单螺杆泵的结构设计与性能分析（含三维PROE建模）
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on of of of to a of a to by a a on GK by 20 mm of a . n of is or to or or in An of be to a to we an 2. of 1 a of of by a of a of of a it to as is by of 7K) 1. of of of of O, I, . In of of or of 2A) as of 11K) 2. of (A) of a of (B) is as a of by 2B) of e by a is of GK of in 1) is 2) P is MS a MC a by a by of L of We P S 3 , MC is by a of of Rr 3) 4) C=1/(1/), U=(2). Rr by GL 1 by 2. 3. of 4K) 3. a a a as 4, we or to (5) M is of 4. in et 4 . of 3K) 4. of of pi in is 6) is of MO O, MI I, of , of iO,iI,of to or by 7) c of In Tc , to i+1)th (6) 7) be pi t=0= t=(i=1,2,3, (8) 3. a . 5a to 5b to as a of in 00 Pa . of an of 10K) 5. (a) (b) 4. he as 1. of 2. . S. R. 1995, 3, 559 604. 2. V. 1980. 3. M. . 3 3 (1991), 466 477. 4. T. T. . B 64 621 (1998), 1419 1425. 5. T. T. H. on B 65 (637) (1999) 3048 3053. 6. Y. . J. 33 3 (1990), 92 94. 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 系 别 ： 机电信息系 专 业： 机械设计自造及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 外文出处： 万方数据库 附 件： 1. 原文 ； 2. 译文 2011 年 06 月 螺杆真空泵的性能预测的研究 摘要 调查螺杆真空泵的抽泵特性。该研究的目标是开创性能预测的一个方法和一种使设计满足特定需求的泵的方式。 我们平衡分析了在几何学的抽泵速度、净通过量和渗漏量之中的性能。 渗漏流过一个螺杆转子和一个定子、以及在二个啮合转子之间的间隙。 这些漏洞与流过标准的迷宫以被使线性化的 型为基础的结果一起估计。我们以 120 毫米直径 的转子为实验对象 , 测量了抽泵速度和极限压力。 测量值和预测值之间的比较显示了当前的方法对在实际应用中螺杆泵的表现的高效准确的预测。 1. 引言 近几年来，螺杆真空泵已经越来越受到重视 , 在泵中伴随着气体抽吸或者被浓缩或凝固时，因为泵的结构很简单，液体或气体难于积累。一个螺杆真空泵的分析模型将会对设计满 足特定要求的泵提供帮助，而且可以预测在为不同情况而设计的抽泵特性。 因此 , 我们为螺杆真空泵计划一个分析的模型。 2. 分析模型的概要 图 1 表示一对啮合的螺杆真空泵的转子。容积被螺纹槽封闭 , 当转子替换的時候，另一个转子和一个定子的齿顶分离气体并从入口侧到出口侧转移气体。 建造模型要在几何抽泵速度之和净通过量净渗透量之间平衡。 显示原尺寸这一个图像的版本 图 1. 螺杆真空泵的啮合转子的结构。 在螺杆真空泵内的渗漏的路径 在螺杆泵内有三种类型的间隙 , 也就是转子和定子之间的间隙 O, 转子之间的径向间隙 I, 和转子之间的轴向间隙。 在单线螺纹的情况 , 进入或者从第三个转移空间溢出的渗漏路径 (在图 2 A 出现 ) ，举例如下。 显示原尺寸这一个图像的版本 图 2. 间隙和渗漏的流动路径 : (A) 一对螺纹的转变 ; (B) 轴向间隙。 渗漏经过轴向间隙被认为是主要部分 (由直箭头，在图 2B)和次要部分 (弧形箭头 )的一个叠加。 评估渗漏的方法 我们以一个复合方法评估渗漏。该方法派生于理想迷宫的流程率和 程式流程率及漫反射。 经过转子和定子之间间隙和经过转子之间的轴向间隙的漏洞 , 两者都服从于下表的公式 (1) 而渗漏经过转子之间的径向间隙由下面公式给出 (2) 其中 通过一个狭缝质量流率， 于压力不同两个滚筒之间的质量流率是 于转子的转动两个转子之间的质量流率是 和 理想迷宫的质流率。 我们 分别地根据长谷川和 宋以及宋 和板仓 第 3和第 6的研究 得到对 这样一个事实决定 ，即由于速度 的 反对称性 无穷小的流量率等于一半 。 (3) 4) 因为 (1/), U=(2)。 由抛物线薄膜近似值 2 的 式 1 被获得。 结果在图 3 被显示。 显示原尺寸这一个图像的版本 图 个 圆柱和一个平面 的缝隙。 轴向间隙有一个非均匀的差距， 如 图 4所示 ，然后我们定义 平均值 或其代表的数量，适用上述评价方法。举例来说， (5) 定义 在图 4 出现的像透镜功能区域的平均方型间隙。 其他定义在 大林 隆之介 等人 4 和 5 的研究出现。 显示原尺寸这一个 图像的版本 图 4. 轴向间隙的宽度轮廓。 抽泵特性 假定压力等温地改变 , 在第 (6) 如果 V 是一转移体积的量 , 漏率经过 O， 漏率经过 I, 漏主要成份经过 , 漏的较小成份经过经由最小的缝隙并且 iO,iI,表上一个和下一个转换容器的数字之间的差别，而这些数字对应于通过标记而编入索引的间隙或路径。 平衡各方面的几何抽速，净流量和泄漏导致 (7) 即 发生这种情况：螺丝是单 线的 ， 则 / ，因为 经过了一半的循环第 i+1 个位置上 。 （ 6 ）及（ 7 ）可以按照下列 周 期条件解决： pi t=0= t=(i=1,2,3, (8) 3. 实验 以螺杆式真空泵进行了实验，其尺寸列在表 1 。图 5 速度 的对比测量和分析预测。图 限压力作为一个转速 的 函数 比较 。最终的压力和抽速 的 测量结果与预测 值 ，在进 口 压力 在 超过 100帕的范围都是可以调节的 。 表 1. 实验螺杆真空泵的尺寸 显示原尺寸这一个图像的版本 图 5. 实验的结果和分析的预测之间的比较 : (一 ) 抽泵速度和插入物压力比较 ; (b) 终极的压力和旋转速度比较。 4. 结论 结论归纳如下： 1 。 对 螺杆式真空泵进行了分析， 并提出了抽泵特性的分析模型 ; 2 。通过实验 证明了 分析模型的正 确性。这种模式有满意的精度， 可以 为实际应用。 参考文献 1 。第福井县，传译金子，分子气体膜润滑，在：手册中的微 /纳米摩擦学，华润新闻，佛罗里达， 1995年，第 13页。 559 2 。华总，香格里拉近日，五城堡，油膜润滑，出版社，纽约， 1980 年。 3 。米长谷川和 育课。流体 3 3 （ 1991 ） ，页。 466全文途经 4 。汤匙 汤匙，泽及米滨口。跨。日本公布。 械。英文。 b 64621 （ 1998 ） ，页。 1419年至 1425年。 5 。汤匙 汤匙泽，每小时宫，对螺杆式真空泵两个分段常数带头角度，跨。日本公布。 械。英文。 b 65 （ 637 ） （ 1999 年） 3048年至 3053年。 6 。耀玫瑰和 E 。板仓。 。日本公布。 33 3 （ 1990 ） ，页。 92 三维 配图零件图模型 01339828 I 目 录 摘要 . . 绪 论 . 1 究背景及研究意义 . 1 内外研究综述 . 1 外螺杆泵的应用现状 . 1 内螺杆泵的应用现状 . 2 题的研究内容和方法 . 3 2 单螺杆泵概述 . 4 言 . 4 本结构和工作原理 . 5 能参数 . 8 用特点 . 10 螺杆泵的特性 . 11 螺杆泵的选用 . 11 3 单螺杆泵结构设计与性能计算 . 13 螺杆泵结构设计 . 13 杆和衬套尺寸的确定 . 13 杆和衬套的型线设计 . 14 螺杆泵材料的选用 . 18 螺杆泵的加工制造 . 20 杆的加工 . 20 螺杆泵橡胶定子的加工 . 20 螺杆泵的性能计算 . 22 4 单螺杆泵应用实例设计 . 24 5 单螺杆泵的性能分析与运动仿真 . 27 螺杆泵的性能分析 . 27 螺杆泵三维模型的 建立 . 27 6 结论与展望 . 30 论 . 30 望 . 30 谢 辞 . 32 参考文献 . 33 三维 配图零件图模型 01339828 要 随着工业技术的不断发展，各种液体的输送显得尤为重要，而作为液体传动工具的单螺杆泵亦显得举足轻重。工业的发展对单螺杆泵提出了更高的要求，某些特定的行业用单螺杆泵的工作条件十分恶劣， 研制和开发使用性能良好的单螺杆泵将带来广阔的社会效益和经济效益。 为更好的满足特定工作条件的需要，本论文详细阐述了 单螺杆泵的工作原理和结构特点，并 在传统的设计理论体系基础上，利用现有的设计手 段和工具， 根据给定的流量、压力来设计和选取合适的单螺杆泵结构参数，完成对单螺杆泵结构设计计算、主要性能计算和影响因素分析，在此基础上利用三维建模手段，建立有效的单螺杆泵三维模型，对所设计的单螺杆泵进行简单运动仿真，为其性能进一步改进提供了一定参考。 关键词 : 单螺杆泵 ; 结构设计 ; 性能 ; 影响因素 三维 配图零件图模型 01339828 of a of is a of to of on a It of a To of of by a on of of So we an by of on it a 维 配图零件图模型 01339828 1 1 绪 论 究背景及研究意义 在我国的国民生产和生活中，泵作为一种输送液体的心脏倍受各行各业所重视。 单螺杆泵输送流量、压力稳定，无脉动。 单螺杆泵输送变转速即可改变输出流量，可用作计量投加。 吸入能力强，工作噪声小，无泄漏，无温升。单螺杆泵输送适应范围广，可输送一切流动介质甚至非流动物料。 单螺杆泵 能输送高固体含量的介质；流量均匀压力稳定，低转速时更为明显；流量与泵的转速成正比，因而具有良好的变量调节性；一泵多用可以输送不同粘度的介质；泵的安装位置可以任意倾斜；适合输送敏感性物品和易受离心力等破坏的物品；体 积小，重量轻、噪声低，结构简单，维修方便。 正是由于上述特点，使得单螺杆泵 应用广泛，领域涉及石油工业、化工及制药、环境工程、矿产工程、食品工业、造纸行业。 在国内，螺杆泵的使用时间短，对其研究起步相对较晚，因此在生产中还有许多管理上和技术上的问题需要解决。随着螺杆泵应用领域的不断拓宽，对螺杆泵技术要求也越来越高，为适应螺杆泵在其应用领域快速发展的要求，有关螺杆泵的研究方向和内容呈现出比较活跃的趋势。 工业的发展对单螺杆泵提出了更高的要求，某些特定的行业用单螺杆泵的工作条件十分恶劣，如何提高单螺杆泵易损件的工 作寿命，更好的满足需要，是单螺杆泵设计和校核的关键。针对螺杆泵理论和结构上存在的问题，在传统的设计理论体系基础上，利用现有的设计手段和工具，设计出一种较为合理的单螺杆泵，缓减或解决螺杆泵在现场实际使用中所存在的具体问题，提高螺杆泵的寿命和效率，降低成本。 内外研究综述 外螺杆泵的应用现状 单螺杆泵是 1932 年由法国工程师 明，并由德国 公司制三维 配图零件图模型 01339828 2 成产品。近年国内外采油（气）设备的发展趋势是向大排量、大功率、耐高温、耐高压的方向发展；向自动化、智能化和遥控监测方 向发展；向具有保护 =报警、优化记录及显示功能方向发展；向采油工艺多适应性方向发展，既能适应含水、含气、含砂、含石蜡、稠油和低渗透油藏的采油需要，又能满足定向井、水平井和深井采油工艺的需要。并且国外一些制造厂家已经先后推出了大型单螺杆泵产品。加拿大约 40%的重油井使用螺杆泵采油，其中一石油公司采用合公司生产的 面驱动螺杆泵采油系统，井下部分连续运转了两年，地面部分 5 年，投资与维护保养费用均较低。发展大流量和高压力的单螺杆潜油泵是国外螺杆泵的主要发展趋势。发展这种产品主要是为了满足 一些大流量且含油水混合物的小口径深油井的需要。单螺杆泵广泛应用于各种工业领域已经有约 60 年的历史，但欧洲直到 1985 年前后才开始利用这种泵进行深井采油。由于单螺杆泵在石油工业中的输液范围很广，从低粘度到高粘度以及气 此发展大流量高压力的单螺杆泵的市场前景广阔。发展高压螺杆泵的另一个目的是为了高粘度原油的开采。目前，单螺杆泵的最大压力已经达到200国 公司和法国 公司均生产这种高压单螺杆泵（流量范围 20 500 3m /h，级数 1 20 级 ）。由于这种高压单螺杆泵具有结构紧凑、效率高、耐磨性强等优点，因此国外越来越多地使用这种螺杆泵来开采含有大量固体颗粒、高粘度的原油。 内螺杆泵的应用现状 我国螺杆泵的发展起步较晚 ,原天津市工业泵厂于 20 世纪 60 年代初期研制成功船用高压小流量三螺杆泵 ,此后逐步发展成为单、双、三螺杆泵的专业生产厂。 60 年代中期 ,原沈阳水泵厂开始生产双螺杆泵和三螺杆泵 ,70 年代研制成功五螺杆泵。 1984 年 6 月 ,天津工业泵总厂与世界著名的德国阿尔维勒公司签定三螺杆泵制造技术转让合同； 1992 年 2 月 ,与德国鲍曼公 司签定合同 ,引进单、双螺杆泵制造技术。为了提高螺杆泵转子加工精度 ,天津工业泵总厂先后从英国霍尔罗伊德公司购进高精度螺杆泵转子加工专用铣床 ,购进该公司螺杆泵转子专用2床、刀具及检查设备。购进奥地利一型加长螺杆加工专用铣床。第二次购进英国霍尔罗伊德公司加长螺杆加工专用铣床、大直径螺杆加工高精度专用铣床 ,以及铣刀制造技术及电子检查仪器。年 ,湖北石首水泵厂引进原捷克斯洛伐克西格玛公司单螺杆泵制造技术及空心管压制单螺杆泵转子设备。 目前，我国对螺杆泵地面装置进行了改进，使螺杆泵的转速、排量可 在一定范围内调整，以适应不同井况的需要。但是时至今日，国内产品基本上局限于小型单螺杆泵，缺乏大型单螺杆泵产品，且在泵的结构和制造技术等方面有待于改进和提高，并普遍存在泵性能和可靠性不高的问题， 三维 配图零件图模型 01339828 3 题的研究内容和方法 本文首先概述了课题的背景选题的意义以及国内外研究现状和今后的发展趋势和研究重点，并简要介绍了本文研究思路；第 2 章概述了 单螺杆泵的应用概况、结构原理和工作特点等 相关理论；第 3 章概述了 单螺杆泵结构设计计算、主要性能计算和影响因素分析 ；第 4 章， 根据给定的流量、压力来设计和选取合适的单螺杆 泵结构参数，完成对单螺杆泵结构设计计算、主要性能计算；第 5 章，完成对其影响因素的分析，并借助三维建模手段，实现单螺杆泵三维模型建立，以及简单仿真，为其性能改进提供参考；第 6 章， 对全文做出了总结。 本课题主要采用 文献调研法，理论设计分析 法 、计算 法 及三维建模法 等研究方法。 采用文献调研法， 通过查阅图书馆、图书馆网数字资源中的学术杂志、学术期刊等，收集国内外的相关信息资料， 并对资料进行整理，通过理论设计分析法、计算法，对这些数据资料进行 理论 归纳分析 及计算，完成对 单螺杆泵结构设计计算、主要性能计算和影响因素分析， 并系统 地做出报告。 最后再通过三维建模手段， 实现单螺杆泵三维模型建立，以及简单仿真，为其性能改进提供参考。 三维 配图零件图模型 01339828 4 2 单螺杆泵概述 言 单螺杆泵 于 1932 年由法国工程师莫诺（ 明，并由法国 业分公司首先生产，故也被称为 莫诺泵 （ 莫诺泵还被称为偏心螺杆泵、转子偏心泵、曲杆泵、 浓浆泵 和蛇泵等，在我国按标准规定以正式定名为单螺杆泵。 它既适合输送低粘度如水等介质，还尤其适合输送含有输送含有固体颗粒或短纤维的悬浮液，以及粘度非常高的介质。它广泛地用于石油、化工、建筑、环保、船舶、纺织、冶金、采矿、印刷与造纸业、食品、酿造、医药和日用化工等领域，发展前景远大。目前莫诺泵输送固体颗粒的最大尺寸为不超过转子的偏心距 ，含量已可达到介质的 60%左右，粉状颗粒可达到 70%和最长纤维长度不超过 转子螺距。它成功地输送了其他泵难以完成的诸如水泥浆、陶土糊、水煤浆、水泥涂料和膨润土等含固体颗粒比例很高、粘度又大的介质。水煤浆技术作为洁净煤工程和煤浆加工的一种新途径，它的制备和输送越来越受到重视，但是由于水煤浆不仅流动性差，而且成分为 65%的煤粉、 30%为水和 5%为添加剂，煤粉中还含有大量硬颗粒矿物。很多使用场合要求排出压力达 至更高些。尽管由于严重的磨蚀等因素影响到主要零件定子和转子的寿命，通常定子寿 命仅 200h，转子也仅 800h 左右，但运行可靠；且我国至今尚无可替代的设备，因此在水煤浆厂和发电厂 螺杆泵选型 时单螺杆泵仍得到广泛应用。 莫诺泵另一突出的特点是特别适宜输送不能受剪切、挤压或搅动的敏感性液体，即受到剪切等会呈现触变性质的非牛顿液体。在输送胶状液体如某些化妆品等时，必须注意泵的转速与输送介质特性的匹配。因为大部分的胶状液体在静止时成粘糊状态，甚至会是固态，但在搅动后就会变得较易 流动的半流动状态，这种现象即为胶状液体具有触变现象，故必须选择适当的转速，注意不使触变破坏介质的结构。 莫诺泵已被采油系统广为应用。它在原油开采中使用由地面电动机或柴油机或液压三种驱动装置，通过抽油杆的旋转运动把动力传送到井下，驱动单螺杆采油，以及电动机安装在井内的单螺杆泵下面的电动潜油螺杆泵采油。这两种新型的采油机械与传统的梁式抽油泵（即利用抽油杆上下往复运动抽油）相比。不仅结构简单、体积小、质量轻、造价低，不需要混凝土基础，安装方便，而且采油效率高，一般可增加采油量 ；一般节约电耗达 26%法国 面驱动功率较小的单螺杆泵采油系统，节电甚至达60%效率更是高得多；使用梁式抽油有杆泵系统的平均效率仅为 用单螺杆泵开采稠油的系统平均效率为 这种新型的采油机械普遍用于抽吸高粘度、高含蜡油、高含砂稠油和高汽油比的原油等，现在又扩大用于含水率80%以上的高含水深井采油，在原油开采中显示出强大的生命力。一般在井下连 续工作一年左右，加拿大 司生产的螺杆泵采油系统泵的效率最高达 78%， 正常使用条件下免修期为 ， 实际使用寿命最高可达 3 年以上，而且维护 三维 配图零件图模型 01339828 5 保养较为方便。 图 1 单螺杆泵结构示意图 本结构和工作原理 单螺杆泵图 1、 2)是一种内啮合的密闭式螺杆泵。它主要由螺杆、衬套、万向联轴器、传动轴和泵轴等零部件组成，靠螺杆与衬套之间的内啮合相对运动，使啮合密封腔沿轴向运动，从而完成输液过程。 图 2 单螺杆泵 1 压出管 2 衬套 3 螺杆 4 万向联轴器 5 吸入管 6 传动轴 7 轴封 8 托架 9 轴承 10 泵轴 单螺杆泵属于转子式容积泵，它是依靠螺杆与衬套相互 啮合在吸入腔和排出腔产生容积变化来输送液体的。它是一种内啮合的密闭式螺杆泵，主要工作部件由具有双头螺旋空腔的衬套（定子）和在定子腔内与其啮合的单头螺旋螺杆（转子）组成。当输入轴通过万向节驱动转子绕定子中心作行星回转时，定子 转子副就连续地啮合形成密封腔，这些密封腔容积不变地作匀速轴向运动，把输送三维 配图零件图模型 01339828 6 介质从吸入端经定子 转子副输送至压出端，吸入密闭腔内的介质流过定子而不被搅动和破坏。 螺杆具有单头螺纹，其任意截面皆为半径为 R 的圆，截面的中心位于螺旋线上且与螺杆的轴心线偏离一个偏心距 e，绕轴旋转 且沿轴向移动而形成的衬套内表面具有双螺纹，其任意截面为一长圆，两端是半径为 R（等于螺杆截面半径）的半圆，中间是长为 4e 的直线段。衬套的任意截面都是相同的长圆，只是彼此互相错开一个角度。 螺杆装入衬套后，螺杆表面与衬套内螺纹表面之间形成一个个封闭的腔室，同时任意截面也被分成上下两个月牙形工作室。当螺杆旋转时，靠近吸入室的第一个工作室的容积逐渐增大，形成负压，在压差的作用下液体被吸入工作室。随着螺杆的继续转动，工作腔容积不断增至最大后，这个工作室封闭，并将液体沿轴向推向压出室。与此同时上下两个工作室 交替循环地吸入和排出液体，因此液体被连续不断地从吸入室沿轴向推向压出室。 常见单螺杆泵螺杆的形状如图 3 所示。它的外表面是由半径为 R 的圆，其圆心 O 以偏心距 e. 螺距 t 绕螺杆中心线 螺旋运动形成的单头外螺纹表面。 图 3 单螺杆泵螺杆的形状 图 4 衬套的形状 衬套内表面是双头内螺纹表面。其横截面呈长圆形 (见图 4)，两端为半径也 等于 R 的半圆，两半圆圆心间的距离为 4e,螺距也为 t，因是双头螺纹，其导程T= 形状的螺杆与衬套相互啮合的情况，如图 5 所示。 图 5 a , b 给出的是在 时刻二者的啮合状况，图 7为 时刻的状况。由图 7见 ,在一个导程 T 内取的 9 个与衬套轴线垂直的断面上，皆有螺杆与衬套表面接触的点或线。 时刻，在 1 断面上，二者沿圆弧线 111 触 ;在 2 断面上，则仅在 2,2点接触 ， 若将所有相邻断面的接触点依次连接起来，则得一条闭合的空间啮合曲线 3111 8998 123 此啮合曲线将衬套与螺杆间的空间隔离成 和等 腔 （ 螺杆 2,1 9,8 处衬套壁面之间的闭合空腔 ;若 时刻螺杆刚好在 5 断面处紧靠衬套壁面上的 5D 点，则用 示 5 断面左边的螺杆与 1D 、 2D 5D 处衬套壁面间的三维 配图零件图模型 01339828 7 非闭合空腔，用 示 5 断面右边的螺杆与 5D 、 6D 9D 处衬套壁面间的非闭合空腔 )。各空腔间互不相通，它们被所述啮合曲线分隔开或封闭起来。 图 5 单螺杆泵工 作原理示意图 螺杆在衬套中转动，经 时刻后，各断面中螺杆与衬套间的相互位置变成图7示的状况。由图 7见，此时在 2 断面中，螺杆已移至该断面 2A 端的极限 的啮合线左端位置，即包围 的啮合线左端位置，已由 时刻的111 至 时刻的 222 若被输送液体从啮合副左端进人衬套，且假设衬套的轴向长度刚好等于导程 T,则经 时间后， 的轴向长度比 时刻的T 减小了 l （ l 为 1, 2 断面间的轴向距离 ） 或者说， 时刻的 的轴向位置向右移动了 l ，且其右端已与泵的压出室相通。随着 时间的增大， 向右移动得更多，即衬套内的 容积更小，从而使与之相通的整个压出空间的容积逐渐减小，压力升高，产生了排液作用。 在 时刻， 1 断面内的螺杆位于紧靠 1A 点的极限位置，形成了 的断面面积最大。此时，位于距此断面一个螺距 t 的 5 断面上的圆弧线 555 既是 是 的左端密封线。经 时间间隔后，该密封线己从 5断面右移，使与泵吸人室相通的 容积增大，腔中压力下降，从 而吸人液体。与此同时，与泵压出室相通的 容积减小，和 一道排液。 螺杆连续转动，螺杆与衬套间的啮合密封线就不断生成，且不断由吸人端向三维 配图零件图模型 01339828 8 压出端移动，泵的吸、排液过程就连续不断地进行了。 由上述工作过程可知，螺杆与衬套的啮合长度不能小于一个导程。泵扬程越高，导程数目越多，螺杆与衬套的长度也越长。 为消除零件加 工 误差对啮合线密封效果的不良影响，保证螺 杆与衬套的啮合线能承受压出室与吸人室之间的压差，单螺杆泵的衬套一般用耐磨橡胶等弹性材料制成，以使螺杆与衬套间的配合有微量过盈。 单螺杆泵螺杆在衬套中的运动比较复杂。在泵的任意一个横断面上 (图 6)，螺杆绕其轴心线 2O 转动时，其断面圆的中心 1O 必定要在经过衬套断面中心 O 的直线人 运动。这种运动现象，只能在 1O 绕 2O :转动的同时必须还要有 2O 绕 O 的转动才能产生。因为 O 轴是泵轴轴 线通过的固定轴线，则连接泵轴和螺杆的传动轴必定要通过万向联轴器，才能将动力传递给螺杆。 由图 7见，当螺杆断面圆之圆心从其极端位置 D 方向运动至某一位置 1O 时，螺杆轴心线从 到 2O 。 在 这 个 过 程 中 ， 始 终 有A 2121 ，则衬套中心与螺杆轴心间的连线，必定要从 与螺杆转动角速度。相反的方向， 图 6 螺杆在衬套中的运动 以角速度 w 偏转至 2即 2O 要偏离 线， 围绕 O 点转动。由螺杆与衬套在极端点 A 接触时，螺杆断面中心 无切向运动线速度 即 1 2 o （ 2 所以有 2 2 这表明，螺杆轴线绕衬套轴线旋转的角速度 w ，等于螺杆绕自身轴线旋转角速度 w 值的 一 半。 能参数 1、流量 螺杆泵流量与泵转速、泄流量和介 质粘度有关， ，式中 理论流量， Q 为泄流量 ; ，式中 n 为转速， q 为流量 /转。压差 P 越大，泄流量 Q 也 越大。 Q 与液体的粘度成比例，对于螺杆泵，液体的粘度越大，三维 配图零件图模型 01339828 9 泵的泄流量 Q 越小。 单螺杆泵的流量等于衬套与螺杆横截面积之差 (即泵的过流面积 )与液体的轴向运动速度及泵容积效率的乘积 : vv 240 （ 2 式中， 螺杆泵有效体积流量， h; e 为偏心距， m; D 为螺杆横截面直径，m; T 为导程，为螺距 t 的 2 倍， m; n 为泵轴转速， r/ v 为泵容积效率。 2、压差 螺杆泵的工作压力差 p 由排放载荷决定，排放阻力越大，工作压差 p 越大。 3、扬程 螺杆与衬套啮合后，在长度等于导程 T 的每一段啮合副上形成的啮合线承受压差，即为单级压 力 单级扬程 H。常用橡胶衬套泵的 0. 4 一 0. 6水式螺杆泵的衬套一般选用天然橡胶 (丁睛橡胶 (选定额定扬程为H = 50m。单螺杆泵的理论流量一理论扬程 (线是一条直线，流量不随扬程变化而变化，即 常数。但实际上随着压力的增大，通过螺杆一衬套副的漏损是增大的，所以单螺杆泵的实际流量是随着泵扬程的增大而减小的，其线呈与离心泵、旋涡泵等的 线类似的下降型抛物线 ;其流量一轴功率 (线呈与离心泵相反，与旋涡泵相同的下降型抛 物线，其中 时达到 ，故螺杆泵一般要求出口开阀启动。螺杆泵的漏损可看成是与流量反方向的圆环流动，由流体力学伯努力方程和达西公式等，可推出一个导程内总流动损失 )/( 和 ，其中， 为液体的密度， 为总阻力系数， 为泄漏速度，则可推得泵扬程 2，其中， k 为综合系数。由此可以推断单螺杆泵满足或近似满足扬程相似定律，比转速这个综合特征系数的概念亦适用于单螺杆泵。本文给出的潜水螺杆泵性能曲线均由国家专业检测机构测试，并且是采用比例定律换算至额定转速下 的最后数据。 4、转速与比转速 单螺杆泵的转速选择范围较大，笔者统计到的产品转速范围 n=200 一3000r/离心泵比转速范围 0涡泵 一 30;而螺杆泵的比转速下限更小，笔者统计到的单级最小比转速 . 641。一般单螺杆泵比转速范围三维 配图零件图模型 01339828 10 5、轴功率 螺杆泵轴功率包括液力功率 摩擦功率 N，当压力和流量一定时，液力功率是确定的。摩擦功率由运动件的摩擦产生，摩擦功率随工作压力的升高而增加，流体的粘度也增加摩擦功率的消耗。确定了介质粘度、泵的工作压力与流量，就可得出泵所需的轴功率 N。 6、 泵效率及泵容积效率 螺杆泵的效率和泵机械效率、水力效率及容积效率相关，其中 与容积效率关系最为密切。 定 :在额定转速下，规定压力点的体积流量与零压点的体积流量之比为泵容积效率。衬套与螺杆之间的配合间隙又是影响容积效率的最主要因素。试验研究表明 :间隙越小 (过盈配合少，泵流量、扬程及效率均提高，反之则相反。有研究表明 :此间隙不能过小，应适当选取。如果过盈量太大，造成启动力矩过大，电动机无法启动，也加大了螺杆与衬套之间的磨损。如果衬套选用一般橡胶材料，温差造成材料的热胀冷缩也会影响到此间隙。 用特点 单螺杆泵具有结构紧凑、径向尺寸小、压力和排盆无脉动、噪 声低、自吸性能强、输送介质时搅动小等优点，可用于输送含有固体颗粒的液体、酸碱盐液体、各种不同粘度液体、纸浆、软青、污油、泥浆、水泥砂浆等，广泛应用于环保、生物工程、污物处理、采矿、石油化工、食品、制糖、制药、造纸、染料、建筑等工业。 螺杆泵的特点由于单螺杆泵它在输送介质的进程中具有不受搅动、脉动小等特点，单螺杆泵广泛用于输送牛奶、啤酒以及一些乳化液等。也正是由于这些单螺杆泵的特点，螺杆泵还广泛用于废水处理系统的油水分离装置，使废水中的油不易乳化，更容易、更干净地被分离出来，优于目前选用较多的柱塞泵。必须指出 应用于食品、医药等领域，不锈钢螺杆泵必须符合有关卫生的严格规定。其定子必须选用无毒、无味的橡胶，与输送介质相接触的零件都应不被腐蚀，泵内部空间的流道应光滑，采用不必拆卸用流动和漂流即能冲洗干净，确保泵内无残留物和细菌的滋生。 然而，即使是采用了无毒、无味的橡胶定子，其磨屑不可避免地仍会混入输送的介质中，这对食品和药品等介质，从环保的要求看是并不合适的。目前有些国家的这些领域已采用双螺杆泵或罗茨泵替代单螺杆泵，尽管它们的价格较高，但对食品和药品更为安全。 此外，单螺杆泵的特点可以实现液体、气体和固体多相混输， 这是绝大多数的其他泵类无法实现的，故有着巨大的意义。它还可以替代投加各种化学添加剂的柱塞计量泵，计量精度相当可靠，可以达到 98%。单螺杆泵和其他类型泵相比，自吸能力强，通常对介质为清水的吸上高度可达 6m，对某些介质在某些转速下最高可达 也拓宽了它的使用领域 ,完全可以当作自吸泵使用。 单螺杆泵的用途在舰船上的使用较晚，应用较多的是处理舱底油污系统的油水分离装置 (流量通常小于 10m3/h，排出压力为 0.2/右，转速一般为三维 配图零件图模型 01339828 11 200r/右 )、污物污水处理装置和废物焚烧炉系统等中作输送泵，在粪 便焚烧系统大都采用微型单螺杆泵 (转速降为 5060r/时流量 lL/出压力为 右，吸上高度约 2m)，这些泵由于转速低，寿命就很长。此外，还有用作渣油泵、舱底泵、海水泵、甲板冲洗泵和货油泵等，通常都用于低压小流量工况。 单螺杆泵的特点是制造较为容易，适用领域广泛，因此很有竞争能力。其最大的缺点是以橡胶等为材质的定子使用寿命不够长，且由于是偏心转子，绝大部分产品的轴向尺寸较大，振动也相对较大，此外其起动力矩值通常也较高等。这些缺点需要进一步研究加以改进。 螺杆泵的特性 1、自吸特性 泵借助大气压力从比其位置低的油箱中自行吸油的能力，称为泵的自吸能力。单螺杆泵的自吸引特性是由于其特殊的过盈螺旋接触密封线而形成的，所以其吸入管路无需依靠单向阀门或其它附加装置。单螺杆泵具有很好的自吸能力，其吸入高度可达 6m(介质为清水 )。 2、输液特性 液体经泵进口管进入，流经转子、定子液力部件最后到出口管路，整个过程没有激烈的湍流和搅动及脉动，所以单螺杆泵特别适合于输送敏感性的流体，如乳胶等。单螺杆泵的液体流速比其他泵种流速低，而且泵部件间没有复杂的间隙和公差问题，其转子是在弹性定子 腔内滚动，而定子的硬度又可根据输送介质的特性来选定，所有这些因素结合起来，使得单螺杆泵非常适合输送含有固体颗粒 的悬浮液、含有短纤维的悬浮液及软性和硬性的固体液 (稠度很高的淤泥、泥浆等 )。 螺杆泵的选用 1、根据介质粘度选择泵的转速 为了确保能在高粘度下有效地泵送液体，必须选择合适的转速，否则泵在工作时易出现脉动、发热、气穴及振动等现象，引起泵的损坏。螺杆泵的允许圆周速度或转速受到机械和流体力学两方面条件的限制。机械方面，螺杆型面之间的最大允许滑动速度为 12m/s，最大允许转速由该值 经换算后得到。从流体力学的观点看，螺杆泵的允许转速要受到其气蚀余量的限制，即要受到介质的粘度和轴向流速的影响。这个允许速度值总是低于最大允许机械速度值，只有当泵的进口条件为正压力时，才可能采用最大允许机械速度值。所产生的摩擦力是介质粘度和螺杆转速的函数，其关系式如下 : m （ 2 三维 配图零件图模型 01339828 12 式中 : 克服摩擦力所做 的功 ; 介质的粘度 ; 下标 1 和下标 2 分别代表已知值和新值或计算值。 从（ 2可以看出，螺杆泵克服摩擦力所作的功与输送介质粘度比的平方根及螺杆转速比的 方成正比。不同的介质粘度对应的泵转速推荐值如表 1 所示。 表 1 不同的介质粘度对应的泵的特性 介质粘度 s 1 1000 1000 10000 10000 100000 100000 1000000 转速 r/00700 以下 200400 以下 200 以下 100 以下 2、根据介质磨耗性选择转速和压力 利用单螺杆泵输送含固体颗粒的水泥浆、地下工程施工浆、汰白粉糊及涂料等介质时，遇到的比较严重的问题是泵的磨损问题。泵的磨损与介质的流速、浓度、颗粒粒度、流态及泵的结构和定子及转子的材料等因素有关。因此，选择合适的转速和压力对降低泵的磨损，提高泵的使用寿命是非常有益的。实际应用中，通常根据介质的磨耗性选择泵的转速和压力。在建筑机械中，当输送的介质磨耗性较大时 (如石灰浆、载土、 陶土等 )，应选用较低的转速和较小的压力。泵的转速和最高压力推荐值见表 2。 表 2 不同磨耗介质泵转速及压力推荐表 磨耗性 轻微 一般 严重 转速 r/00600 200400 50200 最高压力 、单螺杆泵材料的选用 单螺杆泵的主要工作部件是螺杆转子和与其相配合的橡胶衬套，部件的材质是根据输送介质的特性确定的。单螺杆泵的转子通常采用碳钢 (镀硬铬 )、渗氮钢、1硬铬 )及钦金属等材料。为了提高螺杆转子的耐磨性，应对螺杆表面进行镀硬铬 处理，镀层一般为 0. 06 0. 08套的内衬绝大多数采用各种牌号的橡胶制造，特殊情况下也可采用塑料、聚四氟乙烯或金属制造。衬套所用的橡胶牌号应根据输送介质的化学性能、所含杂质的多少及泵的压力和转速等因素进行选择。建筑机械由于介质中含有颗粒和杂质，一般选择弹性大、硬度低的橡胶。泵的过流部件如吸入管、压出管和间隔套等零件的材料一般为铸铁、球墨铸铁或奥氏体不锈钢等材料制造。 三维 配图零件图模型 01339828 13 3 单螺杆泵结构设计与性能计算 螺杆和衬套是螺杆泵的主要工作元件，是影响螺杆泵性能、效率和使用寿命的关键元件，同时 也是设计难度最大的元件。 螺杆泵设计，主要是根据给定的流量、压力和所输送介质性质 (如重度、粘度和温度及气体和固体含量 )参考现有的螺杆泵来计算和选择螺杆和衬套的主要尺寸，如螺杆横断面的直径 d、偏心距 e、螺距 t 以及螺杆和衬套的长度 L 等。 螺杆泵设计中最重要的也是难度最大的设计，就是螺杆横截面的设计。 螺杆泵结构设计 杆和衬套尺寸的确定 （ 1） 单螺杆基本
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