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湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
機(jī)電工程學(xué)院 院 機(jī)制系 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 劉峰靖 學(xué)號(hào): 1103010407 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
1 設(shè)計(jì)（論文）題目及專題：礦用全卸荷乳化液泵設(shè)計(jì)
2 學(xué)生設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間：自 2015年03月09日開始至2015年05月20日止
3 設(shè)計(jì)（論文）所用資源和參考資料：
3.1、查閱有關(guān)礦用機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)的論文設(shè)計(jì)資料；
3.2、熟悉現(xiàn)有液壓泵工作原理與存在的問題；
4 設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
4.1、液壓泵優(yōu)缺點(diǎn)論述；
4.2、關(guān)鍵零件強(qiáng)度尺寸計(jì)算；；
4.3、液壓泵結(jié)構(gòu)零件圖與裝配圖；
4.4、液壓泵配套電機(jī)選擇。
5 提交設(shè)計(jì)（論文）形式（設(shè)計(jì)說明與圖紙或論文等）及要求：
5.1、 液壓泵設(shè)計(jì)相關(guān)論文；
5.2、 液壓結(jié)構(gòu)零件圖與裝配圖；
5.3、 液壓泵的安裝使用說明書。
6 發(fā)題時(shí)間： 2015 年 03 月 10 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（ 論 文 ）
題目
礦用全卸荷乳化液泵設(shè)計(jì)
作者
劉峰靖
學(xué)院
機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)號(hào)
1103010407
指導(dǎo)教師
王啟明
二〇一五 年 五 月 二十五 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)人評(píng)語
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作態(tài)度，研究?jī)?nèi)容與方法，工作量，文獻(xiàn)應(yīng)用，創(chuàng)新性，實(shí)用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評(píng)定成績(jī)：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究?jī)?nèi)容與方法，實(shí)用性與科學(xué)性，結(jié)論和存在的不足等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
評(píng)閱人： （簽名）
年 月 日
評(píng)閱人評(píng)定成績(jī)：
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)下列材料：
1 設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計(jì)（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評(píng)閱人評(píng)語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)評(píng)語：
[主要對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的研究思路，設(shè)計(jì)（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）的介紹，回答問題情況等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)]
答辯委員會(huì)主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績(jī)：
總評(píng)成績(jī)：
湖 南 科 技 大 學(xué)
開題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名： 劉峰靖
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 11機(jī)四
學(xué) 號(hào)： 1103010407
指導(dǎo)教師： 王起明
2015年 3 月 12 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
英文文獻(xiàn)翻譯
學(xué) 生 姓 名： 劉峰靖
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)及班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化四班
學(xué) 號(hào)： 1103010407
指導(dǎo)教師： 王起明
2015 年 5 月 29 日
摘 要
乳化液泵主要是為采煤工作面提供高壓乳化液，作為液壓支架和推移工作面刮板輸送機(jī)的動(dòng)力源。各種不同流量和壓力的乳化液泵，可分別滿足普采工作面、高檔普采工作面以及綜采工作面的不同要求，它工作的好壞影響著生產(chǎn)情況。
本設(shè)計(jì)所采用乳化液泵的結(jié)構(gòu)形式為臥式三柱塞泵，由臥式四級(jí)防爆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)聯(lián)軸器和一級(jí)斜齒圓柱齒輪減速后帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過連桿滑塊機(jī)構(gòu)使曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹闹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)；其中，主要是對(duì)殼體、連桿與十字頭的連接、液力端缸套組件等結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)并對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸的確定，以及對(duì)曲軸、連桿、殼體、缸體等強(qiáng)度進(jìn)行校核，通過理論分析計(jì)算合格后，可進(jìn)行初期的單件生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: 乳化液泵；曲軸；連桿
Abstract
Emulsion pump primarily for the coal face to provide high-pressureemulsion, as a hydraulic support and face scraper conveyor over the power source. Various traffic and pressure on the emulsion pump, can be met Pu mining face, high-grade Pu mining face and fully mechanized coal face different requirements. It affects the quality of production.
The design used by the emulsion pump to form the structure of the three horizontal piston pump from the horizontal four explosion-proof motor driver, the coupling and a helical gears driven slowdown after the crankshaft rotation, another link Slider to the crankshaft rotating into the linear reciprocating plunger movement of which, mainly for housing, the connecting link with the crosshead, hydraulic-cylinder components, and other structures designed to improve the structure and To determine the size and the crankshaft, connecting rod, Shell, such as cylinder strength check, through theoretical calculations of qualified, to conduct the initial production of a single practical application.
Keywords: Emulsion pump; Crankshaft; Linkage
目 錄
第一章 前言 1
1.1乳化液泵簡(jiǎn)介 1
1.2 國(guó)內(nèi)外乳化液泵發(fā)展及使用狀況 1
1.2.1 乳化液泵在我國(guó)的使用情況 1
1.2.2 乳化液泵在國(guó)外的發(fā)展和使用 1
1.3 乳化液泵結(jié)構(gòu)概述 2
1.4 設(shè)計(jì)意義 3
第二章 乳化液泵總體設(shè)計(jì) 4
2.1乳化液泵主要設(shè)計(jì)參數(shù) 4
2.1.1泵的理論流量 4
2.1.2泵的流量 4
2.1.3曲軸轉(zhuǎn)速n和柱塞行程長(zhǎng)度S的選擇 5
2.1.4吸入和排出管內(nèi)徑的選取 8
2.2創(chuàng)新方案的選擇................................................................................8
2.3原動(dòng)機(jī)的選擇 9
第三章 乳化液泵系統(tǒng)傳動(dòng)設(shè)計(jì) 11
3.1曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.1.1設(shè)計(jì)的基本原則 11
3.1.2主要尺寸的初步確定 11
3.2連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.2.1一般設(shè)計(jì)要求 14
3.2.2連桿定位 14
3.2.3連桿長(zhǎng)和連桿比的選擇 14
3.2.4連桿寬度 15
3.2.5桿體的連桿蓋結(jié)構(gòu)尺寸確定 15
3.3十字頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.3.1十字頭的結(jié)構(gòu)型式 18
3.3.2十字頭體與滑履的連接形式 18
3.3.3十字頭與柱塞的連接方式 19
3.3.4十字頭設(shè)計(jì)要求 19
3.3.5滑履尺寸的確定 20
3.3.6十字頭體主要尺寸的確定 20
3.4機(jī)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
3.4.1機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原本則 21
3.4.2機(jī)體主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定 21
3.4.3機(jī)體壁厚確定 22
3.5曲軸的受力分析計(jì)算 23
3.6曲軸強(qiáng)的校核 30
3.7連桿強(qiáng)度的校核 33
3.7.1連桿小頭襯套比壓校核 33
3.7.2桿體最小截面強(qiáng)度校核 33
3.7.3桿體中間截面的強(qiáng)度校核 34
3.7.4連桿大頭強(qiáng)度校核 35
3.7.5銷連接小頭強(qiáng)度校核 37
3.7.6連桿材料和主要技術(shù)要求 38
3.8十字頭銷的強(qiáng)度校核 40
結(jié) 論 41
致 謝 42
參 考 文 獻(xiàn) 43
附錄1 44
附錄2 48
III
湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第一章 前言
1.1乳化液泵簡(jiǎn)介
乳化液泵主要是為采煤工作面提供高壓乳化液，作為液壓支架和推移工作面刮板輸送機(jī)的動(dòng)力源。各種不同流量和壓力的乳化液泵，可分別滿足普采工作面、高檔普采工作面以及綜采工作面的不同要求。泵主要用來輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。此外泵也可用于油田高壓注水之用，還可用于化工、造紙、橡膠、礦山、機(jī)械、冶金、食品、輕工業(yè)等行業(yè)中輸送清水、污水、乳化液、各種活性和非活性的液態(tài)介質(zhì)及各種特殊化工液體等[1]。
1.2 國(guó)內(nèi)外乳化液泵發(fā)展及使用狀況
1.2.1 乳化液泵在我國(guó)的使用情況
泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加。泵主要用來輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態(tài)金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體[3]。
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造廠家100多個(gè)，形成了100多個(gè)系列、2000多個(gè)品種泵類產(chǎn)品制造技術(shù)和生產(chǎn)裝備，滿足了石化生產(chǎn)的需要。與國(guó)外比較，國(guó)內(nèi)石化用泵在設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法上比較落后，產(chǎn)品開發(fā)多采用仿制和類比的方法，缺乏理論根據(jù)和實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)；加工裝備和工藝水平比較落后，加工精度低，生產(chǎn)效率低；產(chǎn)品系列化和通用化程度不高，規(guī)格品種少；泵效率、質(zhì)量和可靠性、密封性能、耐腐蝕性能等方面同國(guó)外相比還有較大差距，因此化工用泵還有較多進(jìn)口。
1.2.2 乳化液泵在國(guó)外的發(fā)展和使用
國(guó)際上石化用泵制造廠主要有瑞士蘇爾壽公司、德國(guó)KSB公司、美國(guó)高斯公司等。石化用泵的生產(chǎn)技術(shù)比較成熟，規(guī)格品種多，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，發(fā)展方向主要是大型化、高速化，機(jī)電一體化及泵產(chǎn)品成套化。特別是高溫泵、低溫和超低溫泵、高速泵、精密計(jì)量泵、耐腐蝕泵、輸送粘稠介質(zhì)和帶固體顆粒介質(zhì)泵、屏蔽泵技術(shù)發(fā)展很快。比較著名的是公元前三世紀(jì)，阿基米德發(fā)明的螺旋桿，可以平穩(wěn)連續(xù)地將水提至幾米高處，其原理仍為現(xiàn)代螺桿泵所利用[13]。
公元前200年左右，古希臘工匠克特西比烏斯發(fā)明的滅火泵是一種最原始的活塞泵，已具備典型活塞泵的主要元件，但活塞泵只是在出現(xiàn)了蒸汽機(jī)之后才得到迅速發(fā)展[13]。
1840～1850年，美國(guó)沃辛頓發(fā)明泵缸和蒸汽缸對(duì)置的，蒸汽直接作用的活塞泵，標(biāo)志著現(xiàn)代活塞泵的形成。19世紀(jì)是活塞泵發(fā)展的高潮時(shí)期，當(dāng)時(shí)已用于水壓機(jī)等多種機(jī)械中。然而隨著需水量的劇增，從20世紀(jì)20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐漸被高速的離心泵和回轉(zhuǎn)泵所代替。但是在高壓小流量領(lǐng)域往復(fù)泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵獨(dú)具優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用日益增多[16]。
回轉(zhuǎn)泵的出現(xiàn)與工業(yè)上對(duì)液體輸送的要求日益多樣化有關(guān)。早在1588年就有了關(guān)于四葉片滑片泵的記載，以后陸續(xù)出現(xiàn)了其他各種回轉(zhuǎn)泵，但直到19世紀(jì)回轉(zhuǎn)泵仍存在泄漏大、磨損大和效率低等缺點(diǎn)。20世紀(jì)初，人們解決了轉(zhuǎn)子潤(rùn)滑和密封等問題，并采用高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，適合較高壓力、中小流量和各種粘性液體的回轉(zhuǎn)泵才得到迅速發(fā)展?；剞D(zhuǎn)泵的類型和適宜輸送的液體種類之多為其他各類泵所不及[18]。
利用離心力輸水的想法最早出現(xiàn)在列奧納多·達(dá)芬奇所作的草圖中。1689年，法國(guó)物理學(xué)家帕潘發(fā)明了四葉片葉輪的蝸殼離心泵。但更接近于現(xiàn)代離心泵的，則是1818年在美國(guó)出現(xiàn)的具有徑向直葉片、半開式雙吸葉輪和蝸殼的所謂馬薩諸塞泵。1851～1875年，帶有導(dǎo)葉的多級(jí)離心泵相繼被發(fā)明，使得發(fā)展高揚(yáng)程離心泵成為可能。
盡管早在1754年，瑞士數(shù)學(xué)家歐拉就提出了葉輪式水力機(jī)械的基本方程式，奠定了離心泵設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，但直到19世紀(jì)末，高速電動(dòng)機(jī)的發(fā)明使離心泵獲得理想動(dòng)力源之后，它的優(yōu)越性才得以充分發(fā)揮。在英國(guó)的雷諾和德國(guó)的普夫萊德雷爾等許多學(xué)者的理論研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，離心泵的效率大大提高，它的性能范圍和使用領(lǐng)域也日益擴(kuò)大，已成為現(xiàn)代應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的泵[28]。
1.3 乳化液泵結(jié)構(gòu)概述
乳化液泵主要是為采煤工作面提供高壓乳化液，作為液壓支架和推移工作面刮板輸送機(jī)的動(dòng)力源。各種不同流量和壓力的乳化液泵，可分別滿足普采工作面、高檔普采工作面以及綜采工作面的不同要求。它工作的好壞影響著生產(chǎn)情況.本設(shè)計(jì)所采用的乳化液泵為臥式三柱塞泵，由臥式四級(jí)防爆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)聯(lián)軸器和一級(jí)斜齒圓柱齒輪減速后帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過連桿滑塊機(jī)構(gòu)使曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹闹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)。乳化液泵可以分為兩部分,箱體和泵頭。箱體內(nèi)有一對(duì)減速齒輪,曲軸,連桿,滑塊等。泵頭內(nèi)有柱塞、缸套，進(jìn)排液閥等[6]。
箱體傳動(dòng)部件是由箱體，一級(jí)減速齒輪，曲軸，連桿滑塊組件等組成，箱體為整體結(jié)構(gòu)，分曲軸箱腔和進(jìn)液腔兩部分。在曲軸箱腔三個(gè)滑道孔上方設(shè)盛油池，以備滑道處的潤(rùn)滑，曲軸箱腔底部設(shè)有放油孔。進(jìn)液腔在箱體的前端，有通液孔與閥組件進(jìn)液口相連，吸液接頭與進(jìn)液腔相連。
曲軸為整體三曲拐結(jié)構(gòu)，曲軸以兩端主軸頸為主支撐點(diǎn)，曲軸三曲拐互成夾角120°均勻分布，選用優(yōu)質(zhì)的40Cr剛制成，曲軸各軸頸經(jīng)氮化處理，有良好的耐磨性和較高的硬度。曲軸兩端裝有雙列調(diào)心滾子軸承。曲軸各曲拐與連桿大頭薄壁瓦配合，該瓦有良好的抗咬性和減磨性。連桿大頭為剖分式結(jié)構(gòu)，瓦蓋用連桿螺栓與連桿體對(duì)合連接，小頭制成整體式通過十字頭銷與十字頭相連，箱體傳動(dòng)部件各運(yùn)動(dòng)件采用“飛濺潤(rùn)滑”方式進(jìn)行潤(rùn)滑。
泵的液力端是液體流過部分，主要由柱塞、缸套組件、閥體組件組成。閥體內(nèi)垂直安裝三組吸液閥組和排液閥組。吸液閥和排液閥采用整體式結(jié)構(gòu)分別裝在閥體的下部和上部，由閥芯和殼體組裝為一體，拆裝方便。
柱塞與缸套、閥體等形成密閉腔，柱塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得密閉腔容積變化，將工作介質(zhì)經(jīng)吸、排液閥吸入和排出，從而將電能轉(zhuǎn)換成液壓能，輸出高壓液體。高壓液體自閥體的上部排出，分別與安全閥及自動(dòng)卸載閥連接。
壓力控制部分由自動(dòng)卸載閥、安全閥和蓄能器組成，其主要作用是提供穩(wěn)定壓力的液體。另外，當(dāng)液壓系統(tǒng)中壓力達(dá)到額定值以后，使泵壓力卸載，這樣可以節(jié)省動(dòng)力消耗，減少液壓系統(tǒng)的發(fā)熱；如果自動(dòng)卸載閥失靈，壓力超過額定值后，則安全閥打開泄液，以保證泵及液壓管路的安全運(yùn)轉(zhuǎn)及正常工作。
1.4 設(shè)計(jì)意義
隨著現(xiàn)在我國(guó)對(duì)能源的需求量日益增加，作為三大傳統(tǒng)能源的煤已成為推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的重要能源保障。而我國(guó)目前煤礦大部分都已經(jīng)經(jīng)過了多年的開采，由于技術(shù)的原因我們一直以來對(duì)煤層的支護(hù)設(shè)備還不到位，所以對(duì)乳化液泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)還是有很大潛力的。要實(shí)現(xiàn)煤礦井下安全作業(yè)，提高采煤工作效率，防止出現(xiàn)重大設(shè)備安全事故，保障乳化液泵站井下安全運(yùn)行是十分必要的一個(gè)環(huán)節(jié)。所以說對(duì)乳化液泵站的研究與開發(fā)是有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)效益和良好經(jīng)濟(jì)效益的。而我國(guó)目前對(duì)乳化液泵站進(jìn)行研究與開發(fā)的雖然有一些種類的產(chǎn)品，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能成形系列化，而且目前已經(jīng)上市的乳化液泵還不能滿足實(shí)際工況的需要，所以對(duì)乳化液的研究與設(shè)計(jì)是十分有必要的，而且它的設(shè)計(jì)將有著重大的意義。
第二章 乳化液泵總體設(shè)計(jì)
2.1乳化液泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)
2.1.1泵的理論流量
在不計(jì)泵內(nèi)任何容積損失時(shí),泵在單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)排出的液體容積稱為泵的理論平均流量,簡(jiǎn)稱泵的理論流量,由于不計(jì)任何容積損失,泵在單位時(shí)間內(nèi)吸入和排出的體積,可用下式表示:
單作用泵:
式中 泵的理論流量;
柱塞的截面積,;
.
2.1.2泵的流量
單位時(shí)間內(nèi)在泵出口處實(shí)際測(cè)得的液體體積稱為泵的實(shí)際平均流量,簡(jiǎn)稱泵的流量.由于泵內(nèi)存在容積損失,因此,泵的流量小于泵的理論流量,相互間的關(guān)系為:
式中
;
由式(2-1)可知,要確定Q,必須確定n、S、D、Z等與結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù).此外,在繪制總體方案圖時(shí),還需知道排出管和吸入管的內(nèi)徑他們也與Q有關(guān).以上這些參數(shù)統(tǒng)稱之為泵的結(jié)構(gòu)參數(shù).但是, 是在Q確定后確定的,如果在總體設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先選定了泵型和總體結(jié)構(gòu)型式,那么,Z即為已知, 可預(yù)先選取(=0.8),往復(fù)泵的容積效率與許多因素有關(guān),很難在設(shè)計(jì)時(shí)精確確定.值選取過大,實(shí)際泵的將低于預(yù)選值,泵的流量也將低于設(shè)計(jì)值; 值選取過小,實(shí)際泵的將高于預(yù)選值,泵的流量也將大于設(shè)計(jì)值.如果考慮到泵運(yùn)轉(zhuǎn)后的磨損,一般在選取值時(shí),都要略低些.. 選取的一般原則是:當(dāng)泵的排出壓力高、流量Q小、每分鐘往復(fù)次數(shù)n高、液力端余隙容積大、制造精度低且當(dāng)輸送高溫、高粘度或低粘度、高飽和蒸汽壓的液體介質(zhì)或介質(zhì)中含氣量大、含有固體顆粒時(shí),應(yīng)選取較低值;反之,可取較高值.的一般取值范圍是:當(dāng)輸送常溫清水時(shí),=0.8~0.98;當(dāng)輸送石油產(chǎn)品、熱水、液化烴等介質(zhì)時(shí),=0.60~0.80.
因此,決定Q的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)就是n、S、D三個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù).由泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已給出泵的理論流量,排出壓力.所以只需確定出一組n、S、D的結(jié)構(gòu)參數(shù).
2.1.3曲軸轉(zhuǎn)速n和柱塞行程長(zhǎng)度S的選擇
由設(shè)計(jì)已給出理論流量.則由已知公式 :選取柱塞直徑D=40mm 只需確定的值即可求出S的值進(jìn)而求出轉(zhuǎn)速n的值.
值在直觀上反應(yīng)了S/D的關(guān)系,實(shí)際上確反應(yīng)了泵機(jī)組總體寬度和長(zhǎng)度的關(guān)系, 值大,總體則窄而長(zhǎng); 值小,總體則寬而短.可見, 值選擇得當(dāng),會(huì)使總體尺寸長(zhǎng)寬適稱,外形美觀且可得到尺寸小,重量輕的綜合效果.
1.值選取的一般原則
(1)n值高時(shí), 取較小值;反之取較大值;
(2)排出壓力高時(shí), 值取大值,反之取小值.
2.值選取的選取范圍
值的一般取值范圍是=1.0~3.5.當(dāng)n值很高時(shí)有的取=0.8.對(duì)于高壓或超高壓泵，值可能大到=5~7.各種計(jì)量泵的傳動(dòng)端多為傳動(dòng)兼行程調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu),根據(jù)這種機(jī)構(gòu)的不同特點(diǎn), 值范圍也最寬.按目前見到的計(jì)量泵, 值范圍可達(dá)=0.1~10.0.由于本設(shè)計(jì)中壓力和排量均為中等參數(shù).故取,則由已確定的D值.可求出S值,即:
其中D=40mm可求得S=60mm.
由公式:
式中
.
則有: 可求得n=376r/min.
限制n不可過高:
概括的講,限制n不可過高的主要原因是液缸內(nèi)的空化和易損件壽命.一般講,所有的往復(fù)泵都不能均勻的輸送介質(zhì).由于柱塞的不等速運(yùn)動(dòng),傳遞給被輸送的介質(zhì),使得介質(zhì)在泵的吸入和排出過程中產(chǎn)生加速和減速運(yùn)動(dòng),從而增大了液缸內(nèi)壓力的變動(dòng).
在吸入過程中,介質(zhì)的加速運(yùn)動(dòng)造成液缸內(nèi)壓力進(jìn)一步下降;減速運(yùn)動(dòng)則造成液缸內(nèi)壓力有所上升.在吸入過程的前半程,吸入管內(nèi)液體處于加速運(yùn)動(dòng).如果液缸內(nèi)壓力因此而降到低于該介質(zhì)相應(yīng)工作溫度下的汽化壓力時(shí),該液體介質(zhì)就開始汽化,從而造成液缸內(nèi)的空化和氣蝕,致使吸入過程充滿不良.這不僅使泵的吸入性能降低,而且產(chǎn)生了介質(zhì)與柱塞的脫流.在吸入過程的的后半程,柱塞轉(zhuǎn)為減速運(yùn)動(dòng).這時(shí),已經(jīng)脫流并處于加速運(yùn)動(dòng)的吸入側(cè)介質(zhì)將很快追上柱塞,造成水擊致使泵機(jī)組和管路系統(tǒng)產(chǎn)生噪音和振動(dòng),加速機(jī)件的損壞.
排出過程中也有類似情形,如果n過高,在排出過程前半程,排出側(cè)介質(zhì)處于加速運(yùn)動(dòng)時(shí),液缸內(nèi)壓力將進(jìn)一步增大,活塞力也將隨之驟增,不利于個(gè)受力件的疲勞壽命;在排出過程后半程,柱塞又轉(zhuǎn)入減速運(yùn)動(dòng),這時(shí)如果排出側(cè)介質(zhì)加速運(yùn)動(dòng)甚大,也將使介質(zhì)與柱塞脫流.其結(jié)果就可能導(dǎo)致過流量現(xiàn)象的產(chǎn)生.如果泵的排出管沒有設(shè)止回閥,則當(dāng)柱塞到達(dá)排程死點(diǎn)在返回吸程時(shí),也會(huì)造成水擊. 凡是有利于提高泵的吸入性能和易損件壽命的措施,都有利于提高n值.但是,無論哪一種措施,其效果都是有效的.
3.提高n的幾種途徑
(1)減小連桿比
在結(jié)構(gòu)允許的條件下,應(yīng)盡可能減小連桿比.這樣可使柱塞速度曲線盡可能接近正弦曲線,減小加速度. 取值一般應(yīng)使.
(2)取較小的程徑比S/D.
在結(jié)構(gòu)允許的條件下,應(yīng)取較小的.因?yàn)榇藭r(shí)雖然n較高,但不會(huì)超出允許值.但是,這一條對(duì)于高壓泵卻很難做到.因小,D就要大,活塞力也要大,這對(duì)泵總體是不利的.為此,當(dāng)較小而n又較高時(shí),往往采用多缸泵.這樣就可既保持較小的,又不致使D值過大.
(3)采用多缸泵
多缸泵可使排出管內(nèi)流量不均勻度減小,慣性水頭也減小了,故有利于提高n..
(4)盡可能減小余隙容積
液力端設(shè)計(jì)時(shí),可采用直角式或直通式液力端.特別是排出壓力很高,介質(zhì)里含氣量大或介質(zhì)可壓縮性大時(shí),更應(yīng)如此.
(5)流到應(yīng)阻力小
液力端流道應(yīng)盡可能減小斷面突變,流道應(yīng)光滑;管路系統(tǒng),特別是吸入管路系統(tǒng)應(yīng)盡可能減小拐彎、閥門、接頭,力求短而直,內(nèi)徑也不可太小,內(nèi)表面應(yīng)光滑.
(6)增設(shè)吸入和排出空氣室、減小流量不均勻度.
(7)吸入側(cè)設(shè)置前置灌注泵,行程有壓進(jìn)口.但這樣將使輔助設(shè)備增多,使用維護(hù)量也增大.
(8)改善柱塞密封和泵閥關(guān)閉后密封性能,減小漏損,提高使用壽命;
(9)合理設(shè)計(jì)泵閥結(jié)構(gòu)、力求減小泵閥開啟阻力和關(guān)閉滯后角,減小關(guān)閉沖
擊,提高泵閥的使用壽命.
4.n值選取的一般原則
(1)柱塞直徑大,程徑比大,連桿比大的,n應(yīng)取低值;反之,可取較高值;
(2)吸入性能要求高的泵,應(yīng)取較低的n值;反之可取較高的n值.因?yàn)?提高
泵吸入性能雖然有許多途徑,但最有效的途徑還是降低n值;隔膜泵要比柱塞泵取較低的n值,因?yàn)榍罢叩母裟な窃趽锨冃蜗鹿ぷ?
(3)油隔離泵的n值不可過高,否則就破壞了”油隔離”作用;
(4)直接作用泵應(yīng)比機(jī)動(dòng)泵的n值低.
(5)單缸泵應(yīng)比多缸泵的n值低;
(6)短期、間斷性工作的泵,n可高些;長(zhǎng)期、連續(xù)工作的泵,n值應(yīng)低些;
(7)臥式泵應(yīng)比立式泵的n值低些.
2.1.4吸入和排出管內(nèi)徑的選取
這兩值的選取主要取決于吸入、排出管內(nèi)介質(zhì)的流流和.、過大,水力阻力損失過大,消耗的能量多,泵的吸入性能差,而且容易產(chǎn)生液缸內(nèi)的空化和氣蝕以及泵的過流量現(xiàn)象; 、過小,管路和液力端尺寸較大.在往復(fù)泵中,通常要限制、值,尤其是值限制更重要.一般取值范圍是: =1~2m/s, =1.5~2.5m/s.對(duì)排出壓力高的泵, 值可取得更大些;對(duì)于吸入性能要求高的泵或輸送高粘度介質(zhì)的泵, 應(yīng)取較小值,通常只取上述的一半左右.當(dāng)泵的流量較小,對(duì)吸入性能又無特別限制時(shí),為了制造方便,互換性好,常常采用同一的、值,即取.
、選定后, 、即可確定:
式中
由其中.即則:；
；
經(jīng)元整后取。
2.2 創(chuàng)新方案的確定
普通的乳化液泵吸排液過程由吸液閥、排液閥、卸載閥和安全閥構(gòu)成。當(dāng)乳化液泵使用結(jié)束，柱塞向右移動(dòng)時(shí)，缸體內(nèi)容積變小，乳化液受柱塞擠壓而壓力升高，從而使排液閥打開，乳化液被擠出缸體，經(jīng)主進(jìn)液管而輸送到工作面支架。卸載閥的作用是當(dāng)工作面支架不再需要壓力液而泵仍在運(yùn)行時(shí)，泵排出的壓力液通過卸載閥直接流回乳化液箱，使泵在卸載狀態(tài)下工作。當(dāng)高壓管道堵塞或自動(dòng)卸載閥失靈時(shí)，安全閥起最后一道保護(hù)工作。卸載閥開啟時(shí)，需要液壓力大于先導(dǎo)閥彈簧力，當(dāng)主閥上部的液壓力加上彈簧作用力大于主閥下部的液壓力，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)。所以乳化液泵卸載過程中仍受彈簧作用力的影響，無法全卸荷卸載。為了既能工作狀態(tài)中的正常使用，又能實(shí)現(xiàn)全卸荷的功能要求，需在泵頭進(jìn)行改裝。在泵頭中心孔打通并加裝螺紋和螺母加固夾緊。在中心孔管道上安裝高壓常閉式電磁閥和液流傳感器，電磁閥是由液流傳感器控制，當(dāng)工作面不用液壓時(shí)，液流傳感器輸出信號(hào)，電磁閥開啟，壓力液從缸體直接流回油箱，而電磁閥由電信號(hào)控制，卸荷與彈簧力無關(guān)。這樣，乳化液泵達(dá)到全卸荷的目的。
2.3原動(dòng)機(jī)的選擇
1.泵的有效功率
kW
式中
則: kW
2.泵的軸功率(輸入功率)
kW
式中
泵的效率用計(jì)算方法很難確定,只能用實(shí)驗(yàn)方法確定.在泵的設(shè)計(jì)時(shí),通常要根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)以及加工質(zhì)量等預(yù)先選取.一般的選取原則是,當(dāng)泵的流量大、壓力低、介質(zhì)含氣量較少、制造質(zhì)量高的泵,可選取較大值;反之則取較小值.電動(dòng)泵的效率,低于直接作用泵的效率.電動(dòng)泵的效率范圍是=0.60~0.90.
3.原動(dòng)機(jī)功率
原動(dòng)機(jī)功率為: kW
式中
由于泵的效率已包括了泵的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦損失,所以泵的傳動(dòng)裝置效率只與泵的減速機(jī)構(gòu)的機(jī)械損失有關(guān).當(dāng)采用平皮帶傳動(dòng)時(shí), =0.92~0.98;三角皮帶傳動(dòng)時(shí), =0.90~0.94;齒輪傳動(dòng)時(shí), =0.94~0.99(閉式);蝸桿傳動(dòng)時(shí), =0.70~0.90(閉式).
則: kW
考慮到往復(fù)泵的流量是脈動(dòng)的,泵的載荷也是脈動(dòng),泵的瞬時(shí)功率和平均功率差別較大而且不同類型泵,其差別程度也不同,特別是單聯(lián)泵,二者差別最大.此外,象柱塞密封處的機(jī)械摩擦損失和容積損失等也很難精確確定.為了使泵在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中不致超載,常常在選擇原動(dòng)機(jī)時(shí),還要留有一定的富裕量,把這一富裕量稱為儲(chǔ)備系數(shù).實(shí)際原動(dòng)機(jī)功率則應(yīng)為:
kW
表（2－1） 儲(chǔ)備系數(shù)的選取
泵的型式
蒸汽原動(dòng)機(jī)(PS)
電動(dòng)機(jī)(KW)
≤1
≤2
≤5
≥5
≤2
≤6
≤10
≤20
＞20
直動(dòng)泵
機(jī)動(dòng)泵
2
1.5
1.2
1.1~1.2
2
1.5
1.25
1.15
1.10
計(jì)量泵
2
2
1.5
由于電動(dòng)機(jī)功率大于20kW故=1.10。
則: kW，即所選電機(jī)為:YB250M-4 ，電機(jī)功率:55kW; 電壓:1140/660V; 電機(jī)轉(zhuǎn)速:1480r/min;效率:92.6%。
第三章 乳化液泵系統(tǒng)傳動(dòng)設(shè)計(jì)
3.1曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1.1設(shè)計(jì)的基本原則
1.曲軸各部位的尺寸和形狀應(yīng)在保證強(qiáng)度和剛度的條件下確定,不影響強(qiáng)度和剛度的部位只要是制造工藝允許并易于實(shí)現(xiàn)的就應(yīng)去掉,以利于減輕曲軸重量.另外,工作表面尺寸的確定還應(yīng)考慮到相關(guān)件尺寸和尺寸數(shù)列的標(biāo)準(zhǔn)化,最后進(jìn)行圓整;初步設(shè)計(jì)時(shí),曲軸主要尺寸可根據(jù)柱塞力量級(jí)相同的同類型泵選定,爾后經(jīng)強(qiáng)度和剛度校核后再行校正；
2.曲柄、曲柄銷形狀和尺寸,曲柄半徑,曲柄間錯(cuò)角以及曲柄銷軸間間距應(yīng)均勻等,兩主軸頸間距距離也應(yīng)盡可能減小并力求對(duì)曲軸幾何中心是對(duì)稱的以利于泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)慣性力和慣性力矩的平衡；
3.曲軸個(gè)工作表面,過渡圓角在條件允許時(shí)應(yīng)力求做好表面硬化處理并應(yīng)有足夠的尺寸精度和表面光潔度以減小應(yīng)力集中,提高工作表面耐磨性和疲勞強(qiáng)度；
4.曲軸各部位形狀選擇還應(yīng)考慮到制造和拆裝、維修方便。
3.1.2主要尺寸的初步確定
曲軸主要尺寸取決于曲軸上的作用力,力矩和曲軸軸頸間距等.初步設(shè)計(jì)時(shí)可按柱塞力量級(jí)相同的同類型泵進(jìn)行比較或按柱塞力由經(jīng)驗(yàn)公式?jīng)Q定曲柄銷或主軸頸尺寸,爾后再根據(jù)結(jié)構(gòu)需要確定其他尺寸,最后經(jīng)強(qiáng)度和剛度校核后再加以修改.
1. 曲柄銷直徑確定
曲拐軸的曲柄銷直徑D可按下述經(jīng)驗(yàn)公式初步確定:
mm
式中 N.
式右端根號(hào)前系數(shù)選取:當(dāng)柱塞力小,行程(或曲柄半徑)短,聯(lián)數(shù)少或聯(lián)數(shù)雖多但中間有支撐,曲軸材料許用應(yīng)力高,主軸承承載能力強(qiáng),且允許傾角大時(shí),可取值偏小;反之則取值應(yīng)偏大.此處取根號(hào)前系數(shù)為6.
最大柱塞力:
N
式中
則:
可得:
2. 主軸頸可按下式確定
mm. 取mm.
一般曲拐軸主軸頸處變形傾角最大,故應(yīng)考慮到主軸承傾角允許值且應(yīng)根據(jù)主軸承內(nèi)徑進(jìn)行圓整,此外,當(dāng)確定主軸頸尺寸時(shí),還應(yīng)顧及到軸頸重疊度,應(yīng)盡可能避免等于零或接近于零甚至于小于零的情況，如圖3-1。
圖3-1 軸頸的重疊度
3. 曲柄厚度t可按下式確定
mm. 取，
式中 mm
圖3-2 曲柄結(jié)構(gòu)
確定曲柄厚度t時(shí)應(yīng)顧及到曲柄長(zhǎng)度方向上的其它尺寸.t值還取決于曲柄寬度和軸頸重迭度.較大的h對(duì)應(yīng)較小的t,較小的h對(duì)應(yīng)較大的t.當(dāng)較大時(shí),t值可取小些而不致影響曲柄的強(qiáng)度和剛度，如圖3-2。
4. 液缸中心距a的確定
mm
式中
則：mm.
5. 曲柄寬度h的確定
mm取
為減小機(jī)加工量,鍛造曲軸宜取小值,鑄造曲軸宜取大值
表3-1 曲軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸
序號(hào)
名稱
代號(hào)
單位
公式、參數(shù)的選擇和計(jì)算
備注
1
最大活塞力
P
N
已知
2
銷曲柄銷直徑
D
mm
3
主軸頸直徑
mm
4
曲柄半徑
r
mm
5
校核軸頸重疊度
(1)兩相鄰曲柄銷處
(2)主軸頸與曲柄銷處
6
連桿大頭軸瓦寬度
b
mm
7
曲柄銷長(zhǎng)
L
mm
連桿大頭采用薄壁區(qū),以小頭定位.
8
曲柄厚度
(1)長(zhǎng)臂
(2)短臂
t
mm
9
曲柄寬
h
mm
因曲柄為圓形、最大寬度即為圓直徑.
10
校核液缸中心距
a
mm
3.2連桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1一般設(shè)計(jì)要求
1.連桿應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度,工作時(shí)不致破裂和彎曲變形;
2.大、小頭結(jié)構(gòu)合理,適應(yīng)裝配有足夠承載能力的軸瓦或軸承;
3.在滿足上述條件下,應(yīng)盡可能選取合理的外形、斷面尺寸、減輕重量,即可減少運(yùn)動(dòng)質(zhì)量也有利于加工制造和拆裝。
3.2.2連桿定位
連桿定位是用來限制連桿在工作時(shí)垂直于連桿體中心線方向的竄動(dòng)的,定位方式分為大頭定位和小頭定位兩種.
大頭采用厚壁軸瓦或小頭采用球面連接時(shí),適合于大頭定位;大頭采用薄壁瓦時(shí),因沒有翻邊,故不適合大頭定位,特別是大頭為閉式結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝滾動(dòng)軸承時(shí),不便于大頭定位,多采用小頭定位.
1.大頭定位
采用大頭定位時(shí),以大頭厚壁瓦兩端面作為定位面,由端面和曲柄銷兩側(cè)配合端面之間的間隙來限制連桿的竄動(dòng),間隙大小應(yīng)考慮到機(jī)體加工的形位公差,傳動(dòng)端裝配公差以及曲軸因熱膨脹引起的軸向移動(dòng),一般可取0.2~0.6mm.大頭定位時(shí),小頭處應(yīng)允許有較大的竄動(dòng),一般小頭襯套或小頭端面與十字頭體兩側(cè)配合面間間隙可取2~6mm。
2.小頭定位
小頭定位與大頭定位情形相反:以小頭襯套端面或小頭端面作為定位面,通過該端面與小頭體兩側(cè)配合端面之間的間隙來限制連桿的竄動(dòng),間隙取0.2~0.6mm.而在大頭處則允許較大竄動(dòng),間隙取2~6mm。
3.2.3連桿長(zhǎng)和連桿比的選擇
連桿長(zhǎng)是指連桿大頭和小頭孔的中心距.連桿比是指曲柄半徑r與連桿長(zhǎng)之比().曲柄半徑即為柱塞行程長(zhǎng)度之半.當(dāng)已知柱塞行程后,可根據(jù)連桿比確定連桿長(zhǎng)度,連桿的比值一般應(yīng)使。
3.2.4連桿寬度
為便于加工,通常連桿的大、小頭寬度相同,只有當(dāng)小頭寬度受十字頭尺寸限制時(shí),才把小頭寬度取的略小些.連桿寬度B通常按連桿軸瓦寬度b,由下列經(jīng)驗(yàn)公式選定:
mm
其中b值,當(dāng)采用大頭定位時(shí):為大頭軸瓦(一般為厚壁軸瓦)寬度;當(dāng)采用小頭定位時(shí),則b為十字頭襯套寬度。
3.2.5桿體的連桿蓋結(jié)構(gòu)尺寸確定
1.桿體中間截面尺寸
(1)桿體中間截面的當(dāng)量直徑按下列經(jīng)驗(yàn)公式確定:
mm
式中
式右端前系數(shù)的選取:當(dāng)桿體截面為工字形時(shí)取2.2~2.5:當(dāng)截面為圓形時(shí)取2.5~2.8.
即： mm.
(2)桿體中截面尺寸的確定:
桿體中間截面面積為,當(dāng)桿體截面為圓形時(shí),雖然即為中截面直徑,當(dāng)桿體截面為矩形時(shí),中截面高為,寬為;當(dāng)桿體截面為工字形時(shí),中截面高,寬。
2.桿體截面尺寸的變化
桿體截面尺寸通常是沿桿體中心線成直線變化,由中截面向大頭方向逐漸加大,向小頭方向逐漸減小且使得桿體兩端,處的截面面積平均值等于中截面面積. ,分別距小頭和大頭中心距的距離為、,其值選取如下:
桿體截面為工字形和矩形時(shí),一般桿體寬度不變,高度則變化:
式中
。
3.連桿大頭尺寸
截面面積為:
連桿大頭蓋截面和大頭與桿體連接截面的面積和,通?？扇〈嗤?則,如果分別選取時(shí),可取: 。
4連桿小頭尺寸
連桿小頭處的截面是連桿的最小截面,其面積可取，單作用泵,
,當(dāng)桿體截面為圓形時(shí), 取小值;當(dāng)桿體截面為工字形時(shí), 取大值,當(dāng)連桿小頭的和截面選取情形和大頭相似,一般可取.
表3-2 連桿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
序號(hào)
名稱
符號(hào)
單位
公式參數(shù)的選擇和計(jì)算
備注
1
最大柱塞力
N
見曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
2
曲柄半徑
mm
行程長(zhǎng),已知
3
連桿比
4
連桿長(zhǎng)度
mm
5
曲柄銷直徑
mm
見曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
6
大頭孔直徑
mm
7
十字頭銷直徑
mm
8
小頭襯套內(nèi)徑
mm
9
小頭襯套寬度
mm
10
小頭襯套厚度
mm
11
小頭孔內(nèi)徑
mm
12
桿體中截面當(dāng)量直徑
mm
13
桿體中截面面積
mm
14
桿體中截面高度
mm
15
桿體最小截面距小頭中心線距離
mm
16
處截面高度
mm
17
桿體最大截面距大頭中心線距離
mm
18
處桿體截面高度
mm
19
連桿寬度
mm
20
大頭蓋截面面積
21
大頭蓋截面厚度
mm
22
刀頭蓋截面厚度
mm
23
桿體與大頭連接截面厚度
mm
24
小頭截面面積
25
小頭截面厚度
mm
26
小頭截面厚度
mm
27
小頭截面厚度
mm
28
小頭側(cè)壁臀中心線距離
mm
29
連桿螺栓外徑
mm
30
連桿螺栓定位凸徑
mm
31
連桿螺栓頸部直徑
mm
32
連桿螺栓定位凸徑長(zhǎng)
mm
33
連桿螺栓孔的中心距離
mm
34
連桿螺栓在大頭螺栓孔內(nèi)的長(zhǎng)度
mm
mm
3.3十字頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
十字頭在其滑道里做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),具有導(dǎo)向作用.通過十字頭把作搖擺運(yùn)動(dòng)的連桿和作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞以鉸鏈形式連接起來并起著力的傳遞作用.
3.3.1十字頭的結(jié)構(gòu)型式
1.銷連接十字頭
連桿小頭和十字頭之間用十字頭銷來連接的,稱為銷連接十字頭.銷連接十字頭又可分為閉式和開式兩種結(jié)構(gòu)型式:連桿小頭位于十字頭體內(nèi)的,稱為閉式結(jié)構(gòu);當(dāng)連桿小頭為叉形并位于十字頭體外時(shí),稱為開式結(jié)構(gòu).后者因叉形部分較寬、結(jié)構(gòu)笨重,很少采用,只有在某些立式或V型泵中,為了降低泵的高度才采用,往復(fù)泵中,大多采用閉式結(jié)構(gòu)。
2.球面連接十字頭
當(dāng)連桿小頭為球形并通過裝在十字頭體內(nèi)的具有球形凹面的球面墊,以球鉸鏈形式把連桿小頭和十字頭連接起來的,稱為球面連接十字頭,球面連接十字頭僅使用于單作用泵.特點(diǎn)是:自動(dòng)調(diào)心性好,可避免因加工和裝配誤差引起的偏心和不同心,有利于延長(zhǎng)柱塞密封的使用壽命,工作也較為可靠.但是,其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,零件數(shù)增加而球面加工也較復(fù)雜。
3.3.2十字頭體與滑履的連接形式
1.整體式
用耐磨材料制成十字頭或在十字頭體滑履上直接澆注軸承合金而不另加滑履的十字頭,稱為整體式十字頭,不澆注軸承合金的整體式十字頭,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、重量輕、價(jià)格便宜,故廣泛用于中小型往復(fù)泵.但這種結(jié)構(gòu)不能調(diào)整十字頭與滑道之間的間隙,磨損后使十字頭與柱塞的不同軸度增大,影響泵的密封使用壽命,因此大型泵采用不多;澆注軸承合金的整體式十字頭,可以減輕重量、增加比壓,可用于中型或大型往復(fù)泵上,也可用于每分鐘往復(fù)次數(shù)較高的泵上。
2.分開式
十字頭體和滑履分開并用螺栓連接在一起的可拆式十字頭,稱為分開式十字頭,分開式十字頭的軸承合金澆注在滑履上,通過改變滑履與十字頭體間的墊片組厚度來調(diào)整十字頭與滑道之間的工作間隙.磨損后可以復(fù)用,也避免了把十字頭體作為易損件,使用也較為經(jīng)濟(jì).缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較笨重、加工較復(fù)雜,故一般只用于大型泵。
3.3.3十字頭與柱塞的連接方式
1.剛性連接
錐螺紋連接,因錐螺紋對(duì)對(duì)中性要求不高,故拆裝較方便;圓柱螺紋連接,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕,為中小型泵所常用.缺點(diǎn)是:因加工、裝配誤差容易使柱塞與十字頭兩螺紋中心線產(chǎn)生偏斜,影響工作性能并造成拆裝困難.因十字頭和柱塞承受交變載荷,故采用螺紋連接時(shí)均需加防松措施,即可采用單螺母拼緊防松,也可采用雙螺母并由緊定螺釘防松.因此,后者防松措施較為可靠并可避免在十字頭上加工螺紋,保護(hù)十字頭體不致?lián)p壞,但后者結(jié)構(gòu)較復(fù)雜零件數(shù)目也增多了;銷連接,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝方便,工作時(shí)還可起到防止泵過載時(shí)損壞其他機(jī)件的作用,銷子應(yīng)選擇韌性好的材料并有一定的表面硬度,常用低碳鋼表面滲碳淬火或用中碳鋼制造.因銷子要較大的交變載荷、剪切應(yīng)力也較大,故銷連接一般僅用于小型泵。
2.浮式連接
浮式連接是通過柱塞尾部環(huán)狀槽里的對(duì)開環(huán)和螺母把它和十字連接在一起的.因?qū)﹂_環(huán)和環(huán)形槽有微小間隙,故稱為“浮式”連接.浮式連接可分為平面連接和球面連接,平面連接有利于拆裝,而球面連接具有良好的自動(dòng)對(duì)心性,結(jié)構(gòu)多用于中、小型整體式十字頭。
3.3.4十字頭設(shè)計(jì)要求
1.導(dǎo)向性能好、工作表面應(yīng)具有足夠的耐磨性和承載能力;
2.在滿足強(qiáng)度和剛度條件下,重量應(yīng)盡可能輕;
3.結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單,與柱塞、連桿小頭連接應(yīng)牢固可靠、便于拆裝和維修。
3.3.5滑履尺寸的確定
1.滑履直徑的確定應(yīng)考慮以下因素
(1)活塞力較大的泵,十字頭工作面正壓力相應(yīng)也較大, 應(yīng)取較大值,反之取小值;
(2)當(dāng)選連桿比較大時(shí)擺角也較大,為防止連桿擺動(dòng)時(shí)與滑道或十字頭體相碰應(yīng)取較大;
(3)為了減小往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和拆裝方便, 應(yīng)盡可能取小值。
滑履直徑可根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式確定:
式中 當(dāng)較大而且較大時(shí),應(yīng)取較大值,反之取小的值。
2.滑履長(zhǎng)度和寬度
滑履長(zhǎng)度和寬度取決于載荷大小,一般由下式確定:
3.滑履合金層厚度
當(dāng)十字頭工作表面需澆注軸承合金時(shí),一般可取合金層厚度為t=3~5mm。
4.滑履油槽
滑履或十字頭工作表面,一般應(yīng)開設(shè)油槽.油槽應(yīng)開在工作表面中部,勿使油槽與端面和側(cè)面貫通.如果貫通,就會(huì)加速端泄,降低潤(rùn)滑效果和承載能力。
3.3.6十字頭體主要尺寸的確定
1.十字頭銷孔座壁厚s,當(dāng)十字頭體材料為鑄鋼或球墨鑄鐵時(shí),一般取:
式中
2.十字頭體壁厚
3.4機(jī)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)體形式劃分,一方面可按泵的總體結(jié)構(gòu)型式的需要分為:臥式、立式、對(duì)置式、角度式等機(jī)體;另一方面則根據(jù)機(jī)體上的主軸承座孔是否剖分而分為閉式和開式兩種.閉式機(jī)體的軸承座孔置于機(jī)身上,為一整圓;開式機(jī)體的軸承座孔通常是中開式的為兩個(gè)半圓.
3.4.1機(jī)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原本則
1.應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度,在此前提下,力求重量輕；
2.結(jié)構(gòu)上力求簡(jiǎn)單,外形力求美觀.鑄造和機(jī)加工工藝性能應(yīng)良好,在結(jié)構(gòu)上要設(shè)計(jì)有便于制造、加工的基準(zhǔn)面,以便能較好的保證各加工表面的幾何形狀、尺寸精度和形狀位置公差,不必要的加工表面應(yīng)力求減小、簡(jiǎn)化工裝、縮短生產(chǎn)周期,降低成本；
3.便于曲柄機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的拆裝、調(diào)整和檢修,便于機(jī)體內(nèi)部的清洗和潤(rùn)滑油的排放和更換；
4.機(jī)體底部應(yīng)有足夠的承重面積,盡可能降低重心,保證其承載能力和泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性。
3.4.2機(jī)體主要結(jié)構(gòu)尺寸的確定
1.主軸承座孔直徑
當(dāng)主軸的主軸頸尺寸確定后,即可選擇合適的主軸頸,主軸承孔的尺寸取決于主軸承外徑. 180mm。
2.十字頭滑道尺寸
(1)十字頭滑道孔徑,當(dāng)有滑道襯套或十字頭導(dǎo)板時(shí), 即與滑道襯套或?qū)О宓耐鈴较嗤?當(dāng)無滑道襯套或?qū)О鍟r(shí), 即與十字頭滑履直徑名義尺寸相同. =16cm。
(2)滑道寬度B，滑道寬B一般與十字頭滑履寬度相同或略小,當(dāng)上下滑道表面為圓弧時(shí),通?？扇A弧面中心角為。
(3)滑道長(zhǎng)
式中
3.相鄰兩滑道軸線間距離a,a值確定主要取決下列因素:
(1)泵液力端上最大缸套直徑或柱塞填料箱外徑;
(2)十字頭滑道孔徑和連桿大頭的寬度;
(3)與泵吸入和排出閥尺寸相關(guān)的液缸尺寸;
(4)機(jī)體內(nèi)零、部件裝拆、維修的需要.
對(duì)三聯(lián)單作用泵:
式中
4.主軸承座孔中心線距底平面高H
確定H時(shí),應(yīng)考慮到機(jī)體的剛度、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)空間,在機(jī)體內(nèi)儲(chǔ)存潤(rùn)滑油量的多少以及液力端吸入管路的布置形式和尺寸等因素,并應(yīng)力求降低重心.一般可依據(jù)主軸承座孔直徑來選定。
對(duì)一般臥式泵:
mm
對(duì)液力端的吸入集合管只允許布置在機(jī)體底平面以上的臥式泵:
mm
對(duì)于立式泵或在傳動(dòng)端內(nèi)有傳動(dòng)齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的臥式泵,H值應(yīng)依具體情況確定,本設(shè)計(jì)取H=320mm。
3.4.3機(jī)體壁厚確定
機(jī)體各零件的壁厚應(yīng)力求均勻,各板壁連接處應(yīng)有較大的過渡圓角.盡可能避免局部肥大和壁厚不均,以減小鑄造應(yīng)力,提高成品率.
機(jī)體壁厚值通?？筛鶕?jù)泵的最大柱塞力P來選取,但是,當(dāng)柱塞力很小時(shí),往往只要有很小的壁厚,即可滿足強(qiáng)度和剛度的要求,此時(shí)柱塞力已不是決定壁厚的主要因素了,這時(shí)起決定因素的卻是機(jī)體的鑄造工藝水平.即往往是因?yàn)殍T造工藝的要求,不得不使壁厚加大.在這種情況下,應(yīng)力求提高鑄造工藝水平,減小壁厚,以期使整機(jī)重量減輕.反之當(dāng)柱塞力很大時(shí),往往只靠增加壁厚卻不能滿足強(qiáng)度需要,尤其是不能滿足剛度的需要.這時(shí),主要措施是在適當(dāng)位置增設(shè)加強(qiáng)筋.
機(jī)體上的滑道壁厚:
式中 取決于柱塞力的大小由前面已知,取=15mm.
機(jī)體托架與液缸連接壁厚及機(jī)體底面地腳螺釘孔處的厚度:
3.5曲軸的受力分析計(jì)算
曲軸受力十分復(fù)雜,除了作用在曲軸上的重力是恒定不變的,其余如連桿力、慣性力,原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩、支座外力、個(gè)聯(lián)間的縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)慣性矩等都將隨轉(zhuǎn)角的變化而變化.此外,曲軸還要受到支座變形、加工不同軸度、使用中因軸頸磨損等因素造成的附加載荷.要想把曲軸所有受力情況均考慮進(jìn)去,是很難做到的.在實(shí)際分析、計(jì)算時(shí),常常是忽略那些次要因素,抓住主要因素予以考慮.為此,在分析、計(jì)算曲軸受力時(shí),通常做下列假設(shè):
1.把多支承曲軸看做是以主軸承中點(diǎn)分開的分段簡(jiǎn)支梁并把曲軸視為絕對(duì)剛性系統(tǒng);
2.把主軸頸中點(diǎn)既看成是支撐點(diǎn),又看成是集中支反力的作用點(diǎn);
3.連桿力和旋轉(zhuǎn)慣性力(或徑向力和切向力),看成是集中力并作用在曲柄銷中點(diǎn);
4.略去除作用在軸頸上的其它各聯(lián)間作用力的影響,也略去因加工精度,裝配質(zhì)量以及因使用后磨損、熱變形等造成的附加載荷。
除此之外,當(dāng)柱塞力很大時(shí),在計(jì)算時(shí)也可略去重力和摩擦力,在做了上述假設(shè)后,往復(fù)泵用的曲軸一般均可簡(jiǎn)化成兩支點(diǎn)單拐(懸臂梁或簡(jiǎn)支梁)兩支點(diǎn)雙拐和兩支點(diǎn)三拐三種情形。
在上述若干假設(shè)條件下,作用在兩支點(diǎn)三曲拐曲軸上的力計(jì)有:作用在曲柄銷中點(diǎn)的集中力-切向力 和徑向力(或連桿力和旋轉(zhuǎn)慣性力);作用在主軸頸上的支反力,;作用在輸入端主軸頸上的總扭矩.
如果輸入端是經(jīng)皮帶輪減速傳遞扭矩的,還附有作用力;如果在主軸后端拖帶轉(zhuǎn)子型油泵時(shí),還有附加扭矩.這個(gè)力和力矩,本設(shè)計(jì)中沒有皮帶輪固可不計(jì)此力.
切向力、徑向力、支反力 ,以及軸前端載荷均是作用在曲軸上的外力,總的輸入扭矩則是作用在曲軸上的外力矩.這些力和力矩都是曲柄轉(zhuǎn)角的函數(shù),時(shí)刻在變化著.若假設(shè)第一曲柄轉(zhuǎn)角(從軸前端看,順旋轉(zhuǎn)方向) ,則第二曲柄轉(zhuǎn)角為,第三曲柄轉(zhuǎn)角.通用公式中用和、表示、、，、、，、、.在計(jì)算時(shí),沒有計(jì)入軸前端載荷(),略去了重力和摩擦力,同時(shí),考慮吸入壓力與排出壓力相比,相差很大,故計(jì)算時(shí)取.這樣一來,當(dāng)三聯(lián)泵任意柱塞處于吸程階段(<<)時(shí),其活塞力=0;當(dāng)任意柱塞處于排程階段(<<),其柱塞力且是一常量;當(dāng)任意柱塞處于前、后死點(diǎn)(=或=,不考慮運(yùn)動(dòng)副的間隙),柱塞力將有一突變或由=0突增到,或相反.由此可知,對(duì)三聯(lián)單作用泵,當(dāng)任一柱塞處于死點(diǎn)位置時(shí),對(duì)應(yīng)該柱塞的曲柄銷力,等應(yīng)計(jì)算兩個(gè)值,相應(yīng)的支反力以及以后要計(jì)算的各截面內(nèi)力也將出現(xiàn)兩個(gè)值。
作用在任一曲柄銷上的外力,等,可參看，圖3－3：
圖3－3 曲柄受力分析
作用于主軸頸上的支反力,以及力矩和本設(shè)計(jì)的曲軸尺寸：
圖3－5 曲軸尺寸
表3－4 三拐曲軸外力計(jì)算公式、分解公式及計(jì)算結(jié)果(φ=時(shí))
作用力名稱
符號(hào)
作用點(diǎn)
計(jì)算公式
往復(fù)慣性力
十字頭銷中點(diǎn)
旋轉(zhuǎn)慣性力
曲柄銷中點(diǎn)
柱塞力
柱塞端
綜合柱塞力
十字頭銷中點(diǎn)
連桿力
沿連桿中心線
徑向力
曲柄銷中點(diǎn)
切向力
曲柄銷中點(diǎn)
輸入扭矩
輸入銷主軸軸頸
、在坐標(biāo)z向的投影
各曲柄銷中點(diǎn)
、在坐標(biāo)y向的投影
各曲柄銷中點(diǎn)
軸前端c點(diǎn)的載荷
輸入端軸頸最小直徑處
軸前端A點(diǎn)的支反力
軸前端主軸頸中點(diǎn)
[
]
[
]
軸尾端B點(diǎn)的支反力
軸尾端主軸頸中點(diǎn)
[
]
[
]
支反力在垂直于曲柄中線方向的投影
同
同
支反力在平行于曲柄中線方向的投影
同
同
在垂直于曲柄中線方向的投影
同
在平行于曲柄中線方向的投影
同
、在垂直于曲柄③中線方向的投影
曲柄銷Ⅰ的中點(diǎn)
、在垂直于曲拐③中線方向的投影
曲柄銷Ⅲ的中點(diǎn)
、在平行于曲柄③中線方向的投影
曲柄銷Ⅰ的中點(diǎn)
、在平行于曲柄③中線方向的投影
、在垂直于Ⅰ、Ⅱ曲柄銷中線連線方向的投影
第一曲柄銷中點(diǎn)
、在垂直于Ⅲ、Ⅱ曲柄銷中線連線方向的投影
第三曲柄銷中點(diǎn)
正方向規(guī)定
計(jì)算舉例
備注
使連桿受拉為正
955.84
-477.962
-477.962
曲柄受拉為正
1137.82
1137.82
1137.82
柱塞受拉為正
-47728
-47728
-47728
=0
連桿受拉為正
-8712.58
955.864
-9780.9
-356.12
連桿受拉為正
-8712.58
955.864
-9890.5
-360.12
查[6]
表4-4
沿曲柄中線背離旋轉(zhuǎn)中心為正
-7829.25
159.57
7045.42
1107.69
查[6]
表4-6
垂直于曲柄中線反旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?
-8712.58
955.864
7736.35
-281.68
查表4-5
順旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?
5019.18
與坐標(biāo)z軸正方向相同時(shí)為正
7829.25
1595.57
2190.00
-818.45
與坐標(biāo)y軸正方向相同時(shí)為正
-7829.25
1595.57
-10222.58
-797.78
同,
附加載荷=0
與坐標(biāo)y軸正方向相同時(shí)為正
11197.92
4108.86
與坐標(biāo)z軸正方向相同時(shí)為正
-913.8
同,
7651.66
5315.94
-501.05
構(gòu)成對(duì)對(duì)應(yīng)曲柄銷的扭矩,順旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?而則相反
-913.8
-913.8
-9240.75
-3101.45
10154.58
4015.29
501.05
501.05
6376.00
4353.22
6877.06
4854.26
平行于曲柄中線,與正方向相同時(shí)為正
11197.92
4108.86
-6390.36
-2845.8
-4807.5
-12929.69
7651.66
5315.94
-4259.75
-3091.89
-3391.91
-2224.05
同
例中=0
同
順旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?
6780.33
-1381.85
順旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樨?fù)
-1100.12
平行于曲柄中線與正方向相同時(shí)正
3914.63
-797.78
同上
-309.91
構(gòu)成對(duì)第二曲柄銷的扭矩,順旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?
3914.63
-797.78
與情形相反
-797.78
每隔時(shí)計(jì)算的支反力、、、的結(jié)果如表3－5：
表3－5 兩支點(diǎn)三曲拐曲軸支反力的計(jì)算結(jié)果
0
60
120
180
240
300
360
1197
4108
4188
6524
7045
2336
2860
9949
10028
7693
7089
11802
11198
4019
-931
-524
39.5
-167
1271
-1430
-913
7651
5315
5236
12325
11802
7089
6564
8900
8822
1733
2336
7048
7652
5315
-501
-890.1
-1477
-1248
-144.1
16.0
-501
支反力和轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖3-6:
圖3-6 支反力、和轉(zhuǎn)角的關(guān)系
3.6曲軸強(qiáng)的校核
由于曲軸是承受交變載荷,其破壞形式多半是由疲勞引起的,因此,在通常的情況下,應(yīng)按疲勞強(qiáng)度校核,但是,在實(shí)際計(jì)算過程中則可采用如下方式;為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程,往往把曲軸所受載荷看成是內(nèi)應(yīng)力幅等于最大內(nèi)應(yīng)力的對(duì)稱循環(huán)載荷略去應(yīng)力集中和尺寸系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響而代之以選用較大的安全系數(shù),這樣就可使復(fù)雜的疲勞強(qiáng)度校核具有靜強(qiáng)度校核得簡(jiǎn)單型式,即用靜強(qiáng)度校核代替疲勞強(qiáng)度校核.
由《往復(fù)泵設(shè)計(jì)》中對(duì)三曲拐曲軸的各截面受力分析可知,對(duì)于兩支點(diǎn)三拐曲軸靜強(qiáng)度校核截面通