直线电机五缸往复泵实验装置的设计

欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要CAD 图纸的请联系 q1484406321 I 摘摘要要 往复泵是一种发展较早的动力机械之一 它包括活塞泵和柱塞泵 适于 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 在石油领域 往复泵作为一种石油矿场设备 在作业过程中所处工况较其 它常见机械设备更恶劣 传统往复泵在较高冲次工作 易损件寿命短 吸入 性能较差 越来越难以满足现代钻井技术 酸化压裂技术和注水开采技术提 出的大排量 高泵压的要求 现有的往复泵要实现低冲次 大排量 高泵压 必须采用更大的传动比 因此有必要设计一种新型的多缸往复泵 针对传统往复泵的上述缺点 提出了一种直线电机直接驱动的五缸往复 泵 并初步设计出了其实验装置 该种泵省去了体积庞大的换向机构 提高 了效率 降低了成本 另外 本文所设计的实验装置采用单向阀作为吸入和 排出阀 结构简单 安装维修方便 设计出的液力端结构简单 使用方便 通过改变直线电机工作电源的频率调节冲次 达到调节排量的目的 相比传 统电机通过改变缸套直径来调节流量要简便很多 通过此实验装置的设计 为新型直线电机驱动的往复泵产品的研制开发奠 定了基础 关关键键词词 五缸往复泵 直线电机 实验装置 单向阀 II Abstract Reciprocating pump is one of the earliest developments of powered mechanical including reciprocating piston pump and the plunger pump It suitable for transport the media with the lower flow the higher pressure Such as low viscosity corrosive flammable explosive toxic and other various liquids With high efficiency and good performance In the oil filed as a device of the oil field in the course of which operating conditions than other common machinery equipment even worse the traditional reciprocating pump work on the higher frequency Fragile pieces of the short life expectancy poor performance inhalation Increasingly difficult to meet the modern drilling technology acidizing and fracturing injection technology of mining technology large displacement high pressure pump requirements Existing reciprocating pump to achieve low viscosity and large displacement high pressure pump must apply more than drive It is necessary to design a new type of multi cylinder reciprocating pump Traditional reciprocating pump because of the above shortcomings a direct linear motor driven reciprocating pumps are raised and preliminary design of the experimental device the pump save a species bulky for agencies to improve the efficiency reduced cost In addition the experimental device of this paper use one way valve as inhalation and discharge valve the installation of access from the low maintenance cost Lift light depend on the actual circumstances of the case Adoption of the changes to the frequency of linear motor can be changed pump viscosity then can control the displacement this is easier than the traditional pump Hope that the experimental device design for a new type of linear motor driven reciprocating pump products laid the foundation for research and development Key words 5 cylinder reciprocating pump Linear Motor Experimental Device one way valves 欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要CAD 图纸的请联系 q1484406321 III 目目录录 摘要 I ABSTRACT II 1 前言 1 1 1 传统往复泵的缺点 1 1 1 1 结构上存在的问题 2 1 1 2 理论上存在的不足 2 1 2 研究的目的和意义 3 1 2 1 直线电机的工作原理 3 1 2 2 直线电机往复泵的工作原理 4 1 3 论文来源 6 1 4 主要研究内容 6 2 实验装置的组成和设计 7 2 1 该实验装置的基本组成 7 2 2 实验装置的设计 7 2 2 1 整体结构设计 7 2 2 2 主要结构参数的选择 7 2 2 3 液力端结构选型 9 2 2 4 单作用泵的液缸体 10 2 2 5 液缸盖和阀室盖的厚度计算 12 2 2 6 实验装置中单向阀的应用 16 2 3 柱塞及其密封 18 2 3 1 柱塞结构型式的选择 18 2 3 2 柱塞密封 19 2 3 3 密封结构的再设计 20 3 动力端结构及其设计 21 3 1 直线电机发展简介 21 3 2 直线电机的分类 22 3 3 直线电机的应用基础与选用原则 22 IV 3 4 底座的设计 23 3 5 吊耳设计 24 4 实验装置中零件的强度校核 25 4 1 液力端用螺栓的强度校核 25 4 2 连接柱塞和电机动子的轴销的强度校核 25 4 3 柱塞强度校核 26 4 4 吊耳强度校核 27 4 5 电机螺钉的校核 28 5 结论及建议 30 5 1 结论 30 5 2 建议 30 谢辞 31 参考文献 32 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 1 1 前前言言 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 1 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 12 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 1 1 传传统统往往复复泵泵的的缺缺点点 现在公知的往复泵都是由旋转电机 减速箱 连杆转换机构 活塞杆 泵壳 缸套 以及泵头所组成 工作原理是采用普通旋转电机 带动减速箱 并通过减 速箱带动连杆转换机构 将旋转运动转换为直线运动 然后带动活塞杆往复运动 泵壳上固定有泵头 泵头上有吸入阀和排出阀 当活塞进行抽吸行程时吸入 1 阀打开 排出阀关闭 将流体从吸入阀吸入缸套 当活塞进行压缩行程时 吸入 阀关闭 排出阀打开 将缸套内流体加压并从排出阀排出缸套 由于采用旋转电 机 必需将旋转运动通过转换机构变为直线运动 才能适合活塞 活塞杆直线运 动的要求 旋转运动转换为直线运动不仅消耗电能 而且使往复泵增加机构 机 构复杂 体积庞大 其冲次高 排量小 泵压也较低 若采用直线电机直接带动柱塞做往复运动 就使泵的结构大大简化 传动效 率高 成本低 又能实现低冲次 大排量 高泵压 满足了现代钻井技术 酸化 西南石油大学本科毕业设计 2 压裂技术和注水开采技术的要求 1 1 1 结结构构上上存存在在的的问问题题 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 1 2 理理论论上上存存在在的的不不足足 1 直线电机驱动的五缸往复泵的研究应用尚处于初级阶段 缺乏实际经验和理 论依据 2 尚未形成系统的直线电机驱动的五缸往复泵设计理论 开发设计水平较低 一方面 直线电机驱动的五缸往复泵的驱动源是直线电机 而直线电机的应用目 前尚处于初级阶段 新的设计理论尚未建立或完全形成 另一方面 直线电机驱 动的五缸往复泵还未能研制开发成功 由于上述两方面的原因 直线电机驱动的 五缸往复泵的开发和设计目前尚处于较低水平 3 没有直线电机驱动的五缸往复泵产品标准 给产品设计的标准化 系列化以 及现场选型带来困难 由于缺乏产品标准与规范 在产品参数设计与现场调整 参数时 缺乏必要的依据 在一定程度上影响了对直线电机驱动五缸往复泵的 研制开发 4 普遍存在易损件寿命短 正常运行时效率低的问题 5 五缸往复泵的密封件容易损坏 因此而造成的钻井过程中的停泵事故在往复 式五缸往复泵中占到约 90 另外尚有其它一些易损件因寿命问题导致泵的正 常运行时效率降低 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 3 1 2 研研究究的的目目的的和和意意义义 石油工业的发展对往复泵提出了更高的要求 一方面泵的压力越来越高 功 率越来越大 而制造和维护成本要低 体积和质量也不能过大 另一方面由于石 油工程用往复泵的工作条件十分恶劣 随着石油化学工业 机械制造工业 造纸 食品 医药化学分析等发展 对往复泵的需求日益增加 同时生产的发展对往复 泵提出更高的要求 一方面要求往复泵向小流量 微流量和高压 超高压领域发 展 也要求向高压大流量 大功率方向发展 另一方面要求往复泵的体积小重 5 量轻寿命长 这主要是提高往复泵的转速以及解决提高转速后出现的各种问题 要求往复泵更好的适应各种介质的性质和状况 如何提高钻井泵易损件的工作寿命 如何克服现有往复泵结构复杂 体积庞 大 更好地满足需要 是此次五缸往复泵实验装置设计的关键 针对克服现有往复泵结构复杂问题 在传统的设计理论体系基础上 利用现 有的设计手段和工具 设计出一种较为合理的五缸往复泵实验装置 缓减或解决 往复泵在现场实际使用中所存在的具体问题 提高往复泵的寿命和效率 降低成 本 建立一套完整的研究系统来进行往复泵的研究 使本文所研究的目的 那如何来实现上述研究目的呢 本设计中采用将旋转运动转换为直线运动的 转换机构 适应柱塞的运动轨迹要求 开发一种机构简单的新型五缸往复泵 从 而减轻往复泵重量 节约材料 降低制造成本 并能使往复泵节约电能 1 2 1 直直线线电电机机的的工工作作原原理理 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能 而不需任何学问转换机 构的传动装置 直线电机是通过电能直接产生直线电磁推力的 驱动装置小 其 运动可以无机械接触 使传动零部件无磨损 其结构如图 1 1 所示 西南石油大学本科毕业设计 4 图 1 1 旋转电机和直线电机示意图 a 旋转电机 b 直线电机 其工作原理和旋转电机的不同之处是 它产生的磁场是直线正弦分布的 3 所以其次级就沿直线方向运动 改变其任意两相电源线后 其运动方向也将改变 普通旋转电机由于受到离心力的作用 其圆周速度受到限制 而直线电机运行时 它的零部件和传动装置不像旋转电机那样会受到离心力的作用 因而它的直线速 度可以不受限制 相比传统电动机有如下优点 1 结构简单 由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置 因 而使得系统本身的结构大为简化 重量和体积大大地下降 2 定位精度高 在需要直线运动的地方 直线电机可以实现直接传动 因而 可以消除中间环节所带来的各种定位误差 故定位精度高 如采用微机控制 则 还可 以大大地提高整个系统的定位精度 3 反应速度快 灵敏度高 随动性好 直线电机容易做到其动子用磁悬浮支 撑 因而使得动子和定子之间始终保持一定的空气隙而不接触 这就消除了定 动子间的接触摩擦阻力 因而大大地提高了系统的灵敏度 快速性和随动性 四 是工作安全可靠 寿命长 4 直线电机可以实现无接触传递力 机械摩擦损耗几乎为零 所以故障少 免维修 因而工作安全可靠 寿命长 1 2 2 直直线线电电机机往往复复泵泵的的工工作作原原理理 直线电机驱动的往复泵 主要由直线电机 1 十字滑块 2 缸套 3 活 塞总成 4 吸入阀 5 排出阀 6 底座 7 传感器 8 和活塞运动相位控制 器 9 等组成 图 1 2 所示是一台直线电机驱动的三缸往复泵示意图 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 5 图 1 2 直线电机五缸往复泵工作原理 直线电机 1 直接驱动十字滑块 2 在底座 7 上作直线往复运动而带动活塞 总成 4 在缸套 3 中作往复运动 直线电机 1 传感器 8 与活塞运动相位控 制器 9 相连 传感器 8 采集每个十字滑块 2 的位移信号 活塞运动相位控制 器 9 控制直线电机的运动 从而保证每个活塞具有规定的相位差 保证往复泵具 有较小的排量波动 每个直线电机单独驱动一个活塞 往复泵的缸数 即活塞 11 数目 是 2 7 个 综上采用直线电机驱动的往复泵有如下优点 1 中间环节少 传动效率高 2 结构简单 制造加工容易 维修保养简单 3 几台电机组合可实现恒流量排出 流量压力恒定 4 可实现长冲程低冲次 大大提高易损件寿命 5 依靠控制系统可实现排量的无级调节 西南石油大学本科毕业设计 6 1 3 论论文文来来源源 随着钻井和化工工艺技术 特别是高压喷射钻井 欠平衡钻井 水平井等新 工艺 新技术的发展 钻井泵进一步向大功率 大排量和高泵压方向推进 作为 钻机 心脏 的钻井泵 其性能水平和使用寿命同钻井速率和生产成本有着直接关 系 同时其工作条件又十分恶劣 工况也异常复杂 对钻井泵的可靠性和安全性 提出越来越高的要求 泥浆泵性能好坏直接影响钻井质量 钻井速度 钻井成本 根据国内外油气资源勘探开发发展趋势 钻井作业面临更加恶劣的自然环境 5 如沙漠 高原山区 深海 沼泽 淤泥 丛林和极地 钻井地质条件复杂 深层高 温高压等 因此 对钻井工艺技术及钻井设备提出更高的要求 对钻井用的主要钻 井工具 泥浆泵 面临如何减轻重量 减小体积 改进工作性能 满足油气资源开 发的需要 为加快钻井速度 降低钻井成本 延长钻头寿命 对钻井泵进行多次改 12 型换代 各种新型钻井泵也不断研制成功 但基本结构均未摆脱曲柄 连杆机构的 传统方式 在结构上没有根本变化 必须寻求具有更好工作性能和合理结构的钻井 泵以满足石油勘探开发使用的要求 为此 我们的必需开发新型的往复泵 即本次 研究设计的直线电机驱动的五缸单作用往复泵实验装置 然而直线电机驱动的五 缸单作用往复泵在国内还没有研究制造的先例 1 4 主主要要研研究究内内容容 综上所述 为了适应现场钻井及化工用泵的新要求 需要我们从节能和降低 成本的角度出发 设计一种新型的五缸往复泵 即直线电机驱动的往复泵 而基 于目前这方面的技术还不成熟 要测试和研究它的各方面的性能 就有必要先设 计出其实验装置 以便考查和改进它的各种性能 这也正是本文所要研究的主要 内容 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 7 2 实实验验装装置置的的组组成成和和设设计计 2 1 该该实实验验装装置置的的基基本本组组成成 设计该实验装置的目的 对直线电机五缸往复泵控制系统进行实验 并验证 该种往复泵的工作性能 特设计的一种实验装置 该实验装置由动力端 直 线电机和缸套 柱塞 吸入和排出阀及其吸入 排出管路等组成的液力端组成 可通过改变电机的推力来改变泵的排压 改变电机的冲程就可相应改变泵的冲程 2 2 实实验验装装置置的的设设计计 2 2 1 整整体体结结构构设设计计 此实验装置采用直线电机属于机动泵 在设计时参照一般机 动泵的结构设计 实验装置本身很小 所以用卧式结构 方便操 作 2 2 2 主主要要结结构构参参数数的的选选择择 往复泵主要结构参数的选择应满足往复泵性能参数的要求 从往复泵的性能可知 一般往复泵的流量与排出压力无关 主要 取决于泵的主要结构参数 而往复泵的排出压力取决于装置特性 和结构强度 液力端的密封质量及原动的额定功率有关 往复泵的主要参数有 流量 Q 排出压力 p 扬程 H 每分 钟往复次数 n 行程 S 等 1 理理论论平平均均流流量量 对于单作用往复泵 活塞在一个往复行程中所排出液体的体 积在理论上应该等于活塞在一个行程中所扫过的体积 因此理论 平均流量 Q 单位为 m3 s 为 8 m3 s 2 1 60 Asn Q 流量 m3 sQ 活塞 柱塞 截面面积 m2J 柱塞直径 D 15mm 电机推力 F 1KN 电机效率 选取 0 8 西南石油大学本科毕业设计 8 D 活塞直径 m s 活塞行程 m n 往复次数 min 1 k 作用数 单作用泵 K 1 z 液缸数 流量系数 Um 活塞的平均速度 m S 2 2 30 sn Um 从上式中可看到 流量 Q 和 D s n d z k 等有关 往复泵总体尺寸选定后 则 z k 的个数已知 因此往复泵的流 量主要取决于 s n 等参数 2 往往复复泵泵平平均均速速度度 Um 及及往往复复次次数数的的选选择择 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 15 工用泵一般介质 柱塞速度一般 Um1 1m s 相对应的往复次数 是 40 300 min 先选取 Um 1 n 取 100 min 1 则根据公式推出 s 300mm 30 sn Um 每个缸的流量为 q 8 8m s 60 Asn 60 1003 01015 4 62 5 10 3 总流量 3 电电机机功功率率的的计计算算及及排排压压的的计计算算 该实验装置的主要参数有 柱塞直径已知 15mm 电机推力 1KN 电机功率 P 2 3 1000 m FU 8 01000 m UF 1KW 取 0 750 9 之间 此处选取 0 8 1000 0 8 1000 0 8 P 5 6MP N 1KW q 8 8 s m10 35 0 3hm 3 n 100 min S 300mm Um 1m s Q 4 5 10 m s 1 2 3 hm 3 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 9 排出压力计算 P 5 66MPa 设计压力为 6MPa F A2 1 4 KN D 2 2 3 液液力力端端结结构构选选型型 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 4 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 如图2 1 a b c 所示 图 2 1 液力端的结构型式 1 直直通通式式液液力力端端 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 2 2 直直角角式式液液力力端端 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 西南石油大学本科毕业设计 10 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 3 阶阶梯梯式式液液力力端端 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 本实验装置采用直角式液力端 2 2 4 单单作作用用泵泵的的液液缸缸体体 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 下图是几种典型的单作用泵的浓缸体结构 其中图 a 是吸入阀 4 和排出阀直通式布置的整体式液缸体 图 b 是吸入阀与排出阀垂直布置的整体式 液缸体 c 是吸入阀和排出阀为组合式阀的液缸体 图 d 是内壁加不锈钢衬里的 整体式液缸体 a b c d 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 11 图 2 2 液缸体的结构型式 1 液液缸缸体体结结构构设设计计时时 应应充充分分注注意意以以下下问问题题 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 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 8 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 2 液液缸缸体体主主要要尺尺寸寸的的确确定定和和强强度度校校核核 1 液缸体壁厚的计算公式 液缸体内半径 r1 由往复泵水力计算决定 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和壁厚液 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 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 这类液缸体可按薄壁筒公式确定其厚度 1 2 4 c p pr 2 2 其中 液缸体的壁厚 单位 cm P 缸内最大工作压力 单位 MPa 材料的许用应力 单位 MPa R 液缸体的内半径 单位 cm 焊缝系数 c 考虑铸造偏心及腐蚀的附加量 c 0 3 0 8cm 西南石油大学本科毕业设计 12 对于普通铸铁 15MPa 当具有平衡工作条件时 25MPa 对高强度铸 20 80MPa 对于球墨铸铁 60 80MPa 对于碳素钢 n s 为材料的屈服极限 n 为安全系数一般取 2 3 s 带入数值 r 16 p 6MPa 1 c 6mm 得 7 27 取 7mm 6 6 3 235 12 1662 材料 Q235 其屈服极限 235MPa n 取 3 s 2 2 5 液液缸缸盖盖和和阀阀室室盖盖的的厚厚度度计计算算 通常把液缸盖和阀室盖看作周边固定并在其上作用均布载荷的圆板 作用在 其上的最大应力为 2 2 max 4 3 pR P 液缸内压力 单位 MPa 液缸盖厚度 单位 cm R 盖的半径 R r r 为阀室内半径 其单位为 cm 强度条件为 则 2 5 75 0 PR 带入数值得 16 12mm 材料 普通铸铁 15 75 0 1 传传统统往往复复泵泵阀阀的的基基本本理理论论和和计计算算 从往复泵的性能可知 提高柱塞的往复次数 n 可以减少泵的体积和重量 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 1 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 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 13 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 2 阀阀的的设设计计 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 2 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 3 阀阀的的工工作作原原理理 阀的工作原理如图 2 3 所示 图 2 3 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 4 阀阀的的计计算算 阀的撞击是因为泵的往复次数超过了某一范围 使阀板在落在阀座上时产生 撞击 引起振动 因此泵都有一个最大允许往复次数 最大允许往复次数的确定 有很多方法 都是以阀的无撞击现象为条件 下面是可列夫斯基的计算方法 8 他认为 阀的撞击是由于阀下落在阀上时的速度达到某一临界值而产生的 西南石油大学本科毕业设计 14 试验表明 当阀落在阀座上的速度 70mm s 时 就不会产生严重的撞击60 0 W 现象 而当阀落下的速度超过这一范围时就会产生撞击 因而 为了使阀平稳地 工作应当满足的条件 W0 70mm s max0 hW 60 max H nhmax60 70mm s 2 6 1 根据阀的无撞击条件确定阀的最大升高 单位 mm max h 则选取 6 max h n 700 600 max h 2 选择阀的流量系数 阀的流量系数和往复泵的几何形状 阀升高的高度 液体的粘性和流动情 况有关 不同形状的阀在不同的流动情况下的流量系数不同 一般是通过试验来 确定 可通过下表查得 2 1 表 2 1 流量系数表 h mm h mm h mm h mm 0 50 914 00 5599 00 485140 420 10 875 00 56100 472150 407 1 50 7886 00 532110 459160 395 2 00 7327 00 515120 445170 381 3 00 658 00 50130 431180 37 对应的 为 0 532 3 选择阀的比载荷 实际上反映了阀阻力的大小一般选 2 3 最大 V H V H 选为 4 6 选取 2 4 确定阀的尺寸 2 7 mm gHh q l V v 52 12 28 926532 0 108 8 2 5 max max 阀的直径 v d 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 15 2 8 max max 5 2 8 8 10 6mm 0 532 3 14 0 006 2 9 8 2 v V q d hgH 一般60mm 一般不超过 100mm 若计算出的阀直径太大 可采用阀组减 v d 小阀的直径 通过阀的最大流量 单位为 s max q 3 m 5 阀座孔面积和阀座孔直径的计算 C A c d 2 9 max max C C C q A 0 4A dc 阀座孔最大流速 maxc C 吸入阀 1 5 3m s maxc C 排出阀 2 6m s maxc C 则吸入阀 m2 5 5 max max 104 4 2 108 8 C C C q A 7mm 14 3 104 444 5 0 A dc 排出阀 m2 5 5 max max 1093 2 3 108 8 C C C q A 8mm 14 3 1093 2 44 5 0 A dc 密封面宽度 b 的计算 b 0 6 0 8 c d 吸入阀 b 0 5 mm5 17 排出阀 b 2mm105 0 在满足抗压条件下 b 值应尽可能小 b 值大 阀开启时 的阻力也大 密封面加工也困难 一般 2 6mm 输送含杂 质的介质时 b 值适当取大 以免密封面被破坏 Lv 12mm 10mm v d 吸入阀 4 4 C A 25m 10 7mm c d b 1mm 导向杆直 径 1 2mm 排出阀 8mm c d b 2mm b 1 5mm 导向杆直 径 1 6mm 西南石油大学本科毕业设计 16 6 阀板厚度计算 阀板厚度按下面经验公式计算后 进行强度校核 平板阀 c d 6 1 10 1 锥形阀 c d 4 1 7 1 阀导向杆 按经验公式 确定 cg dd20 0 15 0 2 2 6 实实验验装装置置中中单单向向阀阀的的应应用用 从上述计算结果可以看出 本实验装置中的阀如果按照传统往复泵的结构设 计 其尺寸相当小根本无法加工 故另寻求方案 在此采用把以往往复泵的泵头 结构去掉 直接采用单向阀代替 其尺寸参照上述一般阀的计算结果 选用通径 为 6mm 的单向阀 其安装结构如图 2 4 所示 图 2 4 单向阀和三通体 采用三通体把泵缸套与阀连接在一起 省去了运动规律及其复杂的阀室结构 并且 单向阀的结构已标准化 安装及维修成本低 1 单单向向阀阀的的选选择择 单向阀亦称止回阀 又可称为逆止阀 使一种只允许液体从一个方向流过的 阀 主要结构有 直通单向阀 直角单向阀与液压单向阀 2 单单向向阀阀的的结结构构及及其其工工作作原原理理 直通单向阀有钢球密封式和锥阀密封式两种结构 如下图2 5 所示 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 17 图 2 5 钢球式单向阀 1 阀体 2 钢球 3 弹簧 4 挡圈 图 2 6 锥阀密封式 1 阀体 2 锥阀 3 弹簧 钢球密封式结构简单 制造工艺简便 一般用在通过流量较小的场合 在高 压大流量情况下 一般采用锥阀密封式结构 直通式单向阀用螺纹直接连接在管路上 直角式单向阀有螺纹连接 板式连 接和法兰连接三种形式 根据缸套的壁厚 以及作为吸入阀的单向阀其开启压力必须小于大气压 以 使液体能顺利的吸入 故此选用了型号为 CIT 02 50 的单向阀 9 结构如图 2 7 所示 西南石油大学本科毕业设计 18 图 2 7 单向阀 其螺纹型号为 M14 通径为 6mm 3 管管接接头头的的选选择择 根据单向阀的通径选用相应的管接头 管接头的作用是连接缸套和单向阀 它是一种标准件 其结构如图 2 8 所示 7 图 2 8 管接头 在阀与泵缸套采用螺纹连接时应注意 泵缸内的压力为 5 6MP 故需在二者之 间加 O 型密封圈 2 3 柱柱塞塞及及其其密密封封 往复泵中对柱塞的基本要求是 1 有足够的刚度和强度 2 表面光洁 硬度高 耐磨性好 3 当输送腐蚀性介质时 柱塞要有良好的耐蚀性 2 3 1 柱柱塞塞结结构构型型式式的的选选择择 柱塞分实心和空心两种 直径小 重量轻的 采用实心 直径大较重者采用 空心 后者可减轻重量 从而减小多密封的 偏磨 尤其三 卧式泵 延长密封 的使用寿命 本试验装置尺寸极小 所以采用实心柱塞 便于加工 其结构见图 2 9 所示 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 19 图 2 9 柱塞 柱塞材料及技术要求机加工要求 1 1 柱塞外圆的圆度允差不低于 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 8 9 3 柱塞表面经磁粉探伤不得有裂纹 2 3 2 柱柱塞塞密密封封 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 前两者称为接触密封 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 1 填填料料密密封封 14 填料密封由填料装于填料函中 通过填料压盖将填料压在柱塞表面 由于轴 表面总有些粗糙 其与填料只能部分贴合 而部分未接触 形成无数迷宫 当带 压介质通过轴表面时 介质被多次截流 凭借这 迷宫效应 而达到密封 其主要优点是 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 其缺点 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 2 压压紧紧密密封封 14 压紧密封又称为填充式密封或填料密封 属于接触密封 它的工作原理是 依靠填在密封面内的预紧压力 以其唇 或面 紧贴密封腔体表面 阻塞泄漏通 道而获得密封效果 在介质压力作用时 唇 或面 进一步贴紧密封腔体表面从 而增强阻塞泄漏通道的密封效果 压紧密封主要有两种结构 1 Y 型密封 它的截面形状 Y 为型 在压力小于 16MP 时密封效果好 Y 型圈又有高低唇 之分 其特点是结构简单 密封截面小 适用于高低压机械 水压气压机械的柱 塞和活塞杆的密封 可通过改变截面结构来适应压力和密封性能的要求 2 V 形圈 截面形状为形 工作原理和 Y 型密封圈相同 用于高压系统 特别是用于高 西南石油大学本科毕业设计 20 压 大直径 长冲程等苛刻条件 本实验装置的密封圈为 Y 型密封圈 其结构见下图 2 10 图 2 10 Y 型密封圈 2 3 3 密密封封结结构构的的再再设设计计 为了使密封圈能顺利的拆卸 设计了压盖和套杯 其具体结构见图2 11 图 2 11 压盖结构图 液力端整体结构如图 2 12 所示 图 2 12 液力端结构图 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 21 3 动动力力端端结结构构及及其其设设计计 动力端主要由直线电机和电机动子组成 它与柱塞的连接形式采用销连接 简单方便 下部用开口销锁紧结构如下图 3 1 所示 图 3 1 柱塞和电机动子的连接 3 1 直直线线电电机机发发展展简简介介 我国直线电机的研究和应用发展是从七十年代初开始的 1972 年 浙江大 学在国内首先翻译了一本 直线感应电动机 译文集 后由科学出版社出版发行 尔后 上海工大 上海电机厂 中科院电工所等又编译了一些直线电机的书籍并 出版 近 2 年来 浙江大学又连续出版了 3 本直线电机著作 国内开展直线电机 应用研究的单位主要有 中科院电工所 西安 交通大学 浙江大学 上海大学 太原工业大学 焦作矿业学院 山东工业大学 辽宁阜新矿院等许多学校 主 3 要成果有 工厂行车 电磁锤 冲压机 摩擦压力机 磁分选机 玻璃搅拌 拉 伸机 送料机 粒子加速器 邮政分拣机 矿山运输系统 计算机磁盘定位系统 自动绘图仪 直线电机驱动遥控 电动 窗帘机 直线电机驱动门 炒茶机等 我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩 但与国外相比 其推广应用方面尚存 西南石油大学本科毕业设计 22 很大差距 目前 国内不少研究单位已越来越注意到这点 国内生产直线电机及 其系统产品的厂家很少 其中最大的是哈尔滨泰富科技实业有限责任公司 该公 司依托浙江大学的技术优势 并与中国电工学会直线电机专委会以及英 美 日 等国紧密合作 从设计 生产制造到检测试验均已初具规模 已具备了生产多品 种规格的直线电机及其系统产品的能力 在国内已有较大影响 直线电机在工业 设备中的应用 主要在机床业方面比较突出 在化工钻井方面 国内还没有先例 3 2 直直线线电电机机的的分分类类 直线电机在不同的应用场合有不同的分类方法 一般有以下几种 1 按结构型式分 直线电机按照其结构型式主要可分为扁平型 圆筒型 圆盘型 圆弧型 2 按功能用途分 直线电机 特别是直线感应电机 按其用途主要分为力电机 功电机和能电 机 3 按工作原理分 从原理上讲 每种旋转电机都有其对应的直线电机 不过从使用角度看 直 线电机得到了更广泛的应用 直线电机按照工作原理来分可分为两大类 即直线 电动机和直线驱动器 直线电动机包括交流直线感应电动机 直线直流电动机和 直线步进电动机 混合式直线电机等 直线驱动器又分为直线振荡电机 直线电 磁螺线管 直线电磁泵 直线超声波电动机 3 3 直直线线电电机机的的应应用用基基础础与与选选用用原原则则 对所用直线电机的基本特征 应用条件 有缺点有一定的了解 对一种全新的设备或产品 若采用直线电机 则必须与采用其他各种驱 动件相比 具有明显优势 对原已有的设备或产品 通过直线电机来代替原有的驱动件 则必须使 采用直线电机后的设备或产品在总体上具有优势 或在某些方面采用其他驱动件 无法达到 采用直线电机才能达到的优势 需要研制某些设备或产品 这些设备或产品目前在一些性能或外形上若采 用其他各种驱动件均无法达到时 其中应用最广的是扁平型直线电机和圆筒形直线电机 此实验装置中选用圆 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 23 筒型的力电机 所谓圆筒型直线电机 顾名思义 即为一种外形结构如旋转电机的圆柱形的直线 电机 它一般均为短初级 长次级的结构 如下图3 2 所示 图 3 2 圆筒型直线电机 XYT 系列三相筒型直线感应电动机技术参数如表 3 1 表 3 1 XYT 系列三相筒型直线感应电动机参数 连续运行15 持续率型号 推力 N电流 A推力电流 XYTA100 40 21001 63005 XYTA150 50 21502 55008 XYTA200 60 22003 565010 XYTA300 65 23005100015 XYTA500 70 25008130020 XYTA750 85 275011150025 XYTA1000 100 2100015200035 注 电压 380V 频率 50Hz 3 4 底底座座的的设设计计 该实验装置的底座材料为 HT200 主要由支撑板 侧板及筋板焊接而成 其 主要尺寸为 高 102mm 长 360mm 宽 410mm 设计思路 实验装置不同于现场用泵 其主要作用就是支撑和固定泵缸体 使其能安全稳定的实现往复运动 考虑到实际情况 该实验装置的底座不可能铸 造 数目少 成本太高 因此必须采用焊接 故在底座的设计中 焊接起着关 键的作用 底座高度的设计是在套杯和压盖设计高度的基础上完成的 底板 侧板 支 撑板所选用的材料相同 厚度也相同 其原因 1 相同的材料和厚度便于焊接 2 加工和制造方便 侧板及筋板设计主要是为了增加底座刚度 其主要结构见下图 西南石油大学本科毕业设计 24 图 3 3 底座结构图 3 5 吊吊耳耳设设计计 吊环是起重运输设备 钢丝绳与被吊物 实验装置之间的唯一连接点 要求有 极高的安全可靠性 经济合理性 其结构不宜复杂 要求有足够的强度 本实验 装置中的吊环是在现场使用吊耳的基础上改变的 结构可参考上图 3 23 在设计 过程中吊环的安全性是第一位的 它在使用过程中的受力情况也是很复杂的 所 以必须对其强度进行校核 该实验装置中的吊环主要承受拉力 其强度校核将在 第四部分进行 直线电机五缸往复泵实验装置的设计 25 4 实实验验装装置置中中零零件件的的强强度度校校核核 4 1 液液力力端端用用螺螺栓栓的的强强度度校校核核 根据 机械设计实用手册 螺纹连接强度的校核 预紧连接承受轴向载荷 受到负载后保证紧密性 10 1 4 1 0 c FKKF 0 Kc K 为预紧系数 为刚性系数 为单个螺栓承受的载荷 N F 钢板连接 加金属垫片 取 0 2 0 3 0 K 紧密件 加软垫 取 1 5 2 5 Kc 0 0 25210002250 c FKKFNN 则每个螺栓所承受的力为 N 2250 562 5 44 F F 2 4 2 1 1 3F As 58 75MPa s 1 A 3F 1 14MP 8 4 5 5623