)》宋子康 蔡文安著 北京:同濟(jì)大學(xué)出版社,1993.88. 《機(jī)械制圖》(第五版) 大連理工大學(xué)工程畫教研室編 北京:高等教育出版社,2003.89. 《工程流體力學(xué)》侯國祥等編 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.710. 《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計》陳立德主編 北京：高等教育出版社，2006.731附錄英文翻譯鞋楦掃描機(jī)的控制系統(tǒng)的開發(fā)1 引言在全球制鞋業(yè)中，中國制鞋業(yè)可謂異軍突起。短短的十多年，中國一躍升為全球最大的鞋類生產(chǎn)國和出口國。制鞋業(yè)的迅猛發(fā)展也帶動了鞋楦業(yè)，鞋子的樣式越來越多，就要求鞋楦也要不斷翻新，這促成了鞋楦從耐用品變成易耗品。機(jī)械鞋楦機(jī)采用的是仿形加工的原理，它實(shí)現(xiàn)了鞋楦加工的批量生產(chǎn)，帶來了鞋楦業(yè)的飛速發(fā)展。但是機(jī)械鞋楦機(jī)也有其不可避免的缺點(diǎn)：首先，從產(chǎn)品角度來講，它加工出來的鞋楦的鞋幫兩側(cè)，總有幾道較明顯的縱痕，鞋楦很不光滑，這對于要求越來越高的制鞋業(yè)來說，是不能滿足要求的；其次，機(jī)械鞋楦機(jī)在實(shí)現(xiàn)鞋楦的縮放時，需要工人憑經(jīng)驗(yàn)手工調(diào)整機(jī)器，這對工人要求比較高；再次，也是最重要的，傳統(tǒng)的加工方法無法建立工件尺寸的文件，也無法做任何的外形修改。2 數(shù)控鞋楦機(jī)的數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)數(shù)控鞋楦機(jī)可以避免機(jī)械鞋楦機(jī)的缺點(diǎn)。數(shù)控鞋楦機(jī)采用數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)，數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)在對鞋楦模型進(jìn)行三維掃描后，得到模型的三維數(shù)據(jù)文件，通過處理數(shù)據(jù)文件（如表面光滑處理，插值處理等） ，實(shí)現(xiàn)對鞋楦模型的縮放，并能改變鞋楦加工表面的螺旋線的螺距，從而改善加工表面的質(zhì)量。同時，所得數(shù)據(jù)文件可以存入電腦，需要時可再調(diào)出來，同一類型的鞋楦只需掃描一次，管理非常方便。顯然，這樣的數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)才是滿足現(xiàn)代鞋楦業(yè)的發(fā)展的。數(shù)控鞋楦機(jī)的數(shù)字逆向工程流程圖如圖 1 所示：圖 1 數(shù)控鞋楦機(jī)的數(shù)字逆向工程流程圖國外的數(shù)控鞋楦機(jī)到目前為止已經(jīng)非常完善了，在實(shí)際應(yīng)用中也得到極大肯定。我們國內(nèi)由于種種原因，起步較晚，所以筆者所在實(shí)驗(yàn)室在參考國外機(jī)器的前提下，以實(shí)際應(yīng)用作為主要目的，進(jìn)行數(shù)控鞋楦機(jī)的研制，為國內(nèi)在該領(lǐng)域的企業(yè)提供一些參考。該數(shù)控鞋楦機(jī)有兩部分組成，一部分是掃描機(jī)，它通過掃描得到鞋楦的三維數(shù)據(jù)，另一部分是刻楦機(jī)，它利用掃描得到的三維數(shù)據(jù)加32工出鞋楦。本文主要討論鞋楦掃描機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計，只有掃描得到的數(shù)據(jù)文件準(zhǔn)確，才能保證加工出來的鞋楦的質(zhì)量，因此鞋楦掃描機(jī)是實(shí)現(xiàn)鞋楦加工的基礎(chǔ)和前提。3 鞋楦掃描機(jī)的掃描原理首先，簡要介紹一下鞋楦掃描機(jī)的掃描原理，如下圖 2 所示。圖 2 鞋楦掃描機(jī)的掃描原理圖如上圖所示，X 軸帶動鞋楦的自轉(zhuǎn)， Y 軸為指向鞋楦中心線， Z 軸在鞋楦長度方向移動，即掃描輪移動的方向。鞋楦掃描機(jī)采用接觸式測量方式，所用測量工具為掃描輪，它安裝在 Y 軸方向，掃描輪靠在鞋楦上，其后面由氣泵頂著，掃描輪隨著鞋子的運(yùn)動而前后移動，掃描輪后面的光柵尺采集鞋楦數(shù)據(jù)。4 鞋楦掃描機(jī)的控制系統(tǒng)概述鞋楦掃描機(jī)采用 PC 機(jī)作為上位機(jī)，利用面向?qū)ο蟮恼Z言 VC＋＋進(jìn)行軟件設(shè)計、開發(fā)，通過運(yùn)動控制卡驅(qū)動系統(tǒng)并采集三根軸的數(shù)據(jù)，得到掃描數(shù)據(jù)文件，以用于加工。上位機(jī)作為掃描機(jī)的操作界面，完成數(shù)據(jù)分析、處理以及對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等任務(wù)。運(yùn)動控制卡作為控制核心，完成發(fā)送及接收脈沖。伺服電機(jī)接受板卡發(fā)送的脈沖，驅(qū)動各個軸運(yùn)動，同時，伺服電機(jī)編碼器反饋給運(yùn)動控制。整個控制系統(tǒng)簡圖如下圖 3 所示。圖3 控制系統(tǒng)總框圖下面主要介紹運(yùn)動控制卡，伺服電機(jī)以及光柵尺的選擇及控制334．1 運(yùn)動控制卡的選擇及控制在掃描系統(tǒng)中，運(yùn)動控制卡是整個系統(tǒng)的核心，因此選擇合適的運(yùn)動控制卡是很重要的。在掃描過程中，運(yùn)動控制卡需要控制 Z 軸和 X 軸的伺服電機(jī)，運(yùn)動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機(jī)驅(qū)動器，同時接受伺服電機(jī)編碼器反饋的脈沖數(shù)。運(yùn)動控制卡還接受光柵尺反饋信號。由于是采集鞋楦三維的數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)越密集，加工出來的產(chǎn)品越光滑。在本系統(tǒng)中，設(shè)定鞋楦轉(zhuǎn)一圈需要采樣幾百個點(diǎn)，因此對運(yùn)動控制卡的驅(qū)動輸出脈沖要求比較高，對編碼器輸入頻率也有一定要求，控制軸數(shù)要求三軸。綜合考慮各種性能以及經(jīng)濟(jì)性等,選擇深圳雷賽公司的 DMC3000 系列運(yùn)動控制卡。本系統(tǒng)的運(yùn)動控制卡是基于 PCI 總線的高性能運(yùn)動控制卡，可控制多達(dá)四軸步進(jìn)或伺服電機(jī)。此系列具有即插即用、最高 4MHz 脈沖頻率、S 曲線減振功能、編碼器反饋、隨時變速等高級功能。本運(yùn)動控制卡的每一軸的兩個信號輸出口 PUL 和 DIR 可用來輸出脈沖和方向信號，這兩個輸出口可以由程序設(shè)成正脈沖+反脈沖（雙脈沖）模式或脈沖+方向模式（單脈沖） 。本系統(tǒng)采用脈沖+方向形式，并設(shè)定脈沖為差分輸出方式，在差分輸出模式下，每一個信號可以被差分成一對相異的信號。使用差分輸出方式可有效的減少傳輸中的干擾，提高可靠性。X 軸和 Z 軸的伺服電機(jī)驅(qū)動器接收來自運(yùn)動控制卡的脈沖和方向信號。本運(yùn)動控制卡可同時控制四根軸，每一軸都有三對差分的 A 相、B 相和 Z 相輸入信號，EA 和EB 信號用來進(jìn)行位置計算， EZ 信號用作原點(diǎn)索引信號。每一軸都有一個原點(diǎn)開關(guān)信號，通過機(jī)械原點(diǎn)信號輸入來查找該軸的原點(diǎn)，可通過軟件設(shè)定原點(diǎn)開關(guān)模式。每一軸都有兩個位置限位信號EL+（正向限位）和 EL-（反向限位） ，可通過軟件設(shè)定限位開關(guān)模式。在本系統(tǒng)中，X 軸和 Z 軸的伺服電機(jī)編碼器反饋的脈沖信號都接入運(yùn)動控制卡。由于每根軸運(yùn)動初始有個起始位，因此需要用原點(diǎn)信號，軟件通過搜索原點(diǎn)信號來確定起始位。X 軸為旋轉(zhuǎn)方向，不需要正反限位，只采用一個原點(diǎn)信號。Z 軸除了原點(diǎn)信號外，還接入正負(fù)兩個位置限位信號，兩個限位起保護(hù)作用。通用數(shù)字輸入輸出口也可用來接一些開關(guān)信號。對于單軸運(yùn)動，按照運(yùn)動距離來分,本運(yùn)動控制卡有定長運(yùn)行模式和連續(xù)運(yùn)行模式。按照運(yùn)動速度來分，本運(yùn)動控制卡有梯形速度運(yùn)行模式和 S 曲線運(yùn)行模式。S 曲線運(yùn)行模式用來讓一根軸以S 曲線速度運(yùn)行指定脈沖數(shù)，S 曲線運(yùn)行模式可以有效消除并改善加減速時的振動，使運(yùn)動非常平滑。如下圖 4 所示:34圖 4 S 曲線速度及加速度由于 S 曲線運(yùn)行模式較于梯形速度運(yùn)行模式的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)中均采用 S 曲線運(yùn)行模式。在掃描開始前，為了測量鞋楦的底板直長，需要將鞋楦轉(zhuǎn)過一定角度，這時采用定長運(yùn)行模式。在掃描過程中，Z 軸和 X 軸執(zhí)行同時但獨(dú)立的運(yùn)動，并且是連續(xù)運(yùn)動。同時保證這兩根軸以一定的比例速度運(yùn)動。實(shí)際情況證明，本運(yùn)動控制卡能滿足本系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)鞋楦數(shù)據(jù)的三維掃描，從而得到鞋楦三維據(jù)文件。4．2 伺服電機(jī)的選擇及控制由于本控制系統(tǒng)對實(shí)時性要求比較高，運(yùn)動控制卡發(fā)送脈沖給電機(jī)驅(qū)動器，要求電機(jī)立即發(fā)脈沖，不得延遲，不得有誤。因此本控制系統(tǒng)不能采用步進(jìn)電機(jī)，而必須采用伺服電機(jī)系統(tǒng)。同時伺服電機(jī)具有控制精度高，較強(qiáng)的過載能力，速度響應(yīng)性能好，運(yùn)行性能可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，我們選用 Panasonic 全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器 MSDA0231A1A，配置的伺服電機(jī)為MSM022A1。驅(qū)動器所帶電機(jī)的額定輸出功率為 1.5kw，旋轉(zhuǎn)編碼器為增量型 2500P/r，輸入電源為 3 相 220V，額定速度為 2000r/m。本系統(tǒng)中要求到位比較準(zhǔn)確迅速，由于在鞋楦轉(zhuǎn)一圈（即 X 軸轉(zhuǎn)動一圈）需要采樣幾百個點(diǎn)，因此對伺服系統(tǒng)的響應(yīng)要求比較高。同時，伺服電機(jī)的參數(shù)對掃描質(zhì)量也有一定影響。在系統(tǒng)采用的控制模式下，將伺服電機(jī)的參數(shù)調(diào)整到比較好的情況，主要是以下幾個參數(shù)。1．參數(shù) NO.10（第一位置環(huán)增益）定義位置控制的響應(yīng)曲線，增益設(shè)定越高，定位時間越快。2．參數(shù) NO.11（第一速度環(huán)增益）和參數(shù) NO.10 一起獲得伺服系統(tǒng)的總響應(yīng)曲線。盡可能設(shè)定高增益。3．參數(shù) NO.15（速度前饋）設(shè)定位置控制中速度前饋量。在電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時，若將此值設(shè)為100％，位置偏差幾乎為零。此值設(shè)定得較高，可在較小的位置偏差獲得較快反應(yīng)，但可能會導(dǎo)致超調(diào)。通過對 NO.46，NO.4B 參數(shù)的設(shè)置，可以很方便的與各種頻率的指令脈沖相匹配，以達(dá)到理想的控制分辨率(角度/脈沖)。二者的值差異過大會造成控制精度下降。所以推薦設(shè)置NO.46/NO.4B(即：電子齒輪比)為：1/50<電子齒輪比<20。354．3 光柵尺的選擇及控制在本控制系統(tǒng)中，光柵尺用于采集 Y 軸數(shù)據(jù)，它安裝在掃描輪的后面，在掃描過程中，掃描輪不斷前后移動，從而帶動光柵尺移動，光柵尺采集到的脈沖信號反饋到運(yùn)動控制卡。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，考慮精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等各種因素，我們選用 FAGOR MVX-225 線性光柵尺。它采用的玻璃鍍鉻刻度柵距為 20um，精度為 ±5um，分辨率為 1um，其輸出信號為差動 TTL 信號，輸出信號周期“T”為 4um，最大速度為 60m/min。由于在本系統(tǒng)中，光柵尺需要不停前后移動，而該光柵尺讀數(shù)頭移動采用滾動軸承，可最小限度減小磨損，大大提高使用壽命，該光柵尺的移動壽命超過9000km。FAGOR 反饋系統(tǒng)提供的電信號是通過鍍刻在直尺上的鉻線柵格，通過光電處理轉(zhuǎn)換成電信號。FAGOR 反饋系統(tǒng)用紅外線發(fā)光二極管作為光源，這種光源具有安全、可靠和壽命長的特點(diǎn)。為在測量中提供一個絕對參考點(diǎn)，在線性光柵尺臨近反饋刻線的某些位置提供參考點(diǎn)標(biāo)記信號。此標(biāo)記信號是由特定的刻線產(chǎn)生的一個脈沖，當(dāng)運(yùn)行通過該點(diǎn)時能確定機(jī)床的絕對位置，這主要是為防止數(shù)控機(jī)床掉電后軸意外移動而產(chǎn)生誤差。FAGOR 線性光柵尺每隔 50mm 就有一個參考點(diǎn)標(biāo)記 Io。此標(biāo)記產(chǎn)生的信號，是和反饋信號同步的，目的是為保證可靠的測量重復(fù)精度。實(shí)際情況證明，F(xiàn)AGOR MVX-225 線性光柵尺能夠滿足本系統(tǒng)的控制要求。5 結(jié)束語如上，運(yùn)動控制卡，伺服系統(tǒng)和光柵尺構(gòu)成了鞋楦掃描機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)。實(shí)際證明，整個控制系統(tǒng)運(yùn)作非常穩(wěn)定，將掃描得到的數(shù)據(jù)文件用于鞋楦刻楦機(jī)加工，加工出來的產(chǎn)品很光滑，完全避免了機(jī)械鞋楦機(jī)的缺點(diǎn)，能夠滿足市場的需求。參考文獻(xiàn)：1．許智欽 孫長庫 編著 《3D 逆向工程技術(shù)》 中國計量出版社2．深圳雷賽 DMC3000 控制板硬件手冊3．深圳雷賽 DMC3000 控制板軟件手冊4．Panasonic 交流伺服電機(jī)驅(qū)動器 MINAS A 系列使用說明5．FAGOR 光柵尺使用說明Last scanner control system development1 Introduction In the global footwear industry, which has been China's footwear industry is. A short period of 10 years, China has risen remarkably, to the world's largest footwear producer and exporter. The rapid development of the footwear industry was driven by the shoe last industry, more and more shoe styles, and also requires constant renovation shoe last, which led to the shoe last from durable goods become consumables. Mechanical shoe last copying machine is used for processing princip