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江西科技學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
雙吸式二螺桿泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要
雙吸式螺桿泵在最近幾年進(jìn)行了許多的研究，技術(shù)有了很大的發(fā)展。新的研究成果在許多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，并且取得了很好的效果。雙吸式二螺桿泵的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域一定會(huì)逐步的擴(kuò)大，應(yīng)用到各行各業(yè)中去。相對(duì)的技術(shù)要求也會(huì)越來(lái)越高。本文主要介紹了雙吸式二螺桿泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)步驟，深入討論其中各個(gè)零部件的選擇。
首先，我們應(yīng)該了解雙吸式螺桿泵的工作原理。雙吸式二螺桿泵是主動(dòng)螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)從螺桿在襯套中轉(zhuǎn)動(dòng)，依靠密封腔的容積變化來(lái)流體輸送的。其次，螺桿泵最重要的部分是螺桿，所以我們首先進(jìn)行是雙吸式二螺桿泵的主從動(dòng)螺桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在雙吸式二螺桿泵的設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的是螺桿的設(shè)計(jì)，我們主要依靠給定的流量和壓力以及所輸送的介質(zhì)這些數(shù)據(jù)來(lái)確定螺桿的設(shè)計(jì)方向。在次，螺桿泵的密封是很重要的。螺桿泵是一個(gè)壓力泵，它的密封系統(tǒng)好壞決定了能否提供足夠的壓力來(lái)輸送介質(zhì)。所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中襯套與螺桿的密封、襯套與殼體的密封、螺桿與端蓋的密封是我們要考慮的。最后，我們要選擇一些螺釘、軸承、安全閥、墊圈等雙吸式螺桿泵的附件。
文章重點(diǎn)介紹的是襯套殼體的密封性設(shè)計(jì)和雙吸式二螺桿泵的螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)于雙吸式二螺桿泵的附件的選擇也做了詳細(xì)的講解。
關(guān)鍵詞：雙吸式二螺桿泵，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封系統(tǒng)，設(shè)計(jì)步驟
STRUCTURAL DESIGN OF THE DOUBLE SUCTION OF THE TWO-SCREW PUMP
ABSTRACT
Double 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 step
摘要 1
ABSTRACT 2
第一章 緒論 4
1.1 螺桿泵的使用領(lǐng)域及其分類 4
1.2 雙吸式二螺桿泵的介紹 6
1.3 課題的來(lái)源及意義 10
1.4 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 10
2 主動(dòng)螺桿和從動(dòng)螺桿的設(shè)計(jì) 12
2.1 雙吸式二螺桿泵螺桿螺紋的設(shè)計(jì)與計(jì)算 13
2.2 兩螺桿的原件定位和中心距的選擇 15
3 雙吸式二螺桿泵密封有關(guān)零件的設(shè)計(jì) 20
3.1 雙吸式二螺桿泵的工作時(shí)各種間隙的計(jì)算與選擇 20
3.2 襯套的厚度及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.3 泵外殼的尺寸及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23
3.4 支撐端蓋和外端蓋的設(shè)計(jì) 29
4 附件的選擇 33
4.1 主從動(dòng)螺桿兩端軸承的選擇 33
4.2 安全閥的選擇 34
4.3 密封墊圈的選擇 36
5 兩螺桿和軸承以及螺釘?shù)膹?qiáng)度校核 36
5.1 螺桿的強(qiáng)度校核 36
5.2 軸承的強(qiáng)度校核 37
5.3 螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算 38
6 結(jié)論與展望 40
參考文獻(xiàn) 42
謝辭 43
第一章 緒論
1.1 螺桿泵的使用領(lǐng)域及其分類
1.1.1 螺桿泵的使用領(lǐng)域
常見的泵有容積式泵和動(dòng)力式泵兩大種類。容積式泵包括往復(fù)泵、轉(zhuǎn)子泵和齒輪泵等，離心泵和軸流泵等屬于動(dòng)力式泵。本文所研究的雙吸式雙螺桿泵屬于容積式泵。螺桿泵的適用范圍比較廣泛，可以應(yīng)用于石油、化工、航運(yùn)、電力、機(jī)械液壓系統(tǒng)、食品、冶金、輕工、造紙、軍工、醫(yī)藥、船舶、機(jī)床、采礦、環(huán)保和污水處理等各種工業(yè)部門當(dāng)中，使其發(fā)揮了巨大作用，具有很高的使用價(jià)值。
螺桿泵具有很多的特點(diǎn)：流量平穩(wěn)，壓力脈動(dòng)小，自吸能力強(qiáng)（即很小的NPSHr值），噪聲低，效率高，使用壽命長(zhǎng)，工作可靠，運(yùn)行成本低。此外螺桿泵還具有其他有點(diǎn)，比如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件少，易損件少、體積緊湊，重量輕等。螺桿泵最為突出的優(yōu)點(diǎn)是輸送介質(zhì)時(shí)不會(huì)形成渦流、無(wú)剪切、無(wú)乳化作用、可輸送粘度范圍寬廣的各種介質(zhì)，對(duì)輸送介質(zhì)不敏感，既可以輸送各種粘度的潤(rùn)滑性或腐蝕性介質(zhì)，也可以輸送各種粘度的非牛頓液體，特別是有的雙螺桿泵還可以輸送氣液混合物，這對(duì)油田輸送成分復(fù)雜的原油具有非常重要的意義。一般來(lái)說(shuō)，螺桿泵可以輸送多種混合介質(zhì)，正是由于螺桿泵具有以上各種特點(diǎn)，大部分行業(yè)紛紛投入到此研究當(dāng)中。
不管是什么樣的螺桿泵，工作原理都是利用螺桿泵的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間以及轉(zhuǎn)子與定子之間形成的密封腔，在泵進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使密封腔連續(xù)不斷地由入口向出口移動(dòng)，從而排出流體，進(jìn)行工作。如果螺桿泵內(nèi)兩個(gè)相鄰密封腔之間沒(méi)有理論泄漏通道，就是嚴(yán)格密封型螺桿泵。相反，則為非嚴(yán)格密封型螺桿泵。
1.1.2 螺桿泵的分類
螺桿泵的種類繁多，通常有三種分類方法：
1)按螺桿泵轉(zhuǎn)子的數(shù)目進(jìn)行分類
這種類型的螺桿泵有單螺桿泵、雙螺桿泵、三螺桿泵和五螺桿泵。
單螺桿泵是1932年由法國(guó)工程師Moineau發(fā)明，并由德國(guó)PCM泵公司制成產(chǎn)品，
它是一種內(nèi)嚙合偏心回轉(zhuǎn)的容積泵，泵的主要構(gòu)成是一根單頭螺旋的轉(zhuǎn)子和一個(gè)通常用彈性材料制造的定子，當(dāng)轉(zhuǎn)予在定子型腔內(nèi)繞定子的軸線作行星回轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)定予之間形成的密閉腔就沿轉(zhuǎn)子螺線產(chǎn)生移動(dòng)，因此就將介質(zhì)均速地、連續(xù)地，而且容積恒定地從吸入口送到壓出端?；谶@種特性，單螺桿泵特另Ⅱ適合于輸送高粘度介質(zhì)。
1890年，美國(guó)麻省的Warren公司發(fā)明了全球第一臺(tái)雙螺桿泵，荷蘭的Houttuin公司于1929年發(fā)明了歐洲第一臺(tái)雙螺桿泵。雙螺桿泵分為密封型和非密封型兩種。非密封型螺桿泵能輸送污液和非潤(rùn)滑性液體，甚至液氣比為1：4的液體以及輸送粘度高或粘度有變化的情況。它具有非常強(qiáng)的吸入性能，運(yùn)轉(zhuǎn)中如發(fā)生吸入大量空氣而產(chǎn)生短時(shí)間脫流，仍然能迅速恢復(fù)正常。密封型雙螺桿泵雖然起步的比較晚，在效率方面要略遜于IMO泵，但是由于在可靠性方面超過(guò)它，所以在艦船上得到了廣泛的應(yīng)用，主要用來(lái)輸送油類和燃料“1。
三螺桿泵屬于回轉(zhuǎn)漸進(jìn)式容積泵，是1931年由瑞典IMO公司發(fā)明并制造的。它通常是指擺線嚙合的IMO泵，即密封型螺桿泵。它的理論是由螺桿螺旋和螺桿襯套形成的密封容積能把吸入腔和壓出腔完全隔開，因此在各類螺桿泵中它的容積效率值最高”1。該泵適用于輸送高壓、清潔、潤(rùn)滑性的液體，可輸送的介質(zhì)粘度范圍大，吸上能力高，結(jié)構(gòu)緊湊，它大量用于液壓系統(tǒng)。由于它輸送液體脈動(dòng)小，噪聲低，以及它的壓力建立慢等重要特性，使得今天人們?cè)诔?yōu)先于其它容積泵而選擇使用它。其噪聲低，可靠性高及結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，使它在潛艇中得到廣泛的應(yīng)用。但其缺點(diǎn)是對(duì)液體中的污染物極為敏感，不能輸送含有污垢以及磨料的液體，也不適于輸送非潤(rùn)滑性的介質(zhì)。三螺桿泵主要是由固定在泵體中的襯套以及安插在襯套中的主動(dòng)螺桿和與其嚙合的兩根從動(dòng)螺桿所組成。三根互相嚙合的螺桿，在襯套內(nèi)按每個(gè)導(dǎo)程形成為一個(gè)密封腔，造成吸排口之間的密封。泵工作時(shí)，由于兩從動(dòng)螺桿與主動(dòng)螺桿左右對(duì)稱嚙合，故作用在主動(dòng)螺桿上的徑向力完全平衡，主動(dòng)螺桿不承受彎曲負(fù)荷。從動(dòng)螺桿所受徑向力沿其整個(gè)長(zhǎng)度都由襯套來(lái)支承，因此，不需要在外端另設(shè)軸承，基本上也不承受彎曲負(fù)荷。在運(yùn)行中，螺桿外圓表面和襯套內(nèi)壁之『自J形成的一層油膜，可防止金屬之間的直接接觸摩擦，使螺桿齒面的磨損大大減少。
五螺桿泵的整體結(jié)構(gòu)類似于三螺桿泵，在同樣流量的情況下，吸入能力比雙螺桿泵
高。但比雙螺桿泵制造工藝復(fù)雜，成本也高。
2）按螺桿和襯套形成的容積腔密封程度分類
這種類型的螺桿泵有密封型螺桿泵和非密封型螺桿泵。實(shí)際上即使是密封型螺桿泵
在理論上也不是完全密封的，因?yàn)樾枰紤]到正常運(yùn)行所必須的|’日J(rèn)隙，流體通過(guò)這些間隙從壓出腔漏回到吸入腔。理論上完全密封的條件為。
(1)相瓦嚙合的螺桿，其形成齒輪的齒剖面服從齒輪嚙合的規(guī)則(把螺桿看成是無(wú)窮多個(gè)無(wú)限薄的形狀相同的形成齒輪的集合體，這些形成齒輪一個(gè)對(duì)另一個(gè)扭轉(zhuǎn)無(wú)限小的角度并固連在～起)。形成齒輪的嚙合線應(yīng)是封閉的，并和螺桿的相互接觸線在橫截面上的投影相重合；
(2)螺桿頭數(shù)應(yīng)使嚙合螺桿所溝通的凹槽形成密閉的容積；
(3)螺桿襯套的長(zhǎng)度應(yīng)大于凹槽密閉容積的長(zhǎng)度；
(4)螺桿以最小的允許間隙安裝在螺桿襯套內(nèi)。
3)根據(jù)螺桿泵相應(yīng)軸的情況進(jìn)行分類
這種類型的螺桿泵包括內(nèi)軸式螺桿泵和外軸式螺桿泵兩類。
內(nèi)軸式螺桿泵對(duì)于內(nèi)軸式雙螺桿泵和五螺桿泵而言，軸承按壓力差額上油，接近無(wú)磨損滑動(dòng)軸承，轉(zhuǎn)軸液壓傳動(dòng)給驅(qū)動(dòng)軸側(cè)面，獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)部件線接觸設(shè)計(jì)，即無(wú)滑動(dòng)速度?？捎糜诟g性介質(zhì)如重?zé)嵊?，承受壓力至最?．6MPa。對(duì)于內(nèi)軸式三螺桿泵，為產(chǎn)生流體力學(xué)油膜，需要聯(lián)通轉(zhuǎn)腔的狹窄間隙?？捎糜诟g性介質(zhì)如重?zé)嵊?，可承受壓力至最?6MPa，有時(shí)會(huì)更高。
外軸式螺桿泵典型的是外軸式四螺桿泵，其雙流路要求兩個(gè)傳動(dòng)軸的4軸卷設(shè)計(jì)。能量傳遞從驅(qū)動(dòng)軸經(jīng)外部油腔中轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪至傳動(dòng)軸。盡管軸側(cè)面無(wú)接觸運(yùn)轉(zhuǎn)，但結(jié)構(gòu)上要求4個(gè)軸封。
1.2 雙吸式二螺桿泵的介紹
1.2.1 基本結(jié)
雙吸式二螺桿泵按其結(jié)構(gòu)和使用特點(diǎn)分兩大類：一是由主桿直接帶動(dòng)從桿，其工作原理、型線結(jié)構(gòu)及適用范圍類似三螺桿泵；二是外支承型，從動(dòng)螺桿由主動(dòng)螺桿借助同步齒輪傳動(dòng)達(dá)到工作型面間無(wú)接觸運(yùn)行。
圖1-1雙吸式螺桿泵基本結(jié)構(gòu)圖
按照軸承的位置，雙吸式二螺桿泵又可分為內(nèi)置軸承和外置軸承兩種形式。在內(nèi)置軸承的結(jié)構(gòu)型式中軸承由輸送物進(jìn)行潤(rùn)滑。外置軸承結(jié)構(gòu)的雙螺桿泵工作腔同軸承是分開的。由于這種泵的結(jié)構(gòu)和螺桿間存在的側(cè)間隙，它可以輸送非潤(rùn)滑性介質(zhì)。此外，調(diào)整同步齒輪使得螺桿不接觸，同時(shí)將輸出扭矩的一半傳給從動(dòng)螺桿。其典型的結(jié)構(gòu)如圖1—1所示，正如所有螺桿泵一樣，外置軸承式雙螺桿泵也有自吸能力，而且多數(shù)泵輸送元件本身都是雙吸對(duì)稱布置，可消除軸向力，也有很大的吸高。泵的這些特性使它在油田化工和船舶工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。外置軸承式雙吸式二螺桿泵可根據(jù)各種使用情況分別采用普通鑄鐵、不銹鋼等不同材料制造，輸送溫度可達(dá)2500C。采用獨(dú)立潤(rùn)滑的外置軸承，允許輸送各種非潤(rùn)滑性介質(zhì)。臥式、立式、帶加熱套等各種結(jié)構(gòu)型式齊全，可以輸送各種清潔的不含固體顆粒的低粘度或高粘度介質(zhì)，選用正確的材質(zhì)，甚至可以輸送許多腐蝕性介質(zhì)。
電動(dòng)潛油全金屬雙螺桿泵屬于采油螺桿泵，因具有較高的系統(tǒng)效率而日益受到重視。
1.2.2 雙吸式二螺桿泵工作原理
雙吸式二螺桿泵是外嚙合的螺桿泵，它利用相互嚙合，互不接觸的兩根螺桿來(lái)抽送液體。在泵的工作過(guò)程中，主動(dòng)螺桿與從動(dòng)螺桿及與泵體之間形成密封腔，隨著主動(dòng)螺桿的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)從動(dòng)螺桿運(yùn)動(dòng)，液體隨著密封腔一起作軸向運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)而又連續(xù)地輸送到泵的出口處。由于泵工作過(guò)程中密封腔容積不變，所以泵供給液體時(shí)不會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)。采用兩段螺紋對(duì)稱的設(shè)計(jì)，使軸向力相互平衡是機(jī)器不會(huì)產(chǎn)生太大的軸向力，所以泵在一定時(shí)間范圍內(nèi)干轉(zhuǎn)沒(méi)有傷害。進(jìn)出口采用特殊設(shè)計(jì)，工作時(shí)介質(zhì)軸向速度相對(duì)減小，泵的吸上能力很強(qiáng)。雙螺桿泵作為一種容積式泵，泵內(nèi)吸入室應(yīng)與排出室嚴(yán)密地隔開。因此，泵體與螺桿外圓表面及螺桿與螺桿間隙應(yīng)盡可能小些。同時(shí)螺桿與泵體、螺桿與螺桿間又相互形成密封腔，保證密閉，否則就可能有液體從間隙中倒流回去。
由雙吸式二螺桿泵的原理知道，對(duì)于外置軸承的雙螺桿泵，通過(guò)軸承定位，兩根螺桿在泵體內(nèi)互不接觸，齒側(cè)之問(wèn)保持恒定的間隙，螺桿外圓與襯套內(nèi)圓面也保持恒定間隙不變。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)大大拓寬了雙螺桿泵的使用范圍，即除了輸送潤(rùn)滑性良好的介質(zhì)外，還可輸送大量的非潤(rùn)滑性介質(zhì)，各種粘度的介質(zhì)以及具有腐蝕性(酸、堿等性質(zhì))，磨蝕性的液體。還可輸送氣體和液體的混合物，即氣液混輸，這也是雙螺桿泵非常獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)之一。
1.2.3 雙吸式二螺桿泵的密封條件
雙吸式二螺桿泵是一種容積泵，容積效率是評(píng)判泵類特性的主要指標(biāo)，而螺桿泵密封性能的優(yōu)劣又是評(píng)判其容積效率的依據(jù)。在螺桿泵行業(yè)中，分析螺桿泵密封性能的依據(jù)是螺桿泵的四類密封條件：
1)相互嚙合的螺桿齒形應(yīng)遵循密封意義上的嚙合規(guī)律；
2)螺桿螺紋的頭數(shù)和螺桿的根數(shù)應(yīng)該使螺桿在工作區(qū)范圍內(nèi)形成互不相通的密封
腔；
3)村套的長(zhǎng)度應(yīng)該大于密封腔的長(zhǎng)度；
4)螺桿與螺桿，螺桿與泵體應(yīng)具有允許的最小間隙。
符合上述條件的為嚴(yán)格密封型螺桿泵。其中密封的完善程度取決于第一、二類密封
條件。螺桿泵的核心技術(shù)是螺桿齒形，不同的齒形不僅直接決定著螺桿泵的工作壓力、
額定流量、容積效率、振動(dòng)、噪聲和自吸高度等技術(shù)性能指標(biāo)的差異，還決定著螺桿加
工工藝直至產(chǎn)品成本。對(duì)于各種類型的螺桿泵而言，其螺桿齒形能否達(dá)到嚴(yán)格密封是判
斷該螺桿泵性能指標(biāo)的一個(gè)非常重要的前提因素，這也是第一類密封條件的重要性。滿足了第一類密封條件后，判斷螺桿泵密封性能的又一個(gè)前提依據(jù)是螺桿泵的第二類密封性。在螺桿泵行業(yè)傳統(tǒng)理論中，經(jīng)常引用俗稱為孟氏定律的公式來(lái)評(píng)判螺桿泵的
第二類密封性能：
主螺桿為凸桿時(shí)： Z=K(Z1一1) (1一1)
主螺桿為凹桿時(shí)： Z=K(Z2一1) (1—2)
式中z1，z2分別為螺桿泵凸、凹螺桿的頭數(shù)，K為螺桿泵從動(dòng)螺桿的桿數(shù)。單頭或雙頭的雙螺桿泵一直以來(lái)都被認(rèn)為是非嚴(yán)格密封的雙螺桿泵，故原有的國(guó)內(nèi)外資料中都未見有嚴(yán)格密封的雙螺桿泵，這就是傳統(tǒng)雙螺桿泵工作壓力普遍不高的原因。由于孟氏定律的緣故，現(xiàn)有雙螺桿泵的應(yīng)用將受到限制。因此如何解決雙螺桿泵的嚴(yán)格密封問(wèn)題，就成為螺桿泵發(fā)展的重要研究課題。華南理工大學(xué)工控系螺桿機(jī)械研究室的楊凱等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)孟氏定律是以擺線齒形為基礎(chǔ)推導(dǎo)的，具有適用范圍的局限性。也就是說(shuō)，孟氏定律可以評(píng)判傳統(tǒng)擺線齒形螺桿泵的第二類密封性，但是對(duì)于其他的螺桿齒形，孟氏定律不一定適用。不同齒形的第二類密封性狀況是不同的，對(duì)于都能滿足第二類密封性的不同齒形來(lái)說(shuō)，它們的頭數(shù)、桿數(shù)的關(guān)系式也會(huì)不同，也就是說(shuō)，不同齒形螺桿泵的二類密封性可以有不同表達(dá)式的定律。研究發(fā)現(xiàn)，一些不同的齒形已經(jīng)突破了孟氏定律的限制，能夠形成嚴(yán)格密封特性而又具有實(shí)際的應(yīng)用能力。
工作時(shí)的冷卻要求與第四類密封性密切相關(guān)。由于雙吸式二螺桿泵需要在密封條件下才能正常工作，因此在工作時(shí)對(duì)螺桿泵的工作溫度有一定的要求，以保證螺桿與螺桿之間以及螺桿和泵體之問(wèn)有合適的間隙值。假如溫度過(guò)高，由于熱脹冷縮的原理將會(huì)使螺桿泵中螺桿和泵套之間的配合變?yōu)檫^(guò)盈配合，從而加居I摩擦，增大工作噪音，減少螺桿泵的使用壽命，并大大降低工作效率。這些后果是我們不愿意看到的，因此需要在關(guān)鍵部位進(jìn)行冷卻，以保證螺桿泵有良好的工作狀態(tài)及較高的工作效率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們研究了多種機(jī)械結(jié)構(gòu)及實(shí)際應(yīng)用情況，認(rèn)為其中較好的一種方法是在泵體內(nèi)采用潤(rùn)滑螺桿做動(dòng)力源對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行循環(huán)以達(dá)到冷卻的目的。
1.3 課題的來(lái)源及意義
雙吸式二螺桿泵作為一種機(jī)械采油設(shè)備，具有其它液體運(yùn)送設(shè)備所不能替代的優(yōu)越性，二螺桿泵工作原理不像抽油機(jī)，它是利用兩根螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抽油或其他液體物質(zhì)的。通過(guò)多年的應(yīng)用實(shí)踐證明它投資少、能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)，這些特點(diǎn)正被用戶逐漸接受。而且雙吸式二螺桿泵是一個(gè)螺桿兩段螺紋在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可以自身平衡軸向力比其他螺桿泵有著很大的優(yōu)越性，另外隨著大慶油田開發(fā)的逐步深入，油田開發(fā)的難度不斷增加，舉升設(shè)備的重要性也日益突出，雙吸式二螺桿泵以其優(yōu)越的性能在油田生產(chǎn)中的作用越來(lái)越顯著。
雙吸式二螺桿泵在國(guó)內(nèi)尚屬較新型的產(chǎn)品，尤其是井下采油用金屬雙螺桿泵還屬于空白，對(duì)其獨(dú)特特性的認(rèn)識(shí)正日漸深化，經(jīng)螺桿泵開發(fā)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)廠和使用部門的密切合作，新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷開拓，在替代原來(lái)的傳統(tǒng)技術(shù)方面已取得良好的使用效果和節(jié)能節(jié)材收益。
另外雙吸式二螺桿泵具有一定的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于單吸式的二螺桿泵雙吸式二螺桿泵更能自己平衡螺桿的軸向力雙吸式可以產(chǎn)生更大的流量。雙吸式二螺桿泵在市場(chǎng)上有多的應(yīng)用空間。
1.4 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在，美國(guó)科爾法泵業(yè)集團(tuán)公司是世界最大的螺桿泵制造商，旗下?lián)碛蠥llweiler、IMO等5家子公司均為世界知名品牌，銷售服務(wù)網(wǎng)絡(luò)遍及全球80多個(gè)國(guó)家。Allweiler公司三螺桿泵市場(chǎng)的占有率是世界上第一，雙螺桿泵基本上是世界排名第二，單螺桿是第四。在螺桿泵方面，德國(guó)的耐馳主要是做單螺桿泵產(chǎn)品，且規(guī)模很大。
國(guó)外油氣混輸多相泵的研制是從上世紀(jì)70年代開始起步，并且首先從海上石油生產(chǎn)
入手。目前，國(guó)外阿吉普(AGIP)、英國(guó)石油、殼牌、德士古、道達(dá)爾等石油公司均看好
雙螺桿混輸泵，都積極參與開發(fā)和油田實(shí)驗(yàn)工作。對(duì)于多相混輸泵問(wèn)題進(jìn)行研究的主要
有法國(guó)、挪威、英國(guó)、美國(guó)、加拿大等國(guó)家，其混輸泵主要有Poseidon海底混輸泵、Weir
混輸泵、MSP混輸泵和WST混輸泵等。在成功研制并應(yīng)用于海上平臺(tái)或陸地的多相流混輸泵基礎(chǔ)上，國(guó)外多家公司還考慮水下的特殊使用環(huán)境，開發(fā)了水下多相流混輸泵，1985年，阿吉普(AGIP)、Snamprogetti和新比隆三方在歐共體資助下，開始開發(fā)采用雙螺桿多相流混輸泵的水下增壓系統(tǒng)侶BS)。開發(fā)目標(biāo)是最大水深1000m，距陸地lOOkm，混輸揚(yáng)程為8．8MPa，高峰產(chǎn)量為4800m，／h。第一代SBS已在意大利阿吉普公司所屬的海上油田通過(guò)了試驗(yàn)。德國(guó)鮑曼公司生產(chǎn)的水下雙螺桿多相流混輸泵，從1997年8月起，開始在瑞典的海上油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。德國(guó)雷斯特利茲(Leistfitz)公司在1998年，提供了系列化、商品化的水下用雙螺桿多相混輸泵。加拿大CAN—【公司于1999～2000年問(wèn)在新產(chǎn)品研究開發(fā)方面花費(fèi)了將近40％的預(yù)算資金，成功地推出了“井下雙螺桿泵采油系統(tǒng)”。
螺桿泵的發(fā)展在我國(guó)起步較晚，但通過(guò)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)也取得較快發(fā)展。1993年，天
津工業(yè)泵廠從德國(guó)Bomcmann公司引進(jìn)w、v系列雙螺桿泵，從德國(guó)Allweiler公司引
進(jìn)系列三螺桿泵。中國(guó)渤海油田從IMO公司引進(jìn)4臺(tái)雙螺桿泵用于海洋平臺(tái)。1996年
勝利油田從德國(guó)Bomemann公司引進(jìn)MW7．3l(_-57雙螺桿泵，該泵在東營(yíng)采油廠11站
做過(guò)集輸試驗(yàn)。原油粘度5．54x105m2 Is，含氣量82％，應(yīng)用情況良好㈨。經(jīng)過(guò)1984年以來(lái)二十多年的發(fā)展，我國(guó)目前已有螺桿泵專業(yè)廠近30家。單、雙、三、五螺桿泵的年產(chǎn)量總計(jì)約10000余臺(tái)，以三螺桿泵產(chǎn)量最大，約占半數(shù)以上，其次為單、雙螺桿泵，五螺桿泵產(chǎn)量很少。其中單螺桿泵制造廠近20家，主要生產(chǎn)廠家有天津工業(yè)泵廠和重慶明珠機(jī)電研究所。其他單螺桿泵廠有杭州水泵總廠、蘭州水泵廠、浙江東陽(yáng)螺桿泵廠、上海輕工機(jī)械技術(shù)研究所、靖江化工機(jī)械廠、無(wú)錫梁中螺桿泵廠、北京石油機(jī)械廠、嘉興石油機(jī)械廠、中成機(jī)械制造有限公司等。雙螺桿泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，螺桿轉(zhuǎn)子制造困難，只有天津市工業(yè)泵廠、上海7ll研究所、沈陽(yáng)市工業(yè)泵廠、江蘇淮陰通用機(jī)械廠和廣州造船廠機(jī)械分廠等生產(chǎn)雙螺桿泵。三螺桿泵廠除天泵、沈泵、蘭泵外，還有南京工業(yè)泵廠、上海水工機(jī)械廠。后兩家年產(chǎn)量較少。五螺桿泵廠唯一的生產(chǎn)廠——沈泵廠將轉(zhuǎn)讓生產(chǎn)權(quán)給天泵廠。
天津市工業(yè)泵廠1984年引進(jìn)Allwciler公司制造技術(shù)、英Holroyd公司2AC螺桿銑床一臺(tái)及其配套設(shè)備，1993年引進(jìn)德國(guó)Bomcmann公司技術(shù)、奧地利Linsinger公司數(shù)控螺桿旋風(fēng)銑床～臺(tái)、和2AG—_I，，5AC螺桿銑床各一臺(tái)，1998年引進(jìn)德國(guó)Klingelnbcrg公司HNC35SL全部數(shù)控高精度螺桿磨床一臺(tái)。年產(chǎn)單、雙、三螺桿泵約6000臺(tái)。石首水泵廠1989年引進(jìn)捷克Sigma公司技術(shù)和空心管壓制單螺桿泵轉(zhuǎn)子設(shè)備。
目前，在國(guó)內(nèi)開展雙螺桿多相混輸泵的研究并不多。中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司已將
開發(fā)此項(xiàng)產(chǎn)品列入“石油裝備科技進(jìn)步規(guī)劃”，并作為其中的重點(diǎn)項(xiàng)目。1995年，大慶
油F開和勝利油田從Bomemann公司引進(jìn)3臺(tái)多相混輸泵，目的是開發(fā)我國(guó)自己的混輸泵，
以滿足大規(guī)模開發(fā)海上和沙漠油田的需要。西安交通大學(xué)、石油大學(xué)和大港油田中成機(jī)
械制造有限公司都開展了相應(yīng)的研究工作。1997年，雙螺桿多相混輸泵項(xiàng)目列入大港油
田集團(tuán)公司科研攻關(guān)計(jì)劃，1999年列入國(guó)家重大技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化創(chuàng)新項(xiàng)目。目前大港油
田中成機(jī)械制造有限公司研制開發(fā)了軸承外置式雙吸雙螺桿多相混輸泵，在大港等油田
推廣應(yīng)用，取得了較好的效果。與此同時(shí)，中海石油渤海石油基地采油技術(shù)服務(wù)公司正
在進(jìn)行采油雙螺桿泵研究，且已取得了一定進(jìn)展。華南理工大學(xué)螺桿機(jī)械研究所正在進(jìn)
行雙螺桿泵新齒形的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，&一A—B齒形單頭雙螺杼泵已成功地通過(guò)了中試，各
項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)Bornemann公司和Allwciler公司的水平。西安交通大學(xué)曹鋒博
士在混輸泵理論分析方面進(jìn)行了研究。西安交通大學(xué)劉代中碩士對(duì)雙螺桿泵的流體流動(dòng)
性進(jìn)行了研究，天津大學(xué)韓永輝碩士在螺桿泵流量計(jì)算及實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了研究。
2 主動(dòng)螺桿和從動(dòng)螺桿的設(shè)計(jì)
在對(duì)螺桿泵的設(shè)計(jì)中首先要考慮螺桿泵的整體結(jié)構(gòu)的使用材料，在這次的設(shè)計(jì)過(guò)程中選用的是45號(hào)鋼具有較好的承壓能力和屈服應(yīng)力
2.1 雙吸式二螺桿泵螺桿螺紋的設(shè)計(jì)與計(jì)算
2.1.1 泵功率的計(jì)算
所給的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為流量Q=50L/min 壓力P=10Mp
由公式可知Pw=P﹡Q 把上面的數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算可知（其中流量和壓力均換為國(guó)際單位）：
Pw=8.33Kw
雙吸式二螺桿泵一般是選擇四級(jí)電動(dòng)機(jī)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》附表9-1可以選擇Y160M1-4型電動(dòng)機(jī)額定功率為11Kw，其中轉(zhuǎn)速為：
n=1460r/min
2.1.2 螺桿工作長(zhǎng)度的過(guò)流斷面積A的計(jì)算
· 螺桿襯套內(nèi)孔的橫截面面積A3
A3=2πR2-AABCD=2πR2-R2（2γ-sin2γ）
式中R-螺桿的外徑
Γ-兩螺桿相嚙合的區(qū)域的角度
· 一根螺桿的螺旋橫截面積A1
A1=AQr+AQR
其中:
AQr=0.5πr2
AQR=0.5πR2
3)3)有效過(guò)流斷面A
A=A3-2A1=2πR2-R2（2γ-sin2γ）-πR2（1+r2/R2）
2.1.3 螺旋深度的選擇
在螺桿螺旋外形尺寸相同時(shí)，螺旋深度r/R越大，螺旋段的過(guò)流斷面面積就越大，泵的理論流量Q也越大。在螺旋頭數(shù)和導(dǎo)程相同時(shí)，r/R=0.4的泵理論流量幾乎比r/R=0.7的泵大50%左右。當(dāng)r/R接近0.8時(shí)，螺旋深度的減小使理論流量減小，卻會(huì)造成相對(duì)泄露量的增大，也會(huì)使容積效率的下降。因此r/R取何種比例最佳是需要進(jìn)行慎重考慮的。r/R的允許范圍為0
>附表6-6 P222可以查得得當(dāng)d=50mm時(shí)可以選擇32010型的圓錐滾子軸承所選的數(shù)據(jù)為:
d=50mm
B=20mm
D=80mm
如圖外觀
圖4-1圓錐滾子軸承
4.2 安全閥的選擇
螺桿泵的一個(gè)重要特點(diǎn)是在泵的強(qiáng)度允許的情況下，其排出壓力取決于它的背壓。因此，當(dāng)螺桿泵運(yùn)行時(shí)，一旦排出管路堵塞或操作失誤未打開排出閥門等原因，排出壓力就會(huì)急劇升高，導(dǎo)致泵過(guò)載損壞。泵配置了安全閥就能使當(dāng)排出壓力超過(guò)某規(guī)定值時(shí)，安全閥在排出壓力作用下，開啟安全閥內(nèi)的閥，介質(zhì)就回流至泵的進(jìn)口端，從而使排出壓力回落，避免了排出壓力的進(jìn)一步升高，保護(hù)泵不被破壞。安全閥的結(jié)構(gòu)如下：
連出口 連進(jìn)口
圖4-2安全閥的裝配圖
當(dāng)出口的壓力大于額定的壓力時(shí)，安全閥內(nèi)套就會(huì)被推動(dòng)使進(jìn)口和出口連接在一起這樣整體的壓力就為0了從而使泵的壓力不會(huì)大于調(diào)定的壓力。當(dāng)壓力正常時(shí)彈簧將內(nèi)襯套推回原位泵又正常工作了。壓力的設(shè)定主要靠鎖緊螺釘和鎖緊螺母來(lái)控制彈簧的伸縮來(lái)控制壓力的。
4.3 密封墊圈的選擇
在整個(gè)的結(jié)構(gòu)中襯套的密封墊有著很大的作用，襯套與支撐筋板之間的密封決定著這個(gè)泵的壓力。墊圈選擇的材料是橡膠的這樣有彈性比較容易密封，也比較好密封的。
襯套密封墊圈外形為
圖4-3襯套墊圈
還有一個(gè)墊圈是軸承與端蓋間的密封墊選擇的也是橡膠的材質(zhì)是根據(jù)螺桿的直徑及長(zhǎng)度選擇的。
5 兩螺桿和軸承以及螺釘?shù)膹?qiáng)度校核
5.1 螺桿的強(qiáng)度校核
雙吸式二螺桿泵的一個(gè)螺桿是由兩段螺紋組成的每個(gè)螺紋的長(zhǎng)度螺距都是一樣的，不過(guò)螺旋的方向是不同的這就使在螺桿泵轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，每段螺紋的軸向力都相中間的從而軸向力在中間部分抵消了。因此在計(jì)算強(qiáng)度是只要計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的螺桿的轉(zhuǎn)矩符合要求就行了對(duì)于螺桿的軸校核如下：
根據(jù)軸的轉(zhuǎn)矩的大小，通過(guò)計(jì)算切應(yīng)力來(lái)建立軸的強(qiáng)度條件。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)便，但計(jì)算精度較低，主要用于初步估算軸徑以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和以傳遞轉(zhuǎn)矩為主的傳動(dòng)軸。
強(qiáng)度條件為：
· T——軸所傳遞的扭矩
· Wr——軸抗扭截面模量，對(duì)實(shí)心軸
· 軸的直徑：
mm
· P——軸所傳遞的功率（kw）
· n——軸的轉(zhuǎn)速（r/min）;
· [τ]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（Mpa）。
· C——與材料有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)軸所受彎矩較大時(shí)，C值宜取較大值，反之相反。最小直徑處有鍵槽時(shí)，單鍵軸徑需增加3%，雙鍵軸徑需增加7%。
軸選的是45鋼將:
n=1460r/min
P=11Kw
d=66mm
帶入之后計(jì)算可知扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力大于許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力軸的強(qiáng)度是安全的。
5.2 軸承的強(qiáng)度校核
分析角接觸軸承所受的軸向載荷要同時(shí)考慮由徑向力引起的附加軸向力和作用于軸上的其他工作軸向力，根據(jù)具體情況由力的平衡關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。 圖17-9中，F(xiàn)R和FA分別為作用于軸上的徑向和軸向載荷，兩軸承的徑向反力為Fr1及Fr2，相應(yīng)產(chǎn)生的附加軸向力則為Fs1和Fs2。
雙吸式的螺桿泵的螺桿兩段螺紋產(chǎn)生的軸向力相平衡了，因此兩端的軸承的軸向力可以忽略不記：
滾動(dòng)軸承的壽命隨載荷的增大而降低，命壽與載荷的關(guān)系其曲線方程為 PεL10=常數(shù) 其中 P-當(dāng)量動(dòng)載荷，N；L10-基本額定壽命，常以106r為單位（當(dāng)壽命為一百萬(wàn)轉(zhuǎn)時(shí)，L10=1）；ε-壽命指數(shù)，球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3。 由手冊(cè)查得的基本額定動(dòng)載荷C是以L10=1、可靠度為90％為依據(jù)的。由此可得當(dāng)軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷為P時(shí)以轉(zhuǎn)速為單位的基本額定壽命L10為 Cε×1=Pε×L10 L10=(C/P)ε 106r (17.6) 若軸承工作轉(zhuǎn)速為n r/min，可求出以小時(shí)數(shù)為單位的基本額定壽命：
應(yīng)取L10≥Lh＇。 Lh ＇為軸承的預(yù)期使用壽命。通常參照機(jī)器大修期限的預(yù)期使用壽命。 若已知軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P和預(yù)期使用壽命Lh＇，則可按下式求得相應(yīng)的計(jì)算額定動(dòng)載荷C＇，它與所選用軸承型號(hào)的C值必須滿足下式要求：
將:
n=1460r/min
P=11Kw
又當(dāng)d=50mm時(shí)
Cr=61KN
Cor=89KN
帶入數(shù)據(jù)驗(yàn)證后可以得到軸承的強(qiáng)度是安全的。
5.3 螺釘?shù)膹?qiáng)度計(jì)算
端蓋的螺釘選擇M16的螺釘，由設(shè)計(jì)可知在兩端連接處的螺釘受到軸向和徑向力的雙重作用。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》P5-178表5-2-197可知，螺桿受拉應(yīng)力和擰緊螺栓時(shí)的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的合力作用，是復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)
端蓋的受力為
Fmax=P/AD
螺釘數(shù)目Z=16，則單個(gè)螺釘受力
螺釘危險(xiǎn)截面面積
則螺釘危險(xiǎn)截面剪切應(yīng)力
螺栓桿剪切強(qiáng)度條件為
許用剪切應(yīng)力
取安全系數(shù)，查得8.8級(jí)螺釘屈服極限，則
將數(shù)據(jù)
AD=0.06m2
d=16mm
P=10Mp
將數(shù)據(jù)代入以上的公式則有
故剪切應(yīng)力校核安全。
則螺釘危險(xiǎn)截面擠壓應(yīng)力
螺栓桿擠壓強(qiáng)度條件為
許用擠壓應(yīng)力
取安全系數(shù)， 8.8級(jí)螺釘屈服極限，則
將數(shù)據(jù);
d=16mm
Lmin=28mm
代入數(shù)據(jù)后則有
故擠壓應(yīng)力校核安全。
6 結(jié)論與展望
經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的努力，終于將要把畢業(yè)論文完成了，從當(dāng)初接到題目時(shí)的懵懵懂懂，到現(xiàn)在查找資料，翻閱書籍，從而對(duì)于雙吸式二螺桿泵的結(jié)構(gòu)原理了解透徹，然后自己親自去進(jìn)行整個(gè)螺桿泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這其中有著艱苦與汗水，但更多的是對(duì)自己能力的提升，自己的進(jìn)行更好的鍛煉，為將來(lái)的工作打下良好的基礎(chǔ)。
在剛剛接到雙吸式二螺桿泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這個(gè)題目的時(shí)候，自己當(dāng)時(shí)對(duì)這個(gè)東西很陌生，一無(wú)所知，不知道從哪里下手開始進(jìn)行，在以前的學(xué)習(xí)中也從來(lái)沒(méi)有見過(guò)這種泵，后來(lái)我先自己查找資料，翻閱書籍，先了解什么是雙吸式二螺桿泵，以及外形是什么樣子的，然后去了解下泵的工作原理。最后進(jìn)行總結(jié)，在腦海里形成一個(gè)大概的設(shè)計(jì)概念，自己開始動(dòng)手進(jìn)行雙吸式二螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)的過(guò)程中最大的困難是螺桿泵的殼體與襯套之間的密封性問(wèn)題，雙吸式二螺桿泵是中高壓類型的泵。所以它的密封性有著很高的要求。這個(gè)難題在腦海里不斷的閃現(xiàn)，我先是自己在網(wǎng)上查各種圖片，翻閱書籍，再去和指導(dǎo)老師探討最終把殼體的密封結(jié)構(gòu)確定下來(lái)。最后進(jìn)行整個(gè)雙吸式二螺桿泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)的過(guò)程中有過(guò)很多的問(wèn)題，都是在自己不斷的摸索中進(jìn)行完善改進(jìn)，從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)到最終的裝配體的形成。對(duì)于雙吸式的二螺桿泵的了解更加的透徹，設(shè)計(jì)的思路更加的清晰，自己的專業(yè)知識(shí)得到了更好的升華。在對(duì)雙吸式螺桿泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)會(huì)了很多，也懂得了很多，最重要的是學(xué)會(huì)了怎么克服并且解決困難
在設(shè)計(jì)的過(guò)程中通過(guò)對(duì)雙吸式二螺桿泵的了解學(xué)習(xí)，知道了不同類型的雙螺桿泵，其性能參數(shù)和使用場(chǎng)合各有特點(diǎn)。近40年來(lái)雙吸式二螺桿泵從品種到產(chǎn)量還有技術(shù)都有了飛躍的發(fā)展，在各種螺桿泵中占有越來(lái)越重要的地位，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，許多領(lǐng)域已經(jīng)無(wú)法用其他泵類來(lái)代替。從發(fā)展的角度看，具有很大的發(fā)展空間。在這次的設(shè)計(jì)中自己用了一種比較簡(jiǎn)單的螺桿的螺旋線的線型設(shè)計(jì)，對(duì)于更復(fù)雜的螺桿泵的線型設(shè)計(jì)自己感覺現(xiàn)在還掌握不了。希望自己在以后的工作學(xué)習(xí)中隨著自己專業(yè)知識(shí)的積累自己