【论文】往复泵曲轴设计及强度计算.pdf

往复泵曲轴设计及强度计算 ii 摘 要 往复泵是一种结构比较复杂 配套性强而通用性差 品种多而批量少的产品 它的总产量约占整个泵类总产值3 左右 它的突出优点是 输送介质十分广泛 吸入性能好 效率高 可获得很高的排压 且流量与压力无关 在往复泵中 曲轴 是把电动机的旋转运动转化为柱塞往复运动的重要部件之一 可见曲轴的可靠性严 重影响着往复泵整机的可靠性 寿命以及经济性 所以对于往复泵曲轴的设计是对 往复泵设计的重中之重 传统往复泵的设计方法始终以人为主体 这种设计模式具 有设计周期长 设计效率低和设计质量差等缺点 因此 对其关键部件进行数值模 拟 进而可以促进设计工作的规范化 系列化和标准化 本文首先简单介绍了一些往复泵的基本知识 包括往复泵的工作原理 分类及 主要结构参数 再根据设计要求 对曲轴的曲柄连杆机构进行运动分析和受力分析 然后借助工程软件pro e 完成往复泵曲轴的三维建模 最后利用有限元法 将模 型导入ansys有限元分析软件对其进行应力分析 校核曲轴的强度 找出不足之 处 为最终的设计优化提供参考依据 关键词关键词 往复泵 曲轴 有限元分析 ansys 往复泵曲轴设计及强度计算 iii abstract reciprocating pump has a complicated structure it can be used together with other equipments but cannot be used on most occasions reciprocating pump includes many varieties but the output is small which is accounts for about 3 of gross product of the entire pump its outstanding advantages are wide range of transmission medium good inhalation performance high efficiency getting easily high pressure and its flow is independent of pressure the crankshaft is a important part of the reciprocating pump which can transform the rotary movement of the motor into reciprocating motion of plunger so the reliability of the crankshaft has a serious impact on the reliability longevity and economy of reciprocating pump therefore design of the crankshaft is the most essential step of design of reciprocating pump the traditional method of design of reciprocating pump is mainly rely upon people which has some shortcomings of a long design cycle low efficiency and poor quality of design therefore the numerical simulation of the reciprocating pump can promote standardization serialization and standardization of the design work firstly this paper introduces simply about some elementary knowledge of reciprocating pump including operating principle its category and main design parameters according to the design demand i will analyze initially the force applied to the crank linkage of the crankshaft and the movement of the crank linkage of the crankshaft then i will complete the three dimensional model of the crankshaft with engineering software pro e wildfire finally using the finite element method the model is input the finite element analysis software ansys that will analyze the crankshaft s stress then i will identify the deficiencies which will provide the basis of optimizing the final design key words reciprocating pump the crankshaft the finite element method ansys 往复泵曲轴设计及强度计算 iv 目 录 第一章 前 言 1 1 1 往复泵的特点 1 1 2 往复泵的分类 2 1 3 课题研究目的与意义 3 1 4 研究内容 4 1 5 往复泵结构设计研究方法现状 5 第二章 往复泵的基本知识 8 2 1 往复泵的工作原理 8 2 2 往复泵的基本特性参数 8 2 2 1 泵的流量 8 2 2 2 泵的瞬时流量 9 2 2 3 泵的压力 12 2 2 4 泵的吸入能力 13 2 2 5 泵的功率 14 2 2 6 泵的效率 16 2 3 安全阀和空气室 17 2 3 1 安全阀 17 2 3 2 空气室 17 2 4 往复泵的润滑 18 第三章 往复泵曲轴的设计 19 3 1 往复泵的型号及主要的结构参数 19 3 2 往复泵曲轴的设计 20 3 2 1 曲轴的结构特点和选择 20 3 2 2 典型曲轴结构 22 3 2 3 曲轴的结构设计 23 3 2 4 曲轴尺寸的初步确定 26 3 3 曲轴的三维造型设计 27 第四章 往复泵动力端的运动分析和受力分析 30 往复泵曲轴设计及强度计算 v 4 1 曲柄连杆机构的运动分析 30 4 1 1 活塞的运动分析 30 4 1 2 连杆的运动分析 30 4 2 往复泵动力端的受力分析 31 4 2 1 作用于泵动力端的力 31 4 2 2 活塞 十字头和连杆的受力分析 34 4 2 3 活塞杆的受力分析 38 第五章 曲轴的受力分析 38 5 1 曲轴受力的假设 39 5 2 曲轴的受力分析 39 5 3 本章小结 45 第六章 往复泵曲轴的应力分析 46 6 1 曲轴的再次简化 46 6 2 曲轴的应力分析 47 6 2 1 曲轴的材料 47 6 2 2 边界条件 48 6 2 3 载荷工况 48 第七章 技术经济分析报告 53 7 1 开发的前景 53 7 2 技术经济效益分析 53 7 3 市场前景分析 53 结 论 55 参 考 文 献 56 致 谢 58 声 明 59 往复泵曲轴设计及强度计算 1 第一章 前 言 往复泵是泵类产品中出现最早的一种 至今已经有2100 多年的历史 早在旋 转式原动机出现以前 往复泵几乎是唯一的泵类 而在旋转式原动机出现之后 才 逐步地产生了离心泵和转子泵等其他类型的泵 而后出现的泵 由于结构比较简单 操作比较方便 而且还有体积小 重量轻 流量均匀等一系列优点 致使在使用往 复泵的地方逐步为这些泵类所取代 目前 往复泵的产量只占整个泵类总产量很小 的一部分 但是 往复泵所具有的特点并没有完全被其它类型泵所取代 有些特点 仍是其它类型的泵远远不及的 因此 它非但不会被淘汰 而且仍将作为一种不可 缺少的泵类 被广泛的采用 1 1 1 往复泵的特点 在离心泵和容积泵两大类泵中 往复泵属于容积式泵 亦即它也是借助工作腔 里的容积周期性变化来达到输送液体的目的的 原动机的机械能经过泵后直接转化 为输送液体的压力能 泵的流量只取决于工作腔容积变化值及在单位时间内的变化 次数 而与排出压力无关 往复泵和其它类型容积式泵的区别 仅在于它实现工作腔容积变化的方式和结 构特点上 往复泵是借助于活塞在液缸工作腔内的往复运动来使工作腔容积产生周 期变化的 在结构上 往复泵的工作腔是借助密封装置与外界隔开 通过泵阀与管 路沟通或闭合 往复泵这一实现工作腔容积变化的方式和结构特点 构成了这类类型泵性能参 数和总体结构的一系列特点 这些特点也正是这类类型泵借以生存 竞争和发展的 依据 2 1 瞬时流量是脉动的 2 平均流量是恒定的 3 泵的压力取决于管路特性 4 输送的介质有较强的适应性 5 良好的自吸性能 由上述往复泵的主要特点可以看出往复泵的主要适用范围 即往复泵主要适用 于高压 小流量 要求泵的流量恒定或成比例输送各种不同的介质 或者要求吸入 往复泵曲轴设计及强度计算 2 性能好或者要求有自吸性能的场合 1 2 往复泵的分类 往复泵的特点决定了它的 通用型 越来越差而专业配套性能越来越强 于是 产生了这样的情况 产量虽少 但结构品种繁多 按照泵各方面的特点将泵分为 3 1 按泵的液力端特点分 a 按与输送介质接触的工作构件可分为 活塞泵 柱塞泵和隔膜泵 b 按泵的工作原理或流量的脉动特性可分为 单作用泵 双作用泵 差动泵 单缸泵 双缸泵 三缸泵 多缸泵 c 按泵的活塞数目可分为 单联泵 双联泵 三联泵 多联泵 d 按活塞中心线所处的位置可分为 卧式泵 立式泵 角度泵 对置式泵和 轴向平行式泵等 2 按传动端的结构特点分 根据传动端把原动机的旋转运动转化为活塞的往复运动的方式特点可分为 曲 柄泵 凸轮泵和无曲柄泵 3 按泵的驱动方式或配带的原动机分 机动泵 直动泵和手动泵 4 按泵的排出压力分 根据泵排出压力高与低可分为 低压泵 2 p 10 2 cmkgf 中压泵 2 p 10 100 2 cmkgf 高压泵 2 p 100 1000 2 cmkgf 超高压泵 2 p 1000 2 cmkgf 5 按泵的每分钟往复次数 按泵的每分钟往复次数高与低可分为 低速泵 高速泵 6 按泵输送介质某一突出特性分 根据泵设计时主要适用的介质可分为 热油泵 酸泵 碱泵 盐泵 泥浆泵 高温泵 低温泵 低粘液泵等 7 按泵的用途分 根据泵主要的使用部门或主要用途可分为 工业用泵 农业用泵 石油矿场用 泵 清渣泵 试压泵 消防泵 计量泵和平流泵等 由以上的分类可知 往复泵的品种十分繁杂 而且从分类命名中也很难找出它 往复泵曲轴设计及强度计算 3 们之间相互联系 有些称呼也不能确切为地反映该泵的特点 在实际采用上述称呼 时 往往为了较为确切地反映该泵的结构特点和性能特点 常常要冠以一连串的组 合式称呼 例如 卧式三联单作用机动柱塞泵 1 3 课题研究目的与意义 往复泵是一类品种多 批量少 通用化程度较低 专业配套性很强的产品 但 是其应用却十分广泛 在机械工业中 往复泵的产量占有较大的比重 而且随着现 代科学技术的发展 国民经济各部门对往复泵的需求量也日益增加 甚至成为关键 设备之一 在化工 农业 采矿 冶金 电力 国防 船舶工业等各个方面 往复 泵也起着显著的作用 例如 用于化肥生产配套用的铜液泵 碱液泵和氨基甲酸按泵等 用于高压聚乙烯装置配套用的超高压催化剂注射泵 用于各研究院所中间试验装置上的各种计量泵 用于提供造船或机械制造大型锻压设备上配套使用的液压机用泵 用于输送石油及副产品和电站锅炉给水备用配套的各种蒸汽直动泵 用于陆上石油钻井或海上石油开发配套用的钻井泥浆泵 压裂泵 固井泵等 用于船舶的舱底泵 用于农药喷雾机配套用的农用泵 用于铸造 轧钢方面的水利清沙 除锈泵 用于城市污水清洗车配套的清洗泵 用于消防的消防泵 用于电站和船台等污水处理的各种计量泵 总之 往复泵无论是在工业或农业 陆上和海上 国防与民用 科研与生产等 各个部门 仍然是作为一种不可缺少的品种被广泛采用着 包括各类往复泵 它们 的排出压力可由常压到 1500mpa 其流量最高可达到 600 3 m h 输送介质的温度为 200 450 粘度为 0 1cp 250000cp 被输送的介质 由一般常温清水直 至具有强腐蚀 易挥发 易结晶 易燃 易爆 剧毒 恶臭 磨砺性强 比重大 粘度高 有放射性或其它贵重液体等 4 由此可见 往复泵在国民经济各部门中不仅被广泛地应用 而且有其重要的地 位和作用 它是发展现代化工业 农业必不可少的机器设备之一 从今后的发展的角度来看 尽管往复泵原来占据的位置有不少已被其他类型泵 往复泵曲轴设计及强度计算 4 所取代 其产量也很少 但这并不意味着往复泵有全部被取代的趋势 实际的情况 是 在各类型泵的生存与竞争中 则是更加突出地发挥了它们各自的特长 显示其 本身的优越性 从而更好地为国民经济服务 由此可知 要想求得往复泵的生存与 更进一步的发展 从根本意义上来讲 就是要扬长避短 充分发挥往复泵本身的优 势 这就是说 第一 要充分发挥往复泵配套性强 适应介质广泛的优势 第二 要充分发挥往复泵在流量比较小而排出压力又很高的情况下 它的整机 效率高 运转经济性好的优势 第三 要充分发挥往复泵的流量恒定而且与排出压力无关的优势 在往复泵的结构设计中 往复泵曲轴是往复泵的最重要组成件之一 曲轴的设 计是难度最高的 传统往复泵的设计方法始终以人为主体 设计环境由手工计算工 具 绘图仪期和以纸为载体的籽料构成 不论是复杂的计算 还是精细的制图 都 必须由设计者来亲自完成 因而个别设计者的水平决定了设计的水平 这种设计模 式具有设计周期长 设计效率低和设计质量差等缺点 从现代观点来看 造成的设 计人才浪费和设计方案缺乏竞争性这两个问题显得更为严重和突出 此外采用类比 法或根据经验来确定产品的尺寸 结果是产品做的很大 浪费了材料和能源 增加 了企业的生产成本 严重制约了企业的发展 针对目前往复泵行业中普遍存在的设 计和生产周期长 效率低的问题 进行往复泵曲轴强度设计计算及应力分析具有现 实的必要性和可行性 而有限元分析方法在往复泵设计中的应用必然会减少手工制 图时间 提高绘图效率 提高分析计算 解决复杂设计计算问题的能力 进而促进 设计工作的规范化 系列化和标准化 5 1 4 研究内容 本文主要研究内容 1 通过查阅文献资料 参考有关设计规范 总结往复泵各个系统及主要部 件的计算 分析理论 分析曲柄连杆机构的运动关系 往复泵动力端的运动分 析和受力分析 2 在总结往复泵主要部件计算理论的基础上 利用三维软件对往复泵的曲 轴进行三维建模 应用 ansys 有限元分析软件对往复泵曲轴进行应力分析 验证曲轴的结构强度 往复泵曲轴设计及强度计算 5 1 5 往复泵结构设计研究方法现状 1 传统的往复泵结构设计方法 在往复泵的结构设计中 传统的方法是首先根据往复泵的总体设计要求选择往 复泵的结构型式 使用常用的理论和经验公式确定零部件的主要结构参数 再根据 总体设计确定零部件的其它尺寸 材料和制造工艺 最后引用力学理论公式或成熟 的经验计算公式进行强度和刚度等性能的校核 再进行修改设计和重校核 直至得 到满意的校核结果 传统的往复泵曲轴的设计方法始终以人为本 设计环境由手工 计算工具 绘图仪器和以纸为载体的资料构成 传统往复泵结构设计的主要缺点有 重分析 重校核 过程最多为 2 3 次 否则工作量太大 难以承受 难以找到合理 的材料分布 因而不易制订出较理想的既经济又安全的设计方案 初始设计方案至 关重要 这对缺少设计经验的年轻工程师来说比较困难 确定往复泵的主要总体设计参数是往复泵总体设计的基础环节和最重要的环 节 对往复泵的经济和技术指标的先进性 运转的可靠性都有较大影响 而在我国传 统的往复泵的总体设计中 主要参数的确定在很多生产厂家一般采用手工计算 其计 算繁琐 重复工作量大 设计周期长 效率低下 传统的设计方法采用类比法和根据经 验来确定参数 为了保证安全可靠性 一般取较大的安全系数 导致泵体设计较大 造 成材料浪费 成本高 同时 采用类比法也不利于往复泵零件系列化和通用化发展 6 2 现代结构设计方法在往复泵设计中的国内外应用现状 科学技术的发展 使得往复泵产品向大型化 高速化方向发展 另外随着工业 的发展 对往复泵的要求也越来越苛刻 条件也越来越特殊 这对往复泵的结构设 计方法提出了更高的要求 而传统的结构设计方法己经越来越无法满足往复泵的设 计需求 随着现代计算机技术的迅速发展 推动了数值方法在机械结构设计中的应用 这使传统机械结构设计思想受到了巨大的冲击 机械结构设计思想正在接受一场前 所未有的革新 往复泵作为通用机械之一 同样不可避免的卷入这场革新当中 这 也为泵结构设计方法带了巨大的契机和广阔的前景 现代结构设计方法以计算机为工具 建立一套科学的 系统的 可靠而又高效 的方法和软件 自动地改进和优化受各种条件限制的承载结构设计 它比传统设计 方法显得更加合理 高效 现代结构设计方法包括有限元方法 边界元方法 有限 差分法等 往复泵曲轴设计及强度计算 6 将现代结构设计方法应用在往复泵的结构设计中 越来越成为必须 现在国内 外应用现代结构设计方法进行往复泵的结构设计还远不广泛 但是已经有了一些尝 试 并取得了一定的成果 尤其是将有限元方法应用在往复泵的结构设计中 它正 处于蓬勃的发展当中 3 有限元方法介绍 近些年来 有限元进行分析已经是相当的普遍 利用有限元分析 甚至可以使 非常复杂的应力问题得到具体的解决方案 这种方法如此的方便 可以描述出材料 力学预处理 一些模块 的重要特征 7 有限单元法的基本思想是将连续的求解区 域离散为一组有限个数 且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体 由于单元 能按不同的联结方式组合 且单元本身又可以有不同的形状 因此可以模型化几何 形状复杂的求解域 有限元法作为数值分析方法的另外一个重要特点就是利用在每 个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数 有限元的分析通常包括三个主要步骤 1 预处理 用户构建模型 将模型的几何形状分为若干离散区域或称 单 元 相连接的离散点称为 节点 有些节点会有固定的位移 而有些则会有固定 的载荷 2 分析 利用预处理器得到的数据将被输入到有限元素代码的本身中 它 将构建和解决一系列线性和非线性代数方程组 ijij fuk 1 1 其中 u 和 f 分别是位移和外部施加在结点上的力 3 后处理 典型的后处理会显示彩色的轮廓来代表模型的应力水平 显示 一个完整的像光或云的图片来代表实验的结果 6 往复泵曲轴设计及强度计算 7 目前 有限元结构分析趋向于分析系统 而不仅仅局限于零部件的分析 更高 性能的计算机和更强大的有限元软件的出现 使工程师们能够建立更大 更精确 更复杂的模型 从而为用户提供及时 费用低廉 准确 信息化的解决方案 随着 计算机技术的提高 特别是有限元高精度理论的完善和应用 有限元分析由静态向 动态 线性向非线性 简单模型向复杂系统 逐步地扩大应用范围 本文以往复泵的曲轴为研究的对象 对泵的曲轴进行应力分析和运动学分析 校核曲轴的强度 找出不足之处 为往复泵的设计优化提供参考依据 图 1 1 有限元分析流程 往复泵曲轴设计及强度计算 8 第二章 往复泵的基本知识 2 1 往复泵的工作原理 往复泵通常由两个基本部分组成 一端是实现机械能转换为压力能并直接输送 液体的部分 叫液缸部分或液力端 另一端是动力和传动部分 叫动力端 它的工 作循环只有吸入和排出两个过程 柱塞工作腔中的液体压力在整个吸入过程中保持 不变 等于吸入压力p 泵基准面的平均绝对压力 卧式泵的基准面是过液缸中心 线的水平面 在排出过程开始的瞬间 液体压力骤增至排出压力 d p 泵基准面上 平均绝对压力 并在整个排出过程保持不变 直至吸入过程开始的瞬间 又骤降 至 d p 8 2 2 往复泵的基本特性参数 2 2 1 泵的流量 1 泵的理论流量 在不计泵内任何容积损失时 泵在单位时间内应排出的液体容积称为泵的理 论平均流量 简称泵的理论流量 由于不计任何容积损失 泵在单位时间内吸入和 排出的体积 可用下式表示 asnzqt 2 1 式中 t q 泵的理论流量 a 柱塞 或活塞 的截面积 s 行程长度 n 曲轴的转速 或柱塞的每分钟往复次数 2 泵的实际流量 单位时间内在泵出口处实际测得的液体体积 包括包含于其中的气体和固体体 积并折算成泵进口状态下的体积 成为泵的实际平均流量 简称泵的流量 由于泵内存在容积损失 因此 泵的流量小于泵的理论流量 相互之间的关系 为 qqq t 2 2 式中 q 泵的流量 往复泵曲轴设计及强度计算 9 t q 泵的理论流量 q 泵的流量损失 3 泵的容积效率 泵的流量和理论流量之比称为容积效率 tt v q q q q 1 2 3 式中 v 容积效率 q 泵的流量 t q 泵的理论流量 2 2 2 泵的瞬时流量 1 活塞的运动规律 图2 1所示为曲柄泵传动示意图 令 x 活塞位移 以远离曲柄旋转中心为正 x的坐标原点取在活塞前死 点 即前死点的坐标x 0 后死点的坐标x s s 行程长度 且令 曲柄转角 逆时针为正 x 0时 0 r 曲柄半径 l 连杆长度 连杆比 l r n 曲轴的转速 或柱塞的每分钟往复次数 曲柄角速度 dt d 连杆角度 往复泵曲轴设计及强度计算 10 活塞位移x为 12 xxx coscoslrlr 2 4 由于 sinsinsin l r 2 5 所以 222 sin1sin1cos 2 6 将2 5式带入2 4式中得 1sin11cos 22 lrx 2 7 活塞速度u为 22 sin1 2sin 2 sinr dt dx u 2 8 图 2 1 活塞的运动分析图 往复泵曲轴设计及强度计算 11 通常 值很小 41 所以可近似认为 1sin1 22 因而活塞速 度可近似以下式表示 2sin 2 sinru 2 9 活塞的加速度a为 2coscos 2 r dt du a 2 10 令 2sin 2 sin u r u 2 11 2coscos 2 a r a 2 12 式中 u 活塞无因此速度 a 活塞无因此加速度 2 泵的瞬时速度 在不考虑任何容积损失的前提下 泵在每一瞬间排出或吸入的流量称为理论 瞬时流量 简称瞬时流量 9 显然 每个工作腔的瞬时流量在数值上应等于工作腔 容积的变化率 但符号相反 设活塞在dt时间内的位移为dx 则在dt时间内工作腔的容积变化量为 adxdv a 活塞的面积 工作腔容积变化率 dt dv 为 dt dv uarau dt dx a 2 13 泵的瞬时流量q为 往复泵曲轴设计及强度计算 12 uarau dt dv q 2 14 2 2 3 泵的压力 1 泵的排出压力 泵出口处的压力换算到泵基准面上的值称为排出压力 用下式表示 10 2 22 h pp 2 15 往复泵曲轴设计及强度计算 13 式中 2 p 排出压力 绝对 2 cmkgf 2 p 泵出口处的压力 绝对 2 cmkgf 液体重度 lkg 2 h 泵出口处测压点至基准面的距离 m 2 泵的吸入压力 泵入口处的压力换算到泵基准面上的值称为吸入压力 用下式表示 10 1 11 h pp 2 16 3 泵的全压力 泵的全压力是指排出压力和吸入压力之差 压力的增值 用下式表示 12 ppp 2 17 式中 p 全压力 2 cmkgf 2 2 4泵的吸入能力 泵的吸入能力包括两个含义 保证泵水力部分正常工作所要求的吸入条件和泵 的自吸能力 前者用以确定泵的安装高度和吸入系统的设计 后者用以确定泵有无 自吸能力及极限自吸能力 1 泵正常工作的条件 水力部分正常工作条件是 工作腔内液体的压力应始终大于输送液体的饱和蒸 汽压力 否则 将会引起工作腔内液体汽化 造成柱塞与液体的脱离 从而引起工 作腔内的撞击声 噪声 振动以及流量的减少 因此 必须满足下列不等式 vc pp min 2 18 式中 v p 液体在该温度下的饱和蒸汽压力 绝对 往复泵曲轴设计及强度计算 14 minc p 工作腔内液体的最小压力 绝对 2 吸上真空度 吸上真空度是以表压 并以液柱表示的吸入真空 1 10pp h a s 2 19 式中 s h 吸上真空度 m a p 大气压力 2 cmkgf 1 p 泵的入口压力 绝对 2 cmkgf 液体自重 lkg 3 净正吸入压头 净正吸入压头是现在国外比较普遍采用的一个术语 并以符号npsh表示 npsh是指泵入口处单位重量液体所具有的超过饱和蒸汽压头的富裕能量 其大小 换算到泵基准面上的液柱表示 g pp npsh v v 2 10 2 11 2 20 4 泵的自吸能力 泵的自吸能力是指 当工作腔内未充有液体时 泵能在多少时间内 把液体吸 上多高的能力 为使泵具有自吸能力 必须具备以下二个条件 a 必须把工作腔内的空气排 出 排出行程终了时 工作腔内的空气压力必须大于泵出口处的压力 b 必须把 吸入管内的空气抽尽 吸入行程终了时 工作腔内的空气必须小于静吸入压头 10 2 2 5 泵的功率 1 有效功率 往复泵曲轴设计及强度计算 15 单位时间内 被泵排出的液体由泵获得的能量称为有效功率 即 qeene 12 2 21 g v p e 2 2 21 1 2 22 g vp e 2 2 22 2 2 23 式中 ne 有效功率 skgfm 2 e 单位重量液体在泵出口处所具有的能量 m 1 e 单位重量液体在泵入口处所具有的能量 m q 泵的流量 s m 3 液体重度 lkg 2 p 排出压力 绝对 cm kgf 2 1 p 泵的入口压力 绝对 cm kgf 2 2 v 泵出口处的流速 sm 1 v 泵入口处的流速 sm 2 指示功率 单位时间内 活塞 或柱塞 对液体所做的功称为指示功率 设工作腔内全部充满液体 则一个活塞在一次排出行程中所做的功为 dxppaw s cci 0 12 2 24 式中 a 柱塞 或活塞 的截面积 2c p 排出行程中工作腔内液体的压力 m kgf 2 往复泵曲轴设计及强度计算 16 1c p 吸入行程中工作腔内液体的压力 m kgf 2 x 活塞位移 m s 行程长度 m 3 泵的输入功率 传动机传给泵输入轴上的功率称为泵的输入功率 以n表示 常用单位为kw 泵的输入功率大于指示功率 其损失的功率用于克服泵机械摩擦损失 如果泵 与原动机直联 则泵的输入功率就等于原动机的输出功率 4 原动机的输入和输出公里处 原动机的输入功率指原动机所需的功率 输出功率指原动机轴输出的功率 分 别以 d n和 d n表示 常用单位为kw 2 2 6 泵的效率 1 容积效率 2 2 1 已叙述过容积效率 这里仅指出容积效率只是衡量工作腔容积利用率的 指标 不是一个衡量能量利用率的指标 2 水力效率 水力效率是衡量工作腔内水力损失的指标 用下式表示 i h h h 2 25 式中 h 水力效率 h 有效压头 i h 指示压头 3 指示效率 泵的有效功率与指示功率之比称为指示效率 用下式表示为 hv itvi e i hq qh n n 2 26 指示效率是综合衡量泵的水力部分由于容积和水力损失造成的能量损失的指 标 往复泵曲轴设计及强度计算 17 4 机械效率 机械效率是衡量泵传动机构机械摩擦损失的指标 用下式表示 n ni m 2 27 式中 m 机械效率 i n 指示功率 n 泵的输入功率 5 泵的效率 泵的效率是综合衡量泵的能量损失的指标 用以下式表示 mhv e n n 2 28 式中 泵的效率 2 3 安全阀和空气室 安全阀和空气室都是往复泵上重要的附属设备 往复泵安全阀通常装在泵的 集液管后的排出口 排出空气室后或排出管路上 其主要作用在于防止泵液缸内压 力过高 保护泵的安全运转 则用于减小管路中的流量不均匀度 使流量脉动较小 2 3 1 安全阀 往复泵常用的安全阀有两种类型 弹簧式安全阀和一次动作安全阀 弹簧式安 全阀动作 开启 后 可自行复原 继续起安全保护作用 不必停车 故可反复使 用 操作方便 一般只用于纯净无杂志的介质 一次动作安全阀动作 开启 后 不能自行复原 必须停车 或更换损件或搬动复位手柄 使其复原 而后再使泵投 入运转 故操作不变 但这种安全阀开启后 压力几乎全部被释放 比较安全 可 靠 多用于磨砺性颗粒的泥浆 水泥浆 矿浆等介质 2 3 2 空气室 往复泵曲轴设计及强度计算 18 空气包是利用气体的压缩和膨胀来贮存或放出部分液体以达到减小管路中流 量不均匀度为目的的辅助设备 装在泵吸入口附近的称作吸入空气包 装在泵排出 口附近的称作排出空气包 减小排出管路的流量不均匀度 可增加流量的均匀度 避免过流量的产生 以适应工艺流程的需要 减小吸入管路流量的不均匀度 可减 小惯性损失 提高泵的吸入性能 11 2 4 往复泵的润滑 往复泵中凡有相对旋转和相对滑动的运动副处 均需要进行润滑 润滑的目的 1 减小摩擦 提高机械 传动效率 减小泵的功率消耗 2 减小磨损 延长各运动副的使用寿命 3 冷却运动副工作表面 带走摩擦热 保持运动副工作表面间间隙 防止 工作表面过挤造成的咬死或烧伤 4 若润滑剂为油或脂时 还兼有防止工作表面生锈的作用 设计和选择润滑方式的基本要求是 1 保证适量的润滑液 满足工作表面润滑和冷却的需求 2 适当的净化 过滤措施 保证润滑的质量 3 设备应力求紧凑 整齐 美观 便于拆装和清洗 同一类管件应力求整 齐划一 往复泵润滑部位可按减速机构 传动端和液力端来划分 减速机构的润滑方式 包括了油池润滑 压力润滑 飞溅润滑 润滑脂润滑 传动端的润滑方式有 飞溅 润滑 压力润滑 液力端的润滑包括 输送介质自润滑 冲洗液润滑 注油器和油 泵压力润滑 往复泵曲轴设计及强度计算 19 第三章 往复泵曲轴的设计 在通常情况下 泵的总体设计应遵循下述基本原则 1 有足够长的使用寿命 指大修期应长 和足够的运转可靠性 指被迫停 车次数应少 2 有较高的运转经济性 效率高 消耗少 3 尽可能采用新结构 新材料 新技术 4 尽可能提高产品的 三化 系列化 标准化 通用化 程度 5 使用 维护 检修方便 6 外形尺寸和重量尽可能小 12 3 1 往复泵的型号及主要的结构参数 柱塞泵的种类很多 各类柱塞泵均有高压 低压之分 通常当泵的排出压力 mpapd5 2 时称为低压泵 当排出压力mpapmpa d 105 2 时成为中压泵 当泵 的排出压力mpapmpa d 10010 时称为高压泵 再高的就是超高压泵 根据设计 要求 选择卧式的三缸单作用机动柱塞泵 如图3 1 所示 主要的结构参数 1 机 座 2 曲 轴 3 连 杆 4 十字头 5 液 缸 6 吸入阀 7 排出阀 8 柱 塞 9 填料函 图 3 1 电动柱塞往复泵 往复泵曲轴设计及强度计算 20 往复泵的型号 f800 缸套直径d 4in mm6 1014 254 排出压力 2 p 34 3mpa 冲次n 150n min 排量q 13 92sl 根据往复泵的流量公式 vv m vvvt nzdzdsnzdasnz qq 240824060 322 3 1 式中 v 泵的容积效率 v 0 8 0 98 根据要求取 v 0 98 4 2 d a 柱塞截面积 2 m d 柱塞直径 后面文中出现的地方都表示一样的意义 z 泵的缸数 30 sn m 柱塞的平均速度 sm ds 程经比 由上式可以求得冲程长度mms229 由于曲柄连杆机构的曲柄半径2 sr 可得mmr5 114 3 2 往复泵曲轴的设计 在往复泵中 曲轴是把原动机的旋转运动转化为活塞 柱塞 往复泵的重要部 件之一 工作时 它将承受周期性的交变载荷 产生交变的扭转应力和弯曲应力 因此是曲柄连杆机构中最重要的受力部件 往复泵中常用的曲轴可分为曲拐轴 曲柄轴 偏心轮轴和 n 形轴等型式 其 中曲拐轴是最常用的 其它几种型式是在某些特定的条件下才被采用 13 3 2 1曲轴的结构特点和选择 1 曲拐轴 曲拐轴几乎可以适用于各种类型的联数和尺寸不同的往复泵 尤其是在中小型 往复泵曲轴设计及强度计算 21 多联泵中应用极为普遍 其中以下图二支承三曲拐曲轴为三联泵上最常用的曲轴型 式 这种型式的曲轴 因其支承少 使曲轴和机体的加工量减少 传动端装配也简 单 相反的 因曲柄错角为120 的二支承三曲拐不能简化成平面曲轴 故受力复 杂 刚度和强度较差 在同等条件下就显得笨拙 两支承三曲拐的曲轴 见下图 3 2 2 曲柄轴 曲柄轴的曲柄销为外伸悬臂梁 连杆大头不必中开就可以组装 从而简化了连 杆的结构 但因传动齿轮和两支承夹在两曲柄销中间 使联间距跨度加大 增加了 泵的体积和重量且主轴承拆换困难 此外 还由于曲柄销悬臂外伸 当泵工作时 会对轴承产生附加力矩 使距离较大的两主轴承工作条件差 因此 曲柄轴一般用 于大功率或活塞行程较大的双联泵 3 偏心轮轴 当泵的活塞行程较大时 采用这种结构可免曲拐轴曲柄销的加工 热处理 磨 削等困难 使工艺简化 因此成为大型钻井泥浆泵上的采用结构型式 图 3 2 两支承三拐曲轴 1 6 主轴颈 2 1 号曲柄 3 过渡轴 4 2 号曲柄 5 3 号曲柄 7 加强版 往复泵曲轴设计及强度计算 22 4 n 型轴 n 型轴是计量泵主轴的一种 它的曲柄销与主轴颈中心不同心而成一夹角 且 通常曲柄销轴向尺寸较长 当泵在停止或运转中可在使 n 轴在轴线方向移动 借以 改变连杆大头和曲柄销的相对运动位置 从而达到改变偏心即改变柱塞行程长度的 目的 5 组合式曲轴 往复泵的曲轴通常是整体式的 但在个别情况下 也有把曲轴分成部分分别制 造 然后再用适当的连接方式组合成一体 3 2 2 典型曲轴结构 1 轴端 轴心线与曲轴旋转中心同心的轴向端部叫轴端 轴端通常都有两端 轴的外伸 端叫前端 相对的另一端叫后端 也叫尾端 当泵为泵内减速 总扭矩是经曲轴中 部的传动齿轮输入时 曲轴就无前 后端之分 统称为轴端 2 轴颈 轴颈包括主轴颈 支承颈和曲柄销 主轴颈系指轴端上安装主轴承或曲轴支承在机体主轴承上的部位 支承颈系指 曲轴中部作为支点支承在机体两主轴承中间轴承上的部位 显然支承颈须与主轴承 同轴心 曲柄轴是指曲轴上与连杆大头连接的部位 它与主轴颈不同心 3 曲拐 曲柄 曲柄半径 曲轴上连接主轴颈和曲柄销或连接两相邻曲柄销的部位叫做曲柄 前者又称为 短臂 后者又称为长臂 图 3 3 偏心轮轴 往复泵曲轴设计及强度计算 23 曲柄与曲柄销的组合体称为曲拐 靠近主轴颈的曲拐较短 又叫短拐 连接两 曲柄销的拐较长 又叫长拐 14 3 2 3 曲轴的结构设计 1 设计的基本原则 a 曲轴的尺寸和形状应在保证强度和刚度的条件下确定 不影响强度和刚度的 部位只要是制造工艺允许就应该去掉 以减轻曲轴的重量 另外 工作表面尺寸的 图 3 4 曲轴的装配图 往复泵曲轴设计及强度计算 24 确定还应考虑到相关件尺寸和尺寸数列的标准化 最后进行圆整 15 b 曲柄 曲柄销形状和尺寸 曲柄半径 曲柄间错角以及曲柄销轴间间距应 均等 两主轴颈间距离也应尽可能减少并力求对曲轴几何中心是对称的 以利于泵 运转时惯性力和惯性力矩的平衡 c 曲轴各工作表面 过渡圆角在条件允许时要做好表面硬化处理并有足够的 尺寸精度和表面光洁度以减小应力集中 提高工作表面耐磨性和疲劳强度 d 曲轴各部位形状选择还应考虑到制造和拆装 维修方便 2 主要尺寸的确定 a 曲柄销直径d的确定 曲柄销直径d可按下述经验公式确定 pd 2 7 4 5 3 2 式中 p 最大柱塞力 上式右端根号前系数选取 当柱塞力小 行程短 曲轴材料许用应力高 主轴 承承载能力强 且允许倾角大时 可取值偏小 反之则取值应偏大 16 b 主轴颈d1的确定 1 1 9 0 1 d 3 3 一般主轴颈处变形倾角最大 故应考虑到主轴承倾角允许值且应根据主轴承内 径进行圆整 此外 当确定主轴颈尺寸时 还应顾及到轴颈重迭度 d so 应尽可 能避免 d so 等于零或接近于零甚至于小于零的情况 见图3 5 c 轴颈长度的确定 主轴承采用圆柱滚动轴承 主轴颈长度应根据选用轴承的宽度和装配方式来确 定 曲柄销轴颈长度则应与连杆大头轴瓦的宽度相适应 连杆采用小头定位 曲柄 往复泵曲轴设计及强度计算 25 销长度应略大于轴瓦宽 允许轴瓦在曲柄销轴向有窜动余地以补偿制造误差和热胀 的影响 曲柄销长l还应满足液缸中心距a的要求 即 1 2ttla 3 4 式中 l 曲柄销长 1 t 曲柄两侧台肩厚度 a 液缸中心距 d 曲柄厚度t的确定 dt7 0 5 0 3 5 式中 d 曲柄销直径 t值还取决于曲柄宽度和轴径重迭度 ds 较大的曲柄宽度对应较小的t 较小 的对应较大的t 当 ds 较大时 t值可取小些而不致影响曲柄的强度和刚度 见图 3 5 e 曲柄宽度h 曲柄直径 的确定 往复泵曲轴设计及强度计算 26 dh 8 1 4 1 3 6 式中 d 曲柄销直径 3 2 4 曲轴尺寸的初步确定 曲轴的主要尺寸 见表 3 1 序号 名称 代号 单位 公式 参数的选择和计算 结果 1 最大的柱塞 力 pmax n a pp 2max 0 53 2 曲柄销直径 d cm p d max 2 7 4 5 7 55 3 主轴颈直径 d1 cm d d 1 1 9 0 1 5 27 4 曲柄半径 r cm 2sr 1 14 5 核算轴 颈 重 叠 度 两相邻曲柄 销处 d s0 drd 0 85 6 核算轴 颈 重 叠 度 主轴颈与曲 柄销处连杆 大头轴 d s0 dr d d 2 1 0 69 7 瓦宽度 b cm db65 0 4 0 3 77 8 曲柄销长 l cm 2 bl 5 77 9 曲柄厚 度 长臂 t cm dt7 0 5 0 4 53 10 曲柄 厚度 短臂 t cm 取4 t 4 00 11 曲柄宽 h cm dh8 1 4 1f 12 08 12 校核液缸中 心距 a cm t tla 1 2 18 30 表 3 1 曲轴的主要尺寸 往复泵曲轴设计及强度计算 27 3 3 曲轴的三维造型设计 曲轴设计完成之后 根据设计的尺寸 使用三维制图软件pro e进行三维制图 曲轴结构如下图所示 为了在ansys中可以顺利地进行应力的分析 现将所建造的曲轴的三维模型 简化 主要包括取消倒角 圆角和剪切等 重新建造的模型如下图所示 图 3 6 曲轴的三维模型图 往复泵曲轴设计及强度计算 28 图 3 8 曲轴的简化模型 方向 2 图 3 7 曲轴的简化模型 方向 1 往复泵曲轴设计及强度计算 29 图 3 9 曲轴的简化模型 方向 3 图 3 10 曲轴的简化模型 方向 4 往复泵曲轴设计及强度计算 30 第四章 往复泵动力端的运动分析和受力分析 以曲柄连杆结构为传动端的机动往复泵 一方面通过这一机构把原动机的旋转 运动转化为活塞的往复运动 一方面则经它把原动机的机械能传递给被输送液体 4 1 曲柄连杆机构的运动分析 4 1 1 活塞的运动分析 活塞的运动分析已在2 2 2 泵的瞬时流量分析中体现 4 1 2 连杆的运动分析 连杆运动由质心c的平动坐标 c x y x和绕c轴的转角来描述 现规定连杆和 ox的夹角 为连杆的转角 即摆角 如图4 1 所示 在连杆的任意位置有 sinsinsin l r 4 1 故有 t sinsinsinsin 11 4 2 tltrlrxc 22 11 sin1coscoscos 4 3 图 4 1 连杆运动分析示意图 往复泵曲轴设计及强度计算 31 tltrlryc sinsinsinsin 11 4 4 对时间t两次求导 并略去次要项 得到连杆角加速度 c 和c点加速度分量 cx a cy a sin 2 3 11sin 22 c 4 5 222 1 2 coscoslracx 4 6 sinsin 2 1 2 lracy 4 7 可以看出 c 的实际方向总是和连杆的摆动方向相反 当 2 和 3 2 时 c 的绝对值最大 4 2 往复泵动力端的受力分析 往复泵上传递动力的部件叫做传动端 即动力端 对机动泵 传动端是指从十 字头起到主轴伸出端为止的部件 如果是泵内减速的 则传动端内包括减速机构 如果是泵外减速的 则传动端内不包括减速机构 减速机独立 如果是直联泵 则 传动端没有减速机构 也无减速机 对直接作用泵 传动端即指动力缸部件 机动泵的传动端主要由机体 曲轴连杆 曲柄 十字头及润滑 冷却等辅助 设备所组成 17 4 2 1 作用于泵动力端的力 往复泵在正常工作时 作用在曲柄连杆机构上的力有 作用在活塞 柱塞 上 的液体压力 运动构件 包括活塞 活塞杆 十字头 曲柄等 的惯性力 运动副 中的摩擦力 运动构件的重力以及作用在曲轴上的驱动力等 作用于泵动力端的载荷有以下四类 1 液体压力 在液缸内液体压力p作用下 对活塞端和缸盖则产生大小相等 方向相反的力 往复泵曲轴设计及强度计算 32 p 作用在活塞端面上的力p 称之为活塞力 柱塞 力 app kgf 4 8 式中 2 4 da 活塞 柱塞 的截面积 cm2 d 活塞 柱塞 直径 cm p 液缸内液体压力 2 cmkgf 2 构件质量力 构件质量力包括构件自重和惯性力 由于运动部件的惯性力远大于构件自重 所以构件自重对分析问题的影响较小 16 本文在处理自重时 近似地将质心位置置于某些易于计算的特定点 惯性力与 构件的质量和加速度有关 分析如下 a 活塞 十字头作往复直线运动 其惯性力为 amf c22 4 9 式中 2 m 活塞 十字头质量 kg a 活塞 十字头加速度 m 2 s 如式 4 4 所示 b 连杆的运动为刚体平面运动 应用刚体平面运动微分方程计算连杆惯性力 由前面 4 1 2 节对连杆的运动分析得到连杆运动的加速度 从而得出连杆惯性矩和 两个惯性力为 ccc im 3 4 10 cxxc amf 33 4 11 cyyc amf 33 4 12 式中 c cx a cy a如式 4 5 4 6 4 7 所示 往复泵曲轴设计及强度计算 33 3 m 连杆的质量 3 摩擦力 包括活塞与缸套 活塞杆及其密封以及十字头与滑道间各往复运动副摩擦力之 总和 其方向则与活塞速度方向相反 从理论上 活塞与缸套之间的摩擦力 f f可用下面的简单公式计算 dbfpff 4 13 式中 f 活塞皮碗与缸套之间的动摩擦系数 p 缸内压力 pa d 活塞直径 m b 接触面的轴向宽度 m b d2 在满负荷的条件下 f