2496 低溫活塞泵的設(shè)計(jì),低溫,活塞,設(shè)計(jì) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1第 1章 緒 論1.1 本課題研究目的、背景和意義近幾年來，國內(nèi)外泵業(yè)已向大型化、高速化、機(jī)電儀一體化、高技術(shù)、高可靠性、長壽命和監(jiān)控自控等方面發(fā)展。當(dāng)前，對泵的可靠性、壽命和監(jiān)控自控等方面發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，泵輸送固態(tài)物質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，如污水污物、泥漿紙漿、灰渣、糧食淀粉、甜菜水果、魚蝦貝殼，等等。目前一些大量技術(shù)含量較低的泵在國內(nèi)市場上競爭激烈，并漸趨飽和，而一些技術(shù)含量較高、特殊用途、特殊材質(zhì)的各類特種泵發(fā)展前景廣闊。產(chǎn)品重點(diǎn)發(fā)展為超臨界火電機(jī)組配套用鍋爐給水泵、空冷火力發(fā)電機(jī)組用泵、核電站用泵，逐步填補(bǔ)油田、海上采油、煉油和油品、石化等方面的特殊用泵空白。但是我們與國外的動(dòng)態(tài)差距并沒有縮小，形勢不容樂觀。與西方泵業(yè)相比，我國泵業(yè)有兩方面的優(yōu)勢。首先，低成本是中國泵業(yè)的競爭優(yōu)勢。中國勞動(dòng)力的工資水平比西方平均每天少 3 美元。大多數(shù)企業(yè)從其他地方的農(nóng)村招募工人，廠房就是工人的宿舍，以減少成本。企業(yè)租賃廠房或建設(shè)廠房的費(fèi)用也比在西方國家建廠低。再有，中國建筑、石油、石化、環(huán)保市場高速增長和重大調(diào)水工程也為中國泵業(yè)的發(fā)展提供了重要支撐?？梢哉f，中國持續(xù)增長的市場空間是中國泵業(yè)保持優(yōu)勢的先決條件。1.2 國內(nèi)外發(fā)展概況及發(fā)展前景在國外的半導(dǎo)體、液晶顯示及光學(xué)薄膜等領(lǐng)域，大多采用低溫泵作為主泵。低溫泵工作壓力范圍寬、抽速大、清潔無油、無運(yùn)動(dòng)部件，并能抽除有毒有害氣體，特別對水蒸汽又有很高的抽氣能力，對于制備高質(zhì)量的薄膜非常有利。在美國電子行業(yè) 78%都是使用低溫泵，而其中大規(guī)模集成電路生產(chǎn)幾乎全部使用低溫泵，所以國外生產(chǎn)低溫泵廠家很多，并已形成完整系列。目前國外知名低溫廠家有合資企業(yè)及國外企業(yè)如美國普萊克斯、APCI、英國 BOC 等。據(jù)美國《金融時(shí)報(bào)》報(bào)道，97 年國際泵業(yè)市場總銷售額為 264 億美元（約2156 人民幣） ，美國、日本、德國居泵業(yè)市場領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，國際泵業(yè)市場產(chǎn)值年均增長率為 7.5%，國外泵類產(chǎn)品的發(fā)展日新月異，高新技術(shù)和特種泵產(chǎn)品不斷投放市場。在我國據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，96 年全國鄉(xiāng)及鄉(xiāng)以上獨(dú)立核算的泵生產(chǎn)廠共 1459黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)2家，其中國有企業(yè) 296 家。從事低溫泵生產(chǎn)的著名合資企業(yè)有杭州布朗、大連JCI、島津香港公司等，國內(nèi)大型知名企業(yè)如北京天海、上海亞聯(lián)、四川空分、溫州瑞氣、蘇州制氧機(jī)等。預(yù)計(jì)到 2005 年，工業(yè)泵工業(yè)總產(chǎn)值將達(dá)到 150 億元，可實(shí)現(xiàn)銷售收入 160 億元，是 1998 年的 125%。其中，工業(yè)總產(chǎn)值“十五”期間年增長率為 5%；2010 年，工業(yè)泵行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值預(yù)計(jì)達(dá)到 180 億元，銷售收入達(dá) 190 億元，是 2000 年的150%。行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益將得到明顯的提高。　　1.3 泵的概述1.3.1泵的發(fā)展史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)械能或其它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。水的提升對于人類生活和生產(chǎn)都十分重要。古代就已有各種提水器具，例如埃及的鏈泵(公元前 17 世紀(jì))，中國的桔槔(公元前 17 世紀(jì))、轆轤(公元前 11 世紀(jì))和水車(公元 1 世紀(jì))。比較著名的還有公元前三世紀(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。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。1840 年～1850 年，美國沃辛頓發(fā)明泵缸和蒸汽缸對置的、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?；剞D(zhuǎn)泵的出現(xiàn)與工業(yè)上對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它各類泵所不及。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)3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。在英國的雷諾和德國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。隨著離心泵、轉(zhuǎn)子泵等的發(fā)展，它們在許多應(yīng)用領(lǐng)域取代了往復(fù)泵。受此影響，往復(fù)泵的技術(shù)基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的研究發(fā)展工作長期停滯不前。但是往復(fù)泵所具有的一些性能上的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是其他類型泵無法比擬的。因而它的應(yīng)用也不可被取代。除了上面提到的在泵壓變化的條件下可實(shí)現(xiàn)排量恒定外，還有能在嚴(yán)格條件下泵送特種介質(zhì)（腐蝕性、磨礪性、高粘度、高密度、高溫等） ，效率高，排出壓力高等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了往復(fù)泵在下列領(lǐng)域保留它的應(yīng)用：(1)在化工廠中用泵傳送特種介質(zhì)；(2)用于礦業(yè)生產(chǎn)中輸送煤漿、金屬礦漿等，包括遠(yuǎn)距離輸送作業(yè)；(3)用于石油、天然氣礦場的鉆井、固井、壓裂、注水等作業(yè)；(4)石化、藥品、食品等生產(chǎn)流程中的配料計(jì)量泵；(5)為水壓機(jī)等鍛壓機(jī)提供動(dòng)力的高壓液壓泵。1.3.2泵的分類泵通常按工作原理分為容積式泵、動(dòng)力式泵和其他類型泵，如射流泵、水錘泵、電磁泵、氣體升液泵。泵除了按工作原理分類外，還可按其它方法分類和命名。例如，按驅(qū)動(dòng)方法可分為電動(dòng)泵和水輪泵等；按結(jié)構(gòu)可分為單級(jí)泵和多級(jí)泵；按用途可分為鍋爐給水泵和計(jì)量泵等；按輸送液體的性質(zhì)可分為水泵、油泵和泥漿泵等。容積式泵是依靠工作元件在泵缸內(nèi)作往復(fù)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使工作容積交替地增大和縮小，以實(shí)現(xiàn)液體的吸入和排出。工作元件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的容積式泵稱為往復(fù)泵，作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的稱為回轉(zhuǎn)泵。容積式泵在一定轉(zhuǎn)速或往復(fù)次數(shù)下的流量是一定的,幾乎不隨壓力而改變，總的來說，容積泵的效率高于動(dòng)力式泵。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)4動(dòng)力式泵靠快速旋轉(zhuǎn)的葉輪對液體的作用力，將機(jī)械能傳遞給液體,使其動(dòng)能和壓力能增加，然后再通過泵缸，將大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能來實(shí)現(xiàn)輸送。動(dòng)力式泵又稱葉輪式泵或葉片式泵。離心泵是最常見的動(dòng)力式泵。動(dòng)力式泵在一定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的揚(yáng)程有一限定值,揚(yáng)程隨流量而改變；工作穩(wěn)定，輸送連續(xù)，流量和壓力無脈動(dòng)；一般無自吸能力，需要將泵先灌滿液體或?qū)⒐苈烦槌烧婵蘸蟛拍荛_始工作；適用性能范圍廣；適宜輸送粘度很小的清潔液體，特殊設(shè)計(jì)的泵可輸送泥漿、污水或水融固體物。動(dòng)力式泵主要用于給水、排水、灌溉、流程液體輸送、電站蓄能、液壓傳動(dòng)和船舶噴射推進(jìn)等。其他類型的泵是指以另外的方式傳遞能量的一類泵。例如射流泵是依靠高速噴射出的工作流體，將需要輸送的流體吸入泵內(nèi)，并通過兩種流體混合進(jìn)行動(dòng)量交換來傳遞能量；水錘泵是利用流動(dòng)中的水被突然制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，使其中的一部分水壓升到一定高度；電磁泵是使通電的液態(tài)金屬在電磁力作用下，產(chǎn)生流動(dòng)而實(shí)現(xiàn)輸送；氣體升液泵通過導(dǎo)管將壓縮空氣或其它壓縮氣體送至液體的最底層處，使之形成較液體輕的氣液混合流體，再借助管外液體的壓力將混合流體壓升上來。1.3.3低溫活塞泵1、往復(fù)泵往復(fù)泵是一種發(fā)展較早的動(dòng)力之一。它適用于輸送流量較小，壓力較高的各種介質(zhì)，如低粘度、高粘度、腐蝕性、易燃易爆、劇毒等各種液體。特別適合流量小于 100m3/h，排出壓力大于 9.81MPa 時(shí)，更加顯示出它有較高的效率和良好的運(yùn)行性能。而且往復(fù)泵有良好的自吸能力，即泵在一定的安裝高度下，不需要 1001H,活 塞 泵 軸 流 泵離 心 泵0圖 1.1 往復(fù)泵的應(yīng)用范圍黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)5灌泵就可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)并達(dá)到正常工作狀態(tài)。還有往復(fù)泵的效率較高因此直到目前為止，仍廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中。通常往復(fù)泵的應(yīng)用范圍如圖 1.1 所示。往復(fù)泵在各種應(yīng)用場合中，不但所要求的排量、壓力、功率和驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)型式相差甚遠(yuǎn)，而且為適應(yīng)各種不同的特種介質(zhì)和性能要求，泵的液力端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差別很大。從這個(gè)意義上來說，往復(fù)泵在今日已不再是一種“通用機(jī)械”了。在往復(fù)泵的研究和開發(fā)工作中也應(yīng)充分注意這一特點(diǎn)。在上世紀(jì)后半葉，由于應(yīng)用往復(fù)泵的資源開發(fā)、石油化工及其它化工、重型機(jī)器制造、造紙、食品、醫(yī)藥、化學(xué)分析等各行業(yè)的發(fā)展需要，對往復(fù)泵的需求日益增加，往復(fù)泵的基礎(chǔ)理論研究和新產(chǎn)品開發(fā)工作受到了一定程度的重視，對往復(fù)泵提出了更高的要求。在今后研究工作中應(yīng)特別注意以下問題：針對往復(fù)泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高的特點(diǎn)，要努力提高各類往復(fù)泵的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化水平。模塊化設(shè)計(jì)是一個(gè)方向，即以最少數(shù)量的液力端和傳動(dòng)端的模塊組合成適應(yīng)范圍極廣的變型產(chǎn)品。還可以用同一尺寸的液力端改變材料后適應(yīng)不同的介質(zhì)和壓力，相同的傳動(dòng)端并聯(lián)成不同缸數(shù)的泵等等。在提高標(biāo)準(zhǔn)化和通用化程度的基礎(chǔ)上，普及 CAD/CAM 技術(shù)的應(yīng)用，加強(qiáng)可靠性的研究。提高曲軸、缸體、泵殼等復(fù)雜形狀零部件的設(shè)計(jì)、工藝水平，提高軸承、密封件等基礎(chǔ)元件的質(zhì)量，提高裝配工藝水平。還應(yīng)指出，往復(fù)泵多用來泵送特種介質(zhì)，因此，重視液力端水力過程機(jī)制的研究及其零件失效原因的研究，提高零件的使用壽命，減少停機(jī)修理時(shí)間，也是進(jìn)一步發(fā)揮往復(fù)泵特長的重要課題。2、低溫活塞泵方案比較本次課題低溫活塞泵屬于往復(fù)泵中的一種。低溫活塞泵是種低溫液化分離設(shè)備輸送高壓液體的專用機(jī)械，如在空分設(shè)備、石油化工、核工業(yè)、電訊工程以及深冷技術(shù)研究事業(yè)等領(lǐng)域，低溫活塞泵都有其不可取代的地位。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，液氫、液氧等推進(jìn)劑獲得進(jìn)一步的應(yīng)用。大型運(yùn)載火箭低溫推進(jìn)劑的加注量和加注速度往往是很大的，在這種情況下，采用泵加注加壓具有明顯的優(yōu)越性。低溫活塞泵按其結(jié)構(gòu)來分又可分為立式和臥式兩種。立式活塞泵占地面積小，但是它所產(chǎn)生的噪音大，運(yùn)行中對泵的沖擊大，故其運(yùn)動(dòng)部位磨損比較重。臥式活塞泵結(jié)構(gòu)緊湊，具有高可靠性，更因其產(chǎn)生的噪音比立式的小，所以本次課題黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)6采用臥式活塞泵。由于工藝流程設(shè)計(jì)的不同，所要求配備有相應(yīng)的液體（液氧、液氮、液氬、液氫、乙烯、甲烷等）輸送泵，用來循環(huán)液體或從貯槽中抽送液體。經(jīng)汽化后在規(guī)定壓力下輸送給用戶或進(jìn)行充灌鋼瓶。在這方面低溫活塞泵顯示出其特有的優(yōu)點(diǎn)，它結(jié)構(gòu)新，體積小，重量輕，壓力、流量任意調(diào)節(jié)，使用壽命長，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作維護(hù)極為方便，在低溫工程領(lǐng)域中，被廣泛采用。由于應(yīng)用場合和處理液體介質(zhì)不同，要求抽送低溫液體活塞泵與之相匹配。在-270 攝氏度惡劣條件下，能經(jīng)受住長期穩(wěn)定正常工作。這是區(qū)別于其它常溫泵的唯一不同的要求。因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特異，品種規(guī)格繁多，有單列、雙列、多列之分，但它們的零部件為一律式。低溫液化氣體特性見表 1.1。表 1.1低溫液化氣體的特性氧 O2 1.14 1.95 -18氮 N2 0.812 1.70 -19氬 Ar 1.40033 3.70 -18甲 烷 CH4 0.42 0.97 -16乙 烷 C2H4 0.5699 1.82 -10氫 H2 0.0708 0.12 -25氦 He 0.124 0.032 -26水(+4℃) H2O 1.00 15.6 +10注：表中列出了水在 4°C 時(shí)的物質(zhì)特性常數(shù)以供對比液化氣體幾乎總是在接近沸點(diǎn)時(shí)輸送。因此，低溫活塞泵的操作溫度約在-70°C～-269°C 之間。然而不僅僅是這樣，低的操作溫度迫使對泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取一定特殊措施。這些液化氣體的蒸發(fā)熱也極不一致，同樣也得引起注意。低溫活塞泵的主要特點(diǎn)是：(1)低溫活塞泵的主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，保持長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，容易達(dá)到最高輸送壓力。流量從小到大調(diào)節(jié)，實(shí)用效率高。(2)低溫活塞泵最常用的是作灌沖泵使用，能代替活塞式壓縮機(jī)，將低溫液化氣體從一只貯槽中放出時(shí)是無壓力或壓力很低的，經(jīng)過活塞泵升高壓力，將液態(tài)輸送進(jìn)一只蒸發(fā)器，進(jìn)行汽化并沖灌注鋼瓶。這種方法主要用于氧、氮、氬等之類液化氣體。鋼瓶的沖灌壓力通常在 15MP 左右。使用的低溫活塞泵大多利用電控裝置全自動(dòng)。(3)如果活塞泵作為工藝流程用泵或配料用泵在調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)使用，那么對活塞黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)7泵的要求就特別復(fù)雜。泵的流量應(yīng)當(dāng)是完全可調(diào)式的。根據(jù)操作條件要求有手控或遙控，但多種情況下都是自動(dòng)調(diào)節(jié)的。根據(jù)壓力、溫度、流量的要求變化，例如化工、石油化工設(shè)備使用。輸送介質(zhì)乙烯、甲烷之類，也有氧化氮。流量及壓力是由工藝流程確定的，活塞泵大多配套使用，在一定類型的空分裝置中，低溫活塞泵同樣作為工藝流程用泵，主要輸送液氧、液氮、液氬。(4)低溫活塞泵也有用作于管道泵使用，將低溫液化氣體從一臺(tái)貯槽中輸送到幾公里以外的用戶那里去。這種輸送介質(zhì)幾乎只有碳?xì)浠衔?。在移?dòng)式高壓制氧車上同樣采用低溫活塞泵。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般問題低溫液體泵是在極低溫下工作，為保證其正常、可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下幾方面問題。(1)結(jié)構(gòu)的均勻性和對稱性，可保證低溫工作的零部件冷縮均勻性。(2)泵的進(jìn)出口管路必須采用金屬波紋補(bǔ)償器，可避免熱脹冷縮引起管路拉裂。(3)常溫區(qū)和低溫區(qū)之間聯(lián)結(jié)零件應(yīng)選擇導(dǎo)熱率低的材料制造，可減少到熱損失。(4)為減少液體的汽化損失和縮短啟動(dòng)時(shí)間，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上必須盡量減少低溫區(qū)工作零部件的熱容量。(5)對于低溫工作且有相對運(yùn)動(dòng)的零件，當(dāng)選擇材料時(shí)必須注意它們之間線膨脹系數(shù)的匹配。盡可能選擇線膨脹系數(shù)相近或相同的材料。一般來說包絡(luò)零件的線膨脹系數(shù)需小于或等于被包絡(luò)零件的線膨脹系數(shù)。這樣可以防止卡死（咬?。┈F(xiàn)象。(6)對于低溫工作下的重要零件，特別對那些有相對運(yùn)動(dòng)的，而且配合要求很嚴(yán)的零部件必須在最后精加工之前進(jìn)行深冷處理。這種處理時(shí)的溫度一般應(yīng)等于或低于零件的工作溫度。處理時(shí)間一般達(dá) 4 小時(shí)左右，一定將零件內(nèi)部中心區(qū)冷透。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)8第 2章 低溫活塞泵的整體設(shè)計(jì)2.1 方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用往復(fù)泵，它適用于輸送流量小，壓力較高的各種介質(zhì)，并且有較高的效率、卓越的運(yùn)行性能和良好的自吸能力。低溫活塞泵屬于往復(fù)泵中的一種，是種低溫液化分離設(shè)備輸送高壓液體的專用機(jī)械，如在空分設(shè)備、石油化工、核工業(yè)、電訊工程以及深冷技術(shù)研究事業(yè)等領(lǐng)域，低溫活塞泵都有其不可取代的地位。隨著航天事業(yè)的發(fā)展，液氫、液氧等推進(jìn)劑獲得進(jìn)一步的應(yīng)用。大型運(yùn)載火箭低溫推進(jìn)劑的加注量和加注速度往往是很大的，在這種情況下，采用泵加注加壓具有明顯的優(yōu)越性。在設(shè)計(jì)方面的要求：(1)一方面要求向小流量、微流量和高壓、超高壓領(lǐng)域發(fā)展。另一方面也向高壓大流量、大功率方向發(fā)展。(2)要求往復(fù)泵的體積小，重量輕，壽命長，這主要是提高往復(fù)泵的轉(zhuǎn)速即解決提高轉(zhuǎn)速后出現(xiàn)的各種問題。(3)要求往復(fù)泵更好的適應(yīng)各種介質(zhì)的性質(zhì)和狀況。 (4)發(fā)展新品種。2.2 參數(shù)選擇低溫活塞泵的總體設(shè)計(jì)原則是使往復(fù)泵應(yīng)有足夠長的使用壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，具有較高的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性，盡可能地采用新結(jié)構(gòu)，新材料，新技術(shù)和新工藝，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)9提高產(chǎn)品的三化程度且泵的使用維修方便，體積和重量盡可能小。泵主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇應(yīng)滿足往復(fù)泵性能參數(shù)的要求，從泵的性能可知，一般泵的流量與排出壓力無關(guān)。主要取決于泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，而泵的排出壓力取決于裝置特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、液力端的密封質(zhì)量及電動(dòng)機(jī)的額定功率有關(guān)。2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)低溫活塞泵的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是泵設(shè)計(jì)中的主要參考，關(guān)系到泵的實(shí)際工作質(zhì)量，影響泵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的選擇?，F(xiàn)分別介紹如下：1、流量 液體流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)流過任一過流斷面的液體的體積成為流量。若任一過流斷面的面積為 A,平均流速為 v，則有Q=vA （2.1）2、排出壓力 活塞泵排出壓力是指泵出口處的液體壓力，在有些樣本和技術(shù)文件中規(guī)定的排出壓力是指最大的排出壓力。在實(shí)際應(yīng)用中，必須使排出壓力小于額定的排出壓力。3、吸入壓力 活塞泵吸入壓力是指泵入口處的液體壓力。4、結(jié)構(gòu)形式 活塞泵的結(jié)構(gòu)形式大體上可以分為兩種，即臥式泵和立式泵。5、工作介質(zhì) 工作介質(zhì)是活塞泵中的活塞等零件工作的工作環(huán)境，即其所傳輸?shù)哪繕?biāo)。6、泵的排出溫度 排出溫度是活塞泵所排出液體的溫度，要求低于該物質(zhì)的沸點(diǎn)。泵設(shè)計(jì)參數(shù)的具體數(shù)據(jù)如表 2.1。表 2.1 泵的設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)構(gòu)形式 臥式活塞泵工作介質(zhì) 液氧（液氮、液氬）泵的吸入壓力 MPa10.39P?過冷度要求 8℃黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)10泵的排出壓力 MPa 允許 22 MPa215.P?泵的排出溫度 -182℃流量 190 L/h可調(diào)范圍 70～200 L/h2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)1、活塞平均速度 Vm 的選擇Vm 的選擇要合適，較大會(huì)使摩擦副的磨損加快，引起泄漏加快，流量下降，使排出壓力達(dá)不到額定的值，平均速度 Um 的值過大會(huì)使吸入管路內(nèi)的慣性水頭增加，使吸入性能變壞。而 Vm 選得過小會(huì)相應(yīng)的使活塞直徑 D 增大，使液力端的徑向尺寸增加，相應(yīng)零部件尺寸、總體尺寸和重量都要增大。所以活塞平均速度 Vm的選擇對泵的性能有直接的影響。2、活塞直徑 D的計(jì)算據(jù)公式 D= ???zkUmQ8（2.2）其中 Q——流量，190 L/h；z——液缸數(shù)， z=1；k——作用數(shù)， k=1；τ ——排擠系數(shù)， =0.15；?α——流量系數(shù)， α=0.90。代入公式得 D=22mm3、計(jì)算行程比 （2.3）09.1?Ds?ψ 在 1.0～3.5 范圍內(nèi)，尺寸方案合適。(1)活塞往復(fù)次數(shù) 當(dāng)往復(fù)次數(shù)增加，活塞的行程容積減小，即可減小活塞的直徑 D 或行程 s。減小活塞直徑不僅可使液力端的徑向尺寸減小，同時(shí)可減小活塞力，也可使傳動(dòng)端的受力和傳動(dòng)端零部件的尺寸減小?？梢娞岣咄鶑?fù)次數(shù) n 對減小泵的總體尺寸和重量都很明顯，但提高往復(fù)次數(shù)受到許多因素的限制。如：隨著往復(fù)次數(shù)增加，損失增加，同時(shí)閥的阻力損失增黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)11加，使泵的吸入性能變壞；往復(fù)次數(shù)提高后，相應(yīng)零件的磨損要增加，降低易損件的壽命。所以選 n=175～275 rpm(2)活塞行程 活塞行程和泵總長 L 的關(guān)系如下：L≈(8～16) s可見減小行程后可大幅度地減小泵的總長度。代入數(shù)據(jù)得 mm 2430?nUms（2.4） (3)行程缸徑比 λ =0.9092.3 驅(qū)動(dòng)形式的選擇2.3.1驅(qū)動(dòng)的分類驅(qū)動(dòng)部分是低溫活塞泵系統(tǒng)的重要組成部分，低溫活塞泵常用的驅(qū)動(dòng)形式主要分為機(jī)動(dòng)泵、直動(dòng)泵、手動(dòng)泵三種基本類型。1、機(jī)動(dòng)泵用獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵稱為機(jī)動(dòng)泵。機(jī)動(dòng)泵通常由獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)、減速器、傳動(dòng)端以及其他設(shè)備所組成。 機(jī)動(dòng)泵的特點(diǎn)是：(1)順勢流量脈動(dòng)、平均流量和往復(fù)次數(shù)、活塞行程和直徑有關(guān)。理論上和往復(fù)泵的排出壓力無關(guān)。(2)往復(fù)泵的排出壓力與排除管路的阻力損失、排出端壓力、液力端的密封質(zhì)量有關(guān)。而排出壓力 取決于往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、液力端的密封質(zhì)量和原動(dòng)機(jī)的2p額定功率。(3)機(jī)動(dòng)泵需要有一個(gè)將原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)端，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格也較昂貴。(4)電動(dòng)往復(fù)泵的動(dòng)力來源較方便，不像直動(dòng)泵那樣需要另外配備鍋爐、氣源或液壓源。但在流量調(diào)節(jié)時(shí)必須配備變速原動(dòng)機(jī)、變速機(jī)構(gòu)或采用改變活塞行程等方法來實(shí)現(xiàn)，不如直動(dòng)泵方便。(5)結(jié)構(gòu)變形容易，可以根據(jù)使用情況做成單缸、雙缸、多缸、雙作用、立式、臥式等各種型式。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)122、直動(dòng)泵液力端活塞與動(dòng)力端活塞用同一活塞桿連接，動(dòng)力端可以用有壓蒸汽、空氣、氣體或液體直接驅(qū)動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的泵，稱為直接作用泵，或簡稱為直動(dòng)泵。直動(dòng)泵通常由液力端、動(dòng)力缸、配汽（液）機(jī)構(gòu)和其它輔助設(shè)備所組成。不需要獨(dú)立的原動(dòng)機(jī)和減速機(jī)構(gòu)，直動(dòng)泵根據(jù)所用動(dòng)力介質(zhì)分為蒸汽直動(dòng)泵、氣動(dòng)直動(dòng)泵和液壓直動(dòng)泵等幾種。它們共同的特點(diǎn)是：(1)瞬時(shí)流量脈動(dòng)小平均流量和直動(dòng)泵的排出壓力、往復(fù)次數(shù)n、活塞行程s、活塞直徑D及活塞桿直徑d有關(guān)。在直動(dòng)泵中，往復(fù)次數(shù) n或活塞泵平均速度 一mu般來說不是一個(gè)恒定的值，特別是對蒸汽、氣動(dòng)直動(dòng)泵更為明顯，當(dāng)排出壓力增加時(shí)，活塞平均速度 或往復(fù)次數(shù)n隨之降低，平均流量也相應(yīng)減少。因此，直動(dòng)mu泵不易過載，比較安全。同時(shí)當(dāng)輸送介質(zhì)的粘度變化時(shí)，流量也隨之變化，粘度增加時(shí)，排出壓力增高而流量減小，仍能保持良好的吸入性能。(2)直動(dòng)泵往復(fù)次數(shù)n或活塞的平均速度 和動(dòng)力介質(zhì)的流量大小有關(guān)，即直mu動(dòng)泵的流量取決于動(dòng)力介質(zhì)的流量。因此，直動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)容易，只要通過閥門控制動(dòng)力介質(zhì)的流量，就可以調(diào)節(jié)泵的流量。(3)直動(dòng)泵活塞死點(diǎn)換向時(shí)慣性力很大，并隨往復(fù)次數(shù)增加而加大。通常直動(dòng)泵的往復(fù)次數(shù)較低，大多在n=10～100 之間。1in?(4)直動(dòng)泵需要有壓動(dòng)力介質(zhì)作為動(dòng)力源，而造成有壓動(dòng)力介質(zhì)需要專門的設(shè)備，因此，有關(guān)的設(shè)備較多。而且直動(dòng)泵的動(dòng)力介質(zhì)只能在活塞的排出行程時(shí)做功，在回程時(shí)，則不能利用已被壓縮的介質(zhì)做功，能量損失較大，動(dòng)力介質(zhì)的壓力越高，損失也越大。(5)直動(dòng)泵作為高壓、超高壓、增壓泵時(shí)，其超載安全閥可設(shè)在低壓動(dòng)力介質(zhì)管路系統(tǒng)上，比較安全。同時(shí)不會(huì)因原動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生火花而引起燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。3、手動(dòng)泵用人力操作杠桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的泵，通稱為手動(dòng)泵。手動(dòng)泵主要用在小型水壓試驗(yàn)、噴灑農(nóng)藥設(shè)備等場合。本次設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)形式選用原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，原動(dòng)機(jī)選用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械裝置的原動(dòng)機(jī)應(yīng)按照其工作環(huán)境條件、機(jī)器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)要求選擇。原動(dòng)機(jī)的類型主要有內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)和液壓件等。電動(dòng)機(jī)是一種標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，它具有效率高、價(jià)格低、選用方便等特點(diǎn)。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)132.3.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩類。常用的交流電動(dòng)機(jī)有三相異步電動(dòng)機(jī)(或感應(yīng)電動(dòng)機(jī))和同步電動(dòng)機(jī).異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)容易,運(yùn)行可靠,價(jià)格便宜,具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性,因此,它是工業(yè)中使用最為廣泛的一種電動(dòng)機(jī).1、機(jī)械傳動(dòng)效率 輸入到泵軸上的功率要經(jīng)過曲柄連桿機(jī)構(gòu)、填料箱等各m?種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及摩擦副，要消耗一部分功率。在這里 取 0.97。m?2、泵的總效率 泵的總效率等于有效功率 與軸功率 N 之比，即 eN?（2.5）取用 0.8。3、泵的軸功率 輸入到泵軸上的功率1NkW （2.6）211.07eNQP???4、型號(hào) Y 系列三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī) JB/T 52715、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1440r/min6、功率 4kW2.4 本章小結(jié)本章對低溫活塞泵的整體設(shè)計(jì)作了系統(tǒng)的分析和說明，詳細(xì)地介紹了驅(qū)動(dòng)形式的選擇并詳盡的說明了設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇與計(jì)算。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)14第 3章 低溫活塞泵的液力端的設(shè)計(jì)液力端是直接輸送液體，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，是介質(zhì)的過流部分。液力端包括液缸體、吸入閥、排出閥、活塞、填料箱及其密封等主要零部件。3.1 液力端的結(jié)構(gòu)及工作原理液力端包括液缸體、吸入閥、排出閥、活塞和缸套和填料箱及密封等主要零部件。往復(fù)泵液力端的結(jié)構(gòu)主要取決于液缸數(shù)、液缸的位置、作用數(shù)及吸入閥、排出閥的布置型式等。3.1.1液力端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則(1)過流性好，水利損失少；(2)過流部分應(yīng)有利于氣體的排出，不允許有氣體滯留的死區(qū)；(3)余隙容積盡可能?。?4)易損件壽命長，拆裝方便；(5)加工工藝性好。3.1.2 結(jié)構(gòu)及原理低溫活塞泵的結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示，采用開路方法：活塞泵中的活塞不再是一個(gè)實(shí)心的活塞，而是一個(gè)空心的活塞，且液體將從活塞兩端同時(shí)進(jìn)入，使活塞成為黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)151.排出閥 2.吸入閥 3.活塞 4.中間桿 5.十字頭 6.連桿 7.曲軸圖 3.1 活塞泵工作原理圖通路，也就是開路。把吸入閥置于活塞中，使得結(jié)構(gòu)緊湊，減小了液缸的尺寸和余隙容積。在吸入行程中，十字頭通過中間桿帶動(dòng)活塞向右移動(dòng)，液缸 a 內(nèi)容積增大，壓力降低小于 b 中壓力，在壓力差的作用下克服吸入管路和吸入閥 2 的阻力損失，使吸入閥 2 遠(yuǎn)離 B 口，B 口打開，液體從 C 口進(jìn)入活塞腔 b 中，再從 B 口通過 2的邊槽充入液缸 a 內(nèi)。在排出行程中，十字頭帶動(dòng)中間桿使活塞向左運(yùn)動(dòng)，液體被擠壓，液缸 a 中的液體壓力急劇增加，在這一壓力作用下，吸入閥 2 向右滑動(dòng)，封住 B 口，而排出閥 1 被打開，液缸內(nèi)液體在壓力差作用下被排送到排出管路中去。3.2 液力端的設(shè)計(jì)3.2.1液力端材料的選取由于介質(zhì)物性的決定，要滿足低溫環(huán)境下能長期工作，所有制造零件：泵缸（套） 、活塞（柱塞） 、環(huán)等材料在低溫下不發(fā)生脆性變化，仍能滿足機(jī)械性能。對絕熱低溫部件，如泵缸、活塞體、環(huán)、活門等，在滿足強(qiáng)度前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要輕巧，配合要適宜。低溫泵的過流部分與低溫流體相接觸。當(dāng)泵低溫工作時(shí)，就必然對材料有所要求。一般金屬材料在低溫下冷脆，故不能選用。碳鋼的強(qiáng)度隨溫度的降低而降低，同時(shí)塑性也減小，且變得更脆。相反，鋁合金在低溫狀態(tài)下其強(qiáng)度會(huì)增加。能供選用的材料有奧氏體不銹鋼、鋁合金、銅合金以及鎳合金等。凡與液氧接觸的主要零件材質(zhì)選定如下：泵殼體、液缸體為鋁合金，活塞桿等為奧氏體不銹鋼。目前已開發(fā)并成功地使用了較高強(qiáng)度的 18/8 奧氏體鋼，且ba 3B 4 6 71 2 B C 5黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)16奧氏體鋼在低溫下其基本性能保持不變?？紤]到在液氧低溫下材料收縮變形較大，為此上述零件在精加工前均在液氧中進(jìn)行冷處理以使尺寸穩(wěn)定。有配合的部位均要考慮材料冷縮的協(xié)調(diào)性和低溫下工作時(shí)的合理間隙。此外，盡量使零件結(jié)構(gòu)上軸對稱。低溫泵與其它普通泵一樣，都存在著汽蝕余量和汽蝕問題，但由于受低溫結(jié)構(gòu)材料和輸送液體特性等因素的影響，使得低溫泵還具有其特殊性。3.2.2液缸體材料的選用與尺寸的確定活塞在工作時(shí)，液缸體內(nèi)承受工作內(nèi)壓力；由于液缸體內(nèi)相關(guān)某些零件以及沖擊載荷的作用，使液缸壁內(nèi)產(chǎn)生附加應(yīng)力；活塞泵輸送低溫液體時(shí)，由于液缸壁內(nèi)外存有溫差，相應(yīng)產(chǎn)生溫差應(yīng)力；且液缸內(nèi)流道中存在交叉點(diǎn)，在這些交叉點(diǎn)處存在局部應(yīng)力。為保證液缸體能正常安全工作，液缸體材料的選擇與壁厚大小的選取要合適。1、缸體材料的選用液缸體的毛坯采用鑄件，其重量輕，材料消耗少，機(jī)械加工量少且成本低。鑄件的組織不均勻和殘余應(yīng)力等缺陷應(yīng)通過熱處理或時(shí)效處理消除。為提高液缸體的疲勞強(qiáng)度，要對液缸體進(jìn)行表面強(qiáng)化或涂保護(hù)層措施。2、 液缸體主要尺寸的確定由于液缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上液缸以內(nèi)液體壓力的脈動(dòng)，使液缸體的受力復(fù)雜，給設(shè)計(jì)帶來較大的困難。我們把液缸體看成一個(gè)壓力容器，泵在工作時(shí)由于液缸體內(nèi)受工作內(nèi)壓力、壁內(nèi)產(chǎn)生的附加應(yīng)力、溫差應(yīng)力及應(yīng)力集中，這就對液缸體的強(qiáng)度有一定要求。液缸體鋼套壁厚為：cpr???6.0][1??（3.1）式中 δ——液缸體的壁厚；——工作內(nèi)壓力，既排出壓力， =15.2 MPa；2p2——液缸體的內(nèi)半徑，11mm；1r[σ ]——液缸體材料的許永應(yīng)力，泵缸材料鋁合金；c——考慮到所輸送介質(zhì)的腐蝕和由于鑄造造成的偏心的壁厚附加量，即腐蝕余量，c 選取 3mm；得缸套計(jì)算壁厚 6.4mm；黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)17設(shè)計(jì)壁厚取 8mm；氣缸外壁設(shè)計(jì)壓力 = ；p?2其外壁計(jì)算壁厚 =5.2mm；1s則 外壁設(shè)計(jì)壁厚 =6mm。3.3 密封及其它3.3.1密封密封是低溫泵研制的技術(shù)關(guān)鍵，它直接影響到泵的可靠性。其型式有填料式、機(jī)械密封和迷宮式等，本低溫泵采用的是填料式。活塞與液缸體內(nèi)壁組成一對動(dòng)密封，密封元件組裝在活塞上。此次設(shè)計(jì)選用脹緊式活塞。脹緊式活塞是靠裝配狀態(tài)活塞環(huán)對缸套內(nèi)壁的彈力實(shí)現(xiàn)密封的，磨損后可自行補(bǔ)償。這種結(jié)構(gòu)簡單，活塞環(huán)可更換，應(yīng)用廣泛?；钊麠U與中間桿連接處密封采用軟填料密封。雖然采用多種方法對泵的液力端進(jìn)行密封，但是仍會(huì)產(chǎn)生泄漏。1、泄漏點(diǎn)主要有五處(1)軸套與軸間的密封；(2)動(dòng)環(huán)與軸套間的密封；(3)動(dòng)、靜環(huán)間密封；(4)對靜環(huán)與靜環(huán)座間的密封；(5)密封端蓋與泵體間的密封。2、產(chǎn)生泄漏時(shí)，一般為以下泄漏原因(1)安裝靜試時(shí)泄漏。機(jī)械密封安裝調(diào)試好后，一般要進(jìn)行靜試，觀察泄漏量。如泄漏量較小，多為動(dòng)環(huán)或靜環(huán)密封圈存在問題；泄漏量較大時(shí)，則表明動(dòng)、靜環(huán)摩擦副間存在問題。(2)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的泄漏。泵用機(jī)械密封經(jīng)過靜試后，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，會(huì)抑制介質(zhì)的泄漏。因此，試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械密封泄漏在排出軸間及端蓋密封失效后，基本上都是由于動(dòng)、靜環(huán)摩擦副受破壞所致。(3)引起摩擦副密封失效的因素主要有：l）操作中，因抽空、氣蝕、憋壓等異?，F(xiàn)象，引起較大的軸向力，使動(dòng)、靜環(huán)接觸面分離；2）對安裝機(jī)械密封時(shí)壓縮量過大，導(dǎo)致摩擦副端面嚴(yán)重磨損、擦傷；3）動(dòng)環(huán)密封圈過緊，彈簧無法調(diào)整動(dòng)環(huán)的軸向浮動(dòng)量；黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)184）靜環(huán)密封圈過松，當(dāng)動(dòng)環(huán)軸向浮動(dòng)時(shí)，靜環(huán)脫離靜環(huán)座；5）工作介質(zhì)中有顆粒狀物質(zhì)，運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)人摩擦副，探傷動(dòng)、靜環(huán)密封端面；6）設(shè)計(jì)選型有誤，密封端面比壓偏低或密封材質(zhì)冷縮性較大等。上述現(xiàn)象在試運(yùn)轉(zhuǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)，有時(shí)可以通過適當(dāng)調(diào)整靜環(huán)座等予以消除，但多數(shù)需要重新拆裝，更換密封。由上述的原因可見，在出現(xiàn)泄漏時(shí)，要對密封進(jìn)行改進(jìn)。3.3.2摩擦及潤滑低溫活塞泵的摩擦顯然存在，就是程度不同而已，由于該設(shè)備以氣體為主，如果缸套活塞頻繁磨損，勢必影響設(shè)備的主要性能。尤其是高壓小流量更難以對付。因此活塞環(huán)（導(dǎo)向環(huán)）以及活塞桿的密封應(yīng)選用耐磨性好、摩擦系數(shù)小的聚四氟乙烯。經(jīng)多種配方用特定工藝處理研制而成。減小摩擦可采取了以下幾種方法：1、提高液體的過冷度，保證活塞在缸套內(nèi)作運(yùn)動(dòng)時(shí)，有充分的液體加以潤滑，以減少缸套與活塞間的磨損。2、改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，在缸套活塞磨損到一定程度后，仍能靠一定的密封結(jié)構(gòu)繼續(xù)工作一段時(shí)間，延長缸套活塞的壽命。3、改進(jìn)泵的結(jié)構(gòu)，是缸套活塞工作時(shí)，缸套于活塞間產(chǎn)生液墊或氣墊，減少磨損。低溫活塞泵由于工作性質(zhì)的決定，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其低溫部分不允許有潤滑油污染。因?yàn)椋?1)多數(shù)潤滑劑在低溫時(shí)便應(yīng)失去其潤滑性能。(2)輸送介質(zhì)不允許污染。(3)輸送液氧為了安全起見，不允許使用潤滑劑。3.3.3氣體回收及絕熱眾所周知，用泵輸送液體，液體的溫度隨效率降低而升高，在一定情況下有可能發(fā)生兩相流，為此在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮氣體的排放問題。因液化氣體很昂貴，活塞泵工作時(shí)的漏損應(yīng)盡可能小。即使蒸發(fā)的液化氣體是以氣態(tài)回收的，但如此冷損依然很大。本設(shè)計(jì)回收氣體方法如圖 3.1 所示。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)19排 出 管 路 排 氣吸 入 管 路圖 3.1 回收氣體的方法3.3.4絕熱低溫泵輸送的介質(zhì)是低溫液化氣體，為減少低溫介質(zhì)損耗，泵的質(zhì)量應(yīng)盡可能小而且有適當(dāng)?shù)谋亟^熱措施。而且使冷卻的量盡可能小些，它倆之間的溫差約 300℃左右，應(yīng)有一定的措施將它傳熱隔離開來。泵殼、吸入管道、排出管道等以聚氨酯發(fā)泡絕熱。低溫活塞泵與周圍絕熱法1、絕熱對低溫活塞泵是十分必要的，特別對泵進(jìn)口部分顯得尤其重要。但對不同絕熱方法的成本及效果也就不同，見表 3.1。因此不同低溫泵就須選擇不同的絕熱方法。對工作溫度很低的介質(zhì)，一般多采用粉末真空后多層絕熱。絕熱結(jié)構(gòu)必須把傳導(dǎo)熱和輻射熱減少到最小程度。表 3.1 不同絕熱方法比較序號(hào)絕熱方法 絕熱效果 重量制造難易要求真空度穩(wěn)定性附加熱容量價(jià)格1 氣泡材料 差 輕 易 良 大 極便宜2 高真空 優(yōu)良 —— 難 1.3×10-4Pa 尚良 最小 較貴3 粉末真空 良 輕 易 1.3×10-1Pa 良 大 便宜4粉末真空+金屬粉優(yōu)良 重 難 1.3×10-1Pa 良 大 貴5 保冷管襯 優(yōu)良 重 難 1.3×10-1Pa 良 較小 貴6 多層絕熱 優(yōu)良 根輕 難 1.3×10-2Pa 優(yōu)良 小 貴把傳導(dǎo)熱和輻射熱減少到最小程度。黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)203、對采用氣泡材料絕熱方法，其絕熱效果很大程度上取決于材料本身的導(dǎo)熱度和填裝密度與層厚，常見絕熱導(dǎo)熱材料如表 3.2 所示。表 3.2 絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)3.4 本章小結(jié)本章對低溫活塞泵液力端的基本結(jié)構(gòu)及工作原理作了系統(tǒng)的分析和說明，詳細(xì)地介紹了低溫活塞泵液力端的設(shè)計(jì)。第 4章 低溫活塞泵的傳動(dòng)端設(shè)計(jì)低溫活塞泵傳動(dòng)端是泵中傳遞動(dòng)力的部件，是將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部件。4.1 傳動(dòng)端的工作原理傳動(dòng)端其實(shí)就是帶有減速裝置的曲柄連桿機(jī)構(gòu)。如圖 4.1 所示材料名稱 λ(kJ/m2 ˙ h˙ ℃) 材料名稱 λ(kJ/m2 ˙ h˙ ℃)聚苯乙烯泡沫塑料 0.09～0.0243(-160 ℃) 脲甲醛泡沫塑料0.05～0.109(-196℃)聚氯乙烯泡沫塑料 0.155～0.167(-200 ℃) 礦 渣 棉 0.155～0.188碳酸鎂(γ=131kg/m 3) 0.092(-150℃)0.075(-200℃)玻 璃 棉 0.01珠光砂( γ=80kg/m 3) 0.067～0.105 白 霜 13黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)21曲柄 1 以 ω 的角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)從 A 轉(zhuǎn)到 B 連桿 2 帶動(dòng)十字頭 3 向右移動(dòng)，使活塞 5 也向右移動(dòng)，進(jìn)入吸入行程；當(dāng)從 B 到 A 時(shí)，進(jìn)入排出行程。當(dāng)曲柄以角速度 ω 不停的旋轉(zhuǎn)時(shí)，低溫活塞泵就不斷地吸入和排出液體。4.2 傳動(dòng)端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)低溫活塞泵的傳動(dòng)端主要包括有曲軸、連桿、十字頭、軸承、軸瓦等部件，且配有皮帶減速裝置。泵的傳動(dòng)端在選擇和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循的原則是：1、傳動(dòng)端的零部件必須滿足泵的強(qiáng)度和剛度的要求；2、傳動(dòng)端內(nèi)各運(yùn)動(dòng)副必須滿足比壓和 pv 值，且潤滑可靠；3、在結(jié)構(gòu)和尺寸要求的允許范圍內(nèi)，應(yīng)力求減小徑長比 λ ，以減小十字頭出比壓和減小慣性水頭的影響，從而改善了泵閥的工作條件和泵的吸入性能；4、合理選擇液缸中心線夾角、曲柄間錯(cuò)角，力求使機(jī)組的慣性力和慣性力矩得到平衡，減輕對基礎(chǔ)的撓力載荷；5、拆裝、檢修方便；6、易損件及運(yùn)動(dòng)副應(yīng)工作可靠、壽命長；7、加工工藝性好。傳動(dòng)端主要結(jié)構(gòu)如 4.2 圖所示：1.曲柄 2.連桿 3.十字頭 4.中間桿 5.活塞圖 4.1 曲柄連桿結(jié)構(gòu)黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)22除了本設(shè)計(jì)采用的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在很多人都在關(guān)注其它結(jié)構(gòu)，如今凸輪機(jī)構(gòu)引起廣泛的關(guān)注。凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是等加速-等速-等減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的組合，能實(shí)現(xiàn)恒流量輸出，無剛性沖擊的存在，無壓力波動(dòng)，這是曲柄連桿機(jī)構(gòu)無法解決的問題。但凸輪機(jī)構(gòu)有柔性沖擊，加速度有突變，必然導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)件慣性力突變，特別是轉(zhuǎn)速越高，突變幅度越大，柔性沖擊越嚴(yán)重，不宜做高速運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)一步修正和改進(jìn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。4.3 曲軸的設(shè)計(jì)曲軸是往復(fù)泵的重要運(yùn)動(dòng)件，它將電動(dòng)機(jī)的功率經(jīng)連桿、十字頭傳給活塞，推動(dòng)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)并做功。曲軸在工作時(shí)承受著周期性的交變載荷，是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中最重要的受力零件。曲軸的形式有：曲拐軸、曲柄軸、偏心輪軸及 N 型軸等幾種形式。本低溫活塞泵采用的是偏心輪軸，采用這種結(jié)構(gòu)，偏心輪為整體鑄或鍛件，心軸為簡支梁，主軸承安在心軸兩端。當(dāng)偏心輪直徑大于主軸承軸徑時(shí)，連桿大頭可為整體結(jié)構(gòu)，連桿結(jié)構(gòu)可簡化。該傳動(dòng)端可獲得較大的曲柄半徑。由于支撐在兩端，故液缸間距較小。4.3.1曲軸主要尺寸的初步確定1.連桿 2.曲軸箱 3.中間桿 4.擋油傘 5.十字頭 6.十字頭銷 7.十字頭襯套 8.曲軸 9.大帶輪圖 4.2 低溫活塞泵傳動(dòng)端黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)23曲軸的連桿軸頸直徑 D 可按經(jīng)驗(yàn)公式得1max)0753.~4.(F?（4.1）ax2maxPDF?（4.2）式中 ——最大活塞力，單位 N；maxFD——活塞直徑，單位 mm；——泵的最大排出壓力，單位 N/㎡。maxp得 mm901?主軸徑 D 選取為 70mm24.3.2曲軸強(qiáng)度校核危險(xiǎn)截面的選?。簩B桿軸徑校核力作用點(diǎn)截面；主軸頸校核主軸頸與連桿軸徑交接截面。據(jù)彎矩、扭矩計(jì)算找出各危險(xiǎn)截面相應(yīng)最大彎矩和最大扭矩值，作為強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。曲軸的載荷分析如圖 4.3 所示，從圖中可知 C 面是危險(xiǎn)截面，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。軸所受扭矩： T=9550000 =9550000 =27477Nmm （4.3）nP3507.1作用在偏心輪上的支反力： F=2T/d=T/r=17477/12=2290N （4.4）彎矩： M=F×52/2=5953Nmm （4.5）則危險(xiǎn)截面上的計(jì)算應(yīng)力MPa （4.6）22()0caTW?????黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)24式中 α ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力，取 1；W——抗彎截面系數(shù)， W≈0.1 。3d曲軸材料選用的是碳素鋼，經(jīng)計(jì)算 ，故安全。][1???caW——抗彎截面系數(shù)，W ≈0.1 3d曲軸材料選用的是碳素鋼，經(jīng)計(jì)算 ，故安全。][1???ca4.4 連桿的設(shè)計(jì)連桿是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中連接軸和十字頭的部件。連桿體截面形狀有圓形、工字形、矩形和十字形。本設(shè)計(jì)選用的是鑄成的工字體形，其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量小，即材料消耗最少，應(yīng)用廣泛。連桿大頭采用整體式結(jié)構(gòu)，a)軸的結(jié)構(gòu) b)計(jì)算簡圖 c)受力分析 d)彎矩圖 e)扭矩圖 f)合力矩圖圖 4.3 軸的載荷分析圖黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)25其強(qiáng)度和剛度較好，工作可靠。連桿小頭亦制成整體式。小頭與十字頭的連接選用銷連接。在連桿大頭和小頭上分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的進(jìn)油孔，利用甩油器實(shí)現(xiàn)飛濺潤滑。4.4.1連桿體截面最小強(qiáng)度校核連桿體與小頭聯(lián)接的過渡截面為最小截面，該截面可看作承受單純的拉伸或壓縮作用，其最大應(yīng)力 1y?=40MPa≤[σ] minaxina1AFcy??（4.7）式中 ——最大連桿力,單位：N maxcF——連桿最小截面面積,單位：m ；inA2——連桿體材料許用應(yīng)力,單位：MPa。???碳素鋼的 =120 MPa，故安全。4.4.2銷連接小頭強(qiáng)度校核危險(xiǎn)截面 A-A 的強(qiáng)度校核，如圖 4.4 所示。按兩端自由支承在側(cè)壁重心點(diǎn)的梁受均布載荷的彎曲應(yīng)力和兩端固定支承在側(cè)壁重心點(diǎn)的梁受均布載荷的平均彎曲應(yīng)力計(jì)算，即16MPa≤[σ] （4.8）??WdlFA16)3(?式中 F——最大作用力；l——兩端壁重心間距離，l=52mm；d——小頭襯套內(nèi)徑，d=44mm；——截面 A-A 抗彎截面系數(shù)， =1200mm ；AWAW3——許用應(yīng)力，碳素鋼 =70MPa。??????故安全。危險(xiǎn)截面 B-B 按彎曲和拉伸聯(lián)合作用進(jìn)行強(qiáng)度校核：PBWB???黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)26（4.9）其中 BWBAF2??（4.10）BPBZFl8??（4.11）式中 ——截面 B-B 面積， mm ；BA240BA2l——兩側(cè)壁重心間距離，l=52mm；——截面 B-B 抗彎截面系數(shù)，等于 ；BWAW合格。??????MPa62連桿大頭校核方法同上，經(jīng)驗(yàn)算，各危險(xiǎn)截面均滿足強(qiáng)度要求，故合格。 B4.5 十字頭的設(shè)計(jì)十字頭在滑道里作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，起導(dǎo)向作用。它的作用是把連桿的搖擺運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把連桿傳來的機(jī)械能傳遞給活塞。獅子頭的材料要求具有一定的耐磨性，有一定的強(qiáng)度。本次設(shè)計(jì)采用的材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼中的 45 號(hào)鋼。近年來發(fā)展起來一種新材質(zhì)即貝氏體球鐵。由于這種材質(zhì)具有較高的耐磨性能、強(qiáng)韌性能和耐腐蝕性能，因此被廣泛用作耐磨材料，尤其在濕磨條件下顯示出比普通耐磨鋼和高鉻鑄鐵更大的優(yōu)越性。鑄態(tài)貝氏體球鐵是通過加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，使球鐵在凝固后直接形成貝氏體組織。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是由于取消了淬火熱處理，特別適合于生產(chǎn)形狀復(fù)雜，不宜熱處理的鑄件，如泥漿泵殼等。但是由于具體性能和經(jīng)濟(jì)性等方面考慮未被選用。圖 4.4 危險(xiǎn)截面強(qiáng)度校核黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)27圖 4.5 十字頭銷計(jì)算簡圖十字頭與連桿小頭聯(lián)接選用銷連接，與活塞桿連接通過中間桿連接，且連接方法選用剛性連接，即圓柱螺紋連接。其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，但由于十字頭與活塞桿承受交變載荷，會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，故需要加鎖緊螺母以防松。十字頭銷是連接十字頭與連桿小頭的連接件，承受交變載荷。因此要有足夠的強(qiáng)度和剛度。工作表面要有一定的硬度，使其在工作時(shí)變形小而耐腐蝕性好。十字頭銷強(qiáng)度校核計(jì)算簡圖如下：強(qiáng)度校核時(shí)，把十字頭銷看作是兩端自由支撐在銷孔座接觸部位中點(diǎn)的簡支梁，在連桿稱套長度上作用一均布載荷如圖 4.5 所示。在 A-A 截面上有最大彎曲應(yīng)力，在 B-B 截面處產(chǎn)生剪切。A-A 截面處彎曲應(yīng)力較核：????????2)(4.040maxxBbLdF?（4.12）——最大活塞力， =8358N；maxFmaxFd——十字頭銷直徑，d=40mm；——空心銷孔徑， ＝16mm；00dL——十字頭銷兩支撐點(diǎn)間距，L = 60mm；黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)28——連桿小頭套襯長度， =32mm；xbxb[σ ]——許用彎曲應(yīng)力，碳素鋼：[ σ ]=70MPa。=15 MPa≤[σ] 故安全。B?B-B 截面的剪切應(yīng)力：MPa （4.13）max204()Fd????式中[ τ ]——許用剪切應(yīng)力，碳素鋼[τ]=50Mpa， τ ≤[ τ ]安全。4.6皮帶及其它4.6.1皮帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)與曲軸間用皮帶相連，以達(dá)到減速的目的。在帶傳動(dòng)中，常用的有平帶傳動(dòng)、V 帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)等，V帶傳動(dòng)應(yīng)用最廣。據(jù)槽面摩擦原理，在同樣的張緊力下，V 帶傳動(dòng)能產(chǎn)生較大的摩擦力，且 V 帶傳動(dòng)允許的傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊。而且 V 帶多已標(biāo)準(zhǔn)化并大量生產(chǎn)，對于維修，更換方便。帶傳動(dòng)的主要失效形式即為打滑和帶的疲勞破壞。因此帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則應(yīng)為：在保證帶傳動(dòng)不打滑的條件下，具有一定疲勞強(qiáng)度和壽命。1、 確定計(jì)算功率 caP得工作情況系數(shù) ，故4.1?AKkW 1.45.6caApKP???（4.14）2、確定帶輪基準(zhǔn)直徑得主動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑 mm125d從動(dòng)輪基準(zhǔn)直徑 mm 21.82530di???（4.15）取 mm235d?式中 ——傳動(dòng)比i驗(yàn)算帶的速度smndv3042.9106????（4.16）黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)29帶的速度合適。3、確定 V 帶的基準(zhǔn)長度和傳動(dòng)中心距據(jù) ，初步確定中心距 450mm????210217.0dda??? ?0a計(jì)算帶所需的基準(zhǔn)長度mm 210120()()6834dddL????（4.17）選帶的基準(zhǔn)長度 1600mmd計(jì)算實(shí)際中心距 amm 0427dLa????（4.18）4、輪上的包角 1???? 105.780121 ????ad（4.19）主動(dòng)輪上的包角合適。5、計(jì)算 V 帶的根數(shù) z??LcaKPz?0???（4.20）由 、 mm、 ，得min/140rn?125d?8.ikW0.PkW46?又因 ， ，則82.??K1.L3?z取 根。4z6、力 0F2015.qvKvzPFca??????????（4.21）黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)30得 ，故mkgq/17.0?N0167F?7、作用在軸上的壓軸力 PN （4.22）102sin23.4z?4.6.2其它本次設(shè)計(jì)軸承選用的是調(diào)心滾子軸承，其能自動(dòng)調(diào)心，且具有較大的徑向承載能力。4.7 本章小節(jié)本章對低溫活塞泵的傳動(dòng)端的基本結(jié)構(gòu)和工作原理作了系統(tǒng)的分析和說明，詳細(xì)地介紹了曲軸、連桿、十字頭及傳動(dòng)件皮帶輪的計(jì)算及對一些重要部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核。結(jié) 論往復(fù)泵是一種很古老的發(fā)明，它是把自然能轉(zhuǎn)變成有用功的最早發(fā)明，而且世界上泵的產(chǎn)量僅次于電機(jī)。隨著時(shí)代的變遷，泵在一些基礎(chǔ)行業(yè)仍煥發(fā)著魅力，在一些新的行業(yè)中也越來越活躍。這次設(shè)計(jì)使我對活塞泵有了新的認(rèn)識(shí)。本論文結(jié)合理論與實(shí)踐，主要完成了以下幾方面的工作。1、對泵的發(fā)展過程及低溫活塞泵的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)地介紹，并對其發(fā)展的未來進(jìn)行了描述。2、對低溫活塞泵的整體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選出符合設(shè)計(jì)要求的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)和電動(dòng)機(jī)，為以下具體部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做好充分的準(zhǔn)備3、對低溫活塞泵的主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。其中以活塞泵的液力端和傳動(dòng)端為主。液力端中除了液缸體進(jìn)行了主要分析和計(jì)算，還對液缸體中的密封、潤滑、活塞及桿件的摩擦、氣體的回收和絕熱等情況進(jìn)行了深入地探討，對應(yīng)采取的措施也作了一定的介紹。在活塞泵的傳動(dòng)端中，對傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要部件如：曲軸、十字頭等除了確定了尺寸還對他們進(jìn)行了安全校核，使其具有一黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)31定的強(qiáng)度等。通過本課題的研究發(fā)現(xiàn)，為進(jìn)一步提高低溫活塞泵的性能，需要對其完善以下幾種功能：1、對活塞泵的基本結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使活塞泵在滿足性能的前提下結(jié)構(gòu)趨于簡單化，使泵的總體體積縮??；整機(jī)趨于標(biāo)準(zhǔn)化，可便于用戶的選用;2、應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)研究液力端的密封、氣體回收等問題，進(jìn)一步提高活塞泵的效率;3、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)繼續(xù)改進(jìn)，以進(jìn)一步減小流量的脈動(dòng)為努力方向。參考文獻(xiàn)[1]朱俊華.往復(fù)泵及其它類型泵[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.[2]朱俊華，戰(zhàn)長松.往復(fù)泵[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.[3]I.J.卡拉?？说萚美].泵手冊[M]. 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