五柱塞往复泵结构设计本科生毕业设计论文.doc

五柱塞往复泵结构设计本科生毕业设计论文 1绪论往复泵是一种发展较早的动力机械之一，往复泵包括活塞泵和柱塞泵它适用于输送流量较小、压力较高的各种介质如低粘度、腐蚀性、易燃、易爆、剧毒等各种液体具有较高的效率和良好的运行性能因此，直到目前仍广泛用于国民经济的各个领域中。特别往复泵在石油化工领域的应用非常广泛。按照用途的不用，石油工程中用的往复泵往往被冠以相应的名称，如：往复泵、固井泵、压裂泵、注水泵、抽油泵、钻井泵等。在我国的国民生产和生活中，泵作为一种输送液体的“心脏”，倍受各行各业的重视。在石油领域中，往复泵的使用面广、用量大，其耗电量占化工厂及油田用电的50%以上。研制开发使用性能良好的往复泵将带来广阔的社会效益和经济效益。近年来，国内外在往复泵的理论和实验研究、设计制造和选择使用方面，做了许多工作。特别是三缸和多缸单作用往复泵在石油工业中推广使用，大大提高了工作效益。石油工业的发展对往复泵提出了更高的要求，主要是泵的压力越来越高，功率越来越大、而制造和维修成本要低，体积和质量不能过大。由于石油工程用往复泵的工作条件十分恶劣。提高其易损件(主要是泵阀、活塞缸套、柱塞密封等)的工作寿命，就成为往复泵设计、制造和使用中迫切需要解决的问题。因此直线电机驱动的多缸往复泵的开发与研究显得尤为重要。柱塞泵是一种供油装置，常用于机器的润滑系统中，属于往复式容积泵，它是借助于活塞在液压工作腔内的往复运动使工作腔容积产生周期性变化来达到输送目的，动力的机械能经过柱塞泵转化为被输送液体的压力能。它主要是有泵体、阀体和柱塞组成。其工作腔借助动、密封装置与外界隔开，通过阀体与外管路沟通与闭合。从输送介质来看，最早泵的输送对象为单一的水及其它可流动的液体、气体或浆体到现在可输送固液混合物、气液混合物、固液气混合物，直至输送活的物体，如土豆、鱼等等。不同的输送对象对于泵的内部结构要求均不同。 除了输送对象对泵的结构有不同要求外，泵的安装形式、管道布置形式、维护维修等方面对泵的内在或外在的结构也提出了新要求。同时，各个生产厂商在结构的设计上又加入了各自企业的理念，更加提高了泵结构的多元化程度。基于可持续发展和环保的总体背景，泵的运行环境对泵的设计又提出了众多的要求，如泄漏减少、噪声振动降低、可调性增加、寿命延长等等均对泵的设计提出了不同的侧重点或几个着重点并行均需考虑，也必然形成泵的多元化形式。1.1往复泵的特点往复泵和其他类型容积式泵的区别，仅在于它实现工作腔溶剂变化的方式和特点上：往复泵是借助于柱塞在液缸工作腔内的往复运动来时工作腔容积产生周期性变化。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（吸入阀和排出阀）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。这些特点也是这类类型泵借以生存，竞争和发展的依据。往复泵结构图有以下特点，首先瞬时流量是脉动的。其次平均流量是恒定的。再次泵的压力取决于管路特性。最后对输入的介质有较强的适应性，且有良好的自吸性能。随着泵内排出量压力增大，泵内泄漏损失加大，泵的实际流量只略有下降;适用于较宽压力、高粘度、较窄的流量范围；随着排出压力增大，轴功率增大泵效率提高；柱塞往复次数底，有脉冲，平均流量恒定，吸入能力好；有摩擦件相对运动；泵效率高，配用功率较小，节约能源。1.2 结构上存在的问题现场使用中，国内外传统的多缸单作用往复式钻井泵的结构及强度存在的主要问题：(1) 钻井泵质量大,难以适应现代轻便钻机的要求,制约钻机的移运性；(2) 冲程短,冲次高。钻井泵在不适合的冲次范围内工作,致使液力端寿命短；(3) 泵压低,不能完全满足钻井工艺的需要；(4) 结构复杂,系统效率低，制造加工难度大；(5) 缸套寿命短,难以满足钻机高效率要求；(6) 泵各零件静强度均满足要求，零部件破坏的主要原因为动载荷疲劳损坏；(7) 排量变化时需要更换零件太多；(8) 柱塞寿命短，且难更换；(9) 泵头设计不合理，导致应力集中，易损坏；1.3往复泵的分类1.3.1 按泵的液力端特点（1）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（包括油隔离）等；（2）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，多缸泵等；（3）按泵的活塞（柱塞）数目可分为：单联泵，双联泵，三联泵，多联泵等；（4）按活塞（柱塞）中心线所处的为止可分为：卧式泵，立式泵，角度泵，对置式泵和轴向平行式泵等；1.3.2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（柱塞）的往复运动的方式特点可分为；曲柄（曲柄连杆机构）泵，凸轮（凸轮轴机构）泵和无曲柄（无曲柄机构）等1.3.3按泵的驱动方式或配带的原动机分机动（以电动机或旋转式内燃机驱动的）泵，直动（以蒸汽，气体或液体直接驱动的）泵和手动（人力驱动）泵；1.3.4按泵的排除压力分根据泵的排出压力高与低可分为：低压泵（），中压泵（）,高压泵（），超高压泵（）；1.3.5按泵的每分钟往复次数分按每分钟往复次数高与低可分为：低速泵（n500spm）介于两者之间的，对一般性往复泵来讲，通常是正常选择范围，因此，没有划分。由上述分类可知，往复泵的品种十分繁杂，而且从分类命名中也很难找出它们之间相互联系，有些称呼也不能确切地反映泵的特点。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，常常就要冠以一连串的组合式称呼，这种组合方式是多种多样的。1.4往复泵整体结构设计从应用的实际出发，液压往复泵应满足工艺对排量，压力的要求，同时要达到便于搬运，安装，检查，保养和维修。这样整体结构设计就要求外形尺寸与现在使用的往复泵相当，所以整体结构上还是采用卧式结构。采用电机直接驱动液压泵，因为这样实现远距离全自动操作。液压往复泵由液压控制系统，泵体系统和箱体组成。要求液压系统为往复泵泵体提供以下条件；工作压力12mpa，输入功率5km,泵的转速200r/min,流量23l/min.1.5 液力端结构选型液力端是指活塞(柱塞)从处于电机脱开处到泵的进、出口法兰处的部件，一般由液缸体、活塞和缸套或柱塞及其密封(填料函)，吸入阀和排出阀组件、缸盖和阀箱、阀相关、吸入和排出集合管等组成。液力端是介质的过流部分，液力端结构型式的选择应遵循如下的原则：（1)过流性能好，水力损失小。（2)过流部分应利于气体排出，不允许有气体滞留的死区。（3)吸入阀和排出阀一般为垂直布置，利于阀板的启闭和密封。（4)余隙容积应尽可能的小。（5)易损件寿命长，拆装方便。（6)加工艺性好。 卧式单作用柱塞泵按吸入阀、排出阀的布置型式，通过特性和结构特征可分为：直通式液力端、直角式液力端和阶梯式液力端。首先是直通式液力端。直通式液力端的吸入阀和排出阀的中心轴线均在同一轴线上， 直通式液力端的特点是：过流性能好，余隙容积较小，结构紧凑、尺寸小、装拆方便。直通式液力端按液缸体结构可分为：四通体直通式波力端，三通体直通式液力端。其次是直角式液力端。直角式液力端的吸入阀轴线与排出阀轴线垂直，它的吸入阀和排出阀可以分别拆装和更换，使用和维护较为方便。相对于直通式和阶梯式液力端来说，直角式液力端的余隙容积最小，有利于提高泵的容积效率。直角式液力端的结构紧凑，尺寸小，柱塞可方便地从吸入阀处拆装，但处于水平布置的阀的阀板运动导向必须良好，否则阀板运动容易受阻或关闭不良。还有阶梯式液力端，阶梯式液力端的吸入阀和价排出阀轴线互相平行，阶梯式液力端中在装拆和更换吸入阀和排出阀时，不必拆装管路，这对于要求经常更换泵阀的场合是很重要的。这种液力端的余隙容积大，当排出压力高或输送介质的含气过多时，容积效率更低。综合考虑，本实验装置采用直通式液力端。1.6传动端结构形式的选择往复泵上传动动力的部件叫传动端。对机动泵，传动端是指从十字头起一直到煮粥伸出端为止的部件。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。机动泵的传动端主要由机体，曲轴连杆，曲柄，十字头级润滑，冷却等辅助设备组成。在选择和设计传动端时候，通常应遵循下述基本原则：（1）传动端主要零，部件必须满足该泵最大活塞（柱塞）力下的强度和刚度的要求。（2）传动端各运动副，必须是润滑可靠，满足比压和pv允许值，润滑油温升也应限制在设计要求内。必要时，应有冷却设施。（3）在结构和尺寸要求允许的范围内，应力求减少连比杆r/l，这样不仅可减少十字头处的压力，而且可减少惯性水头的影响，从而可改善泵阀工作条件和泵的吸入性能。（4）要求合理现则液压缸中心线夹角，曲柄间错角，力求使机械的惯性力和惯性力矩得到平衡，减轻对基础的挠力载荷。（5）传动端，尤其是立式泵传动端，应考虑重心的稳定性。传动端顶部应设有运转时排气，停车时封闭的排气装置，底部应设有排放润滑油的油堵。（6）拆，装，检修方便，大型泵的传动端还应考虑到传动端各零，部件的起吊方式和措施。（7）易损件及运动副应工作可靠，寿命长，更换较方便。（8）加工，制造工艺性好。和液力端一样，传动端的结构形式选择夜了按几种典型泵型和典型传动端结构予以说明。卧式五联单作用机动泵传动端是往复泵常用形式之一。该泵传动端虽然在具体结构上有种种差异，但按照基本结构形式，在目前可分为两种类型：两支点五拐曲柄连杆机构和四支点五拐曲柄连杆机构。前者主要用于中小型石油化用泵，后者用于大型石油矿场用泵。考虑到泵的用途在此选择两支点五拐曲柄连杆机构传动端。2 往复泵主要结构参数的选择与确定在进行往复泵设计时，泵的基本性能参数-排除压力P和流量Q是由用户提供的。要确定Q，必须确定等与结构有关的参数。此外，在绘制总体方案图时，还需要吸入管和排出管的内径,他们也与Q有关。以上这些参数统称之谓泵的结构参数。但是是在确定Q后确定的，如果在总体设计时预先选定了泵型和总体结构形式，那么，即为已知，可预先选取。因此，决定Q的主要结构参数就是。由往复泵的设计实践经验得知，为了确定组合的最佳方案，一般应选择合适的入手，而后再确定，进而比较，由此而逐步确定组合的最佳方案。2.1往复泵容积效率的选择往复泵的容积效率一般选取原则如下：当泵排除压力高，流量小，每分钟往复次数高，液力端余隙容积大，制造精度低且输送高温，高粘度，含固体颗粒时，取较低值，反之取较高值。当输送常温清水时，0.800.98; 当输送石油产品，热水，液化泾等介质时，取0.600.80.故取0.7.2.2柱塞平均速度Um的选择 Um 的大小直接影响泵各运动副零，部件的摩擦和磨损，特别是对活塞及其密封这一对运动副的影响尤为显著。较大的活塞速度Um会加速摩擦副的磨损，引起泄露加快，流量下降。另外Um的过大还会使吸入管路内的惯性水头增加，使吸入性能变坏。Um过小，会使液力端的尺寸增加。石油化工用泵一般介质，柱塞速度一般Um1.1m/s。由统计可知，Um大小与折合成单联单作用泵的有效功率Nez有关。 （可以忽略不计）；式中Um活塞平均速度，m/s；折合成单联单作用泵的有效功率，kw；Kt统计系数；Z-联数，因为是五柱塞所以为5。带入数据可得；=0.920kw,据查表2-5可选取0.5， = 0.480 m/s，所以=0.480 m/s。2.3 行程长度S的选取以及柱塞直径的确定 已知往复泵的转速为200r/min,根据得S=0.072米。根据表22.1-13液压缸活塞行程第三系列，选取S=0.08米=0.08毫米。D =0.0228mm,D值应按国家规定尺寸圆整，查机械设计手册5表37.3-2液压缸活塞外径尺寸系列，选取D=20mm。2.4 程径比=S/D的选择 程径比选取一般要注意，n值高时，取较小值。反之取大值。P2大时，其取大值；反之取小值。程径比一般取值范围为1.0-3.5，当n值很高时，有的取0.8，对于高压或超高压泵，其值可能大到5-10，程径比=S/D=4。2.5 吸入和排出管内径d1,d2的选取这两个值的选取主要取决于吸入，排出管内径的流速v1,v2.当其二过大时。水力阻力损失过大，消耗能量多，泵的吸入能力差，而且容易产生缸内空化和汽蚀以及泵的过流量现象；过小，管路和液力端尺寸较大。在往复泵中，通常要限制v1,v2的值，尤其是v1的值。当泵流量较小时，泵的吸附性能又无特别限制时，为了制造方便，互换性好，常常v1=v2,也就是d1=d2。通常，v1=1-2m/s,v2=1.5-2.5m/s，取1.5m/s,d1=，所以，通过圆整d1=0.0180m,d1=d2=18mm。将以上计算结果列入下表表2-1 泵的主要参数QtP2nspmSmmDmmd1mmd2mm1.38122.45200802041818 泵的实际流量；Q =1.380.7=0.9662.7原动机的选择 选择泵型和总体结构设计的同时，还应考虑原动机的选择。（1）泵的轴功率N和泵的总效率泵的有效功率Ne= =3.22kw泵的输入功率N，由N=Ne/且电动机泵的效率范围0.6-0.9（2) 原动机的选择 往复泵品种繁多，功率相差很大，因此它所佩戴的原动机几乎涉及到每一种类型，往复泵的一般原则包括原动机必须满足前述功率的要求,选择原动机的时候应注意转差率,应注意原动机的启动力矩和启动电流,注意泵输送介质和操作环境的易燃，易爆性。外形尺寸与泵搭配合适，外形美观，便于安装和检修。3 液力端主要零部件的设计计算 液压往复泵通常由液缸体，端盖，吸入阀和排出阀，柱塞，进出口法兰，机体，透盖，内螺栓等组成。设计的主要任务：正确地选择零部件的结构形式，确定主要结构尺寸，进行强度和刚度的校核工作，选取合适的材料和热处理方式，完成零部件加工图，并提出合理的技术要求。3.1液缸体的设计和计算 液缸体是往复泵中主要承受液压的零件之一，由于它的形状复杂，壁厚不均，内有十字或T型交孔，应力集中大，而且是与输送介质接触，并承受内压狡辩载荷，因此，他的设计合理性，对其寿命有很大影响。特别是当输送高温，高压，时，应注意一下几点。(1)要选取合适的材料和热处理方式，既要有较高的强度指标和抗腐蚀能力，又要特别注意材料对应力集中的敏感性；(2)在结构设计上要求形状简单，壁厚均匀，内部流道孔相交也应尽可能减少，实践证明；在同等条件下，T形交孔要比十字形交孔的液缸体寿命长。(3)如果在总体和液力端部件设计时就能注意到把液缸体内的高度应力集中部位和高压交变载荷曲分开来，将会有效提高液缸体使用寿命。由于本文是低压，低速，小流量泵，液缸体破裂问题不突出，可不做考虑。单作用泵的液缸体有整体式和组合式两种型式。锻或铸成一体的整体式液缸体和组合式液缸体相比，其刚性较好，机械加工量较少，广泛应用于单作用柱塞泵和活塞泵上。液缸体内孔结构应尽量采用圆柱形或球形，以减少应力，便于制造，在两交叉孔道的交接处应有足够大的圆角半锻以减少应力集中，避免过多的拐弯，以减少应力集中点和水力损失。下图是几种典型的单作用泵的缸体结构。其中a是吸入阀和排出阀直通式布置的整体式液缸体， b是吸入阀与排出阀垂直布置的整体式液缸体，图c是吸入阀和排出阀为组合式阀的液缸体， d是内壁加不锈钢衬里的整体式液缸体(a) (b)(c) (d)图3-1 液缸体的结构型式液缸体结构设计时，应充分注意这些问题：在保证液缸体有足够的刚度和强度的条件下，力求减轻重量；液缸体与配合零件相关部分的结构尺寸应尽量符合“三化”要求。液缸体的毛胚有铸件、锻件，个别情况下采用铸焊、锻焊的结构。铸造液缸体和锻造液缸体相比，具有重量轻，材料消耗少，机械加工量少和成本低廉等优点，由于其形状受工艺限制，只适用于外形简单的液缸体，液缸体内流道由机械加工来完成。镀件液缸体主要用于高压小流量柱塞泵中。铸焊、锻焊液缸体只是在制造厂无大型铸锻设备时才采用。 以下是液缸体主要尺寸的确定和强度校核。液缸体内半径r1 由泵水力计算得出的。液缸体轴向尺寸由往复泵结构确定，液缸体的强度计算主要是确定其外半径r2和壁厚。往复泵工作时，液缸内承受工作内压力。该力使液缸产生径向应力和周向应力，这是液缸体内基本应力。但是因为由于液缸体结构复杂，再加上液缸体内液体压力的脉动，因此随着往复泵向高压、高速方向发展，使液缸体的受力复杂，给设计带来较大的困难。通常可以把液缸体看成为一压力容器，这样可借助薄壁筒的计算方法来校核液缸的强度。为了设计计算方便，按设计原理和方法的不同，把液缸体分为薄壁液缸体和厚壁液缸体，薄壁液缸体和厚壁液缸体是按液缸壁外径和液缸内径的比值K的大小来划分的，通常把K小于1.2的液缸体称为薄壁液缸体，K大于1.2的 液缸体成为厚壁液缸体。薄壁液缸体可近似按两向应力状况和应力沿壁厚均匀分布的假设来进行设计，能满足工程上需要的精度要求。往复泵广泛使用的低压往复泵的液缸体，都可看作薄壁液缸体，假定液缸体为外圆半径为r2,内圆半径为r1的等厚圆筒且其壁厚相对轮薄（r2/r1=1.5）时，这类液缸体可按薄壁筒公式确定其厚度： 其中：液缸体的壁厚，单位cmP缸内最大工作压力，单位MPa材料的许用应力，单位MPaD 液缸体的内半径，单位cm焊缝系数，无焊接为1；c考虑铸造偏心及腐蚀的附加量c=0.30.8cm对灰铸铁，球墨铸铁等脆性材料，许用应力可按抗拉强度选取,n对于普通铸铁=15MPa=150kgf/cm2，当具有平衡工作条件时=25MPa，对高强度铸铁=20-80MPa，对于球墨铸铁=60-80MPa，对于碳素钢= n为安全系数一般取2-3 。上述是只适用于温度低于350摄氏度-400摄氏度，超过该温度要烤炉持久强度计算。取用碳素钢。 为材料的屈服极限，n为安全系数一般取2-3，带入数值：D=18mm p=6MPa =1 c=0.30.8cm mm ，得：=取7mm（材料Q235 其屈服极限=235MPa, n取3。）再根据强度校核公式，对于薄壁筒，=pD1+(-c)/2(-c) kgf/cm2，=400 kgf/cm2=39.2mpa,式中符号意义同上。因缸体一般不焊接支管，所以=1.,代入数据退算出=39.2mpa,所以可以使用碳素钢作为液压缸的材料。3.2泵阀的计算3.2.1传统往复泵阀的理论和计算从往复泵的性能可知，提高柱塞的往复次数，减少了泵的重量和体积。但是，随着往复次数的增加，阀的速度以及阀质量所引起的惯性力随之增加，工作时容易产生撞击，使阀的工作表面以及密封圈等在冲击裁荷下遭受破坏。所以说阀的寿命也是影响提高往复次数的一个主要因素。因此，近年来对阀的工作理论，阀的结构和阀的破坏机理等的都做了许多研究。阀通常是由阀座、阀板、弹簧、升程、升程限制器等零件组成。阀是靠作用在阀上、下液体的压力差开启，在弹簧压力和阀盘、弹簧等的重量作用下关闭，阀主要有两种型式，即弹簧自重阀和重量阀。阀的作用是轮流把泵的吸入管和排出管及时与液缸体相连或分隔开来，因此，要求阀的工作性能有：(1)在关闭时有较好的密封性。(2)阀的开启和关闭及时，也即阀的动作应和活塞的运动协调一致，不然，由于阀开启关闭的滞后现象而引起漏损，降低容积效率。 (3)要求阀的工作平稳，特别是阀在关闭时没有严重的撞击现象。(4)流体流经阀时的阻力损失应最小。(5)结构简单，工艺性好，检修方便。(6)有足够的强度和刚度。3.2.2阀的设计阀的设计包括阀的主要性能参数的确定和零件强度的校核。由于阀的工作过程及其复杂，一般不能用简单的方法来反映其运动规律。因而，在实际研究过程中，把阀的运动作了简化而得到阀的计算公式。在进行阀运动理论研究时，假设：（1)液体是不可压缩的。（2)泵的零部件不会产生变形。（3)阀盘是无质量的。（4)在吸入过程中液缸体是充满的。（5)连杆为无限长，故可忽略连杆长度的影响。阀的工作原理如图所示图3-2阀的工作原理当液体从阀座方向流入并且压力达到一定程度时，阀板在液体压力的作用下打开从而使液体流过，当液体反向流过时，阀板在液体压力作用下关闭从而使液体无法流过。泵阀的已知条件，泵的排压P2=122.45kgf/,缸数Z=5，活塞直径D=20mm,活塞行程S=80mm,每分钟往复次数n=200r/min,泵阀形式a=90度接下来液压往复泵泵阀设计参数将有表格的形式列出： 表3-1 液压往复泵泵阀设计参数设计内容参数选择及计算公式结果泵的排压P2（kgf/）122.45缸数Z5活塞直径D（mm）20活塞行程S（mm）80没分钟往复次数n（spm）200泵阀形式a(度)90柱塞截面积A（cm2） A =3.14通过一个阀的流量 ()83.73阀座孔最大瞬时流速 (cm/s)=150-300150阀座孔直径（cm）1.5密封接触面宽度b(cm)0.24阀板厚度（cm）=(1/10-1/6)0.2最大升程 (cm)=10/n=1.2,但要求在0.1-0.25之间，所以 =0.375大概在0.4阀板直径 (cm)1.98可圆整为2密封面积接触A（）1.31阀板的重量 (g) (可查得=7.8)5阀板的公斤质量 (kg)0.005实验系数K按阿道夫实验取1.3允许关闭速度 (cm/s)24.14，约等于24比值0.2666，约等于0.267当量系数查图3-25（a）， =1.933.5系数K31.30系数连杆比r/l应=1.6(3剪切弹性模量G（kgf/）查表3-58000弹簧工作圈数i（圈） 17.8弹簧总圈数 (圈)19弹簧节距t(mm)3.68自由高度H（mm）67.69安装高度H（mm）H =H-10F/C66.51密封面比压校核（kgf/cm2） =300-800214.78通过计算及校核可以得知，该泵阀符合要求。3.3柱塞及其密封装置首先，柱塞应具有良好的性能，第一，有足够的刚度和强度；第二，表面光洁、硬度高，耐磨性好；第三，当输送腐蚀性介质时，柱塞要有良好的耐蚀性。3.3.1柱塞结构型式的选择 柱塞分为实心和空心。直径小而且重量轻的可以选择采用实心；反之采用空心。本试验装置尺寸较小，所以采用实心柱塞，便于加工。柱塞材料及技术要求机加工要求：(1)柱塞外圆的圆度允差不能低于GB1184-80所规定的6级精度，直线度要求不低于8级。(2)柱塞外圆表面应光洁，不允许有凹痕，斑点，毛刺和划痕（尤其是轴向划痕），表面光洁度不低于89。(3)柱塞表面经磁粉探伤不得有裂纹。3.3.2柱塞密封柱塞密封是往复泵中重要的易损件之一。柱塞密封一般有压紧式填料密封，自紧式密封和间隙密封等。对柱塞总的密封设计要求是：(1).密封可靠、泄露小，使用寿命长；(2)摩擦、磨损小，消耗功率少；压紧式填料密封结构简单，更换方便，成本低廉，适用范围广，对旋转运动的轴允许有轴向窜动。但是对轴的磨损大，柱塞和填料之间的磨擦发热消耗功率。另外，整个密封面较长，摩擦面大，发热量大，如散热不良，则容易加快填料和柱塞之间的磨损，填料的使用寿命短。该处选择压紧式填料密封。4传动端主要零，部件的设计机动往复泵传动端主要由机体，曲轴，连杆，十字头等主要零部件组成。4.1机体 机体是传动端主要部件之一，通常由机身，轴承盖等主要零部件组成。主轴承座孔直径Dz=75mm 4.2曲柄连杆机构的受力分析往复泵在非常工作时，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；综合往复泵设计里对于单联杆往复泵，作用于基础上的除了本身的重量外还有自幼的往复惯性力和旋转惯性力（离心力）及反力矩这些都是引起基础振动的原因。为了减小机组振动，可采取如下措施：（1）合理的选择结构方案（适当的型式，联数和曲柄间夹角）使得惯性力和惯性力矩在泵内部分或全部平衡；（2）在曲拐上配置平衡重，平衡掉旋转惯性力或部分往复惯性力；（3）设计合理的飞轮，限制曲柄角速度的变化范围，减小惯性力矩；（4）设计合理的基础，限制机组的固有振动频率，避免共振或共振幅限制在允许范围内。表4-1曲柄连杆机构的受力分析表名 称计算公式或参数选择备注（数据）曲柄转角度0度，5度，10度360度曲柄半径r（m）r=S/r=0.04004活塞（柱塞）行程S（m）S=2r0.08每分钟往复次数n（spm）200曲柄角速度w(l/s)20.93活塞（柱塞）直径D（m）0.02连杆长l(m)L=0.01连杆长=r/l连杆长按要求应(1.4-1.8)D,取其为8因曲柄为圆最大宽度为圆直径曲拐不平衡重G2（kgf）图4-20.34曲拐不平衡重G3（kgf）1.208G2重心至主轴颈距离H（m）H=(1.0-1.2) =0.080.08转化系数kK=0.3-0.4低速度取较大值往复运动质量mw(kgfs2/m)(g=9.8m/)2.347往复惯性力 (kgf)46.94旋转运动质量 (/m)m=2.337旋转运动惯性力 (kgf)40.98连杆摆角度=arcsin(sin)表4-7最大活塞力 (t)0.3844在往复泵中，曲轴是把原动机的旋动运动转化为柱塞往复运动的重要部件之一。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，因此也是曲轴连杆机构中最重要的受力部件。4.2.1曲轴的结构特点和选择选择曲拐轴。曲拐轴几乎可适用各种类型的往复泵，尤其是在中小型多联泵中应用极为普遍。因其支撑少，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144度五拐两支承曲轴不能简化成平面曲轴，故受力情况复杂，刚度和强度较差。4.2.2典型曲轴结构4.2.2.1曲拐布置或曲柄错角选定此设计曲柄错为144度，而且若以靠近曲轴输入端为第一曲柄，并以它为基准顺旋转方向计算时；第二曲柄与第一曲柄间的错角取144度，第三曲柄与第一曲柄间的错角为288度。第四曲柄与第一曲柄的错角144度，第五曲柄和第一曲柄的错角216度。4.2.2.2曲轴支承和轴承选择 二支承五拐曲轴刚度一般，主轴承处的主轴颈变形倾角较大，故主轴承多采用允许倾角较大的向心球面轴承7009C4.2.2.3轴颈 由于制造工艺的原因，锻造曲轴的轴颈一般均制成实心圆柱体。4.2.2.4曲柄 曲柄额设计原则总的是应尽可能将曲柄不影响强度的多余金属去掉，以减轻重量，减少旋转惯性质量。曲柄外型选用的圆形。靠摸加工成型。其特点为：材料利用合理，疲劳强度高。4.4.4.5过度圆角过渡圆角设计时应注意：第一，圆角半径越大，应用集中越小，曲轴疲劳强度越高；但轴颈有效工作长度变短且圆角制造质量也难保证，因此应合理选取。第二，轴颈圆柱面和圆角表面应一次磨成，保证衔接处平滑。对重要的曲轴，圆角表面应施以滚压，以提高曲轴的疲劳强度。第三，同一曲轴上的圆角，包括轴颈突然变化处的圆角应尽量选取一样的圆角半径，以利于加工。4.2.2.6油孔曲轴轴颈一般采用润滑油强迫润滑和冷却，为此曲柄内应制有油孔，作为润滑油的通道。根据曲轴形状和供油方式，曲轴内的油孔选用直角油孔。4.2.2.7轴端轴前端与联轴器连接，连接时必须犒劳。轴段的形状：前，后端均圆柱体。圆柱体轴端加工方便。圆柱体面配合一般选取HT/K6，光洁度7。轴端上有中心孔，按GB145-59选取60度中心孔。4.2.2.8轴封轴前端为外伸端，为防止润滑油由外伸处泄漏，在相应的机体处设油封，选用橡胶油封。表4-2 曲轴的受力分析作用力的名称作用点计算公式计算结果（1=0，2=144，3=288，4=144，5=216）往复惯性力Lwi十字销中点单位：kgf）Lw1=51.99Lw2=-30.433Lw3=41.12(-0.1)=-4.389Lw4=410.606=24.95Lw5=-30.89活塞力P活塞端P1=-120.57P2=-120.57P3=-120.57P4=-120.57P5=-120.57活塞综合力十字销中点-68.58-90.137-124.959-95.62-150.659连杆力连杆中心-68.58-91.14-128.558-9668-152.334径向力曲柄销中点-68.4-78.24-67.53583.369131.253切向力曲柄销中点-68.58-88.334121.46-93.70148.7输入扭矩输入销主轴颈78.184R，T在Z轴上的投影F各曲柄销中点-68.58117.24-26.6226.8-42.8R，T在Y轴上的投影F各曲柄销中点-68.412.05-136.247-122.45-18.75轴前端C出的载荷轴前端最小直径处Fcz=6.04Fcy=-333.797单位kgf轴前端A点支承反力轴前端主轴颈中点轴前端A点支承反力轴前端主轴颈中点轴尾端B点支承反力轴尾主轴颈中点轴尾端B点支承反力轴尾主轴颈中点支承反力在曲柄径向方向投影曲柄销I的中点曲柄销I的中点=120=-7.5第一曲柄销中点=370.56第三曲柄销中点=-30.54第五曲柄销中点=204.214.3.4曲轴的强度校核（一）静强度校核 在假定个轴各颈截面尺寸相同情况下，在曲柄销中点截面内力最大，故实际只需校核两个截面即可。曲柄材料选为45钢，其弯曲疲劳强度值取3400kgf/在第曲柄销中点处校核 截面9处的校核（二）曲轴的疲劳强度校核对于曲轴上必须考虑应力集中和尺寸系数的截面，应校核疲劳强度。对于五拐两支承的曲轴疲劳强度校核，通常可取以下三个位置。第一，截面1-1，垂直输入端主轴颈，主轴颈与曲柄相接处。第二，截面4-4，垂直与曲柄销，在曲柄相接处：第三，截面9，同上面的静强度。表4-3校核疲劳计算计算内容和符号公式截面1-1截面4-4截面9材料弯曲疲劳强度符号取3400（45号钢）材料扭转疲劳极限取2000需用安全系数n抗弯断面模数4.326.4348.56抗扭断面模数9.0012.34100.32正应力幅=（）/2Z323.23321.3270.34平均正应力=（）/2Z16.569.230.45切应力幅3.2117.001.23系数查图3.33.33.3敏感系数q查图0.60.60.6弯曲有效应力集中系数kk2.382.382.38折算系数查表0.050.050.05尺寸系数查表0.760.760.76弯曲安全系数n4.7683.2224.33扭转有效应力集中系数查表2.92.92.9折算系数查表000扭转安全系数+66.4520.3419.08弯，扭联合安全系数4.32n3.23n16.34n(四)曲轴的刚度校核 两支点五拐曲轴刚度校核目的是校核两端主轴承的倾角，以满足主轴承的允许倾角的要求。由面前计算知，只需校核B处倾角即可，向心球面轴承的=0.005rad。当X为0时，其为0，故C为0.由图X为10，代入。综上，曲轴各种强度校核均符合要求，达到标准。4.4曲轴材料及技术要求（1）曲轴材料。曲轴常用45号优质碳素钢。采用模锻加工。曲轴毛坯的热处理要求。（2）曲轴毛坯应经正火处理以减小内应力，提高其强度和韧性。改善切削性能。粗加工后的曲轴应经回火处理。（3）热处理后的曲轴应进行低倍和金相组织检查。化学成分分析和机械性能试验，粗加工后应进行超声波等无损探伤，精加工后进行磁粉探伤。4.5机加工要求（1）主轴颈和曲柄销尺寸公差不低于GB1184-79规定的IT6级精度，圆度和直线度不低于GB1184-80所规定的7级精度。（2）曲柄的主轴颈及其其轴伸端轴颈应同轴。同轴度公差不低于GB1184-80的7级。（3）曲柄销颈应为两端主轴颈平行，平行度公差不低于GB1184-80所规定的6级。（4）曲柄销表面光洁度应为；（5）各曲柄间错角应通过工艺保证其公布均等。（6）各轴颈与曲柄相接的过渡圆角必须是圆滑过渡，不得有相接不平滑现象。（7）曲轴上油孔的通路及尺寸应按结构设计所讲的开通，穿孔的相关处必须光滑倒角。4.6连杆及其轴瓦4.6.1连杆主要尺寸确定表4-4 连杆主要尺寸表名称计算结果最大柱塞力0.384曲柄半径r(cm)4连杆比0.25曲柄销直径D(cm)4连杆长度l(cm)16十字头销直径d(cm)1.6大头空直径D14.4小头衬套内径1.7小头衬套宽度2.2小头孔内径2.0杆体中截面当量直径1.4杆体中截面高度H（cm）1.9连体中截面面积1.5370杆体最小截面距小头中心线距离l(cm)2.0L处连杆体截面高度1.6连杆最大截面距大头中心线距离l4.5l处连杆截面高度H2.0连杆高度B(cm)2.1大头盖A-A截面面积1.5大头盖A-A截面厚度0.73大头盖A-A截面厚度0.73连体与大头连接截面厚度0.73小头截面面积1.0小头截面厚度0.5小头截面厚度0.5小头截面厚度0.5小头侧壁臀中心线距离L（cm）2.5连杆螺栓外径0.83连杆螺栓定位凸径1.0连杆螺颈部直径7.3连杆螺栓定位凸径长1.83连杆螺栓孔的中心距离L(cm)6.0连杆螺栓在大头螺栓孔内的长度4.04.6.2连杆强度和稳定性校核表4-5 连杆强度和稳定性校核结果名称计算结果小头衬套比压120130-150连杆最小截面的压缩应力368.44800杆体中截面总应力364.0800大头A-A截面的弯曲应力54.32600大头B-B截面的弯曲应力53.23B-B截面拉应力13.72B-B截面切应力13.72大头B-B截面的总应力57.43600小头A-A截面的弯曲应力100.98600小头B-B截面拉应力27.22小头B-B截面的弯曲应力140.56小头C-C截面的总应力170.322.5-4连杆螺栓最大安全系数n1.7521.25综合，连杆强度符合要求。4.7十字头 十字头在其滑道里做直线往复运动，具有导向作用。通过十字头把做摇摆运动的连杆和做往复运动的柱塞以铰链形式连接起来并着力的传递作用。表4-6十字头结构设计名称计算结果最大柱塞力(t)0.384滑履直径5滑履长度6滑履宽度5滑履合金层厚t(cm)0.5十字头销直径d（cm）1.6十字头销空心直径0.7十字头销孔座厚0.7十字头体厚0.5十字头销孔截面B-B面0.824十字头颈部截面A-A面3.300表4-7十字头强度校核名称计算结果最大柱塞力(t)0.384十字头销孔座直径1.6销与孔座配合处比压200.00连杆比0.25十字头侧向力N96十字头重10滑道承受的总重力G19滑履比压3.837连杆小头衬套宽度2小头衬套比压120.15十字头销两支承间距离L4.2十字头的弯曲应力750.34900十字头销的剪应力119.34900截面B_B重心至销中心的距离r1.6当量长度3.2截面B-B的抗弯断面截面模数0.36截面B-B的最大弯曲应力19910005 SolidWorks出图5.1零件图和装配图图5-1 m6螺母 图5-2 m6螺栓 图5-3 衬套 图5-4弹簧1图5-5弹簧2图5-6 盖板 图5-7 机体 图5-8 连杆图5-9螺柱 图5-10 闷盖 图5-11密封塞 图5-12密封塞下 图5-13内螺栓 图5-14平板图5-15平板阀上图5-16平板阀下图5-17曲轴图5-18上机盖图5-19十字头图5-20套筒图5-21透盖图5-22透气塞图5-23橡胶图5-24橡胶筒图5-25小盖板图5-26小头孔销图5-27液缸体图5-28轴透盖图5-29柱塞 图5-30 装配体5.2工程图 图5-31 柱塞 图5-32 十字头 图5-33装配图结论在朱增宝老师的指导下，本人经过设计计算和绘图，设计出了五柱塞往复泵的实验装置。从可行性和设计实用性出发设计出的该实验装置结构简单，重量轻