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本本 科科 生生 毕毕 业业 论论 文（设计）文（设计）题目题目 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计姓名与学号姓名与学号 吴科扬吴科扬 30209110133020911013指导教师指导教师 吴大转吴大转年级与专业年级与专业 过程装备与控制工程过程装备与控制工程 02010201所在学院所在学院 材料与化学工程学院材料与化学工程学院 文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计II本科生毕业论文（设计）任务书本科生毕业论文（设计）任务书一、题目：一、题目： 二、指导教师对毕业论文（设计）的进度安排及任务要求二、指导教师对毕业论文（设计）的进度安排及任务要求：起讫日期起讫日期 200200 年年 月月 日日 至至 200200 年年 月月 日日 指导教师（签名）指导教师（签名） 职称职称 三、系或研究所审核意见三、系或研究所审核意见: :负责人（签名）负责人（签名） 年年 月月 日日文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计III目录目录摘要摘要.1ABSTRACT.2第第 1 章章绪论绪论.31.1 课题背景与意义.31.2 研究现状.41.2.1 航天小流量泵的定义和应用.41.2.2 离心泵的结构和水力设计方法.51.2.3 屏蔽泵的特点、历史与发展现状.7第第 2 章章泵的水力设计泵的水力设计.102.1 叶轮的水力计算.102.2 涡室的水力计算.132.3 叶轮木模图的绘制.142.4 涡室木模图的绘制.18第第 3 章章轴系的设计计算轴系的设计计算.203.1 轴承的选择.203.2 轴的设计.213.3 轴的校核.223.4 轴承的校核.26第第 4 章章泵体的设计计算泵体的设计计算.284.1 屏蔽套的设计计算.284.2 电机定子套的设计.294.3 底座的设计.29第第 5 章章关于屏蔽泵的可靠性专题关于屏蔽泵的可靠性专题.325.1 屏蔽泵的失效原因及对策.325.2 屏蔽泵的安全监测和保护装置.36文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计IV第第 6 章章总结与展望总结与展望.376.1 总结.376.2 展望.38致谢致谢.39参考文献参考文献.40文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计1摘要摘要本文介绍了航空航天用小流量泵的研究背景和屏蔽泵的结构原理，介绍了离心式叶轮的水力设计方法，同时也分析了屏蔽泵的可靠性因素。在以上基础之上，设计了一台用于航空航天生命保障系统的微型屏蔽式离心泵，该泵的叶轮和涡室采用了传统的速度系数法进行设计计算，轴系创新性的采用了滚动轴承内循环的形式，屏蔽套、定子、定子套等结构参照模型泵进行了设计。该泵的总体尺寸很小，叶轮直径仅为 20mm 左右，整体尺寸也仅为 10 余厘米，总重量在 700g 左右。关键词：微型泵；屏蔽泵；设计关键词：微型泵；屏蔽泵；设计文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计2AbstractThe article introduced the background of low-flux pump for spaceflight use and the structure of canned motorpump. Introduced the waterpower design method of centrifugal pump.I also analysed the reliability of canned motorpump. Base on above study,I designed a mini centrifugal canned motorpump for life protection system,The impeller and vortex chamber is designed by traditional velocity coefficient method.The shaft system use the creative rolling bearing and inside cycle system,The shielding sheath,stator,sheath stator are designed in reference of the model pump.The dimension of this pump is very small. The diameter of the impell is about 20mm,Its length is about 10 cms,and has a weight of about 700 g.KeyWords: Mini Pump; Canned Motorpump;Design文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计3第第 1 章章1 绪论绪论1.1 课题背景与意义课题背景与意义神六的成功增加了我们国家整体实力，同时反映了我们民族的事业繁荣向上，极大地增强了民族的凝聚力和向心力。神六的成功也标志着我国航空航天产业的重大突破，标志着在某些关键技术上的长远进步。图图 11-1 宇航服基本结构示意图宇航服基本结构示意图凡是看过相关纪录片或者图片的人一定对宇航员身上那一层厚厚的宇航服印象深刻，宇航服对于一个宇航员来说至关重要，它不再仅仅是传统意义上避寒遮羞的衣物了，同时它也集成了宇航员在太空飞行中必需的生命维持系统，一件宇航服都必须要严格符合这样的要求：首先要有良好的保暖性能，无论是文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计4在高温环境或低温环境，都能使宇航员保持恒温舒适的环境，这主要依靠宇航服中的水循环和风扇系统完成；第二，封闭性能要好，在宇航服中需要充气加压，保持一个大气压强的环境；第三，要求具有防宇宙射线辐射，经受微小陨石打击的能力；最后还要灵活机动，重量要轻，以利于宇航员的行走。除了这些，还要求防火、防胀、防变形，外观还要美观。宇航服的基本结构介绍如图1 所示。在宇航服中保持舒适的生存环境主要依靠控制宇航服内的温度，宇航服内的热量需要通过液态热载体带走，从而实现温度调节。其中，实现热力循环的关键部件就是小流量的微型高速离心泵，由于航天系统部件不但对尺寸有着严格限制，而且对能耗也提出非常高的要求，因此，提高微型高速离心泵效率、减少功耗成为该类特种泵设计的重要任务之一。例如，在宇航服中，冷却水循环系统是必不可少的生命保障系统之一，由于整个宇航服提供的能量非常有限，并且要求各部件具有高寿命，因此采用特殊结构提高微型高速离心泵的效率和可靠性具有非同寻常的意义。本毕业设计题目就是针对宇航服中的该微型高速离心泵的。以前我国在宇航服中使用的微型泵基本依靠进口，这是我们首次设计该种泵的模型，该项目的成功将为开展实验，优化制造加工工艺等打下基础，同时也为进一步优化模型提供了条件。12.2 研究现状研究现状21.2.1 航天小流量泵的定义和应用航天小流量泵的定义和应用小流量泵的定义：所谓小流量泵就是工作液体流量小于 300cm3/s 的泵，当其出口压力以很宽的范围变化时(0.10.5Mpa)，它的功率一般小于 5KW。在航空航天系统中，有几种有可能应用的机械式小流量泵。按照工作原理，它们可分为四种基本类型：叶片式泵、容积式泵、摩擦泵和射流泵。这里面我们主要研究叶轮式泵，液体在工作也轮中的流线可以处在平行于轴线的平面内离心泵，也可以处于锥面上混流泵，或者在柱面上轴流泵。其中离心式叶片泵是航空与航天系统小流量泵的基本类型，它有以下优点：文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计51) 在给定的小流量下，实际上能保证有任意的压头；2) 能在较高的角速度下工作；3) 质量较小；4) 外廓尺寸小；5) 由于不存在摩擦偶，因而能在腐蚀性介质中工作；6) 可方便地用电动机或涡轮传动。在火箭航天技术中，广泛的应用着叶轮泵。叶轮泵的工作轮就是泵的叶片或者沟槽，它可能是开式的，或者是闭式的，结构上与之类似的小流量输送组件也可工作于大流量主泵的系统中，它通常是用来完成密封任务的。位于工作介质液流相对一侧的叶片起着动密封装置的作用。在低比转速区域和高转速的情况下，带有离心式工作轮的叶片泵，效率是比较低的。而且大部分能量损失产生于轮盘的摩擦。小流量泵可能需要有很高的工作寿命（几年以上），例如，各种航天器热力调节系统的泵就是如此。也可能是短时间工作的，如在航空工程的机上系统中，泵的工作寿命以小时记，而在航天工程的发动机装置中为产生推力冲量而工作的泵，寿命仅为几分钟。选择何种类型与结构的泵，这要取决于系统的参数，即泵设计时所给定的工质流量 V 和压头 H。小流量泵在航空航天中主要用于热力调节系统中，例如宇航服或者密封舱的热力调节，有的也运用于燃料的运输或者太空实验中液体的输送。我们研究的小流量泵是运用于宇航服上的热力调节系统，是其中很特殊的一种，它的特殊性体现在它的高转速，绝对无泄漏和高寿命，高转速是为了在达到额定流量和扬程的前提下尽量缩小泵的体积，绝对无泄漏是生命保障系统可靠性的要求，高寿命是考虑到航天服要进行多次的实验或者模拟，作为保证宇航员生命安全的屏障，保证足够长的使用周期是必需的，此外，该小流量泵通常一组两台一起工作，与一般高速泵不同的是，它不通过涡轮电机驱动，而是通过直流电机依靠电池驱动。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计621.2.2 离心泵的结构和水力设计方法离心泵的结构和水力设计方法离心泵的结构要根据泵的设计参数，介质的性质，密封要求等综合考虑和确定。泵的水力设计方法主要有三种：速度系数法、相似换算法、其他设计方法。长期以来由于理论研究方法不能精确的预测泵内流体的流动情况，因此泵的传统水力设计都基于长期积累的经验和实验的基础之上，速度系数法和相似换算法都是如此。相似换算法属于计算离心式水泵叶轮几何参数的传统方法，它简单而可靠，其做法是选一台和要设计的泵相似的泵，对过流部分的全部尺寸进行放大或者缩小。速度系数法也是一种传统方法。这一方法是建立在对大量优秀水力模型统计基础上的相似计算法。该方法以图表或经验公式提供了叶轮几何参数与其比转数之间的统计关系，由设计泵的比转数即可计算叶轮全部几何参数。这一方法实际是对已有优秀产品的相似换算，因而使用该方法成败的关键，是设计人员所应用的统计公式和图表是否是性能先进的众多叶轮的特性的抽象与概括。速度系数法和模型换算法在本质上是相同的，其差别在于模型换算是建立在一台相似泵基础上的设计，而速度系数法是建立在一系列相似泵基础上的设计。也就是说，相似系数法是按相似的原理，利用统计系数计算过流部件的各部分尺寸。为了提高设计效率，缩短设计时间，优化参数组合，最终达到提高泵的性能的目的，国内外的专家和学者先后开展了泵计算机辅助设计和优化设计的研究工作，泵水力设计软件正在逐步达到实用化水平。早期的计算机辅助设计软件，大多是在DOS环境下开发的，主要是针对泵水力设计大量繁杂的计算绘型工作，按照常规的设计、计算、绘型和画图方法，利用计算机辅助计算和绘型速度快的特点，加快设计进度，缩短设计时间，进行多方案比较。对其进行的优化参数组合研究，主要集中在叶轮轴面流道校核和绘制流线展开图两个方面，以采用传统的图解计算方法为主。在叶轮轴面流道校核方面，以过流道面积(或轴面流速)变化规律光顺为目标，交替改变叶轮叶片轴面形状参数(叶轮前后盖板倾角、前盖板圆弧、后盖板圆弧等)，达到较文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计7为直观的非劣解图示曲线；在流线展开图方面，以流线变化规律光顺为目标，交替改变流线形状参数(叶片进口角、叶片进口边、叶片出口角、包角等)，达到流线光顺的较为直观的图示非劣解。这两种优化过程具有局部的优化目标、局部的优化方法、局部的优化结果的特点。在一般情况下，是相互独立的。但如果流线的优化不能满足要求，也可能要重新优化叶轮轴面形状。近年来，CFD在涡轮机械流动方面计算的应用明显增多。相对于传统理论研究，CFD为涡轮机械流动领域的模拟、设计、优化以及最重要的分析都提供了一个有效的工具。实体泵流动的CFD模拟可以被用作执行时间控制的数字模式，叶轮转动和机器固定部分的相关性也被模拟出来。尽管需要大量的电脑资源，这种完全不平衡的处理依然是最广泛的模拟办法。规则方法只能估算出实际流量，因为它不能正确地模拟物理过程。规则模型最大的优点在于它能在较短的时间内获取数据结果。著名的CFD处理工具有以下一些：Gambit、Tgrid、GridPro、GridGen、ICEM CFD 用于前处理 Fluend、FIDAP、POLYFLOW 用于计算分析 Ensight、IBM Open Visulization Explorer、Field View、AVS 用于后处理 Ansys、MAYA 提供综合的处理能力 Icepak、Airpak、Mixsim 特殊领域的应用 这些CFD软件功能强大，应用十分的广泛。在航天航空，环境污染，生物医学，电子技术等等各个领域，它们发挥了巨大的作用，世界上有越来越多的工程师更倾向于使用这些软件来完成自己的设计。本课题采用速度系数法计算叶轮的几何参数。接下来我来介绍一下速度系数法的大致过程：1) 计算轴径和轮毂的直径。2) 用速度系数法计算叶轮的主要尺寸。3) 确定进出口角和安放角。4) 确定叶片数和厚度。5) 绘制轴面投影图。6) 叶片绘形即绘制木模图。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计821.2.3 屏蔽泵的特点、历史与发展现状屏蔽泵的特点、历史与发展现状1 屏蔽泵的历史与现状屏蔽泵的历史与现状屏蔽泵的发展距今已有 110 多年的历史。早在 1888 年，前苏联就有了无泄漏泵的制造和使用的纪录，然而直到五十年代，当安全和环境问题促使朝着绝对无泄漏方向发展时，这种泵才获得了广泛而世纪的应用。由于它具有无泄漏和高可靠性，高寿命等特点，目前屏蔽泵在化工、石油、核工业、航空航天等领域得到了广泛的应用，特别是航空航天领域，更是广泛的用到了能够保证绝对无泄漏的屏蔽泵。目前屏蔽泵在日本、德国、美国、法国等几个比较大的泵公司和生产厂均有系列化生产，并已销往世界各地。2 屏蔽泵的特点屏蔽泵的特点首先需要介绍一下什么是屏蔽泵，简单的说，屏蔽泵就是一种合二为一的泵。普通离心泵的驱动是通过联轴器将泵的叶轮轴与电动轴相连接，使叶轮与电动机一起旋转而工作，而屏蔽泵是一种无轴密封泵，泵和驱动电机都被密封在一个被泵送介质充满的压力容器内，此压力容器只有静密封，并由一个电线组来提供旋转磁场并驱动转子。这种结构取消了传统离心泵具有的旋转轴密封装置，故能做到完全无泄漏。鉴于屏蔽泵不同于普通泵的结构特点，它有着自己的优点和缺点。屏蔽泵的主要优点有：1)安全性高，绝对无泄漏特别适用于输送对环境有害、对人体有毒的液体；易燃易爆的液体；贵重液体；强腐蚀性液体。安全性高，转子和定子各有一个屏蔽套使电机转子和定子不与物料接触，即使屏蔽套破裂，也不会产生外泄漏的危险。2)安装维护都很方便泵与电机系一整体，拆装不需找正中心。对底座和基础要求低，安装方便。不需要润滑油和密封液，这样处理的液体就不会受到污染，适用于高纯度的流程，日常维修工作量少，维修费用低，长期的平均成本要低于普通离心泵。3)使用范围广无轴封，因此适用于处理系统压力较高；高融点液体；高温液体；低温液体。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计94)运转平稳，噪声小由于无滚动轴承和电动机风扇，故不需加润滑油，电动机无冷却风扇因此运转噪声小。屏蔽泵的主要缺点有：1)对于介质的要求较高由于屏蔽泵采用滑动轴承，且用被输送的介质来润滑，故输送液体必须洁净。对输送多种液体混合物，若它们产生沉淀、焦化或胶状物，则此时选用屏蔽泵(非泥浆型)可能堵塞屏蔽间隙，影响泵的冷却与润滑，导致烧坏石墨轴承和电机。故润滑性差或者不洁净的介质不宜采用屏蔽泵输送。一般地适合于屏蔽泵介质的粘度为 0.120mPa.s，同时也要注意如果长时间在小流量情况下运转，屏蔽泵效率较低，会导致发热、使液体蒸发，而造成泵干转，从而损坏滑动轴承。2)效率比普通泵要低屏蔽套的存在，增加了定子与转子之间的间隙，屏蔽套中存在电涡流损失；同时转子在介质中转动，摩擦阻力也随着增加，这些都使得屏蔽电机比普通电机的效率要低。屏蔽泵的叶轮口环间隙也较普通化工泵大，另外还要有一部分液体向电动机提供循环冷却，因此容积效率较低，总之，屏蔽泵的机组效率一般要比相同参数的普通化工泵低 5%左右。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计102 第第 2 章章泵的水力设计泵的水力设计2.1 叶轮的水力计算叶轮的水力计算(1)已知参数：3110 /0.0000306/QL hms3.5Hm7000 /minnr7000260732.7/Xrad s/343.6555.2sn QnH(2)计算最小轴径：d设其总效率为 ，泵部分的效率估计为15%25%H轴功率4.2cHQ ghPW扭矩3()95505.73 10( /min)cnP kwMN mn r最小轴径133d=()1.0 100.2 nMm(3)计算叶轮入口直径：0D叶轮入口处液体流动速度，根据航空与航天中的小流量泵P60 的公式，按照以下关系确定：文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计11230BXca V其中的参数被称为速度系数，对于小流量泵，它可能在 0.270.34 的范a围内变化(当泵不是以悬臂方式安装时，=0.30.34)a其中，试取30.0000306/BXVQms0.3a 可以解得00.76/cm s叶轮入口的直径2004BXBTVDdc其中是叶轮轮榖的直径，本泵试取轮箍直径为 3mm2BTd将各参数代入后可以解得07.76Dmm取后代回得 在允许范围之内。08Dmm00.71/cm s0.28a 故可取对应的08Dmm0.28a (4)计算入口处的通道宽度：1b1102BxmVbRC其中取又有000.71/mccm s100.40.0032RDm可以解得12.14bmm(5) 计算叶轮入口处的叶片倾角：1 叶轮入口处液流的子午分速为11 0mmck c收缩系数对于叶片用铣切方法加工，然后进行对焊的叶轮：1k11.62.0k 我们选取进行计算12.0k 得到 11.42/mcm s入口处的圆周速度112.34/uRm s叶轮入口处的液流角11131.25mcarctgu文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计12值与叶片倾角之间相差一个攻角值()，一般推荐攻角取值为111i510这里我们取进口处叶片倾角137(6)计算叶轮外径：2D根据航空与航天中的小流量泵P50 的经验公式：0.260.1580.6827.5DHV将原始工作状态参数代入后可以得出222.6Dmm(7)计算叶轮出口处的叶片倾角：2根据航空与航天中的小流量泵P54 的图 2.13，我们可以查出叶轮扩散度的最佳值12()1.7ONT根据扩散度的最佳值，可以查出232(8)计算叶轮出口处的通道宽度：2b根据航空与航天中的小流量泵P61 的公式 2.401 111222sin0.20.5sinDbFFD b2这里我们选取0.512FF可以得出叶轮出口处的通道宽度1 1122122sin1.7(/)sinDbbmmD FF(9)计算叶片的数量 z：根据众所周知的公式：221216.5sin7.722RRzRR1圆整为8z 初步计算叶轮的尺寸为：文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计13d3BTmm08Dmm222.6Dmm12.14bmm21.7bmm1372328z 2.2 涡室的水力计算涡室的水力计算(1)计算基圆直径和进口宽度以及割舌安放角3D3b0根据现代泵技术手册P246 的公式3220.05()bbD mm32(1.031.08)DD分别选取和34.7bmm324Dmm根据现代泵技术手册P246 的表 8-1 选取割舌安放角为010 (2)计算各截面面积根据现代泵技术手册P249 的公式，332vkgH其中根据现代泵技术手册P249 页的图 810 可以查出对应于该泵的sn，可以计算得到30.49k 34.06/vm s根据现代泵技术手册P249 的公式，可以根据泵的总流量计算第 VIII 断面的面积83QFv可以计算得到5280.75 10Fm我们将涡室分为 9 个截面，分别为 0VIII 截面，根据公式88FF文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计14我们可以得到5252525212340.075 100.171 100.268 100.364 10FmFmFmFm、5252525670.461 100.557 100.654 10FmFmFm、截面形状上，我们选用较为容易加工的矩形截面(3)计算泵的吸入、排出口径。根据现代泵技术手册P179 中的叙述，对于抗气蚀性能要求较高的泵，在吸入小于 250mm 时，可取吸入口流速我们在选定吸入流1.0 1.8/svm s速后，按照下式确定sD4ssQDv经过计算我们可以得到的大致范围：，我们选取sD4.65 6.24sDmm。5sDmm根据 P179 的叙述，对于低扬程泵，排出口径可与吸入口径相同，同时根据结构的需要，我们取排出口径略小于吸入口径，选取4dDmm(4)涡室扩散管的设计计算扩散管的扩散角为，对于有下面的公式：4222VIIIddinFDDDtgLL其中的 L 为扩散管的高度，的常用范围为。通过计算我们得8 12 到，L 的取值范围为，我们选取 L=14mm，相应3.1inDmm9.09 13.66Lmm的3.7从底座的结构上来考虑，我们使得扩散管出口的位置略为向下偏离。2.3 叶轮木模图的绘制叶轮木模图的绘制1 叶轮轴向投影图的绘制叶轮轴向投影图的绘制根据上面的叶轮水利计算部分，我们可以得到相关的叶轮的尺寸：d3BTmm08Dmm222.6Dmm12.14bmm21.7bmm文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计15我们参照现代泵技术手册P762 中比转速和本泵相似的离心泵模型，并按照以上的基本尺寸，初步绘制了叶轮的轴向投影图(图 2-1 左)图 1图图 2-1修改前和修改后的叶轮轴向投影图修改前和修改后的叶轮轴向投影图为图为图 2文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计16图 2考虑到泵吸入口处的结构形式，同时根据经验，适当增加入口宽度能够提高泵的水力性能，我们将叶轮的轴向视图作了适当修改(图 2-1 右)1b修改后的叶轮形状较为合理，确定下来作为最终的尺寸。2 方格保角变换法原理的介绍方格保角变换法原理的介绍绘制叶轮的平面投影图，我使用的是方格保角变换法，下面就简单介绍一下方格保角变换法的基本原理，方格保角变换法主要是将空间中的空间曲面利用保角变换“压缩”成为圆柱面，然后将圆柱面展开成为平面，在平面上绘制出光滑过渡的曲线，然后将该曲线再还原回空间曲面。叶片绘形主要分为作图法和解析法，这里我们所说的方格保角变换法属于解析法的一种。方格保角变换法主要有以下步骤：(1)沿轴面流线分点 (2)绘制平面流线(3)叶片加厚。(1)沿轴面流线分点沿轴面流线分点的方法比较多，但是原理都是一样的，即分出来的点在展开后的平面上是均匀分布的。流线分点的方法主要有三种：1.逐点计算法 2.作图分点法 3.图解积分法，现分别简要介绍一下这三种方法。逐点计算法就是通过公式，从叶轮出口沿轴面流线任取，u=2360Rs量出段中点的半径 R，按照公式计算，如果算得的等于预取的，分suus文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计17点是正确的。若不等于预取的，重新取，再算，直到两者相等。ussu然后分别算余下的点。这种方法的缺点是容易产生积累误差。作图分点法就是在轴面投影图旁，画两条夹角等于的射线，这两条射线表示夹角为的两轴面，与逐点计算分点法相同，一般取，从出口 开始，沿轴面流线试取长度，若中点半径对应的两射线间的弧长，于ssu试取的相同，则分点是正确定的，如果不等，则重复以上过程，直到相等为s止，由于我采用的是作图分点法来进行分点，因此接下来会有较为详细的介绍。图解积分法和逐点计算分点法相同，也是通过计算来进行分点的，与逐点计算法不同的是，它通过的是积分运算，而不是通过逐点校核计算，精确度较高，这里就不详细介绍了。(2)绘制平面流线绘制平面流线是绘制平面投影的关键步骤，分点后得到的点在变换后的平面上其实就是等距的，和依据分得的圆周方向的距离是相同的，因此变换后的圆柱平面展开后可以得到一张方格纸，在该方格纸上根据和可以绘制1 2出一条光滑的流线，然后再这条流线上选取若干点，将这些点投影回到空间曲面并绘制一条经过这些点的光滑曲线，我们就得到了平面投影上的流线。依靠上述方法来绘制平面流线是较为简便而且精确的。(3).叶片加厚在上一步绘制后得到的叶片其实是没有厚度的，我们还需要根据经验来为叶片增加厚度，具体将在后面的步骤中进行介绍。3 叶轮平面投影的绘制叶轮平面投影的绘制按照上面介绍的步骤，我们开始来绘制叶轮的平面投影。(1)沿轴面流线分点如上面原理介绍中所述，我们选用的是作图分点法，即通过在轴向投影图旁边绘制两条射线，两条射线间的夹角选取，选取使得和相等 ssu获得相应的点，根据以上方法，我们选取了 10 个点，见图 2-2。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计18图图 2-2沿轴面流线分点沿轴面流线分点(2) 绘制平面流线首先我绘制了经过保角变换后的方格图，其中的 010 代表着曲面在半径方向上根据保角变换后根据长度的均匀取点，IXIII 代表着曲面在圆周方向上根据角度的均匀取点，两点间的角度为 在方格纸上，我在圆周方向上 13 格，即的方向上，在半径方向上按照前面分的 10 个点间，根据，我们可以画出一条光滑曲线(图1372322-3)然后根据角度分点，并将分出来的点分别投影到平面投影上(图 2-4)，并连接形成一条光滑曲线，这就是叶片的无厚度形状。图图 2-3方格图上的光滑曲线方格图上的光滑曲线文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计19图图 2-4无厚度的叶片形状无厚度的叶片形状(3).叶片加厚由于整个叶轮的尺寸较小，因此叶片的厚度也相应较薄，最小处的厚度取在 0.3 左右，最厚处取在 0.7mm 左右，参照相似转速比的泵的模型，将无厚度平面流线旋转并进行适当修改即可得到叶片厚度。从而我们可以绘制出叶轮的平面投影图(图 6)图图 2-5加厚后的叶片形状加厚后的叶片形状文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计202.4 涡室木模图的绘制涡室木模图的绘制涡室的断面形状有很多种，有矩形、梨形、梯形和圆形等。有人用同一种叶轮在和面积及最大外壁尺寸相同的矩形涡室和梨形涡室中实验表明，33Db矩形涡室设计点的效率比梨形涡室低 0.8%，但最高效率高 1.2%。由此可见，涡室截面形状对性能影响不大，可根据结构和制造方便来选择。为便于计算和绘图，涡室通常取 8 个彼此成的断面，即用 8 个轴面切45割涡室。设计时先计算第 VIII 断面，其他断面以第 VIII 断面为基础进行确定。各种形状的第 VIII 断面可用解析法确定，但实际设计中大都用速度系数法确定。为了方便加工，同时兼顾结构，我们选用矩形的断面，如上述计算所得，涡室的宽度和叶轮出口处的宽度有关，我们已知叶轮出口通5280.75 10Fm道的宽度为，考虑到加工的方便性，叶轮前后盖板的厚度分别设计21.7bmm为 1mm，然后前后盖板分别和涡室的壁面空出 0.5mm，我们可以得到涡室的宽度为 4.7mm，同时涡室断面的上端加工出倒圆，其大致形状如图 2-6 所示： 图 7当某截面的面积为时，确定 R，我们可以得到：XF2/2(4.72 )2()XRR hhR RF根据大致的尺寸范围，我们分别选取各个截面的倒圆的半径为：123456780.160.20.30.40.5RRRRRRRR根据上式我们可以分别得到 19 截面处的高度 h 分别为：12356780.160.370.581 1.2 1.41 1.6 hhhhhhh根据以上数据我们就获得了 8 个截面的形状图(图 2-7)。图图 2-6 涡室的截面形状涡室的截面形状文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计21对于扩散管的截面形状设计上，出于结构上的考虑，为了使得扩散管的整体都能位于底座部分，利于加工和密封，我将扩散管出口处的圆心向下侧（截面图上显示为右侧）偏移了 1mm。并选取了 E 和 F 两个截面绘制截面图（图 2-7）图图 2-7 扩散管的截面过渡图扩散管的截面过渡图第第 3 章章轴系的设计计算轴系的设计计算3.1 轴承的选择轴承的选择1 为什么选用滚动轴承为什么选用滚动轴承：滑动轴承如果要承受轴向的载荷，需要在轴上增加止推盘这个结构，而滚动轴承本身就可以承受轴向载荷，因此无需增加止推盘，同时也没有高速下止推盘磨损的问题，增加了系统的稳定性和可靠性。如果选用滑动轴承，由于轴的尺寸较小，滑动轴承的轴瓦和轴之间的间隙也会同样很小，可能会对介质的正常冷却循环产生影响，如果选用滚动轴承，文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计22由于其滚动体之间的间隙较大，能够进行循环冷却的量势必也更大，在润滑散热方面有着较大的优势。2 为什么选用深沟球轴承：为什么选用深沟球轴承：深沟球轴承是摩擦系数最小的球轴承类型，它适用于刚性较大和转速较高的轴，本例中轴系有轴向力和径向力，但都较小，没有必要采用推力轴承。因此深沟球轴承是最好的选择。3 为什么选用陶瓷作为轴承的材料为什么选用陶瓷作为轴承的材料：轴承是该微型泵中的要害部件，由于该微型泵需要长时间能够在高度可靠的情况下运行，陶瓷材料具有的耐磨损的特性恰巧能够满足这方面的要求，如果采用普通的易磨损的材料则容易产生可靠性方面的问题。如果采用金属轴承，当轴承零件的材料过热、随后又被回火时，滚动轴承常会出现早期失效现象，而使用陶瓷作为材料则不会出现这种问题。陶瓷轴承具有良好的自润滑性能，可以在不加任何润滑的情况下正常工作，极大地拓宽了滚动轴承的应用范围。在以上分析的基础之上，我们选用上海烈力轴承制造有限公司的氮化硅（Si3N4）全陶瓷轴承。它的套圈及滚动体采用氮化硅（Si3N4）陶瓷材料，保持器采用聚四氟乙烯、尼龙 66，聚醚酰亚氨，氧化锆、 氮化硅，不锈钢或特种航空铝制造。这其中我们选用氮化硅。这款轴承具有以下优点：(1)高速：具有耐寒性、受力弹性小、抗压力大、导热性能差、自重轻、摩擦系数小等优点，可应用在 12000 转/分75000 转/分的高速主轴及其它高精度设备中； (2)耐高温：材料本身具有耐高温度 1200，且自润滑好，使用温度在100-800间不产生因温差造成的膨胀。可应用在炉窑，制塑、制钢等高温设备中；(3)耐腐蚀：材料本身具有耐腐蚀的特性，可应用在强酸、强碱、无机、有机盐、海水等领域，如：电镀设备，电子设备，化工机械、船舶制造、医疗器械等。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计23(4)防磁：因无磁不吸粉尘，可减少轴承提前剥落、噪声大等。可用在退磁设备。精密仪器等领域。(5)电绝缘：因电阻力高，可免电弧损伤轴承，可用在各种要求绝缘的电力设备中。(6)真空：因陶瓷材料独具的无油自润滑特性，在超高真空环境中，可克服普通轴承无法实现润滑之难题。轴承的选择将在第 5 章的屏蔽泵可靠性专题中作进一步的介绍。3.2 轴的设计轴的设计根据所参照的微型屏蔽泵的模型，我大致的确定了轴和其上磁性转子的尺寸，如上所述，采用一对滚动轴承支承。轴承和轴，轴和屏蔽套之间采用过盈配合(采用推荐使用的 H7/s6 和 S7/h6)，在轴承和屏蔽套之间使用过渡配合(采用推荐的 K7/h6)，方便拆卸。同时通过弹性挡圈配合轴肩对轴承进行定位并承受轴向力。微型泵的磁性转子套和轴之间采用过盈配合(采用推荐使用的 H7/s6)，并通过轴肩和轴承进行定位。为了保证轴承的正常冷却润滑，考虑到内循环的结构形式比较紧凑，而且冷却效果好，我选用了内循环的结构形式，在叶轮和轴的中间开了 1mm 的通孔，用于介质的循环，其循环路线见图 3-1在轴承的尺寸上，由于对屏蔽泵来说，效率和定转子之间的间距密切相关，因此我们选用了外径最小的轴承牌号以尽量提高屏蔽泵的效率。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计24图图 3-1 介质的冷却循环路线介质的冷却循环路线在轴和叶轮的连接上，考虑到轴和叶轮的尺寸较小，没有必要使用键连接，我们利用一对微小的内六角圆柱头螺钉(M1.6)对叶轮和轴进行连接，轴的伸出端和叶轮上孔的配合采用过盈配合(采用过盈程度较小的 H7/p6)在轴肩的设计上，根据实测的模型，采用最大轴径为 10mm，轴肩的高度为 2mm 的设计，设计两级轴肩，轴的最小轴径为 6mm。轴和轴承的具体结构请参见总装图和相关零件图。3.3 轴的校核轴的校核1 轴的强度校核轴的强度校核首先估算轴的重量，轴的材料为防锈铝合金材料，其密度大概为,32.7 /g cm轴的体积为，其2223331.5 3.14 43.14 543.14 23.81944.31.9mmcm 质量为，重力为 0.05N5.13g然后我们估算转子上磁套的重量，磁套材料的大约为,它的体积为35 /g cm，它的重量约为，重力为223(54 ) 3.14 24678.24mm678.24 5/10003.39g0.033N。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计25然后估算叶轮的质量，叶轮的材料和轴一样，为防锈铝合金材料，叶轮的每个叶片的体积约为,前后盖板的体积约为，因此整个叶轮的质311mm3800mm量为，重力为 0.024N(800 11 8) 2.7/10002.4g然后计算叶轮所受到的轴向力，在此例中叶轮所受到的轴向力主要有：1.叶轮前、后盖板不对称产生的轴向力，此力指向叶轮吸入口方向，用表示；2.动1A反力，此力指向叶轮后面，用表示；3.转子重量引起的轴向力，根据上例中2A估计的轴和叶轮的重力另行计算。下面分别来计算前两部分的轴向力，1.叶轮前后盖板不对称产生的轴向力，我们可以算得，根据手册P49732222.6 103.14 70008.3/6060Dnum s的公式 17-2，我们可以得到叶轮的出口势扬程为，根据手册22(1)2tptgHHHuP498 的公式 17-3 我们可以得到：22222212()()82mhmhpRRAg RRHRg 其中，代入后得到：240.004011.30.0113mhRmmmRRmmm 23 21732.70.0043.14 1000 9.8)2.63(0.0113)0.758 9.82AN2.动反力，此力指向叶轮后面，根据手册P498 页的公式，我们可以根据来估算动反力，其中 i 代表泵的级数，k 是系数，当221()mhAk gHRR i 时，k=0.6。可以得到30 100sn 20.6 1000 9.8 3.5 3.14 0.00411.03AN 我们将两个轴向力合成，方向指向叶轮后面，211.030.750.28AAAN将轴承简化成简单铰接，我们可以据此画出轴系的受力分析图。(图 3-2) 图图 3-2 轴系的受力分析图轴系的受力分析图文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计26由轴系的结构可知，前端的轴承并不能够提供指向叶轮的轴向力，因此轴向力主要由前端的轴承提供，我们可以据此得出轴承的受力情况，如图 3-3 所示。图图 3-3轴承的受力分析图轴承的受力分析图根据上面的轴的受力情况我们可以分别画出轴的剪力图和弯矩图(图 3-4)：图图 3-4轴的剪力图和弯矩图轴的剪力图和弯矩图首先校核轴的弯矩，其中弯矩图上的单位为，弯矩图中的两处直410 m N线截开的部分 I 和 II 分别表示两处危险截面，分别是轴径最小的点和弯矩最大的点，其弯矩分别为和，根据当量弯矩理论进行40.54 10 m N41.986 10 m N计算，前面的计算中已经得到：而当量弯3()95505.73 10( /min)cnP kwMN mn r矩，按照脉动载荷处理，我们大致取其中的，首先22 1/2() nMMT 0.6 核对 I 号截面处的弯曲应力，所计算截面的弯矩为，其当量弯矩40.54N m为：423 2 1/2-3(0.54 10 )(0.6 5.73 10 ) 3.4 103.4nMN mN mmI 号截面的当量直径为，可以求得其截面强度为2dmm234.25/0.1eeeMMN mmWd远远小于铝合金材料的许用弯曲应力。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计27其次核对 II 号截面处的弯曲应力，所计算截面的弯矩为，41.9863N m其当量弯矩为：423 2 1/2-3(1.9853 10 )(0.6 5.73 10 ) 3.44 103.44nMN mN mmIi 号截面的当量直径为，可以求得其截面强度为8dmm230.66/0.1eeeMMN mmWd同样远远小于铝合金材料的许用弯曲应力，故轴的弯矩条件完全符合。其次校核轴的扭矩，在前面叶轮和涡室的水力计算部分已经计算过最小轴径，而轴的最小当量轴径大于 2mm，因此扭矩条件也143d=()1.0 100.2 nMm完全符合。2 轴的刚度校核轴的刚度校核由于轴的弯曲应力和扭转应力相比可以忽略不计，因此我们在这里仅对轴的扭转变形进行校核。我们可以根据阶梯轴的扭转角计算公式进行计算：3444445845843.831.54()1.42 102.6 106810iiTlGd 由于传动上仅有一根轴，因此基本满足刚度要求。3 轴的振动计算轴的振动计算轴的振动计算，实质上就是计算轴的临界转速，在计算临界转速时，我们可以将轴简化为单圆盘双铰支轴，它的一阶临界转速可以由计算，其中的为轴在圆盘处的静扰度。101946( /min)cnry0y根据材料力学可得轴中点处的静扰度为，因此我们可以得到轴31.1 10 mm的一阶临界转速为，可见轴的实际转速13194628522( /min)1.1 10cnr远远低于轴的一阶临界转速，为刚性转子，不存在稳定性方面7000( /min)nr的问题。4 轴和叶轮螺钉联结的校核轴和叶轮螺钉联结的校核螺钉的剪切强度条件为：文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计2820 /4Fzm d 其中 Z 为螺栓数目；m 为螺栓受减面数目，为螺栓杆与钉孔配合处的直0d径，对于我们选用的内六角圆柱端紧定螺钉(M1.6)来说其许用剪切应力大致为，本例中选取一对对称的螺钉，因此可以取 z=2m=12500/N mm其中 将数据代入后可得：01.6dmm5.731.91/26/2MFNd2221.910.034/ 500/2/4N mmN mm 因此轴和叶轮之间的螺钉联结完全符合强度要求。3.4 轴承的校核轴承的校核1 轴承寿命的计算轴承寿命的计算通过上面对轴系受力情况的分析计算，我们可以分别得到两个轴承的径向力和轴向力分别为，其中112200.03840.1870.0151xyxyFFNFNFNx 代表径向力，y 代表轴向力，1 和 2 分别代表前端和后端轴承。我们需要通过计算轴承的当量动载荷来估算轴承的寿命。当量动载荷的计算公式为，其中 R 和 A 分别为轴承的径pP = K (XR+YA)向载荷和轴向载荷，X 和 Y 分别为计算当量动载荷时的径向载荷系数和轴向载荷系数。对于前端的轴承，我们可以查得 X=1 Y=0，因此轴承的当量动载荷为，载荷性质为平稳或有轻微冲击，因此我们选取，可以得到轴pP = K RpK1.2承的当量动载荷为，估算轴承寿命的公式为P =1.2 0.03840.0461N61010() ( )60hCLhn P其中代表轴承的转速， 为轴承的寿命系数，对于球轴承取，n C 为基本额定动载荷，我们所选取的MR128zz 轴承其基本额定动载荷 C=543N将具体数值代入后我们可以得到，可见6121010543() ( )3.9 10 ( )60 7000hLhh该轴承完全符合要求。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计29同理，我们可以计算出后端轴承的寿命为：。故两个轴10102.9 10 ( )hLh承的使用寿命都完全符合要求。2 轴承扭转角的计算轴承扭转角的计算根据上面计算所得的轴的扭转角，我们可以算出轴承的扭转角度，计算公式为3562.51.42 109.03 101.6 1039.3zzlradl 对于向心球轴承的许用扭转角是，故轴承的扭转角完全符合0.005zrad 要求。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计303 第第 4 章章泵体的设计计算泵体的设计计算34.1 屏蔽套的设计计算屏蔽套的设计计算1 屏蔽套的设计屏蔽套的设计屏蔽套是屏蔽泵的制造加工关键，本泵在屏蔽套的设计上参考了所购买的微型屏蔽泵模型，屏蔽套直接和微型泵的底座通过螺钉相联，使得结构紧凑简单，拆卸容易，屏蔽套的套筒直径按照轴系的要求取，屏蔽套的厚112pDmm度从效率角度来说是越薄越好，结合从模型上实测的厚度和从加工的方便程度考虑我们取其厚度为，在屏蔽套的顶部和后端轴承接触处有一个1psmm0.5mm 的凸台，用于轴承的定位，照此结构轴的尾端和屏蔽套的顶部有 0.5mm的间隙。屏蔽套的外端和屏蔽电机的定子有联接关系，由于整个屏蔽套的尺寸较小，很难加工出额外的联接结构，在参照模型泵结构的基础上，我在定子和屏蔽套之间采用过盈配合，同时一端利用在屏蔽套的外端加工出轴肩的结构对其进行定位。，另一端利用电机定子套加工出的类似于轴承盖的结构进行定位。具体结构请参见电机定子套的零件图。在密封上，由于不存在动密封，因此可以很方便的使用 O 形圈进行密封，所选用的密封圈是尺寸为密封圈标准件。30 1.80在受力方面，屏蔽套和底座的联接结构承受了来自四个部分的重力：屏蔽套自身，轴系，定子，电机定子套。由于有叶轮圆盘密封的存在，屏蔽套处的水压可以认为是常压，不必计算。我们在轴肩和屏蔽套使用高强度的 C4 合金制造，而四部分的总的质量仅为 200 余克，因此在强度和刚度上较为可靠，不必予以校核。2 螺钉联结校核螺钉联结校核我们对屏蔽套和底座的螺钉联结进行校核。整个屏蔽泵除底座以外的上端部分总质量大概为 240g，屏蔽套和底座的四个螺钉承受了这部分的重力。我们将这部分重力分解为平行于联结平面的剪切力和垂直于联结平面拉伸力。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计31其中剪切力为，为四个螺钉共同承担，其校0.24 9.8 cos601.2lxFN 核公式为：，其中，代入后可得：20 /4lXFzm d 0412zm dmm 222201.20.127/ 500/41 3/4lXFN mmN mmzm d 可见联接十分牢固，完全不会出现较为可靠。34.2 电机定子套的设计电机定子套的设计电机定子套的作用是将屏蔽电机的定子和外部的环境完全隔离开来，保护定子和屏蔽套，由于不是关键部件，我们采用不锈钢材料制作。从受力上来说，除了自身重量以外(大约为 48g)，基本上不受到其他的力，在强度和刚度上不可能出现太大的问题。在结构的设计上，考虑到定子套和定子以及屏蔽套有一个定位的关系，因此我设计了一个类似于轴承盖的结构，利用定子套内的凸台对定子进行定位，同时在凸台内部的位置车出一段 2.5mm 的螺纹，和屏蔽泵顶部进行螺纹联接，以此进行固定。具体结构请参见电机定子套的零件图。34.3 底座的设计底座的设计1 总体结构的设计总体结构的设计航空航天中使用的泵往往需要高的可靠性，这就需要设计两台泵，一台为主泵，另一台为备用泵，因此所设计的底座必须考虑两台泵的安装和主泵和备用泵工作时的切换。根据航空与航天工程中的小流量泵，备用泵和主泵的配置主要有三种方式：轴向配置、并列配置和角斜式配置。下面简单介绍一下这三种不同的配置方式，在轴向配置的电动泵装置中，离心泵安装在同一轴线上。两个泵共用一个壳体，其中的螺旋形扩散器叶做成一个整体。这种电动泵的装置的特点是径向尺寸小而轴向尺寸大，与那些具有可拆卸壳体和附加密封装置的电动泵装置相比，他的密封性和工艺性都较好。缺点是与入口和出口接管嘴连接处的焊缝可能密封性较差。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计32在并联配置的电动泵装置中，泵是平行排列安装的。这种泵的轴向尺寸小，而径向尺寸大，若采用带有焊接密封堵塞而不可拆卸的壳体，密封性能会更好。两个泵即可是同一转向的，也能以不同方向旋转。它的最大优点是可以用同一规格的工作也轮。不过有时倒需要电动泵装置的两个泵轮旋转方向不同，例如，当两个泵联合工作时，为了补偿由于泵旋转而产生的力矩，就必须如此。此外，它的出口损失也比泵轮同向旋转的电动泵装置小些。角斜式配置的电动泵装置有两个离心泵，其轴线间有一夹角。与前两种装置相比，这种电动泵装置有比较紧凑的共同壳体，质量较小。考虑到航空航天的特点，为了减少宇航员的负担，节约宇航服背包内有限的空间，我决定使用角斜式配置的电动泵形式。在主泵和备用泵的切换上，除了电源的切换上，我决定使用三通电磁阀对出水管路进行控制。装置的控制简图如图 4-1 所示：图图 4-1 装置的控制简图装置的控制简图如图所示，控制开关能够对电磁阀和电源进行协同控制，使得工作用泵在主泵和备用泵之间进行切换。其中电磁阀、进水用软管、电源、控制开关等一系列附加装置依据宇航服背包或者试验装置中的具体情况另行设计布置。2 细节部分的设计细节部分的设计文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计33在泵底座的设计上，考虑到姐妹泵的结构的独特性，同时为了使得结构紧凑，提高可靠性，减少零件的数量和装置的重量，我将涡室、出排水口等一些结构都设计在底座上，底座主要依靠整体铸造形成，对于进水流道、屏蔽套装配平面等一些有要求的表面进行进一步的精加工。在扩散管的设计中，我们考虑到结构上的因素，为了将扩散管整体安置在底座上，将出口圆截面向下偏心1mm，具体形状参见涡室绘形图。在进水管和出水管的设计中，考虑到管径较小，完全没有必要使用法兰的结构，我采用了较为常见的管壁上带有锯齿形状的管口结构，用于和出水或者进水的软管相联接，出水管和进水管的长度在考虑锯齿形状结构的基础上大致取在左右。10gLmm在姐妹泵中间相联的肋板结构上，我选用的肋板的厚度和下面进水管处圆柱壳体的直径一致，为，这样既显得美观、紧凑，又有利于加工。16lDmm和基座相联接的底板设计成了圆形，为了使装置整体美观，同时减少应力，在圆柱形壳体和底板之间设置了一个的倒圆，底板上设置四个 4mm15Rmm的通孔，用于和基座的连接，底板的设计在兼顾结构的设计上尽量减少底座的俯视投影面积，取。具体结构请参见底座的零件图。58.2dDmm文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计34第第 5 章章关于屏蔽泵的可靠性专题关于屏蔽泵的可靠性专题35.1 屏蔽泵的失效原因及对策屏蔽泵的失效原因及对策在这 3 个月的设计中，通过对相关文献的阅读和自己的理解，我对微型屏蔽泵的可靠性设计有了一些心得体会。首先我们应该对屏蔽泵的可靠性有一个大致的了解，即屏蔽泵的可靠性要远远高于普通泵，这主要有以下几个方面的原因：1 屏蔽泵没有机械密封和轴承箱，泵轴完全封闭在屏蔽套内，变动密封为静密封，所以能够做到完全的无泄漏；2 屏蔽泵取消了联轴器，简化了传动结构，变硬连接为软连接，有效的解决了震动和噪声问题；3 与普通泵相比，屏蔽泵的零件数量少，易损件明显减少（仅有轴承或口环），事故件也相对减少(仅有屏蔽套)。据相关统计结果，常规泵泄漏、故障等破坏率是屏蔽泵的 68 倍，机械密封化工泵更换易损件的费用是相似参数屏蔽泵的 35 倍。由此屏蔽泵的高可靠性也可见一斑。要了解屏蔽泵的可靠性，我们也必须知道有哪些方面的原因会引起屏蔽泵的故障。引起屏蔽泵故障主要的原因应该就是轴承的失效了，在维修现场，屏蔽泵停机检修等故障的发生，大部分是由于轴承磨损破坏引起的，对于屏蔽泵来说，轴承是保证其可靠性的最关键部件。屏蔽泵由于其输送介质的腐蚀性、磨蚀性和润滑性能等特殊条件，以及结构条件的各种限制因素，使其在大多数情况下采用以本身所输送的液体进行润滑和冷却的滑动轴承。因此对于大多数屏蔽泵来说，上述的轴承指的是滑动轴承。其次就是屏蔽套的失效问题，屏蔽套是屏蔽泵的关键部件，屏蔽套的加工工艺是整个机组制造水平的标志，屏蔽套如果因为强度不够而出现泄露或者破损也会直接引发屏蔽泵的故障。引起屏蔽泵故障的原因主要有三种：1 轴向力过大 2 润滑冷却不充分 3 屏蔽套损坏下面我就来分别分析这三种原因和解决的对策。I 轴向力过大轴向力过大滑动轴承主要依靠面接触的方式平衡轴向力，因此如果轴向力过大很容易文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计35引起滑动轴承的过度磨损。要解决轴向力过大的问题有两种方法：1)尽量平衡轴向力；2)提高轴承的耐磨能力；1) 轴向力的平衡对于较大尺寸的立式屏蔽泵有着特殊的意义，因为其转子和叶轮的重力都会成为轴向力的一部分。较为传统的平衡轴向力的方法有设置平衡孔和平衡筋等，根据文献，双端面尺寸的密封环配合适当尺寸的平衡孔，可有效的减小屏蔽泵的轴向力， 进而达到延长屏蔽泵使用寿命的目的； 同时近年来广泛应用了一种利用间隙流动特性的轴向力自动平衡方式，其原理如图5-1所示：当进口方向轴向力增大时，叶轮向进口方向移动，轴向可变间隙变小，泄漏量减少，后盖板压力增加，也迫使叶轮向反方向移动；从而达到轴向力自动平衡的目的。图图5-1 轴向力自动平衡结构简图轴向力自动平衡结构简图对于多级屏蔽泵，可以采用叶轮背靠背布置的方式来平衡轴向力；也有采用将电动机放在中间（双头轴屏蔽电动机），也可取的良好效果。2) 轴承的耐磨能力和轴承的材料有关，作为屏蔽泵的滑动轴承，其材料一般应满足以下要求：(1)较小的摩擦系数；(2)足够的承载能力和疲劳强度；(3)较高的热导率和热容量；(4)良好的耐腐蚀性和耐磨性；(5)对润滑液中的颗粒的敏感性较小；(6)不产生有害的磨损物质；(7)良好的工艺性和尺寸稳定性；(8)材料的可靠性高且价格经济；文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计36(9)高抗裂性和高抗冲击性(抗折强度一般为)。246kN/cm鉴于以上特性，通常用于制造屏蔽泵的滑动轴承的材料主要有：碳石墨、渗硅石墨、矿物陶瓷、金属陶瓷、塑料、橡胶等。对于不同的介质和温度压力等，应该选用不同的轴承材料，或者对轴承进行一定的特殊处理，以提高轴承的耐磨性能，例如非氧化物的陶瓷材料的耐腐蚀性能使其非常适用于海水等腐蚀性的介质；石墨材料在浸润树脂处理后，在摩擦条件不太恶劣的条件下，其耐磨损性能有很大提高，因此浸渍树脂的碳石墨是目前国内屏蔽泵厂家最常用的滑动轴承的材料，特别适用于化工屏蔽泵。II 润滑冷却不充分润滑冷却不充分屏蔽泵有着不同于普通泵的冷却系统，屏蔽电机工作时，定子绕组的电流损失，铁心能量损失以及屏蔽套的涡流损失等产生的能量必须由循环冷却液体带走，以保证定子绕组的温度低于绝缘等级的要求同时支承转子的径向导轴承和限制轴向窜动、承受轴向力的推力轴承也要在必要的冷却润滑条件下才能工作，因此，屏蔽泵循环冷却回路的合理设计至关重要。图 1-2 是几种常用的循环冷却形式。在冷却循环形式的选择上，内循环型因为中空轴的加工及孔径与循环量的合理确定较之外循环型具有更高的设计难度，但是从电机冷却的效果来看，内循环型的循环充分，优于外循环型。目前，国内厂家多采用外循环型，国外厂家，如日本日机装公司(世界上最大的屏蔽泵制造厂)采用内循环型。要使屏蔽泵不因为冷却循环不足而失效，就必须合理的设计循环结构，保证循环量的充分，屏蔽电机的冷却及石墨轴承的润滑量决定了循环量的大小，从泵方面将，希望循环量越小越好，这样泵的容积效率将提高。依据经验，循环量应取泵送流量的 0.52%为宜，这样可满足冷却屏蔽电机及滑动石墨轴承所需要的最小液量。当泵输送的介质温度偏高时，循环量应该取大值，从我现在阅读的文献看，循环量的确定还没有非常成熟的理论，一般依靠经验确定。循环冷却量的不足将直接造成轴承的过度磨损或者电机的烧毁，造成严重的后果，因此保障足够的循环冷却量对于屏蔽电机的高可靠性是至关重要的。文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计37文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计38文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计39图图1-2 屏蔽泵常用的冷却循环形式屏蔽泵常用的冷却循环形式III 屏蔽套损坏屏蔽套损坏从提高效率的角度来说，屏蔽套的厚度自然是越薄越好，同时也要尽量减少屏蔽套中的涡流损失，但是屏蔽套的焊接和厚度必须满足屏蔽泵的强度要求，否则就可能出现屏蔽套的损坏事故，当屏蔽泵内的轴承损坏时，也有可能引起屏蔽套损坏的连锁反应，直接因为屏蔽套强度不够而损坏的事故较为少见。屏蔽套的损坏主要有以下几种形式：(1) 因为原有的密封不良而导致屏蔽套的泄漏损坏，这种情况完全是可以避免的，在泵的是运行期间就可以及时发现和修正。(2) 屏蔽套长期受到介质或者冷却水的冲刷腐蚀而导致屏蔽套的破损，这就要求我们在设计和焊接制造时要考虑到介质和冷却水的冲刷和腐蚀等因素，适当提高屏蔽泵的强度。(3) 冷却循环系统的失效导致温度急剧升高，导致屏蔽套膨胀变形，将屏蔽套胀坏。因此我们必须在设计屏蔽套时充分考虑介质、温度等因素，选用合理的焊接工艺，防止焊缝腐蚀。同时在保证可靠性的前提下尽量减少屏蔽套的厚度，值得一提的是，屏蔽套如果破损不是太严重，损坏后不必整个更换，可以将其焊接修复后继续使用。35.2 屏蔽泵的安全监测和保护装置屏蔽泵的安全监测和保护装置屏蔽泵虽然可靠性高，但是也还是有发生故障的可能性，为了进一步保证屏蔽泵的正常工作，提高其使用寿命和运转的安全性，屏蔽泵通常都设有下列保护装置：(1) 轴承磨损监测器文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计40轴承磨损监测器有机械式、电气式、机械电气式等型式。当屏蔽泵运转时时，可以通过轴承磨损监测器随时监视轴承的运转情况，当轴承磨损较大时就要停车检修或更轴承，在运转时若发生轴承损坏则立即停车，这样可以防止造成更大的损失。(2) 电流保护器屏蔽泵在断液情况下而空运转时，会造成轴承损坏。当流量大幅度下降时，会造成轴承损坏。当流量大幅度下降时，电流也会大大降低，此时电流保护器可自动动作而停车。同样，在负载过大时，电流增加较多，电流保护器也会动作，自动切断电流，使电机停止运转，防止事故发生。第第 6 章章总结与展望总结与展望6.1 总结总结经过 3 个月的工作，在辅导老师的悉心指导下，我终于完成了这个微型泵的设计，主要完成的工作有：(1)文献综述、开题报告和文献翻译。(2)微型泵设计的论文一篇。(3)工程图若干，包括总装图 1 张，叶轮和涡室的木模图各 1 张，零件图 7 张。在整个设计过程中，我了解了泵的基本结构、工作原理以及设计文献综述与开题报告 航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵的设计41方法，尤其是屏蔽式离心泵的结构原理，同时也提高了我的工程制图能力，可以说是颇有收获的。下面我就谈谈我在这次设计中的一些心得体会，首先，叶轮是决定泵效率的关键部件，也是泵设计成功与否的关键，叶轮的设计主要指的是叶片形状的设计，但叶片形状的设计却没有非常好的理论能够解决，因此不可能设计出最“完美”的叶片，主要在依靠前人经验和做实验进行比较的基础上完成，叶轮设计中比较传统的速度系数法和相似换算法都是在大量泵模型的基础上统计换算出来的。因此要知道一个叶轮好坏与否，只能通过软件模拟或者在实验中加以检验。其次，就我设计的这个具体的泵来说，它有着几个与众不同的前缀“航空航天”、“屏蔽泵”和“微型泵”。就屏蔽泵来说，它独特的结构能够保证介质的完全无泄漏，保证航空航天中用泵的可靠性，同时屏蔽泵由于取消了动密封，在结构的复杂性和零件的数量上都要比传统泵小的多，装配简单，运转可靠，无需维护，可以说是航空航天用泵的首选。另一个前缀就是微型泵，“微型”这两个字确实是名副其实，就我设计的这个方案来说，整个姐妹泵的高度为 8cm，宽度最大为 12cm，叶轮直径更是只有 2 厘米多，整体的重量仅有 700 克左右。这就为零件的选择和加工增加了难度，设计上更多考虑的不是应力的问题，而是结构尺寸的问题。虽然现在方案是设计出来了，但是如此微小的零件要加工出来可能会有一定的难度，特别是泵的底座，底座上涡室的结构比较复杂，同时有部分流道由于处于内部，无法进行精加工，只能通过一次铸造加工成型，因此虽然设计出来了，最后到底能不能真正的加工出来，还是需要斟酌的。还有一个前缀就是“航空航天”，因为是要在航空航天中使