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双吸渣浆泵设计及机械密封设计摘要：泵是应用非常广泛的通用机械，可以说是液体流动之处，几乎都有泵在工作。而且，随着科学技术的发展，泵的应用领域正在迅速扩大，根据国家统计，泵的耗电量都约占全国总发电量的1/5,可见泵是当然的耗能大户。因而,提高泵技术水平对节约能耗具有重要意义。离心式渣浆泵广泛应用于煤炭、矿山、冶金、电力、水利、交通等部门，主要进行静矿、尾矿、灰渣、泥沙等固体物料的水力输送，但其过流部件的磨损相当严重，其主要破坏形式为过流部件洞穿和变形，过流部件的严重磨损，恶化了泵内流动特性及外特性，缩短了泵的实际使用寿命，使生产效率降低，加大耗能和设备的投资，进而影响生产的发展。因此所设计的渣浆泵中采用多叶片数来减少单个叶片的磨损，适当的增加过流部件的厚度并采用高硬度的耐磨材料来来减小磨损，将叶轮入口的后盖板设计为凸出的、由光滑圆弧组成的轮毂头。采用机械端面密封使密封面紧密贴合，防止介质泄漏，自动补偿密封面磨损。本设计详细介绍了渣浆泵的总体结构、工作原理、结构设计和机械密封设计。关键词:渣浆泵 机械密封 密封圈Double suction slurry pump design and mechanical seal designAbstract:Pump is the most widely used general machinery,it can be said that any liquid flows,almost all of the pumps work,With the development of science and technology, pumping application areas are expanding rapidly,According to national statistics.Pump power consumption accounted for a fifth of the country,we can see that the pump is only natural consumption market.Pump technology will increase the level of energy conservation has a very important significance. The slurry pump is the extensive applying in the coal, mineral mountain, metallurgy, electrical, water conservancy, transportation and so on. It is main to proceed the water power of the static mineral, tail mineral, ash grain, sediment solid material transportation. But its very serious over the abrasion that flow the parts. Its main breakage form is over flow the parts penetrate with transformation. Over serious abrasion that flow the parts，it is worsening the pump inside flows characteristic and outside characteristics, shorting the actual service life of the pump and making production efficiency lower, enlarging consumes the investment of the equipments, and then affecting the development of the production. It adopt many leafs number to reduce the single abrasion of leafs slice for this designing slurry pump, also increased combines over the thickness that flow the parts the high degree of hardness in adoption bears to whet the material to come to let up the wear and tear, and empressed an entrance covers plank design as to bulge and smooth hubcap head . This design was detailed to introduce the total construction that slurry pump, the work principle designs with the construction and the mechanical seal.Key words: Slurry pump, Mechanical seal,Ring第一章 概论第一节 渣浆泵的用途和类型1、渣浆泵的用途渣浆泵可广泛用于矿山，电力、冶金、煤炭、环保等行业输送含有磨蚀性固体颗粒的浆体。如冶金选 渣浆泵矿厂矿浆输送，火电厂水力除灰、洗煤厂煤浆及重介输送，疏浚河道，河流清淤等。在化工产业，也可输送一些含有结晶的腐蚀性浆体。目前，渣浆泵的应用范围中，80%左右都是用在矿山行业选矿厂。由于矿石初选工况较为恶劣，因此在这一工段，渣浆泵的使用寿命普遍较低。当然，不同的矿石，磨蚀性也不一样。在洗煤行业，由于工况不同，较大煤块，煤矸石容易堵塞，对于渣浆泵的设计要求很高。淮北矿务局下属某洗煤厂05年采用经特殊设计的、替代原来从澳大利亚进口的渣浆泵，至今运转正常，输送较大煤块、煤矸石无堵塞，使用磨损寿命超过了国外进口泵。在海水选砂领域，渣浆泵应用也开始逐渐被客户认可。但是在海水里选砂，河道里挖沙，渣浆泵更容易被称为砂泵，挖泥泵。尽管叫法不一，但是从结构特点和泵的性能原理上来讲，都可以通称为渣浆泵。因此在这海水选砂中我们经常称为砂泵，在河道清淤里面习惯上叫挖泥泵。渣浆泵的用途虽然广泛，但是正确的应用是十分重要的。渣浆泵由于其名称本身的局限性使得一些非本行业的人对此产生误解，事实上，泥浆泵，杂质泵，挖泥泵，清淤泵，等都在渣浆泵的应用范围。在渣浆泵的应用过程中，一定要注意合理的设计，正确的计算，合适的选型，这几点非常重要。2、渣浆泵类型渣浆泵从物理学原理上讲属于离心泵的一种，从概念上讲指通过借助离心力（泵的叶轮的旋转）的作用使固、液混合介质能量增加的一种机械，将电能转换成介质的动能和势能的设备。渣浆泵的名称是从输送介质的角度来划分的一种离心泵。另外渣浆泵从不同角度还可以具体划分不同类型：（1） 从叶轮数目划分：单级渣浆泵和多级渣浆泵（2） 从泵轴与水平面位置划分：卧式渣浆泵和立式渣浆泵（3） 从叶轮吸入进水的方式划分：单吸渣浆泵和双吸渣浆泵（4 ）从泵壳的结构方式：水平中开式和垂直结合式本毕业设计选择双吸类型的渣浆泵。第二节 渣浆泵的密封渣浆泵的密封有三种形式：填料密封，付叶轮密封，机械密封。三种密封形式各有优劣势。首先填料密封，是最普通的一种密封，是通过注入轴封水的形式，不断在填料里面注入一定压力水，一防止泵体浆体外泄：对于不适于用付叶轮轴封的多级串联泵，采用填料轴封。填料轴封结构简单，维修方便，价格便宜。其次付叶轮密封，是通过一个反向离心力的叶轮作用力，防止浆体外泄。在泵进口正压力值不大于泵出口压力值10%时的单级泵或多级串联泵的第一级泵可以采用付叶轮轴封，付叶轮轴封具有不需轴封水，不稀释浆体，密封效果好等优点。因此在浆体中不允许稀释的情况下，可考虑此种密封。再次，机械密封，一般是对密封要求比较高的情况使用。特别是一些化工，食品领域，不仅要求密封，而且最主要是不允许加入额外成分进入泵体。缺点就是，成本高，维修困难等。本毕业设计选择机械密封作为渣浆泵的密封形式。本设计选定的基本参数：流量Q=162m3/h； 扬程H=78m； 转速n=2900r/min； 比转数ns=60。第二章 渣浆泵基本原理第一节 泵的工作原理泵是把原动机的机械能转换成液体能量的机器。泵用来增加液体的位能、压能、动能。原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体做功，使其能量增加，从而使需要数量的液体，由吸水池经泵的过流部件输送到要求的高度或要求压力的地方。如下图1-1所示,是简单的离心泵装置。原动机带动叶轮旋转，将水从A处吸入泵内，排送到B处。泵中起主导作用的是叶轮,叶轮中的叶片强迫液体旋转,液体在离心力作用下向四周甩出。这种情况和转动的雨伞上的水滴向四周甩出去的道理一样。泵内的液体甩出去后，新的液体在大气压力下进入泵内,如此连续不断地从A处向B处供水。泵在开动前，应先灌满水。如不灌满水，叶轮只能带动空气旋转,因空气的单位体积的质量很小，产生的离心力甚小，无力把泵内和排水管路中的空气排出，不能在泵内造成一定的真空，水也就吸不上来。泵的底阀是为灌水用的，泵出口侧的调节阀是用来调节流量的。第二节 机械密封基本原理机械密封是由两块密封元件（静环和动环）垂直于轴的光滑而平直的表面相互贴合，并做相对转动而构成的密封装置，如图2-1所示。它是靠弹性构件（如弹簧6）和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触面（端面）上产生适当的压紧力，使这两个端面紧密贴合，故又称端面密封。构成机械密封的基本元件有：端面密封副（静环1和动环2）、弹性元件（如弹簧4）、辅助密封（如O型圈8、9和10）、传动件（如传动销3和传动螺钉7）、防转件（如防转销11）和紧固件（如弹簧座5、推环13、压盖12、紧定螺钉6与轴套14），其中，、为泄漏点。图2-2 机械密封原理图第三章 渣浆泵的结构设计第一节 泵汽蚀余量的计算汽蚀余量对于泵的设计、试验和使用都是十分重要的汽蚀基本参数。设计泵时根据对汽蚀性能的要求设计泵,如果用户给定了具体的使用条件,则设计泵的汽蚀余量必须小于按使用条件确定的装置汽蚀余量。欲提高泵的汽蚀性能,应尽量减小。泵试验时,通过汽蚀试验验证,这是确定唯一可靠的方法。它一方面可以验证泵是否达到设计的值。另一方面,考虑一个安全余量,得到许用汽蚀余量,作为用户确定几何安装高度的依据.可见,正确地理解和确定汽蚀余量是十分重要的。为了深入理解汽蚀的概念,应区分以下几种汽蚀余量：1、装置汽蚀余量又叫有效的汽蚀余量。是由吸入装置提供的,越大泵越不容易发生汽蚀。2、泵汽蚀余量又叫必需的汽蚀余量,是规定泵要达到的汽蚀性能参数, 越小,泵的抗汽蚀性能越好。3、试验汽蚀余量,是汽蚀试验时算出的值, 试验汽蚀余量有任意多个,但对应泵性能下降一定值的试验汽蚀余量只有一个,称为临界汽蚀余量,用表示。4、许用汽蚀余量,这是确定泵使用条件(如安装高度)用的汽蚀余量,它应大于临界汽蚀余量,以保证泵运行时不发生汽蚀,通常取=或=+k, k是安全值。这些汽蚀余量有如下关系:泵汽蚀余量的计算: 式中: 托马汽蚀系数； 泵最高效率点下的泵单级扬程； 最高效率点下的泵汽蚀余量。根据【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社。】 查图4-7取=0.035，所以。第二节 泵的基本参数的确定1、 确定泵的进口直径泵进口直径也叫泵吸入口径,是指泵吸入法兰处管的内径。吸入口径由合理的进口流速确定。泵的进口流速一般为3m/s左右，从制造经济行考虑，大型泵的流速取大些，以减小泵体积，提高过流能力。从提高抗汽蚀性能考虑，应取较大的进口直径，以减小流速。常用的泵吸入口径，流量和流速的关系如图所示。对抗汽蚀性能要求高的泵，在吸入口径小于250mm时，可取吸入口径流速，在吸入口径大于250mm时，可取。选定吸入流速后，按下式确定,在该设计中，双吸离心式渣浆泵：吸入口径（mm）40506580100150200250单级泵流速（m/s）1.3751.772.12.763.532.832.652.83流量（m3/h）6.2512.52550100180300500注：此表取自【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社。】取吸入口流速，代入公式得：取泵的吸入口径为150mm。2、确定泵的出口直径泵出口直径也叫泵排出口径，是指泵排出法兰处管的的内径。对于低扬程泵，排出口径可与吸入口径相同；对于高扬程泵，为减小泵的体积和排出管路直径，可取排出口径小于吸入口径，一般取 式中：泵的排出口径 泵的吸入口径根据该泵的特性，由于该泵的流量大，考虑排水管路的经济性取。3、泵转速的确定 确定泵转速应考虑以下因素：（1）泵的转速越高，泵的体积越小，重量越轻，据此应选择尽量高的转速；（2）转速和比转数有关，而比转数和效率有关，所以转速应该和比转数结合起来确定；（3）确定转速应考虑原动机的种类（电动机、内燃机、汽轮机等）和传动装置（皮带传动、齿轮传动、液力偶合器传动等）；（4）转速增高，过流部件的磨损加快，机组的振动、噪声变大；（5）提高泵的转速受到汽蚀条件的限制，从汽蚀比转数公式 式中： 泵的转速（r/min） 泵流量（m3/s）双吸泵取可知：转速和汽蚀基本参数及有确定的关系，如得不到满足，将发生汽蚀。对既定得泵汽蚀比转数值为定值，转速增加，流量增加，则增加，当该值大于装置汽蚀余量时，泵将发生汽蚀。选 ,，则 根据汽蚀要求，泵的转速应小于，而实际转速为4、估算泵的效率（1）水力效率 水力效率按下式计算 ，式中：泵流量（m3/s）双吸泵取 泵的转速（r/min）（2）容积效率 容积效率可按下式计算该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄漏的值,对于有平衡孔、级间泄漏和平衡盘泄漏的情况,容积效率还要相应降低。则 （3）机械效率泵的总效率 泵的理论扬程 泵的理论流量 5、轴功率和原动机功率泵的轴功率：原动机功率：式中: 余量系数 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 表7-10取=1.1(原动机为电动机)传动效率 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 表7-11取(直联)所以选择55Kw的电动机可满足要求,查【机械零件手册吴宗泽主编】选择电动机的型号为Y250M-2。第四章 渣浆泵轴的设计直联式双吸渣浆泵是将轴设计为空心轴和电机轴相联,泵无需底座，所以直接用电动机支起泵来工作的，当电机轴和空心轴联成一体时，可看作是刚性连接，这时按一根轴来计算，但在其受力分析时，我们找不到电机的原始材料，为了保证这根轴符合要求，我们最后按外伸梁和悬臂梁两种方法分析计算，只有这样才能保证计算的准确度。第一节 轴按外伸梁设计1、扭矩的计算式中: 扭矩()计算功率 取2、根据扭矩计算泵轴直径的初步计算式中: 材料的许用切应力() 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 表7-12取值的大小决定轴的粗细，轴细可以节省材料，提高叶轮水力和汽蚀性能；轴粗能增强泵的刚度,提高运行可靠性。故泵轴的最小轴径取，泵轴的最大尺寸取。3、 画出轴的结构草图 如图所示(由已知图纸改进)图4-1 轴结构草图叶轮的左边用螺母锁紧,右边用轴套定位,轴套内径取45mm，外径取60mm，轴经过处圆角统一取R=2mm(特殊要求除外)。4、轴的强度计算（1）叶轮所受径向力的计算()式中: 泵扬程 叶轮外径 包括盖板的叶轮出口宽度() 试验系数 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 图17-30取则 （2）叶轮所受径向不平衡离心力的计算(N)式中: 最大半径处的残余不平衡质量(g) 取叶轮的最大半径() 则（3）水平总的受力: 垂直总的受力: （4）计算水平面支承反力（5）计算垂直面支承反力（6）计算水平面C和D处的弯矩(考虑到C和D处可能是危险截面)（7）计算垂直面C处和D处的弯矩（8）计算合成弯矩C点合成弯矩： D点合成弯矩：（9）计算C和D处当量弯矩查【机械设计吴宗泽主编】表2-7 由插入法得 （10）校核轴的强度根据弯矩大小及轴的直径选定C和D两截面进行强度校核，由【机械设计吴宗泽主编】表2-5，当45钢，按表2-7用插值法得C截面当量弯曲应力：（因C截面有键槽，考虑对轴强度削弱影响，故d乘以0.95）D截面当量弯曲应力：因此，C和D两截面均安全。（11）校核轴径在叶轮中心截面处：在电动机第一轴承处：在电动机中间截面处： 轴的截面形状是影响轴刚度的重要因素，当将实心轴改为外径为原直径的2倍的空心轴，并使空心轴的质量为原实心轴质量的2倍时，轴的强度提高到实心轴强度的6.5倍，刚度提高到实心轴刚度的13倍，所以该空心轴符合要求。 图4-2 轴结构图 图4-3 轴受力分析图 图4-4轴弯矩图第二节 轴按悬臂梁设计1、扭矩的计算式中: 扭矩()计算功率 取2、根据扭矩计算泵轴直径的初步计算式中: 材料的许用切应力() 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 表7-12取值的大小决定轴的粗细,轴细可以节省材料,提高叶轮水力和汽蚀性能;轴粗能增强泵的刚度,提高运行可靠性.故泵轴的最小轴径取,泵轴的最大尺寸。3、画出轴的结构草图 如图所示(由已知图纸改进)图4-5 轴结构改进图叶轮的左边用螺母锁紧,右边用轴套定位，轴套内径取45mm，外径取60mm，轴经过处圆角统一取R=2mm(特殊要求除外)。4、轴的强度计算（1）叶轮所受径向力的计算()式中: 泵扬程 叶轮外径 包括盖板的叶轮出口宽度() 试验系数 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 图17-30取则 （2）叶轮所受径向不平衡离心力的计算(N)式中: 最大半径处的残余不平衡质量(g)取叶轮的最大半径() 则（3）水平总的受力: 垂直总的受力: （4）计算水平面支承反力： 计算垂直面支承反力：（5）计算水平面弯矩： 计算垂直面弯矩： （6）计算合成弯矩： （7）计算当量弯矩查【机械设计吴宗泽主编】表2-7 由插入法得 叶轮中线截面处：电动机第一轴承处：（8）校核轴径叶轮中线截面处：电动机第一轴承处： 轴的截面形状是影响轴刚度的重要因素，当将实心轴改为外径为原直径的2倍的空心轴，并使空心轴的质量为原实心轴质量的2倍时，轴的强度提高到实心轴强度的6.5倍，刚度提高到实心轴刚度的13倍，所以该空心轴符合要求。图4-6 轴受力与力矩图第五章 叶轮结构设计及尺寸计算第一节 结构设计1、叶轮材料的确定叶轮是渣浆泵传递能量的主要部件，通过它把电能转换为液体的压力能和动能，因此，要求叶轮具有足够的机械强度和完好的叶片形状，在材料上，除了考虑介质腐蚀，磨损外，由于它是旋转部件，故还应考虑离心力作用下的强度。通常，用于叶轮的材料有铸铁，青铜铸件，不锈钢，铬钢等。当叶轮圆周速度超过30m/s，考虑铸铁强度不能承受这样大的离心力的作用，则需改用青铜作材料，由于本设计泵属于中小型泵，其圆周速度远小于30m/s，在考虑到渣浆泵工作过程中浆体的有较强的磨蚀和腐蚀性能，同时考虑到泵的效率和抗汽蚀性能的要求，故选高铬铸铁，具有效率高，节能、使用寿命长、质量轻、结构合理、运行可靠、振动小、噪声低、维修方便等显著特点，减振性好，可以减轻由于浆体冲击造成的振动，而Cr26又是在高铬铸铁中这些性能更为突出的，所以，本设计中叶轮的材料选用Cr26作为原材料，热处理采用表面淬火及去应力退火，许用应力为&25-35MPa 2、叶轮结构型式的确定本设计选用闭式叶轮。闭式叶轮由前盖板，后盖板，叶片和轮毂组成。叶轮主要尺寸的确定有三种方法：相似换算法、速度系数法、叶轮外径或叶片出口角的理论计算。叶轮采用速度系数法设计，速度系数法是建立在一系列相似泵基础上的设计，利用统计系数计算过流部件的个部分尺寸。图5-1 叶轮结构图第二节 叶轮设计尺寸计算1、叶轮轮毂直径的计算叶轮轮毂直径必须保证轴孔在开键槽之后有一定的厚度，使轮毂具有足够的强度，通常，在满足轮毂结构强度的条件下，尽量减小，则有利于改善流动条件。取轴直径根据叶轮轮毂直径应取1.21.4倍的轴直径，根据设计要求，取叶轮所在的轴的直径为45，所以。取2、叶轮进口直径的计算因为有的叶轮有轮毂（穿轴叶轮），有的叶轮没有轮毂（悬臂式叶轮），为从研究问题中排除轮毂的影响，即考虑一般情况，引入叶轮进口当量直径的概念。以为直径的圆面积等于叶轮进口去掉轮毂的有效面积，即。按下式确定 式中：泵流量（m3/s）对双吸泵取；泵转速（）系数，根据统计资料选取主要考虑效率 兼顾效率和汽蚀 主要考虑汽蚀 取3、叶轮外径的计算 取4、叶轮出口宽度的计算因为两个叶轮设计在一起，所以叶轮出口宽度5、叶片数的计算和选择叶片数对泵的扬程、效率、汽蚀性能都有一定的影响。选择叶片数，一方面考虑尽量减小叶片的排挤和表面的摩擦；另一方面又要使叶道有足够的长度，以保证液流的稳定性和叶片对液体的充分作用。叶轮叶片数：对于低比转数离心泵叶轮，则式中： 叶轮进口直径叶片进口直径叶轮外径叶片进口角 取叶片出口角 取低比转数叶轮取大值通常采用叶片数，取该叶轮叶片数为6。6、精算叶轮外径（第一次）（1）理论扬程（2）修正系数（3）有限叶片数修正系数根据经验有限叶片数修正系数，此处取（4）无穷叶片数理论扬程（5）叶片出口排挤系数（6）出口轴面速度（7）出口圆周速度（8）出口直径与假定不符，进行第二次计算。7、精算叶轮外径（第二次）（1）叶片出口排挤系数（2）出口轴面速度（3）出口圆周速度（4）叶轮外径与假定值接近，不再进行计算。8、叶轮出口速度（1）出口轴面速度（由上述计算得） （2） 出口圆周速度（3） 出口圆周分速度（4）无穷叶片数出口圆周分速度9、叶轮进口速度（1）叶轮进口圆周速度进口分点半径为式中: 所分的流道数 从轴线侧算起欲求的流线序号如图所示,中间的流线序号为,所分的流道图5-2 浆体流线图则:（2）叶片进口轴面液流过水断面面积（3）C流线处叶片进口角(假定) （4）校核由轴面投影图假设,与假设相近。第六章 压出室和吸入室的水力设计第一节压出室的水力设计压出室的作用在于：（1）将叶片中流出的液体收集起来并送往下一级叶轮或管路系统。（2）降低液体的流速，实现动能到压能的转化，并可减小液体流往下一级叶轮或管路系统的损失。（3）消除液体流出叶轮后的旋转运动，以避免由于这种旋转运动带来的水力损失。本设计采用的压出室是蜗形体，即螺旋形涡室。1、涡形体的各断面面积涡室断面面积对泵的性能影响很小，对同一叶轮，如果涡室断面面积过小，则流量-杨程曲线变陡，最高效率点向小流量方向移动，效率降低，如果涡室断面过大，则流量-杨程曲线比较平坦，最高效率点向大流量方向移动，效率也降低，但在数值上要比涡室面积过小时降低值要少。图6-1 涡室断面图涡室断面面积的大小，由所选取的涡室流速决定，涡室各断面面积内的平均速度相等且为：式中：速度系数 查【现代泵技术手册关醒凡编著】 图8-10当时，泵的扬程代入上式根据取涡室隔舌安放角，共分8个断面，通过最大断面8的流量为：8断面的面积为：其余各断面面积按此式计算：式中：断面包角各断面面积计算见下表断面12345678包角1560105150195240285330面积14273105136167199232、舌角的计算舌角是在涡室第8断面的0点（即涡室螺旋线的起始点）处，螺旋线的切线与基园切线间的夹角。式中：理论扬程叶轮出口圆周速度舌角3、涡室进口宽度可以用叶轮出口宽度加叶轮前后盖板厚度，再按结构需要加必要的间隙即可，涡室入口宽度对泵性能没有明显的影响，但取的微宽些可改善叶轮和涡室的对中性。一般取：式中：包括前后盖板的叶轮出口宽度：叶轮外径实际绘型时取 4、基圆直径 基圆直径不易太大，如果过大，叶轮与隔舌间隙就大，初增大泵的尺寸外，还将使泵的效率降低，但如果基园取得太小，在大流量工况时在泵舌处容易产生汽蚀，引起振动。取第二节 吸水室的水力设计1、吸入室的作用吸入室是指泵的吸入法兰到叶轮入口前泵体的过流部分，吸入室的作用是将吸入管中的液体以最小的损失均匀地引向叶轮。吸入室中的水力损失要比压出室的水力损失小的多，因此，与压出室相比，吸入室的重要性要小的多，尽管如此，吸入室仍是水泵不可缺少的部件，它直接影响着叶轮的效率和泵的汽蚀性能。2、吸入室的分类吸入室有以下四类：直锥形吸入室、环形吸入室、半螺旋形吸入室、双吸泵螺旋形吸入室1.直锥形吸入室常用于单级悬臂式泵中，它能保证液流逐渐加速而均匀地进入叶轮。2.环形吸入室又叫同心吸入室，在接近入口处设有许多导向径，以防止液体在其中打转而产生预旋，常用于杂质泵和多级泵。3.半螺旋形吸入室主要用于单级泵中和水平式开式泵等,能保证在叶轮进口得到均匀的速度场。本次设计泵采用双吸泵螺旋形吸入室。这种结构的吸入室水力性能好，结构简单，制造方便，液体在双吸泵螺旋形吸入室内流动速度递增，使液体在叶轮进口能得到均匀的速度，液体在双吸泵螺旋形吸入室水力损失很小，汽蚀性能也比较好。第七章 渣浆泵零件的强度计算第一节 泵体强度计算1、壳体壁厚因涡壳几何形状复杂,且受力不均,故难以精确计算,下面可以用来估计壁厚式中: 泵扬程(m)泵流量() 许用应力(Pa) (铸铁)当量壁厚,按下式计算则2、强度校核用鲁吉斯方法进行校核,本方法假定最大应力发生在尺寸最大的轴面上,角度为处图7-1 鲁吉斯强度校核分析图 （1）轴面应力（2）圆周应力（3）径向应力 （符合条件）（4）轴向变形第二节 泵体法兰强度计算泵体法兰中作用着三个力,如图所示 图7-2 法兰受力分析图1、由泵体内介质压力形成的力F,力F使法兰的结合分开,作用在距内壁处,其近似值认为等于式中：t把合螺栓间距（m）D泵体法兰内径P泵体内压力2、结合密封力Q，力Q按直线分布，到aa截面终止。因此，aa截面是紧密配合的截面。力Q作用在离法兰外边缘处，最危险的断面是过螺栓中心孔的断面。弯曲应力是：法兰厚度为： 对高铬铸铁第三节 键的强度校核1、叶轮与轴相连处的键图7-3 轴断面图叶轮键尺寸：轴径：扭矩：工作面的挤压应力：aa断面的剪切应力：则该键符合要求。2、电动机轴与叶轮轴相连处的键图7-4 电机轴断面图键尺寸：轴径：扭矩：工作面的挤压应力：aa断面的剪切应力：则该键符合要求。第四节 叶轮强度计算1、盖板强度计算盖板中的应力主要由离心力造成的，半径越小的地方应力越大，叶轮简图如下：图7-5 叶轮简图（1）叶轮外径：（2）材料密度：（3）叶轮简图： （4）叶轮出口圆周速度的值按下式计算：式中：出口圆周速度系数 根据比转数查叶片泵设计手册图5-3得（5）在和处的应力近似用下式计算:（6）按等强度设计盖板，盖板任意直径处的厚度按下式计算式中：材料密度（） 许用应力 对钢，对铸铁材料的屈服强度材料的抗拉强度该盖板符合要求2、叶片厚度计算根据叶片工作面和背面的压力差，可近似得出下面计算叶片厚度的公式：式中：泵的扬程叶片数叶轮外径A系数，与比转数和材料有关，查【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社。】表19-9取A=3.1根据实际情况和铸造工艺要求取为合适。3、轮毂强度计算（1）热装叶轮轮毂和轴配合的选择对一般离心泵，叶轮和轴是间隙配合，但锅炉给水水泵等有时采用过盈配合，为了使轮毂和轴的配合不松动，运转时离心力产生的变形应小于轴与轮毂配合的最小公盈。离心力在轮毂中产生的应力亦可用下式计算，即轴与轮毂的配合：孔 轴最大间隙：最小间隙：式中：轮毂平均直径材料的弹性模量（2）轮毂强度计算轮毂中的应力为装配应力（有过盈时）和停泵后轮毂和轴心温差应力之和温差应力：安全系数：第五节 泵体连接螺栓的强度计算1、计算密封力为了保证接缝的密封性,螺栓里力除了抵消工作力之外,还有一部分保证接缝的紧密结合,这部分力称为密封力或残余欲紧力。此力和接缝垫片性质有关，可以写成：式中：接缝处密封压力被密封介质压力垫片系数查【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社。】表19-12 取（纸垫）垫片的有效宽度：密封力：式中：泵接触的实际宽度密封面（垫片）的中径垫片有效宽度2、计算螺栓欲紧力和总作用力螺栓欲紧力: 总作用力: 式中：安全系数 取基本载荷系数 对金属垫片取，对非金属垫片取3、强度校核在装配条件下螺栓的强度计算（1）螺栓上的力矩（扳手力矩）式中：螺栓外径螺栓数与螺母、垫圈表面状态有关，查【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社。】表19-13，取（2）螺栓上的应力拉应力：扭矩： 切应力：折算应力：安全系数：式中：螺栓内径螺距螺栓中径螺栓摩擦系数，与螺纹表面状态有关，查【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社。】表19-14，取（3）螺栓在工作条件下的强度计算拉应力：安全系数：（4）校核垫片挤压强度许用挤压应力由【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社。】表19-12查取第六节 泵出口法兰的强度校核法兰和短管的过度处是危险截面，如图所示：图7-6 法兰与短管过度图密封力: 介质力：欲紧力： 法兰和短管过度处截面的弯矩：弯曲应力：圆周应力： 折算应力：安全系数： ，出口法兰符合要求第七节 连接螺栓和连接法兰的强度校核1、连接螺栓的强度校核（1）螺栓所受的剪应力式中：水泵的重量M18螺栓的截面积许用的剪切应力水从出口到最高扬程的总量（2）螺栓所受的挤压应力该螺栓符合要求2、连接法兰的强度计算（1）求法兰的内应力连接法兰的受力可简化为如下图所示 图7-7 法兰内应力图注：从理论上讲，该螺旋形压水室，由于叶轮周围压水室液体的速度和压力是均匀的轴对称的，液体从压水室隔舌到扩散段进口的流动中不断受到流出叶轮的液体的撞击，不断增加压力，致使压水室内液体压力从隔舌开始微弱的变化，这是因为水泵长时间工作导致压水室内液流压力的轴对称被破坏了，所以会受到极小的径向力，由于径向力极小对法兰的强度破坏甚小，故在此忽略不计。设AC杆受拉，BC杆受压，由平衡条件得：（2）求法兰所需的截面积由强度条件得：为了满足铸造工艺和加工的要求法兰的厚度取20mm3.校核法兰强度式中、都为法兰的横截面积法兰符合要求。第八章 渣浆泵的机械密封设计正确地设计过流部件和选用材料是保证离心泵性能和寿命的重要条件。但是，如果离心泵其他零件不能正常工作，就是过流部件设计的再好，材料选用的再好，也不能保证泵的性能和寿命。经验表明，离心泵在运行时所产生的问题大部分是材料选用问题，主要零部件的选择问题和制造精度问题。对耐磨蚀泵运行中的事故进行分析表明。纯属泵方面的问题仅占事故中的10.6，其他都属于选用问题，因此可见，正确地选用离心泵主要零部件是保证正常运行的重要条件。 在泵的所有零部件中，在运转中最容易发生问题的是轴封部件，轴承润滑部件，和冷却部件，如果对这些部件选用不多，轻者离心泵不能工作或使离心泵烧毁，重者能引起严重的人身设备事故（如易燃、易爆、有毒液体由轴封部件漏出，引起火灾，爆炸和中毒事故）。另一方面，随着技术的发展，高温，高压，高速泵所占比重逐年增大。经验表明，泵的温度越高、压力越高、轴封、润滑和冷却问题也越显得重要。 旋转的泵轴和固定的泵体间的密封简称轴封。轴封的作用主要是防止高压液体从泵中漏出和防止空气进入泵内。尽管轴封在离心泵中所占的位置不大，但泵是否能正常运行，却和轴封密切有关。如果轴封选用不当，不但在运转中需要经常维修，漏损很多被输送的液体，而且可能由于漏出的易燃，易爆和有毒液体引起火灾，爆炸和中毒事故。后果不堪设想。因此，必须合理选用轴封结构才能保证离心泵安全运行。本渣浆泵的轴采用机械密封，此机械密封件为外装、外流、单端面、多弹簧结构。第一节 主要零件材料的确定1、密封端面摩擦副材料的选择 目前用做密封摩擦副材料的种类很多。常用的非金属材料有：石墨、聚四氟乙烯、酚醛塑料、陶瓷等。常用的金属材料有：铸铁、碳钢、铬钢、青铜以及硬质合金等。此外还有通过堆焊、烧结喷涂等表面 处理及复合工艺改变或改善金属材料或摩擦副表面性能来做摩擦副材料的。各种材料都个有一定的特性，在先把摩擦副材料时应所长避短，根据具体工作条件合理使用。本机械密封端面摩擦副中，静止环材料采用WC-Co，旋转环材料选用碳石墨，原因有以下几点：（1）硬质合金是机械密封中广泛使用的摩擦副材料。这里的硬质合金主要是碳化钨（WC），常用的WC-Co为类。WC-Co是由硬度极高的难熔钨碳化物加Co作为粘结剂用粉末冶金方法压制烧结而成的。WC-Co具有极高的硬度和强度，良好的耐磨性及抗颗粒冲刷性，并且有一定的耐腐蚀性，能耐一般温度下的硫酸和氢氟酸以及沸点下的苛性钠等腐蚀。（2）石墨是机械摩擦副材料中用量大，使用范围广的材料之一。因为它具有很多独特的优良性能。例如：较高的导热系数、较低的线膨胀系数、良好的耐腐蚀性、极好的自润滑性、抗拉强度低（适合做软环）。2、辅助密封圈材料的选择机械密封的辅助圈包括动环密封圈和静环密封圈。根据其作用，要求辅助密封圈从材料上和具有良好的弹性、低的摩擦系数，能耐介质的腐蚀熔胀，耐老化。在压缩之后及长期工作中具有较小的永久变形，在高温下使用有不粘着性，低温下不脆硬而失去弹性。另外也要求材料来源方便，成本低廉。本设计中辅助密封圈材料选用丁晴橡胶。橡胶是一种弹性很好的高分子材料，具有良好的强度、良好的气密性、不透水性、耐磨、耐压、耐腐蚀性能。丁晴橡胶除以上性能外，它还耐油、搞老化，也能耐碱和非氧化性稀酸腐蚀。3、弹簧及其它零件材料的选择机械密封对弹簧的材料的要求是能耐介质的腐蚀和长期工作不降低或失去弹性。本密封设计采用不锈钢（1Cr18Ni9Ti）弹簧，因为它适用于强腐蚀性介质中。机械密封其它零件包括弹簧座、动环座、静环座、传动零件及固定环等，对它们的要求是有足够的强度和耐腐蚀性。综合考虑渣浆泵工作介质，本设计选用不锈钢（1Cr18Ni9Ti）作为这些零件的材料。第二节 主要零件尺寸确定1、密封端面尺寸的确定（1）端面宽度b密封端面是由动环、静环两个零件组成的，动环和静环的材料一般选用一软一硬，为了使密封端面更有效地工作，相应地做成一窄一宽，软材料做窄环，硬材料做宽环，使窄环被均匀地磨损而不嵌入到宽环中去。当动环和静环都选用硬材料时，密封端面都做窄环，并取相同 的端面宽度。端面直径应尽可能地不，以降低摩擦端面的线速度。端面宽度b在材料强度、刚度足够的条件下，b值尽可能取小值。过大的b值只有坏处，因为它将使端面润滑、冷却效果降低，端面磨损、泄漏、功率消耗增加，而且加工量也增加。在标准中石墨环、硬质合金环、填充四氟环、青铜环的端面宽度b所取值见【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社】表20-2，根据轴径取b=6mm。图8-1 密封端面尺寸图（2）间隙：如上图示，静环内径D。与轴径的间隙（D。-d）一般取1-3mm。标准石墨环、青铜环轴径在16-100mm时取2mm，硬质合金环轴径在16-100时取2mm，故本设计间隙取2mm。（3）端面直径：确定了密封面宽度b值和间隙后，就可以根据轴径d确定端面内径d1和外径d2。内径d1为轴径加间隙然后再加0-1mm即可，这主要视加工易难程度。如硬质合金，加工困难就取0，加工方便就取1mm。外径d2由d1加2b计算得。软环的端面内径、外径确定后，硬环的端面内径较软环内径小1-3mm，外径大1-3mm。本设计取d1=94，d2=106，h=3。2、密封圈材料有橡胶和四氟塑料两种。为了使二者互相通用，其设计尺寸是一致的。即橡胶O形圈和四氟塑料V形圈，在直径方面上名义尺寸相同，两圈可以互换。为了保证密封性能，圈的制造公差是不同的，要根据不同密封圈有不同的断面尺寸，如下面图示。图8-2 密封圈安装图橡胶O形密封圈安装在动环或静环上，O形圈必须有一定的压缩量，如上图所示的压缩量值为（at-a）/at，其压缩值见【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社】表20-3。根据知道，压缩量为10%时，可以密封的介质压力为3.92MPa，过大的变形量则会安装困难，摩擦阻力增大，使用寿命降低。为了保证密封性能，容易控制制造公差，标准中规定变形量在6%-10%之间。橡胶O形圈内径一般比轴径小0.5-1.5mm。本设计中两橡胶O形圈内径为别选用122mm（静止环）和88mm（旋转环）。3、弹簧尺寸的确定机械密封用弹簧的作用是使密封端面产生一个初压力，以及在端面磨损时使动环或静环产生轴向推移以进行补偿，而此时要求弹簧力减低很少，一般在使用期间不得减少10%-20%。这样使密封端面的比压变化不大，端面仍有良好的密封性能。同时由于机械密封是这个结构紧凑的装置，因此要求弹簧尽量短，在机械密封中用的弹簧与一般压力弹簧比较，其特点是节距大，圈数少。（1）弹簧的种类机械密封标准中用的弹簧有大弹簧，并圈弹簧和小弹簧三种。大弹簧和并圈弹簧是同一种规格，只是死圈数不同，两种弹簧高度相差死圈数。大弹簧的有效圈数有3和2.5圈两种，总圈数分别为7和6.5圈。小弹簧是由8-18个弹簧为一组，每一组安装在一种轴径上，弹簧钢丝直径有0.8和1mm两种，工作圈数为12圈，总圈数18.5 。各种轴径下弹簧有关尺寸见【现代泵技术手册关醒凡编著，宇航出版社】表20-4。本设计选用小弹簧，丝径大小 为1mm，工作圈数为12，总圈数为18.5，使用6组弹簧均布在驱动环上。（2）弹簧计算 通常弹簧根据选定的弹簧比压乘端面接触面积算出弹簧力P，再根据弹簧材料和假定的弹簧尺寸D、d、n进行计算、校核扭转应用小于许用应力，弹簧许用极限负荷应大于1.25倍弹簧力。第三节 机械密封设计计算1、密封端面间液体压力分布规律密封介质在液体的情况，端面摩擦副的最佳工作状态是半液体摩擦，液体处于全部接触面积中，并认为摩擦副间隙内液体流动的阻力沿径向不变。这样间隙内的压力按线性变化，压力分布为直角三角形。实际上间隙内部液体质点由于绕轴旋转作用有惯性力，当该力方向与液体流动方向相反时（内流式），其压力分布呈内凹形式；当惯性力方向与液体流动方向一致时（外流式），其压力分布呈外凸形式。液体的粘度对压力分布也有影响，低粘度液体（液态丙烷、丁烷、氨）压力分布是外凸的，高粘度液体（重润滑油）压力分布是内凹的。泄漏量对压力分布也有影响，泄漏量极少时压力分布呈凹形，较大时呈凸形。图8-3 密封端面间液体压力分布规律图2、载荷系数和平衡系数（1）载荷系数（2）平衡系数平衡系数表示介质产生的比压，在接触端面上的减荷程度，通过改变可使端面比压控制在合适的范围内，以扩大密封使用的压力范围。 设计心得 双吸渣浆泵的设计完成了，通过为时三个月的设计，将我四年所学的知识做了一次大的串联，使我逐渐把一些分散的知识点结合成了一个整体。通过毕业设计，使我对渣浆泵的基本工作原理、机械密封原理、AutoCAD应用、渣浆泵设计步骤的关键环节等有了一个详细的认识，了解了它的设计过程，学会了查阅相关资料和各种设计手册，翻阅理论课程书。机械设计是需要细心和耐心的一项工作，要求设计人员能够在设计的过程中有条理，一丝不苟，并且要有一定的耐心来培养自己做设计的信心，这样才能有利于设计，切不可在设计过程中有半点的烦躁心理，否则便会事倍功半。毕业设计是对学生在毕业前所进行的一次综合能力的训练,是为给社会培养出合格的工程技术人员必须走过的重要环节。通过这次的毕业设计可以充分提高我们在以前所学的零散的理论知识的基础上结合起来综合的分析问题、解决问题的能力,这对我们上了岗位有很大的帮助。这次设计集中于画图和渣浆泵各部件的设计计算,我先把借阅的相关资料中的内容吃透,独立分析问题,跟老师相互探讨并且解决问题,充分体现了我独立解决问题的能力。我们应该从现在做起学好扎实的基础知识,不断丰富自己的专业知识和实际操作能力, 这次设计，文老师对我们进行了精心的指导，并推荐查阅有关资料，在此表示感谢，由于我的能力有限，在设计中难免有错误和不足之处。在此，请各位老师给于评定并提出建议。 通过这次设计使我明白了我们无论做什么事情都要使自己有浓厚的兴趣，以严谨持之以恒的态度来面对，这样才能把一件事情做好。致谢四年大学生活即将结束，毕业设计是本科教育的一个重要的关键性的环节，能顺利地完成这次毕业设计离不开文老师和各位同学的帮助。首先应该感谢我的设计指导老师文美纯老师，通过这次设计使我意识到遇到问题首先应该独立思考问题并解决问题，同时在此过程中还让我明白了一些做人的道理。在此表示真诚的感谢，同时也感谢在设计过程中帮助过我的同学。感谢我的同窗好友，四年来我们朝夕相处，共同进步，感谢你们在大学四年里给予我的所有关心和帮助。参考文献1. 吴宗泽.机械设计M.北京：高等教育出版社.20012. 丁成伟.离心泵与轴流泵M.南宁：机械工业出版社.19853. 关醒凡.现代泵技术手册M.北京：宇航出版社.19954. 机械设计手册编委会.机械设计手册（第二卷）M.北京：机械工业出版社.2004.85. 汪凯.机械设计标准应用手册（第二卷）M.北京：机械工业出版社.1997.8 6. 中国机械设计大典(第三卷)M.南昌:江西科学技术出版社.2002.17. 宋子康 蔡文安.材料力学M.北京:同济大学出版社.1993.88. 大连理工大学工程画教研室.机械制图(第五版)M.北京:高等教育出版社.2003.89. 侯国祥等.工程流体力M.北京:机械工业出版社.2006.710. 陈立德.机械设计基础课程设计M.北京：高等教育出版社.2006.7附录：外文资料翻译泵的概述泵是应用非常广泛的通用机械，可以说是液体流动之处，几乎都有泵在工作。而且，随着科学技术的发展，泵的应用领域正在迅速扩大，根据国家统计，泵的耗电量都约占全国总发电量的1/5,可见泵是当然的耗能大户。因而,提高泵技术水平对节约能耗具有重要意义。一、离心泵的工作原理 驱动机通过泵轴带动叶轮旋转产生离心力,在离心力作用下,液体沿叶片流道被甩向叶轮出口,液体经蜗壳收集送入排出管。液体从叶轮获得能量,使压力能和速度能均增加,并依靠此能量将液体输送到工作地点。在液体被甩向叶轮出口的同时,叶轮入口中心处形成了低压,在吸液罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差,吸液罐中的液体在这个压差作用下,不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮中。二、离心泵的结构及主要零部件一台离心泵主要由泵体、叶轮、密封环、旋转轴、轴封箱等部件组成,有些离心泵还装有导轮、诱导轮、平衡盘等。1、泵体:即泵的壳体，包括吸入室和压出室。 吸入室:它的作用是使液体均匀地流进叶轮。 压出室:它的作用是收集液体,并把它送入下级叶轮或导向排出管,与此同时降低液体的速度,使动能进一步变成压力能。压出室有蜗壳和导叶两种形式。2、叶轮:它是离心泵内传递能量给液体的唯一元件,叶轮用键固定于轴上，随轴由原动机带动旋转,通过叶片把原动机的能量传给液体。叶轮分类:按照液体流入分类：单吸叶轮（在叶轮的一侧有一个入口）和双吸叶轮（液体从叶轮的两侧对称地流到叶轮流道中）。按照液体相对于旋转轴线的流动方向分类：径流式叶轮、轴流式叶轮和混流式叶轮。按照叶轮的结构形式分类:闭式叶轮、开式叶轮和半开式叶轮。3、轴:是传递机械能的重要零件,原动机的扭矩通过它传给叶轮。泵轴是泵转子的主要零件，轴上装有叶轮、轴套、平衡盘等零件。泵轴靠两端轴承支承，在泵中作高速回转，因而泵轴要承载能力大、耐磨、耐腐蚀。泵轴的材料一般选用碳素钢或合金钢并经调质处理。4、密封环:是安装在转动的叶轮和静止的泵壳（中段和导叶的组合件）之间的密封装置。其作用是通过控制二者之间间隙的方法，增加泵内高低压腔之间液体流动的阻力，减少泄漏。5、轴套：轴套是用来保护泵轴的，使之不受腐蚀和磨损。必要时，轴套可以更换。6、轴封：泵轴和前后端盖间的填料函装置简称为轴封，主要防止泵中的液体泄漏和空气进入泵中，以达到密封和防止进气引起泵气蚀的目的。轴封的形式：即带有骨架的橡胶密封、填料密封和机械密封。7、轴向力的平衡装置。三、离心泵的主要工作参数1、流量:即泵在单位时间内排出的液体量,通常用体积单位表示,符号Q,单位有m3/h,m3/s,l/s等。2、扬程:输送单位重量的液体从泵入口处(泵进口法兰)到泵出口处(泵出口法兰),其能量的增值,用H表示,单位为m.3、转速:泵的转速是泵每分钟旋转的次数,用N来表示。电机转速N一般在2900转/分左右。4、汽蚀余量:离心泵的汽蚀余量是表示泵的性能的主要参数,用符号表示。5、功率与效率:泵的输入功率为轴功率P,也就是电动机的输出功率。泵的输出功率为有效功率。四、泵内能量损失泵从原动机获得的机械能，只有一部分转换为液体的能量，而另一部分由于泵内消耗而损失。泵内所有损失可分为以下几项：1、水力损失 由液体在泵内的冲击、涡流和表面摩擦造成的。冲击和涡流损失是由于液流改变方向所产生的。液体流经所接触的流道总会出现表面摩擦，由此而产生的能量损失主要取决于流道的长短、大小、形状、表面粗糙度，以及液体的流速和特性。2、容积损失 容积损失是已经得到能量的液体有一部分在泵内窜流和向外漏失的结果。泵的容积效率一般为093098。改善密封环及密封结构，可降低漏失量，提高容积效率。3、机械损失 机械损失指叶轮盖板侧面与泵壳内液体间的摩擦损失，即圆盘损失，以及泵轴在盘根、轴承及平衡装置等机械部件运动时的摩擦损失，一般以前者为主。五、泵的变速-比例定律1、离心泵的变速: