BRW200-31.5乳化液泵液力端设计说明书.doc
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31.5
乳化
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BRW200-31.5乳化液泵液力端设计含SW三维及5张CAD图.zip,BRW200,31.5,乳化,液泵液力端,设计,SW,三维,CAD
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BRW200/31.5乳化液泵液力端设计摘要乳化液泵是综合采煤工作面液压支架的主要动力提供，性能好坏对液压支架的可靠性有着重大影响。近几年来，随着综合采煤技术的不断提高，综合采煤的机械装备与技术能力都逐渐增高，煤矿对乳化液泵站可以提供的压力与流量要求更高。传统的设计费力、费时，甚至有个别时刻都无法实现研发高性能泵的目标。应用系统的仿真模拟技术是作为结构设计、优化的重要依据，为乳化液泵的设计、研究、优化提供了技术方面的支持。这篇文章是结合了传统的设计思路和成体系的仿真技术，依据乳化液泵的有关资料，建立相对应的乳化液泵的数学模型:利用SolidWorks 软件的三维建模，建立柱塞泵的完整三维模型，比较两种泵模型的数据资料，从而达到优化泵的对应参数、完善结构设计的目的。关键词 乳化液泵；容积效率；曲轴转速；SolidWorks仿真 Design of hydraulic end of BRW200/31.5 Emulsion pumpAbstractEmulsion pump is the main power supply of hydraulic support and hydraulic support in integrated coal mining face. In recent years, with the continuous improvement of integrated coal mining technology, the equipment and technical capacity of integrated coal mining are gradually increasing, which requires higher pressure and flow that can be provided by emulsion pumping station. Traditional design effort, time -consuming, and even sometimes can not achieve high-performance pump research and development goals. The simulation technology of the system is an important basis for the design and structure optimization, and provides useful technical support for the design and research optimization of emulsion pump.In this article, combined with traditional design method and the system simulationtec: hunology based on theoretical knowledge of emulsion pump, we established thema thematic al model of pump volume loss; using SolidWorks simulation software system weestablished plunger pump system model. By comparing the analysis Iesults of the two models,we ac lieve the purposes of optimizing parameters and improving struc tural design of punps.This article combines the traditional design ideas and the simulation technology of the system, and establishes the mathematical model of the emulsion pump according to the relevant data of the emulsion pump. Using the three-dimensional modeling of SolidWorks software, the system model of the plunger pump is established, and the data of the two pump models are compared, so as to optimize the corresponding coefficient of the pump and improve it. The purpose of structural design.Keywords ： Emulsion pump；Volumetric Eficiency；Crankshaft Speed；SolidWorks Simulatio目录前言11 选题背景11.1 国内乳化液泵研究现状11.2 国外乳化液泵研究现状21.3 乳化液的发展趋势21.4 研究目的和意义32 液力端方案论证43 乳化液泵的流量分析83.1柱塞运动规律83.2 流量分析及其流量曲线103.2.1 平均流量103.2.2瞬时流量103.2.4 流量不均度144 泵阀的设计154.1工作原理154.2 选择方案164.4弹簧主要参数计算184.5 泵阀和弹簧参数表204.6 阀箱设计215 柱塞组的设计225.1 柱塞的设计225.1.1 柱塞的工作条件和设计要求225.1.2 柱塞的材料235.1.3 柱塞头部的设计245.2 柱塞销的设计275.2.1 柱塞销的结构、材料275.2.2 柱塞销强度和刚度计算285.3 柱塞销座285.3.1 柱塞销座结构设计285.3.2 验算比压力295.4 柱塞环设计及计算295.4.1 柱塞环形状及主要尺寸设计295.4.2 柱塞环强度校核296 缸套设计306.1 方案选择306.2 缸套内流量和压力分析31总 结32参考文献32致 谢34IIIBRW200/31.5乳化液泵液力端设计前言近几年来，煤矿的采煤机械化发展飞速，其中综合采煤技术尤为被广泛应用，对煤矿运用的乳化液泵站能够供应更高的流量和压力有了很高的要求。为了能够达到煤矿生产要求，从而需要设计出功能完善的乳化液泵，单单应用过往的经验和实验，设计不光费时，而且优化参数或条件有难度，不易提高性能，同时也无法进行系统的设计。使用设计计算的方法，由于数学模型为二次非线性微分方程，答案单一性，因此得出正确数据的难度增大。1 选题背景1.1 国内乳化液泵研究现状国内乳化液泵一般采用五柱塞结构，这与国外多柱塞并联的乳化液泵不同。乳化液泵站普遍是由三台乳化液泵和一个乳化液罐组成。乳化液泵的控制主要由隔爆开关组成的隔爆电磁启动器来完成。根据乳化液泵的流量选择乳化液罐的尺寸和数量。乳剂罐主要包括过滤装置、储存装置、稳压装置和液体分配装置。主过滤器是一个过滤器，一般有两个过滤器，第一个是粗过滤器，可用于反洗站。其次，通常使用高精度过滤器。储液装置主要是储液罐本身，其中浮球阀控制进水管的启闭。该井配有液体分配装置。液体分配装置主要利用文丘里管原理完成乳液的自动混合。调压器主要指蓄能器。目前，较先进的乳化液泵站配有传感器和自动配液装置，可以检测储液罐中乳化液的浓度，实现动态检测和实时配液。我国乳化液泵的设计思想是在不改变柱塞数的情况下，增大柱塞的直径从而增加乳化液泵的流量。乳化液泵采用五柱卧式的结构，泵站也由三泵一箱组成。所用的流量和压力系列几乎相同。普遍的乳化液泵的公称压力和公称流量如表1和1所示。表1 公称流量公称流量2531.540506380100公称流量11012516020025031540033表2 公称压力公称压力2.54.05.56.38.010.012.516.020.0公称压力25.031.535.040.050.056.063.080.0100.0近年来，国内乳化液泵的设计几乎保留着五柱塞结构，应用两台泵和一个储液罐为工作面供液。因此，提高国产乳化泵流量的途径是增加柱塞直径，提高整个系统的流量。这会导致乳化液泵过大，特别是在液压端。阀板尺寸过大，密封面积过大，密封性能差，会降低体积效率。国内一些厂家正在设计和开发乳化液泵。一些新的成就尚未广泛取得。如在吸放阀中，也有一个扁平的密封芯片结构。1.2 国外乳化液泵研究现状国外乳化液泵的结构多为三柱塞结构。一般来说，单泵的流量不是很大。它由四个泵和一个泵箱组成。在工作表面变化范围大的情况下，满足了乳化液流动的要求。该控制平台对乳化液泵的数据进行采集和监控，提高了泵站系统的可靠性。根据泵站的流量，乳化液罐的体积和数量一般为一个或两个箱。在乳化泵站的储罐和乳化泵的前面安装了过滤器，以过滤回流液。泵站还设有蓄能器，作为稳压器，保证了流量的稳定。这些辅助系统，控制系统和乳化液泵，液舱安装在移动车辆上，以便于移动。每个乳化泵和油箱都设有一个子控制台，负责监测设备的运行参数，并通过通信将设备参数传送到总台。一般操作参数如下：乳化罐自动灌装、乳化率和乳化罐油位高度：乳化泵润滑系统的油位高度、油温、油压、电磁式卸油阀控制。为了满足工作面的工业需要，国外设计了乳化系统末端，采用小读数平行多重乳化裂化，增加切削泵的数量。它们大多采用四种乳液体系和一种液体结构。同时，将三种乳胶颗粒平行放置并还原到工作面上。为了改善吸排液的密度条件，以陶瓷为原料，使气缸有意义，提高柱塞的耐磨性和重量损失，是一种较高的柱塞寿命挣扎。实现各拦截点的横切。易于更换。在整个泵站系统中，乳化液系统经过几天的增减，使单个系统的规模过大，造成了抽吸速度慢、冲洗不良的影响。1.3 乳化液的发展趋势近几年来，机械化在我国得到了广泛的推广，并已基本应用于大型矿山。但是，主要设备是从国外进口的。虽然国内综合采煤设备在设计结构、质量控制、运行稳定性和维修周期等方面取得了不断的提高，但还是会受到材料强度和制造技术的约束。由于维修手段和技术的限制，国内设备与国外设备在综合机械化开采过程中的性能、稳定性、方便性和维修性有着不小的距离。乳化液泵是为煤矿工作面液压系统的提供动力的主要来源，为工作面液压支架提供必要的压力，支持完整的提升架、落架、动架等动作完成。煤矿应用的乳化泵普遍应用卧式柱塞结构。其具有适应环境性强、结构紧凑、维修方便、噪音低、操作简单等优点。在过去，我们的乳化液泵大多采用三柱塞结构。通过增加柱塞的数量，能够减小柱塞直径过大而引起的偏心磨损现象，减少泄漏，从而提高乳化液泵的体积效率。增加柱塞的数量也减少了流量脉动，使进料压力更加稳定。随着综合采煤技术的发展和大采高综合采煤的应用，对综合采煤设备的要求越来越高，液压支架也越来越大。由于我国乳化液泵站流量的增加方法与国外不同，它依赖于增加柱塞直径和乳化液泵的数量。国产乳化液泵大多采用五柱塞来增加泵的流量，这就要求乳化液泵的设计体积较大。泵阀的内部水力端部等部位都比较大，内应力集中增加，使用时阀板质量超标的影响很大。所有这些都会对乳化液泵的运行和内部部件的使用寿命产生较大的影响。为此，对乳化液泵的动态运行进行了特性分析，并对其运动进行了改进，以减少内冲击，提高容积效率，改善乳化液泵的性能。1.4 研究目的和意义乳化系统是并联支架液压支架的主要动力输出，是综合采煤设备的重要组成部分。它能否稳定、高效地工作，直接关系到井下安全、煤矿开采效率、工人的施工安全和工人的劳动强度。为了实现高效且安全的采煤，提高经济效益，减少事故的发生，设计性能优良的乳化系统有着非常重要的意义。安全、高效、高产是综合采煤的发展方向。在综合采煤技术中，移动机架的时间是影响综合采煤技术整体速度的关键。因此，提高液压支架的运动速度是实现高效采煤的关键。提高移动机架效率的主要途径有两种：一是提高系统的液体通过能力；二是提高系统站的送液能力。然而，提高液压支架的流体传递能力，必然会提高液压支架的悬浮速度和推进速度。顶板梁和上柱板的导向对下层会产生很大的影响，从而影响工作面顶板的稳定性。特别是在地质条件不稳定、容易产生残馀地质条件的情况下会对工作面产生影响。提高乳化泵站的供液能力。为工作面能够提供稳定的压力和流量已成为提高工作面效率的关键。2 液力端方案论证乳化液泵的液力端包括泵体、缸套柱塞、柱塞杆、密封盒、泵阀等，其作用是从吸水池中吸入低压力液体，将高压液体输送到井底，实现液体循环，冷却钻头，冲洗井底，带出钻屑。泵体是液力端的主要零件，泵体中的液体流通通道应力求短而直，表面光滑；通道相贯处的圆角半径应尽可能的大，以减少应力集中；排出阀应位于工作腔的最高点，以防止腔内因滞留气体而降低充满系数；吸入和吸入阀应尽量靠近缸套，以便减少液流阻力和余隙容积。 单作用钻井泵每缸套只有一个吸入阀和排出阀，因此三缸单作用泵的液力端部份结构比双缸双作用泵简单。三缸单作用泵的液力端部份结构也有很大的不同。根据现有的乳化液泵，我们可以知道，乳化液泵液力端的布局就在与吸入阀与排出阀的布置的不同。即有，吸入阀与排出阀垂直摆放、吸入阀与排出阀平行排放、吸入阀与排出阀排放在同一直线上。 方案一：吸入阀与排出阀垂直摆放的乳化液泵液力端如图1所示图 1 T型结构的乳化液泵液力端乳化液泵液压端的液体流道采用T型结构。泵阀是翼型导向的。这种液压端的优点是工作室体积小，液流通道短而直，过流性能比较好。密封圈少，吸入阀固定导向系统相对简单，泵头结构一体化，减小内部间隙，减轻重量。但其不足之处在于更换吸入阀时应将吸入管的筒体和弯管拆除，液体泄漏严重。方案二： 吸入阀与排出阀平行排出，也就是说，L形泵头可以通过吸入泵头和排出泵头分开制造，形成如图2所示的组合泵头。泄漏量也小，但结构不紧凑，泵内间隙通道长，泵头重量大，自动吸附能力差。 图 2 L型结构的乳化液泵液力端方案三：吸入阀与排出阀排放在同一直线上，即 I 形泵头，如下图3所示： 图3 I型结构的乳化液泵液力端这种直通式液压结构具有结构紧凑、重量轻、气缸间隙通道长度短等优点，这有利于计算公式的推导，但当拆卸上卸料阀更换吸入阀座时，当使用钢制阀座时，必须先删除卸料阀座。彻底检修是困难的。在选择液力端结构时应遵循以下原则：1 过流性能好，液压阻力损失小。2 液体流道应利于气体的排出，无死区，造成气体滞留。3 吸入阀和排出阀普遍应该垂直布置，以便于阀板的正常开启、关闭和密封，特殊情况下也可倾斜或水平布置。4间隙体积应尽可能小，特别是对于高压短冲程泵或运输大气体含量和挥发性介质时，间隙体积应尽可能小。根据乳化液泵液力端结构形式的选择原则，我决定以I形泵头为原型，对现有的乳化液泵液力端进一步完善，以达到实地应用对乳化液泵的要求。我的修改原因、方法及优点如下：1 对于乳化液泵液力端易损部件柱塞，我选用了胀紧式柱塞，参考了柱塞的优化设计对柱塞进行了结构优化。2 在缸套的设计上，我通过SolidWorks建模，然后通过ANSYS应力分析，以达到满意的尺寸。3 在泵阀的设计上根据乳化液泵的性能要求，参考往复泵设计，新型钻井泵泵阀的设计计算等对BRW200/31.5乳化液泵泵阀进行参数设计，同时通过SolidWorks对泵阀的运动进行了仿真，对泵阀的优化有一定的参考价值。4 液压端五缸套筒直通分段结构，可通过排气管和吸入管吸入和排出。吸入阀和排出阀减小了同一垂直销轴上的容积间隙。5 通过SolidWorks分析在液缸的应力集中位置安装了耐磨盘，使液缸的寿命得到有效提高。新设计的方案图结构图如下图 图4 新设计的液力端3 乳化液泵的流量分析3.1柱塞运动规律图5 柱塞运动示意图乳化液泵大多数是曲柄连杆机构传动，图5是其示意图。柱塞从液缸的左点开始运动，曲柄AO和连杆AB处在同一水平线上，总长度为。设此时曲柄与水平线的夹角，曲柄逆时针方向旋转，则柱塞移动的距离为：由于，所以有， (1)式中，为曲柄半径；为连杆长度；为曲柄连杆比，；为曲柄转角。式(1)求一阶和二阶导数，得柱塞运动速度和加速度的表达式，即 (2) (3)式(1)、(2)和(3)是反映柱塞运动规律的精确公式，通常对它进行适当的简化。令=，代入式(1)得， (4)将式(4)对时间求一阶和二阶导数，得， (5) (6)图6 柱塞运动规律曲线由于曲柄连杆比一般都小于0.2，。在精确公式中加入项数值很小，对柱塞位移、速度和加速度的影响甚微，最大误差不到百分之一。因此，以式(4)、(5)和(6)作为计算往复泵柱塞运动规律的依据，是完全满足精度要求的。令： (7) (8)式中，柱塞无因次速度；柱塞无因次加速度。与及与具有同样的波形，仅仅是纵坐标比例尺不同而已。如果不考虑曲柄连杆比的影响，即，柱塞的运动规律可以表示为 (9) (10) (11)柱塞的运动规律曲线如图6所示。3.2 流量分析及其流量曲线3.2.1 平均流量泵的理论平均流量是指泵在单位时间内理论上应输送的液体体积。对于单作用泵，设缸数为，其理论平均流量为 (12)3.2.2瞬时流量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。单缸单作用泵的瞬时流量为 (13)对于吸入过程，单作用液缸吸入的瞬时流量为 (14)对于排出过程，单作用液缸排出的瞬时流量为 (15)实际上，往复泵一般都有几个液缸组成，图7为三缸单作用泵的曲柄布置图。图7 三缸单作用泵曲柄布置图计算泵的瞬时流量，根据各曲柄间存在的角位差。相邻曲柄间的角位差可以表示为 (16)设往复泵的缸数为，曲柄序号为，依次如图11所示，即自旋转轨迹与水平线左交点，从开始运动的曲柄为1号，其他曲柄按逆时针方向依次2、3号，对应的液缸取同号。再设任一曲柄与水平轴线的夹角为，以1号曲柄与水平轴线的夹角为变参数，则曲柄转角可以统一表示为 (17)图8三缸单作用泵曲柄间的相互关系示意图图8为三缸单作用泵曲柄间的关系因此，各个液缸瞬时流量可表示为 (18)并且，当时，液缸吸入，公式前取“+”号；当2时，液缸排出，公式前取“-”号。由于吸入和排出的流量相同，所以，可以用吸入时泵的瞬时流量来表示整台泵的瞬时流量。对于整台单作用泵，其瞬时流量为各个液缸相同时刻的瞬时流量的叠加值，用统一的公式表示，即 (19)求瞬时流量曲线的流程图如图9所示。图中表示缸数，令初始的流量，已知1号曲柄的转角，依次求出此时各个液缸的流量，然后把大于零的流量叠加，就可以求出此时的流量；然后依次求出曲柄在各个位置的流量，就可以得到瞬时流量曲线。已知，依次求出各个液缸此时的流量对应角的流量是否曲柄是否旋转一周瞬时流量曲线是角度递增图9 瞬时流量的求法流程图否3.2.3流量曲线图10 当时三缸单作用泵的瞬时流量曲线当时，三缸、六缸单作用泵的瞬时流量曲线分别如图10、11所示。图11 六缸单作用泵的瞬时流量曲线图12 三缸单作用泵取不同值时无因次瞬时流量曲线取不同值时，三缸单作用泵无因次瞬时流量曲线如图12所示。由图可以看出，值越大，流量波动越大，对瞬时流量的影响比较明显。3.2.4 流量不均度理论瞬时流量的最大差值与平均流量的比值，称作往复泵的流量不均度，用表示，则 (20)改变泵的缸数，计算的流量不均度如表3所示。表3 流量不均度缸数12345673.14161.57080.14030.32530.04980.14030.02533.17601.58800.21980.32530.06850.14030.03413.31181.65590.35570.32530.09860.14030.0479从表中的数据，可以看出：1) 值越大，流量不均度越大；2) 缸数越多，流量不均度越小；3) 相邻奇数缸的流量不均度比偶数缸小；4) 对奇数缸流量不均度的影响比偶数缸大的多。4 泵阀的设计4.1工作原理乳化液泵通常采用锥状盘阀，它的主要零件是圆锥形阀盘、阀座和弹簧等，如图13所示。图13 锥形盘阀示意图泵阀在吸入冲程开始时，吸入管中的液体向上推动吸入盘，使气缸与吸入管相连，液体进入气缸。在自重、弹簧力和液压的作用下，出料盘迅速落在底座上，将气缸与出料管分离。在吸入行程结束时，排出行程开始时，液缸推动阀瓣，液体流入排出管阀瓣与阀座之间的间隙。4.2 选择方案参考石油天气标准，选择通孔阀体。图19 通孔阀1压盖；2弹簧；3导向套；4阀体；5阀螺母；6阀胶皮7阀座；8阀箱；9紧固螺母；10阀导架。4.3主要参数计算泵阀的主要参数的计算参考了往复泵设计155185页，由于书中单位采用的是工程制单位，姑且按书中单位计算，最后转化为国际标准单位。泵阀的相关尺寸严格按照标准选取。4.3.1 阀座孔径阀座孔径可按经验公式(33)计算，根据阀座孔最大流速初步确定： (21)单作用泵： 选择标准4.3.2 阀板与阀座密封接触面宽度按以下公式选定，金属对金属时： (22) 4.3.3阀板直径 (23)式中，锥形阀锥角之半，通常。选取尺寸4.3.4 允许关闭速度 (24)式中，平均取。，取。4.3.5 阀盘最大升程 (25)，比值在范围内，符合要求。4.3.6 求当量系数查166页表3-28，得。4.3.7 阀板厚度的确定对锥形阀：，即，选择标准21mm。4.3.8 计算系数 (26)4.4弹簧主要参数计算4.4.1计算系数和弹簧初始安装力 (27)当时， (28)即。4.4.2 计算及弹簧刚度(29) (30)即。4.4.3 弹簧最大工作力 (31)4.4.4 阀上最大载荷 (32)4.4.5 弹簧钢丝直径 (33)根据标准，先取。查表3-3，取8；。查表3-2得，。查表3-4，。代入式验算：，符合条件4.4.6 弹簧工作圈数及总圈数 (34)式中，为弹簧材料的剪切弹性模量，查表3-5得，。 (35)4.4.7 弹簧节距节距一般取，这里取14mm。 (36)4.4.8 弹簧自由高度和预安装高度 (37) (38)4.5 泵阀和弹簧参数表表4 泵阀和弹簧参数内容和项目计算公式计算结果泵 阀 计 算名称符号单位标准单位通过一个阀的流量9390.22阀座孔径11.00110mm密封面接触面积0.66阀板直径12.684126.84mm允许关闭速度21.43取16.00最大升程1.33阀板厚度2.121mm当量系数查表3-280.6阀板重量1892.318.92N系数0.1588介质重度1阀板材料重度7.8弹 簧 设 计系数7.6185弹簧初始安装力23904239.04N系数42.1785弹簧刚度12861弹簧最大工作力41048410.48N阀上最大载荷42698426.98N钢丝直径7弹簧工作圈数8.046总圈数10节距14自由高度122.5安装高度103.94.6 阀箱设计参看往复泵设计151页，薄壁筒公式确定壁厚： （39）对于一般碳素钢，许用应力。所以，最窄方向的尺寸，取380mm。其他方向的尺寸应按照标准、部件间的相互关系来确定。最终确定长度方向取440mm，高度取720mm，具体尺寸详见附录。阀箱结构可分为整体结构和组合结构。整体阀箱具有刚性好、工作腔间距小、加工能力小的优点。组合阀箱将工作室内分成若干块，然后以适当的方式将它们连接在一起。更换阀箱更方便，但增加了加工面，增加了接头的密封性能，应力状态变差，一般不使用。因此，选择整体阀箱。图20 通孔阀 图21 通孔阀5 柱塞组的设计5.1 柱塞的设计5.1.1 柱塞的工作条件和设计要求1、柱塞的机械负荷在往复泵运行中，柱塞的机械载荷包括周期性气体压力、往复惯性力和由此产生的侧向力。在机械载荷作用下，柱塞各部位存在不同的应力：柱塞顶部的动态弯曲应力；柱塞销座承受拉伸和弯曲应力；柱塞承受弯曲和剪应力。此外，在环槽和裙部有较大的磨损。为了适应机械负荷,柱塞的设计需要合适的壁厚和合理的形状,也就是说,保证足够的强度和刚度的前提下,结构应尽可能简单,光,和变化的过渡部分应平滑,以减少应力集中。2、磨损强烈往复泵工作时产生的侧向力较大。同时，柱塞在缸套中的高速往复运动，会使柱塞组与缸套表面产生较强的磨损。由于这里润滑条件差，磨损情况更加严重。3、柱塞组的设计要求（1）要选择热强度好、耐磨、比重小、热膨胀系数小、导热性好、减磨性好、工艺性好的材料；（2）有合理的形状和壁厚。（3）保证燃烧室气密性好，窜气、窜油要少又不增加柱塞组的摩擦损失；（4）在任何情况下都能保持柱塞与缸套的良好配合；（5）减少柱塞从燃气吸收的热量，而已吸收的热量则能顺利地散走；（6）在机油消耗低条件下，保证润滑面上有足够的润滑油。5.1.2 柱塞的材料根据上述对柱塞设计的要求，柱塞材料应满足如下要求：（1）热强度高。（2）导热性好，吸热性差。（3）膨胀系数小（4）比重小。（5）有良好的减磨性能（即与缸套材料间的摩擦系数较小），耐磨、耐蚀；（6）工艺性好，价格低廉。在往复泵中，灰铸铁以其耐磨、耐腐蚀、膨胀系数低、热强度高、成本低、制造性能好等优点，被广泛用作柱塞材料。然而，近几十年来，由于往复泵转速的不断提高，工作过程不断加强，灰铸铁柱塞逐渐被铝基轻合金柱塞所消除，比材料和导热性差这两个基本缺陷要小。综合分析，该往复泵柱塞采用铝硅合金材料铸造而成。5.1.3 柱塞头部的设计1、设计要点柱塞头部的设计要点是：（1）保证了其具有足够的机械强度和刚度，避免了开裂和产生过多的变形，因为环槽的变形必然影响柱塞环的正常工作；（2）保证温度不太高，温差小，防止热变形和热应力过大，为柱塞环的正常工作创造良好的条件，并避免顶部热疲劳开裂;（3）尺寸尽可能紧凑，因为一般压缩高度缩短1单位，整个往复泵高度就可以缩短单位，并显著减轻柱塞重量。2、压缩高度的确定柱塞压缩高度的选取将直接影响往复泵的总高度，以及缸套套、机体的尺寸和质量。尽量降低柱塞压缩高度是现代往复泵柱塞设计的一个重要原则，压缩高度是由火力岸高度、环带高度和上裙尺寸构成的，即 =+ （40）（1）第一环位置根据柱塞环的布置确定柱塞压缩高度时，首先须定出第一环的位置，即所谓火力岸高度。为缩小，当然希望尽可能小，但过小会使第一环温度过高，导致柱塞环弹性松弛、粘结等故障。因此火力岸高度的选取原则是：在满足第一环槽热载荷要求的前提下，尽量取得小些。一般往复泵，为柱塞直径，该往复泵的柱塞标准直径，确定火力岸高度为：（2）环带高度 为减小柱塞高度，柱塞环槽轴向高度应尽可能小，这样柱塞环惯性力也小，会减轻对环槽侧面冲击，有助于提高环槽耐久性。但太小，使制环工艺困难。在小型高速内燃机上，一般气环高，油环高。该往复泵采用三道柱塞环，第一和第二环称之为压缩环（气环），第三环称之为油环。取，。环岸的高度，应保证它在气压力造成的负荷下不会破坏。当然，第二环岸负荷要比第一环岸小得多，温度也低，只有在第一环岸已破坏的情况下，它才可能被破坏。因此，环岸高度一般第一环最大，其它较小。实际往复泵的统计表明，往复泵接近下限。则 ， 。因此，环带高度。（3）上裙尺寸确定好柱塞头部环的布置以后，压缩高度H1最后决定于柱塞销轴线到最低环槽（油环槽）的距离h1。为了保证油环工作良好，环在槽中的轴向间隙是很小的，环槽如有较大变形就会使油环卡住而失效。所以在一般设计中，选取柱塞上裙尺寸一般应使销座上方油环槽的位置处于销座外径上面，并且保证销座的强度不致因开槽而削弱，同时也不致因销座处材料分布不均引起变形，影响油环工作。综上所述，可以决定柱塞的压缩高度。对于往复泵，所以。则 。3、柱塞顶和环带断面（1）柱塞顶柱塞顶的形状主要取决于燃烧室的选择和设计。从柱塞设计的角度出发，为了降低柱塞组的热负荷和应力集中，希望采用加热面积最小、加工最简单的柱塞顶部形状，即平顶。大多数往复泵正是采用平顶柱塞，由于EA113 5V 1.6L往复泵为高压缩比，因而采用近似于平顶的柱塞。实际统计数据表明，柱塞顶部最小厚度，往复泵为，即。（2）环带断面为了保证荷柱塞的高热负，使环带有导热良好，不让热量过多集中在最高一环，其平均值为。槽底圆角一般为0.20.5mm。柱塞环岸锐边必须有倒角，否则当岸部与缸壁压紧出现毛刺时，就可能把柱塞环卡住，成为漏气和过热；倒角过大又使柱塞环漏气增加。一般倒角为。（3）环岸和环槽环岸和环槽的设计应保持柱塞、柱塞环正常工作。柱塞环侧隙在不产生损伤的情况下越小越好。目前，第一环与环槽侧隙一般为0.060.11mm，二、三环适当小些，为0.040.08mm，油环则更小些，这有利于柱塞环工作稳定。油环槽中必须设有回油孔，并且均匀地布置在主次推力侧面，回油孔对降低机油消耗量有重要意义，三道柱塞环的开口间隙及侧隙如表3.1所示:表5 柱塞环的开口间隙及侧隙柱塞环开口间隙/侧隙/第一道环第二道环第三道环（4）环岸的强度校核膨胀冲程开始时，第一柱塞环在爆压作用下被压在第一环组上。由于节流作用，第一个环岸以上的压力远大于第一个环岸以下的压力，不平衡力会在河岸根部产生较大的弯剪应力。当应力值超过铝合金在工作温度下的强度极限或疲劳极限时，岸根会断裂，专门的试验表明，当柱塞顶上作用着最高爆发压力时，如图21所示。已知=4.5，则， 图22 环与环槽的配合间隙及环槽结构 图23第一环岸的受力情况在通常的尺寸比例下，可假定槽底（岸根）直径，环槽深为：于是作用在岸根的弯矩为 （41）而环岸根断面的抗弯断面系数近似等于所以环岸根部危险断面上的弯曲应力 （42） 同理得剪切应力为： （43）接合成应力公式为： （44）考虑到铝合金在高温下的强度下降以及环岸根部的应力集中，铝合金的许用应力，校核合格。5.2 柱塞销的设计5.2.1 柱塞销的结构、材料1、柱塞销的结构和尺寸柱塞销的结构为一圆柱体，中空形式，可减少往复惯性质量，有效利用材料。柱塞销的外直径，取，柱塞销的内直径，取柱塞销长度，取2、柱塞销的材料 柱塞销材料是低碳合金钢，表面渗碳处理，硬度高，耐磨性好，内部冲击韧性好。表面加工精度和粗糙度要求很高，高温热稳定性好。5.2.2 柱塞销强度和刚度计算柱塞销表面受到气体压力和往复惯性力的共同作用，总的作用力，柱塞销长度，连杆小头高度，柱塞销跨度。1、最大弯曲应力计算柱塞销中央截面的弯矩为 （47）空心销的抗弯断面系数为，其中 所以弯曲应力为 即 （48） 2、最大剪切应力计算最大剪切应力出现在销座和连杆小头之间的截面上。横断截面的最大剪切应力发生在中性层上14，其值按下式计算： （49）已知许用弯曲应力；许用剪切应力，那么校核合格。5.3 柱塞销座5.3.1 柱塞销座结构设计 柱塞销座用于支撑柱塞并从柱塞上转移动力。销座应具有足够的强度和适当的刚度，使销座能适应柱塞销的变形，避免销座应力集中引起疲劳断裂。同时应具有足够的承载面和较高的耐磨性。柱塞销座的内径，柱塞销座外径一般等于内径的倍，取，柱塞销的弯曲跨度越小，销的弯曲变形就越小，销座系统的工作越可靠，所以，一般设计成连杆小头与柱塞销座开挡之间的间隙为，但当制造精度有保证时，两边共就足够了，取间隙为。5.3.2 验算比压力销座比压力为： （50）一般。5.4 柱塞环设计及计算5.4.1 柱塞环形状及主要尺寸设计该往复泵采用三道柱塞环，第一和第二环为气环，第三环为油环。 柱塞环的主要尺寸为环的高度、环的径向厚度。气环，油环，取，。柱塞环的径向厚度，一般推荐值为：当缸径为时，取。5.4.2 柱塞环强度校核1、工作状态下的弯曲应力柱塞断面的最大弯矩为： （51）由此可得最大弯曲应力为： （52）对于断面均压环其开口间隙与柱塞环平均接触压力之间有如下关系： （53）将式（3.12）带入（3.11）并整理得： （54）式中：材料的弹性模量，对合金铸铁；柱塞环的开口间隙，取为；缸套直径，；柱塞环径向厚度，则 柱塞环工作时的许用弯曲应力为，则校核合格。6 缸套设计6.1 方案选择目前乳化液泵的缸套多为双金属缸套，内层材料为高碳高铬铁合金，大大提高了缸套的使用寿命。内衬和外缸套均装有干涉，采用热组件。通俗的说法是利用热膨胀和冷收缩的原理，在安装气缸套时加热，使装配间隙相互连接，安装后的温度再冷却到工作温度，使缸套在冷却收缩的过程中紧密地结合在一起。内缸套材料为高铬铸铁，内缸套的含铬量达20%，经浇铁后先退火处理，在机加工、淬火和低温回火，最后磨削加装配。是我国GB的标准钢号。该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，故外缸套材料选择。6.2 缸套内流量和压力分析按照标准采用六级缸套，缸套的直径分别为50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm。泵的输入功率为：泵的输出功率为： (56)式中，为泵的总效率，为机械效率，取0.9；为容积效率，按100%计算；为水力效率，取0.913。不同直径下流量和对应最高泵压的计算公式分别为： (57) (58)总 结经过近七个月的努力，我终于完成了毕业设计。在这个设计中,我学到了很多关于乳液泵的相关知识,而且还乳液泵的工作特点和工作方法,以及乳液泵的结构特点,和有一个非常深刻的理解液压的乳液泵。在完成毕业设计的同时，系统梳理了大学四年的经验，也学习了课堂上没有学到的知识。同时，我也锻炼了自己的机械设计和研究能力，锻炼了独立思考、分析和解决问题的能力。在毕业论文的制作过程中，我熟练了AutoCAD,SolidWorks.ANSYS等软件的运用，以及学会了怎麽使用网络资源查询相关资料的能力，更值得珍惜的是我磨练了自己的意志，这些能力对我以后的学习和工作都是非常重要的意义。本研究将传统设计与现代计算机技术和软件技术相结合，建立
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