毕业设计（论文）-前混合磨料实验装置的设计.doc

毕业设计（论文）前混合磨料实验装置的设计学 院（部）： 专 业： 学 生 姓 名： 班 级： 学号 指导教师姓名： 职称 助教职称的填写在第二行；如只有一位指导教师则去掉第二行，如有三位教师，则再添加一行。职称 最终评定成绩 重要提示：各类电子文档标准格式中的说明（用蓝色或红色字体表示），在参阅后请自行删除（包括本提示），黑色字体的内容全部保留！ 年 月 前混合磨料实验装置的设计摘 要 前混合磨料射流是新型的水射流。在较低的压力下，它既可切割极坚硬的材料，又可以进行清洗，除锈。前混合磨料试验装置主要由电动机，减速器，柱塞泵，磨料罐，喷枪等五部分组成。近年来，磨料射流技术得到了迅速发展目前已被广泛地用于机车车辆、矿山机械、冶金设备以及型材和机械零件的除锈工艺。与常用的喷丸除锈、化学及电化学除锈技术相比，具有除锈质量好、费用低和不污染环境等优点。该技术的基本原理是,将一定粒度的磨料加入高压水系统中,与高压水充分混合后经喷嘴喷出,形成具有高速度的磨料粒子流(即磨料射流)。与纯水射流相比,磨料射流将纯水连续射流对物料的静压作用改变为磨料粒子流对物料的高频撞击与冲蚀作用,作用效果大为改观。本次设计着重对装置的各组成部分进行了计算，校核，对其中的设计过程进行了详细的阐述，运用了AutoCAD绘画出了前混合磨料试验装置的总装配图和零件图。关键词：前混合磨料试验装置，水射流，磨料射流全套图纸加扣 3012250582IVABSTRACTPre-mixed abrasive water jet is a new type of water jet. At a lower pressure, it can cut very hard materials, but also to carry out the washing, rust. DIA test device by the motor, reducer, piston pump, abrasive cans, spray gun, such as five parts. In recent years, the abrasive water jet technology has been developing rapidly. Has now been widely used in rolling stock, mining machinery, metallurgical equipment, as well as profiles and mechanical parts of the rust process. Shot and common rust, chemical and electrochemical techniques rust with Rust-quality, low cost and non-pollution of the environment and so on. The basic principles of this technology is that the abrasive particle size will certainly join the high-pressure water system, with the full mixture of high-pressure water emitted by the nozzle, to form a high-speed stream of abrasive particles (or abrasive jet). Compared with the pure water jet, abrasive water jet to jet for the role of the material change of static pressure stream of abrasive particles on the material and the erosion of the high-frequency percussive role, the role of the effect of a vastly different situation. The design focuses on the various components of the device is calculated, check for which the design process in detail, using the AutoCAD drawing a pre-mixed abrasive total test device assembly drawing and parts diagram.Keywords: Pre-mixed abrasive water jet，water jet，abrasive jet前混合磨料实验装置的设计目 录 第1章 绪论.11.1 课题来源和研究的意义11.2 磨料水射流的类型21.3 混合磨料水射流的发展状况21.4 前混合磨料实验装置的特点3第2章 前混合磨料实验装置总体方案的设计. 52.1 设计任务分析.52.1.1 设计要求52.1.2 任务分析52.2 设计过程内容分析.6第3章 前混合磨料试验装置总体结构的设计.73.1 电动机的选择与确定.7 3.1.1 选择电动机的类型和结构7 3.1.2 确定电动机的功率73.2 增压系统的设计.7 3.2.1 概述7 3.2.2 工作原理及其组成8 3.2.3 增压泵的选择83.3 减速器的选择与校核9 3.3.1 传动比的设计9 3.3.2选定齿轮精度、材料及齿数9 3.3.3按齿根弯曲强度计算12 3.3.4几何尺寸计算133.4 磨料罐的设计与校核.13 3.4.1 压力容器磨料罐设计的基本要求13 3.4.1.1 选择合适的结构形式13 3.4.1.2 合理选择结构材料14 3.4.1.3 满足结构强度的要求14 3.4.2 磨料罐的设计15 3.4.2.1 磨料罐材料选择.16 3.4.2.2 机构设计.16 3.4.2.2.1 筒体结构的形式选择.16 3.4.2.2.1.1 筒体厚度的计算.17 3.4.2.2.1.1 筒体的强度校核计算17 3.4.2.2.2 封头结构形式的选择.18 3.4.2.2.2.1 封头结构设计.19 3.4.2.2.3 焊缝的选择.21 3.4.2.2.3.1 焊缝方法.21 3.4.2.2.4 管接头的设计计算.21 3.4.2.2.5 阀门的选择.22 3.4.2.2.6 支架的设计.223.5 喷枪的设计与校核.23 3.5.1 概述.23 3.5.2 选用喷嘴的要素.23 3.5.3 磨料喷嘴的材料选择.24 3.5.4 磨料喷嘴的主要参数的选择与设计.24 3.5.4.1 喷嘴内径的确定.24 3.5.4.2 喷嘴收缩教的确定.25 3.5.4.3 喷嘴出口长度的确定.25 3.5.4.4喷嘴表面粗糙度的确定26 3.5.4.5 快速接管和接头的设计.26 3.5.4.5.1 快速接管.27 3.5.4.5.2 喷嘴接头.27结论28参考文献29致谢30前混合磨料实验装置的设计第1章 绪论1.1课题来源和研究的意义金属构件的锈蚀与产品质量、设备寿命和生产成本密切相关据有关资料报道，全世界每年因锈蚀而损耗的金属约占年产量的20 40 ，因此，做好防锈工作不仅能节约大量的钢材，也是保证产品质量的重要环节。机械制品的除锈工艺，首先是必须对金属表面进行预处理，即清洗或除锈。便使处理后的表面适合进行各种有效的保护国家标准GB892388(等效于ISO8501 11988)涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级，是各种除锈技术应执行的准则。磨料水射流是自19世纪80年代迅速发展起来的一种新技术，和传统加工技术相比，它具有加工时无工具磨损、无热影响，反作用力小、加工柔性高等优点，目前已被广泛应用到多种加工行业，用于加工陶瓷、石英、复合材料等多种材料。磨料水射流技术是在磨料水射流加工技术的基础上发展起来的集流体力学、表面技术于一体的一种新型精密加工技术。目前，国内外对于它的研究还比较少，只有少数学者进行了探索性实验研究，尚未形成系统的研究成果。1993年，我国国内第一台混合磨料水射流设备研制成功。近年来，磨料射流技术得到了迅速发展目前已被广泛地用于机车车辆、矿山机械、冶金设备以及型材和机械零件的除锈工艺。与常用的喷丸除锈、化学及电化学除锈技术相比，具有除锈质量好、费用低和不污染环境等优点。使用纯水射流可以进行清洁和去毛刺等操作。当水压在 100MPa以上时, 塑料、纸张和纺织品等软材料可以被切割。然而, 对于硬质材料的切割而言, 由喷嘴射出的高压水的力量还不够充足。20世纪 80年代中期, 英国流体力学研究协会 (British Hydrodynamics Research Association) 提出了一种方法, 可以将磨料注入高压泵和初始加速喷嘴之间的水流中 。磨料的加入使得水射流具有了锯条的特性, 射流的力量被大大加强了。磨料水射流几乎可以切割任何材料, 例如玻璃、金属、合金、陶瓷材料和碳化金属。近年来, 高压水射流技术的应用获得了极大发展。在国外, 水切割还被作为一种革命性的工具应用于外科手术当中 1.2磨料水射流的类型流体力学的运动规律表明，从喷嘴以每秒几百米的高速喷出的磨料水射流通常处于紊流状态，而紊流的最大特点是横向掺混，导致磨料水射流边界上的微细液滴与周围气体（空气）之间发生动量交换，从而把周围气体吸入到磨料水射流中去，并随同磨料水射流一起运动，促使磨料水射流的气体吸入量和横截面积沿射程的增大而增大，而射流速度则沿射程增大而减少，所以水射流就形成了向周围扩散的锥体流动场。我们正是利用高速运动磨料水射流切割材料，达到切割分离的目的。按照磨料水混合方式的不同，磨料水射流可分为前混合磨料水射流和后混合磨料射流两种混合方式。磨料先和水再高压路管中均匀混合成磨料浆水，然后经磨料喷嘴喷射形成的射流称为前混合磨料射流，而在水射流形成之后加入磨料的成为后混合磨料射流。前混合与后混合相比，在同等切割条件下，前混式所需水压大大降低，从而导致设备功率减少，设备体积和重量明显降低，切割枪的后坐力也相应降低，与此同时，设备的可靠性、安全性也得到提高，设备寿命也进一步延长。我的毕业设计中就牵扯到前后磨料水射流装置的设计。磨料水射流还有一种分类方式。按照磨料水射流的工作压力的高低可大致区分为高压（100MPa）磨料水射流切割机（简称HAWJC）和低压（50100MPa）磨料水射流切割机（简称LAWJC）。与高压磨料水射流切割机相比，低压磨料水射流切割机的工作压力较低，密封可靠、工作可靠、设计制造方便、易于操作及维修、生产成本低廉等优点。1.3混合磨料水射流的发展概况水射流技术是近20年发展起来的一门新技术，目前己在煤炭、石油、冶金、航空、建筑、交通、化工、机械、建材、市政工程、水利及轻工业等部门应用，主要用来对物料进行切割、破碎和清洗。 到70年代末，水射流技术出现了高频冲击射流、共振射流和磨料射流，这些射流的水压并不算太高，但它们的威力却大大高于同样压力下的普通连续水射流。进入80年代，磨料射流、空化射流、气水射流和自振射流的发展，把水射流技术推向一个新的阶段。同时，各国学者也开始对各种射流的基础理论进行研究。水射流技术的应用范围也由采矿工业扩大到航空、建筑、建材、交通运输、市政建设、化工、机械、轻工业及医学等领域。水射流作为一种良好的切割、破碎和清洗污垢的工具，己被人们所公认，一大批水射流切割机、采煤机、掘进机、打桩机和不同用途、不同形式的清洗机己投入市场。对水射流的研究开始自1972年英国流体力学协会（BHRA）组织了第一次国际水射流切割技术会议后，以后每两年举行一次，1981年美国水射流技术协会（American Water Jet Technology Association）成立，以后每两年召开一次会议；美国水射流技术会议，从第一届开始就是国际性的。日本水射流协会于9:6 年成立，以后定期召开水射流技术讨论会和展览会，并邀请国外水射流专家参加会议。国际水射流协会（American Water Jet Technology Association）于1987 年成立，协会有自己的正式刊物国际水射流杂志（Internation Societ Of Water Jet Technology）定期出版，并组织了4次环太平洋国际水射流会议。这些国际会议大大推动了世界各国水射流技术的发展。中国水射流技术的研究是从本世纪70年代开始的，最初主要是在煤炭部门研究和应用，以后逐渐发展到石油、冶金、航空、建筑、交通、化工、机械、市政工程等领域。经过20多年的研究和实践，取得了很大进展，开发出了一批新技术和新产品，有的在国际上还处于先进水平。我国从1979年开始每两年召开一次全国水射流技术讨论会，并出版了高压水射流杂志。1987年北京还组织召开了第一届环太平洋水射流会议。1995年成立了中国劳动保护科学技术学会水射流技术专业委员会。为我国水射流技术起到了巨大的推动作用。1.4前混合磨料试验装置的特点该技术的基本原理是,将一定粒度的磨料加入高压水系统中,与高压水充分混合后经喷嘴喷出,形成具有高速度的磨料粒子流(即磨料射流)。该机在应用上具有以下特点:(1)对物料进行冷加工,不存在热变形、热硬化等热影响问题,排除了对周围环境发生火苗、引爆的可能性,因此,特别适用于化工厂、炼油厂、矿井下等易燃、易爆场合。(2)对物料进行无震动作业,尤其适用于对脆性材料的加工。(3)该机能产生高质量的磨料射流,因而作业效果、效率均佳。用作除锈机, 能使表面呈现出均匀的金属光泽,并可使表面致密;用于清砂,不但清理彻底,而且可对铸件表面起光饰作用,尤其对难以清理的凹部或中空的腔式铸件, 更能显示出特有的优越性。(4)本机所使用的磨料为粒度较均匀的天然河砂或经加工的石英砂等,材料来源广泛、价格低廉。(5)作业不产生粉尘,从根本上消除了对环境的污染和对工人健康的危害。(6)该机喷枪或喷嘴工作机构与机体仅用一根软管连接,喷嘴运动自如,具有很大的灵活性,可按用户要求,设计配作辅助工作机构,使喷嘴能按要求的轨迹和速度行走。第2章 前混合磨料试验装置总体方案的确定2.1设计任务分析2.1.1设计要求前混合磨料射流就是在高压水管路中通过一定的技术手段加人适量的、具有一定粒度的磨料粒子，利用高压水的载带，使磨料粒子与水介质在高压管道内充分地进行掺混，然后通过喷嘴的加速，将混合浆体喷出形成具有极高速度的磨料粒子流磨料射流。主要技术指标：工作台面尺寸：1m0.8m；压力：35Mpa ；流量：4.8m3/h；磨料开关手动可调，。主要要求： 1、大胆创新，确定合理的总体方案、工作可靠、易于拆装、使用维护方便；2、工作机构、传动及控制方案合理可行；3、设计计算正确，标准件及设备选型合理；4、图纸绘制要符合国家标准，布图合理，图面整洁、美观；5、设计说明书符合相关规定，叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。2.1.2任务分析该题目要求我们设计前混合磨料试验装置，该装置工作流程：接通电源、水源，启动高压泵组后，低压水被高压泵增压后经过高压胶管，流至磨料罐底部的三通，由此分为两路，一路经高压胶管进入磨料罐，使事先装入罐中的磨料部分流态化成沙浆，并经有控砂阀进入混合室，同时另一路水流也流入混合室，使砂、水在混合室中充分混合，然后经高压管流向喷枪，从喷枪中射出高能量密集的磨料水射流，高速冲蚀物料，以达到切割清洗的目的。（其工作原理图如下）该装置与纯水射流相比,磨料射流将纯水连续射流对物料的静压作用改变为磨料粒子流对物料的高频撞击与冲蚀作用,作用效果大为改观。前混合磨料射流较之一般引射式磨料射流(常称为后混合磨料射流),因磨料与水混合 均匀,磨料获得的能量高,对物料的作用效果更为突出,故其工作压力可大大降低。该设计题目的完成需要解决的以下几个主要问题：A.减速器的设计;B.柱塞泵的选择与设计；C.磨料罐的壁厚计算与校核；D.喷枪的设计以及刚度校核。 1增压泵 2水泵 3水源 4减速机 5手动截止阀 6高压气动球阀（三通） 7单向阀 8磨料罐 9磨料喷头 10电动机2.2 设计过程内容分析设计过程主要包括三个方面的内容：1.确定总体方案。根据设计的要求及参考相关的资料，确定出整个设计的总体方案，并且要比较选优，选择最合适的方案。2.主体的结构设计。主要设计电动机、减速器、柱塞泵、磨料罐和喷嘴等装置。还包括联接零件的设计、选择以及校核等内容。3.磨料罐和减速器的校核。第3章 前混合磨料试验装置总体结构设计3.1电动机的选择与确定3.1.1选择电动机的类型和结构本装置可选用三相异步电动机，该电机结构简单，工作可靠，维护容易，价格低廉，配调速装置，可提高起动性能。3.1.2确定电动机的功率由计算电动机功率的公式可得：所以选用电动机型号Y280S-4，功率为75kw，满载转速1480r/min，频率50HZ。3.2增压系统的设计3.2.1概述增压泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。公元前200年左右，古希腊工匠克特西比乌斯发明的灭火泵是一种最原始的活塞泵，已具备典型活塞泵的主要元件，但活塞泵只是在出现了蒸汽机之后才得到迅速发展。18401850年，美国沃辛顿发明泵缸和蒸汽缸对置的，蒸汽直接作用的活塞泵，标志着现代活塞泵的形成。19世纪是活塞泵发展的高潮时期，当时已用于水压机等多种机械中。然而随着需水量的剧增，从20世纪20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐渐被高速的离心泵和回转泵所代替。但是在高压小流量领域往复泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵独具优点，应用日益增多。回转泵的出现与工业上对液体输送的要求日益多样化有关。早在1588年就有了关于四叶片滑片泵的记载，以后陆续出现了其他各种回转泵，但直到19世纪回转泵仍存在泄漏大、磨损大和效率低等缺点。20世纪初，人们解决了转子润滑和密封等问题，并采用高速电动机驱动，适合较高压力、中小流量和各种粘性液体的回转泵才得到迅速发展。回转泵的类型和适宜输送的液体种类之多为其他各类泵所不及。利用离心力输水的想法最早出现在列奥纳多达芬奇所作的草图中。1689年，法国物理学家帕潘发明了四叶片叶轮的蜗壳离心泵。但更接近于现代离心泵的，则是1818年在美国出现的具有径向直叶片、半开式双吸叶轮和蜗壳的所谓马萨诸塞泵。18511875年，带有导叶的多级离心泵相继被发明，使得发展高扬程离心泵成为可能。尽管早在1754年，瑞士数学家欧拉就提出了叶轮式水力机械的基本方程式，奠定了离心泵设计的理论基础，但直到19世纪末，高速电动机的发明使离心泵获得理想动力源之后，它的优越性才得以充分发挥。在英国的雷诺和德国的普夫莱德雷尔等许多学者的理论研究和实践的基础上，离心泵的效率大大提高，它的性能范围和使用领域也日益扩大，已成为现代应用最广、产量最大的泵。液压泵通常按工作原理分容积式泵、动力式泵和其他类型泵，如射流泵、水锤泵等。按主要运动构件的形状和运动方式分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺旋泵。其中：齿轮泵又分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵；叶片泵分为双作用叶片泵、单作用叶片泵和凸轮转子叶片泵；柱塞泵分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵；螺旋泵分为单螺杆泵、双螺杆泵和三螺杆泵。液压泵按排量能否改变分为定量泵和变量泵，其中变量泵可以是单作用叶片泵、径向柱塞泵、轴向柱塞泵。3.2.2工作原理及其组成高压泵站主要由水泵、水箱和控制阀组成。水泵为三柱塞泵，三根柱塞来回往复的运动，以保证水源不间断的供应。泵站装有蓄能器和自动卸荷阀，并组成卸荷回路。当系统堵塞或喷枪内的截止阀关闭阀关闭时，水泵能自动卸荷，以很低的压力运转，这样不仅使泵的输出功率最小，而且避免了水泵频繁的启动。泵站的手动节流阀，用以调节系统的压力。平时有少量的水旁路，当喷嘴磨损，系统压力下降时，关小该阀，使系统压力恢复到调定值。3.2.3增压泵的选择水射流的主要部分就是高压水的供给。水射流的压力对切割性能起决定性作用。所以对增压泵的选行很重要。选用增压泵的原则和根据主要有：(1)是否要求变量 要求变量选用变量泵，其中单作用叶片泵的工作压力较低，仅适用与机床系统。(2)工作压力 目前各类液压泵的额定压力都有所提高，但相对而言，柱塞泵的额定压力最高。(3)工作环境 齿轮泵的抗污染能力最好，因此特别适用于工作环境较差的场合。(4)噪音指标 属于低噪声的液压泵内有啮合齿轮泵、双作用叶片泵和螺杆泵，后两种泵的瞬时理论流量均匀。(5)效率 按结构形式分，轴向柱塞泵的总效率最高；而同一种结构的液压泵，排量大的总效率高；同一排量的液压泵，在额定工况（额定压力、额定转速、最大排量）时总效率最高，若工作压力低于额定压力或额定转速、排量小于最大排量，泵的总效率将下降，甚至下降很多。因此，液压泵应在额定工况或接近额定工况的条件下工作。 本次实验装置的压力为35Mpa，流量为4.8m3/h，属于高压力加工，综合考虑各方面因素，通过查询手册资料，选择型号为80-YCY14-1B的三缸柱塞增压泵，其最大工作压力为40mpa，公称排量80m/r，最大传动功率47kw。3.3减速器的设计与校核3.3.1传动比的计算电动机的转速1480r/min，泵站的转速为1000 r/min，传动比：选用一级直齿圆柱齿轮传动就可满足要求。轴的转速可根据电动机的满载转速和传动比进行计算，转速（r/min）：=1480 轴的输入功率（kw）： 3.3.2选定齿轮精度，材料及齿数1)选用8级精度。2）材料选择。由资料选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240 HBS，二者材料硬度差为40 HBS。3)选小齿轮齿数，大齿轮齿数，。 3.按齿面接触强度计算由设计公式进行计算，即 （1）确定公式内的各计算数值。1）试选载荷系数。2）计算小齿轮传递的转矩。 3)由表选取尺宽系数4)由表查的材料的弹性影响系数5）按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限;大齿轮的接触疲劳强度极。6）取接触疲劳寿命系数;。7）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为，安全系数S=1,由式（10-12） (2) 计算1）试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值。 =114.173mm2)计算圆周速度V。 V=3)计算尺宽b. 4)计算尺宽与齿高之比。模数 m=齿高 h=2.25m=2.254.75 =10.68mm 5)计算载荷系数。根据V=5.98m/s,8级精度，查得动载系数1.2；直齿轮，；查得使用系数;用插值法查得8级精度， 1.475。由，1.475查表10-13得;故载荷系数 6) 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得 7)计算模数m。 3.3.3按齿根弯曲强度计算弯曲强度的设计公式为 （1） 确定公式内的各计算数值1）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限2）由图10-18取弯曲疲劳寿命系数3)计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得 4）计算载荷系数K。5)查齿形系数。6）查取应力校正系数。7）计算大，小齿轮的并加以比较 = =0.01379 大齿轮的数值大(2)设计计算 m3.9mm对比计算结果，由齿面接触强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取3.9并近似的圆整为4.0mm。算出小齿轮齿数 大齿轮齿数 3.3.4几何尺寸计算（1）计算分度圆直径 mm (2)计算中心距 （2） 计算齿宽 取。3.4磨料罐的设计与校核3.4.1压力容器磨料罐设计的基本要求3.4.11选择合适的结构形式设计压力容器的第一步往往是决定形式，使之既能完成预定的生产任务，又有较好的经济效果。在选型时，应考虑容器的功能，操作条件（压力、温度、介质特性等），结构材料，容器的大小，加工制造方法，空间位置等多种因素。对反应容器、换热容器、分离容器等，一般选用圆柱形筒身，两端配以凸形、圆锥形端盖或瓶盖。对容量较大的贮罐，往往采用球形的容器，也可用串接形容器。贮运容器有时采用椭圆截面的筒身。根据需要，有时也可能选用其他非圆截面的容器。3.4.12合理选择结构材料选择压力容器用钢材，必须考虑容器的操作条件（如温度设计、设计压力、介质特性等）、材料的机械性能与物理性能、耐腐蚀性能、制造工艺性能（如焊接性能、冷热加工工艺性能等）、材料的组织与成分。同时还要注意到材料的价格与来源，以保证经济上的合理性。压力容器受压元件用钢应由平炉、电炉或氧气转炉冶炼。钢材的质量及规格应符合相应的国家标准、专业标准（部标）或有关技术条件，并应附有钢厂的钢材质量证明书（或其复印件）。钢材的使用条件（如温度上下限、压力、钢板厚度等）应符合有关规定。设计中，如对钢材有特殊要求时，应在图样或相应技术文件上注明。易燃或者有毒介质的容器的受压元件，不得选用沸腾钢制造。对钢材的检验也用符合有关规定。用于制造高压容器和使用温度小于或等于-40摄氏度的低温容器的钢板，当厚度大于20毫米时，应主张进行超声波探伤。用于制造使用温度大于或等于-40摄氏度的低温容器钢板，当厚度超过20毫米时，应进行超声波抽查，抽查数量不应少于所用钢板的20%，且不少于一张。探伤质量应符合有关规定 。对用于制造压力容器受压元件的新材料，须经技术鉴定合格。对焊接钢制受压元件所用的焊条、焊丝应符合有关规定。焊接二、三类容器的焊条要屁和焊剂应选用低氢碱性型。3.4.13满足结构强度的要求压力容器应满足下列各项结构强度要求：（1） 强度压力容器的所有零部件（筒体、封头、法兰、支座、开孔补强等）都应按照有关规定计算、决定尺寸，以保证有足够的强度。但是，为了保证强度而盲目地增加结构尺寸也是不合理的，这样会造成材料的很大浪费，也使设备显得很笨重。在设计时，通常将各个部件做成等强度，这样最省材料。但是，为安全起见，有时故意使容器中的某一受压元件的强度特别低一些，当容器一旦过载时，这个部件首先损坏，从而可避免整台设备的损坏，这个部件叫超压防护装置。（2） 刚度刚度即构建在外力作用下保持原来形状的能力。若刚度不足，就有可能出现失稳现象。因此，有些构建的尺寸主要决定于刚度而不是强度。在压力容器中也有这样的状况，如外压容器、真空容器，其结构尺寸往往决定于刚度。另外，为满足刚度要求，保证容器在运输、安装过程中能保持原来的行状，选取最小壁厚必须遵守有关设计规定。（3） 耐久性压力容器的耐久性，是压力容器设计和使用中一直被关注的问题。耐久性一般是指要求的使用年限。一般设计中，预定使用年限为10年15年。对高压容器，因制造成本高，故使用年限一般预定为2025年，但实际使用年限往往超过这个数字。耐久性往往决定于腐蚀情况。设计时，要根据预计的使用年限和腐蚀速度，给壁厚附加一定的腐蚀裕量。有时压力容器在一定的腐蚀介质下，还可能产生应力腐蚀，从而引起压力容器的失效，因此，在设计和使用中要尽量设法避免。在某些情况下，其耐久性（即寿命）还可能决定于压力容器的抗疲劳性能。当压力容器的压力载荷和工作温度呈现周期性变化，或承受周期性的强迫振动时，就要考虑疲劳失效的问题。设计时，要保证在预计的载荷循环次数内，压力容器能安全运行，不出现疲劳破坏。当压力容器的工作温度达到材料的蠕变温度时，则要从蠕变角度进行设计。当压力容器在高温下承受交变载荷时，还要考虑疲劳与入编的相互作用。综上所述，根据使用年限（或实际操作循环次数）和腐蚀情况等条件，正确地选用材料，是保证容器耐久性的重要措施。（4） 密封性 压力容器的密封性能也是关系到能否保证安全运行的一个十分重要的问题。因为压力容内的物料，很多是易燃、易爆或者有毒的物质，如果泄露出来，不仅造成物料浪费，更重要的是会使操作人员中毒，甚至引起爆炸，造成财产和生命的巨大损失，因此，必须十分重视密封问题。为此，设计师要正确决定密封构造，合理选择密封材料，以保证其密封性良好。 另外，在压力容器的设计中，还需注意制造、操作和运输的问题。3.4.2磨料罐的设计前混合磨料水射流混合装置的设计的关键技术是磨料罐，所以设计前混合装置磨料罐是必设计的一部分。我所设计磨料罐的技术指标是：系统压力P=35MPa，Q0=4.8m3/h。压力达35MPa以属于高压容器，高压容器的设计要求是非常严格的，所以设计磨料罐有很大的锻炼价值。3.4.21磨料罐材料选择选用压力容器用材料必须全面考虑容器的工作条件（如温度，压力和介质特性），材料。的使用性能（包括机械性能，物理性能和化学性能）和加工条件（材料的焊接性能和冷热加工性能）以及经济合理性（材料价格、制造费用和使用寿命）。我所设计的磨料罐的工作条件：压力为35MPa，介质为水、温度为室温。所以工作条件除要满足压力要求外，其他无特殊要求。材料的使用性能通过设计合理的容器的壁厚来满足。此外，材料的焊接性能是很重要的一个条件，也是必须慎重考虑的一个条件。在综合考虑各方面的因素的情况下，我选择了：20Mnv钢。20mnv钢是490MPa级的低合金结构钢。此钢在热轧和单独正火时强度都偏高，塑性、韧性较差的缺陷，故选择在正火加回火或调质状态下使用。s=510590MPa，b=665785MPa。该钢板的厚度为：1760mm，所以一般满足使用要求。 热加工 项目 加热温度 终止温度 热卷 9500C10500C 7500C 冲压 9500C10500C 8000C 热处理 项目 正火 回火 加热温度 9500C9800C 6000C6500C 保温时间 1.52min/mm 57min/mm 冷却方式 空冷 空冷 3.4.22结构设计磨料罐由筒体、封头、管接头、密封件和支座等零部件组成。3.4.221筒体结构的形式选择高压筒体一般都具有较大的壁厚，因而出现了许多筒体结构形式。以筒体的组成结构分类可有单层式和组合式两类。由制造形式不同，单层式筒体中有整体锻造式、锻焊式、铸-锻-焊式，单层卷焊式，电渣重焊式等。组合式筒体还可分为多层式和缠绕式两种。设计选择筒体结构，既要考虑其安全性又要考虑其经济性。一般的说，筒体的安全性与使用材料的可靠性、制造工艺的成熟性、焊接技术、热处理、检验方法、筒体的破坏特性密切相关，而筒体结构的经济性更与制造方法、总的材料的利用率、生产效率、原材料供应等有关。综合考虑各方面的因素，选用后板卷焊式。3.4.221.1筒体厚度的计算结合实际需要我将筒体内径定为300mm，高度定为800mm。筒体厚度的设计公式采用第一强度理论，既认为材料受力后，在三维应力状态中最大主应力是使材料达到危险状态的决定因素。 其中，筒体厚度（m） P设计压力（MPa） Di筒体内径（m） t许用应力（MPa） 焊缝系数P=35 Di=0.3 =0.85 t=s/1.6=510/1.6其中选择0.85，虽说筒体的纵向焊缝是双面焊缝，但是考虑到封头和筒体之间的环行焊缝是单面焊缝，为保证足够安全，所以将值选为0.85。将数据带入：=20.7mm考虑到水对筒体有一定的腐蚀，所以增加一个腐蚀裕度，将圆整到25mm。3.4.221.2筒体的强度校核计算筒体的校核公式如下： 式中 S筒体的设计壁厚（m） c壁厚附加量（m） t计算应力（MPa）。 P=7107 Di=0.3 =0.85 t=s/1.6=510/1.6 S=0.05 c=0.004 =0.85将数据带入式中：有267.5270.94。这表明壁厚为25mm的这种材料强度满足工作参数的要求。筒体的结构图如下：3.4.222封头结构形式的选择常见封头有椭圆形、碟形、半球形、锥形与平板等。平板端盖与其它封头比较，结构最简单，制造方便，但受力状况最差。在相同的受压条件下平盖比其它封头厚得多，所以它用于直径较小和压力较低的情况。因为我设计筒体的压力较高，所以不宜选用平盖。半球形的封头在这几种封头中在相同的容积下其表面积最小，在相同的承压条件下，它所需的壁厚最薄，因而从节省材料和强度的观点来看，采用半球形封头是合理的。但从制造工艺分析，半球形封头的深度大，用整体冲压方法制造困难，尤其是小直径。锥形封头主要用于低压设备上，所以都不适合采用。椭圆形封头克服了平板形和球形封头的缺点，其受力较均匀而且深度不是较浅，所以选择椭圆形封头比较合理。至于碟形封头为不连续曲面，应力分布不像椭圆封头那样均匀，因而在工程上使用中并那么理想。但当椭圆形封头的模具加工有困难时，一般则以碟形封头代替。综合考虑以上各种因素选择椭圆形封头。3.4.2221封头结构设计首先，我们已知筒体的内径为0.3m，所以可以确定封头的长轴为0.3m，由椭圆形封头计算公式我们可以计算出封头的壁厚。 其中， 封头厚度（m） P设计压力（Pa） Di长轴的长度（m） t许用应力（Pa） 焊缝系数 K椭圆形封头形状系数P=7107 Di=0.3（结合实际需要所选的数值） =0.85（因为结构原因，采用的是单面对接焊缝，无垫板） t=s/1.6=510/1.6考虑到封头顶部要钻孔，为弥补钻孔对椭圆形封头的削弱，所以将其圆整为50mm与筒体一致。我所设计的封头是标准椭圆封头，即（K=1），其中Di为筒体内径，hi为椭圆短轴，而 ，所以K=1。将数据带入：=19.8mm，将其圆睁为20mm。椭圆封头的大致结构尺寸如下图所示：3.4.223焊缝的选择 因为我所设计筒体的厚度达到50mm，封头壁厚也达到50mm，而且因为结构原因筒体和封头的焊接只能采用单面焊。单面焊的焊接厚度往往不能太厚，经综合考虑我选择了VY形坡口，它可焊接的工件厚度是大于20，所以采用这种焊缝基本上满足要求。而筒体的纵向焊缝可采用双面V行焊缝。3.4.223.1焊缝方法在综合考虑各种焊接方法的优缺点后，我选择了埋弧焊。埋弧焊是利用焊丝与焊件间产生的电弧将焊剂熔化，使电弧与外界隔绝，电弧继续燃烧，焊丝不但熔化，与被熔化的焊件液态金属混合形成熔池，冷却凝固形成焊缝。它在大量生产中适用于长直、环行或垂直位置的横焊缝，能焊接碳钢、合金钢以及某些铜合金等中、后壁结构。焊条是H08E（埋弧焊用结构钢焊丝），配合焊剂是HJ431，焊剂类型：高锰高硅低氟。3.4.224管接头的设计计算 手册上推荐数值，当压力大于20MPa时，管内的流速v=67.6m/s。我所设计磨料罐的压力为70MPa，初选v=6m/s，则管接头的内径为： 将q=2/3600m3/s，v=6m/s带入式中，得：d=10.9mm。将其圆整为10mm。管接头关键是确定其内径，它的其他尺寸可安装为原则，当然要保证管接头一定的壁厚以满足其强度要求。下面来确定管接头的最小壁厚。 管接头壁厚的设计公式： 式中的d管接头的内径（m），其它符号与以前的式子相同。管接头中有一种管接头要与磨料罐的封头焊接在一起，为了使焊缝可靠，所以这种管接头的材料采用与封头相同的材料；其他管接头是采用的螺纹联结所以无需考虑焊缝问题，只需保证强度问题即可，经综合考虑决定选择45号钢，热处理方式是调质处理，力学性能为b=400MPa，s=250MPa。 当d=0.015，t=s/1.6=510/1.6，P=35时，将数据代入可得： 1.68mm将其圆整为2mm。 3.4.225阀门的选择阀门是外购件，型号为：J24H-2500型外螺纹角式截止阀。其公称压力为250MPa，适用温度250，显然这完全能满足设计压力的要求。阀门的主要零件材料在下表中列出。表：阀门主要零件的材料选择零件名称材料阀体铬镍钼不锈钢密封塞45顶杆铬不锈钢填料夹石棉聚四氟乙烯轮辐A33.4.226支架的设计机架的作用是支撑磨料罐，磨料罐的重量相对而言比较轻，所以机架的材料机械性能的要求不高。考虑到机架是焊接而成，所以采用低碳钢。支架由两部分组成，一部分是固定在筒体上，另一部分放置在地面，所以磨料罐就可以挂在地面上的支架上。这样做的好处是不必将支架焊接在筒体上，这样就不会削弱磨料罐的强度，而且这样的支架拆卸也很方便。固定在筒体上的支架低碳钢，而磨料罐是低碳合金钢，如果直接接触，则容易损害到磨料罐的表