斜流泵的水力设计和结构设计

第一章绪论1.1研究背景及意义水资源高效利用与流体输送技术创新研究——斜流泵优化设计及其工程应用价值探析泵作为液体输送系统的核心单元，水泵在农田灌溉、日常供水、工业循环等领域的耗能占比高达20%，随着全球水资源愈发匮乏与能源转型更加困难，流体输送的效率的提升已成为实现可持续发展的关键方案之一。其性能优化提升对于实现碳人类命运共同体目标具有显著意义。然而，当前主流泵型面临显著的技术瓶颈：离心泵在低扬程运输中效率衰减达30%以上，难以满足目前工程的工况需求。轴流泵在小流量运输中存在显著的振动问题，扬程调节的范围局限在20米以内；据不完全统计，水泵系统能耗约占全球电力消耗的20%左右。其中传统离心泵在低扬程运输下的效率衰减可达30%，轴流泵在小流量运输中的失稳现象使其维护成本增加15%以上。表1-1各类型泵对比表格泵型扬程范围(m)效率衰减(%)典型问题轴流泵<2015%(小流量)空化振动、失稳离心泵>3030%(低扬程)效率骤降、能耗高斜流泵5~30≤5%高效区宽、抗气蚀斜流泵是一种兼具离心泵和轴流泵特性的流体机械，目前可广泛应用于农田灌溉、城市日常供水等领域。斜流泵作为流体机械的代表，通过其混流式叶轮导叶设计，在2-25米扬程范围内可实现78%-85%的持续运行效率，其综合性能引发各企业的共同关注。随着现代工业技术的进步，对斜流泵的效率、稳定性和适应性提出了更高要求。技术发展呈现四大驱动态势：

(1)能效突破需求：在能源成本占比超过40%的供水系统中，斜流泵较传统泵型可降低15%-20%的单位能耗；

(2)材料工艺革新：碳纤维复合材料叶轮使重量减轻40%，316L双向不锈钢铸造工艺将使用寿命延长至10万小时；

(3)智能运维转型：基于数字孪生的预测性维护系统可将故障停机率降低至0.5%以下；斜流泵的智能化研究推动了其在智能控制系统中的应用，提升了自动化水平，符合工业4.0趋势。

(4)系统适配要求：南水北调等重大工程对泵组提出±30%流量调节的柔性运行需求。满足多样化需求：斜流泵的广泛应用满足了农业、工业、市政等领域的多样化需求，提升了生产效率和供水安全。工程实践表明，优化后的斜流泵在太湖流域调水工程中实现年节电1.2亿度。其技术样式对新一代流体机械研发改进提供了重要借鉴意义，尤其是在可再生能源储能等新兴科技领域展现出广阔的应用前景。本文以斜流泵为设计对象，对丰富斜流泵产品市场，提高斜流泵的性能和效率,具有重要意义。1.2斜流泵的结构型式和选择依据斜流泵(又称混流泵)是一种介于离心泵与轴流泵之间的泵型，其流体在叶轮内的运动方向既包含轴向分量也包含径向分量。这种泵结合了离心泵的扬程优势和轴流泵的大流量的特性，适用于中等扬程以及大流量的场景。以下从结构形式和选择依据两方面展开分析。1.2.1斜流泵的结构形式斜流泵的结构设计需兼顾流量、扬程、效率及安装条件，主要可分为以下形式：一、按安装方式分类(1)立式斜流泵：

立式结构占地面积较小，叶轮没于水中，启动无需先灌水，适用于水位变化频繁的场合(如湖区、河流密集地区)。电动机可布置于高位，避免被免浸水，但需要配置较长的传动轴，对机械密封和轴承要求较高。(2)卧式斜流泵：

卧式斜流泵结构便于维护检修，但其缺点是需更大安装空间，尤其适用于厂房高度不足。其流口设计需优化以减少水力损失，适用于固定式泵站或者对厂房高度有限制的场景。(3)斜式斜流泵：

泵体倾斜安装，兼具立式与卧式的优点，但其结构较为复杂，对稳定性要求高。适用于斜坡地形的特殊场合，但其缺点是尺寸过大时安全性下降，多用于中小型泵。二、按叶片调节方式分类(1)固定叶片式斜流泵：

叶片与轮毂铸成一体，结构简单、成本低，适用于小型泵(如农村灌溉、移动式排水)。其水力性能固定，效率区间较窄，但维护便捷。(2)半调式叶片斜流泵：

叶片角度可停机手动调节，适应不同工况需求，常见于中型泵。需定期维护调节机构，适用于季节性流量变化较大的场景。(3)液压/机械可调式斜流泵：

通过液压或机械传动实时调节叶片角度，效率高、工况适应性强，但结构复杂、成本高，多用于大型泵站(如城市防洪枢纽、电站循环水系统)。三、流道与导叶设计斜流泵通常采用蜗壳式或导叶式结构：(1)导叶式：导叶(静翼)固定于泵壳内，引导流体均匀进入下一级或出口，减少旋涡损失，适用于大流量低扬程场景。1.2.2斜流泵的选择依据斜流泵的选型需综合考虑流量、扬程、气蚀性能、效率及安装条件，具体步骤如下：一、确定基本参数流量(Q)与扬程(H)：根据工况需求确定设计点，斜流泵适用于流量范围50～1000m³/h、扬程5～30m的场景。比转速(nₛ)：

通过公式计算比转速：n(1-1)当比转速

ns=300~500

时，宜选择斜流泵；若ns

>500，则更倾向轴流泵；若

二、气蚀性能优化气蚀比转速(C)：根据图1.1选取气蚀比转速C值。若泵转速

n≤1480 r/min，按曲线1取值；n≥2900 r/min时按曲线2取值；对气蚀要求严苛的场合(如冷凝泵)按曲线4取值。图1.1气蚀比转数C和流量Q和转速n的关系必需气蚀余量(NPSHₐ)：通过公式(1-1)反推允许转速上限：n=(1-2)高转速可减小泵体积，但需平衡气蚀风险。三、结构形式选择安装方式：优先立式以节省空间，水位波动大时加长传动轴；厂房高度受限时选卧式；特殊地形考虑斜式。叶片调节需求：固定叶片适用于稳定工况；半调式用于季节性调节；液压可调式用于动态工况(如潮汐电站)。材料与密封：过流部件采用不锈钢或涂层抗腐蚀；机械密封需适应高转速及泥沙环境。四、效率与经济性斜流泵效率通常为75%～88%，需对比不同型号的效率曲线，选择高效区覆盖常用工况的泵型。大型泵站优先可调叶片式以拓宽高效区；小型泵选固定叶片式降低成本。1.2.3结论斜流泵凭借其流量与扬程的适应性，在农田灌溉、城市日常供排水等领域具有杰出地位。选型时需以比转速为核心依据，结合气蚀性能、安装条件。选择固定、半调或可调叶片结构，选择立式、卧式或斜式结构。未来设计可进一步优化导叶与叶轮的设计匹配，提升高转速下的抗气蚀能力，满足绿色节能需求。1.3立式固定叶片斜流泵标准简介1.1和1.2中的内容给出了设计的大致方向，即为设计一台立式固定叶轮式单级斜流泵，主要的应用方向是小块农田的灌溉和城市供水，创新点应在于兼顾小型农田灌溉的安装便捷性(立式占地小)与成本可控性(固定叶片免维护)，通过优化叶轮-导叶匹配拓宽高效区。在JB/T10812-2018标准文件中，规定了小型潜水电泵的型式、型号和技术参数、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和贮存等。图1.2单级式斜流泵命名方式立式斜流泵标准对本设计方案有诸多规范作用，这里不做继续展开，将在下文和工程图纸中进行标准的应用。1.4本课题研究目标由于节省空间、适应性强、运行稳定、安装维护方便、适用于深水抽水和高效率的液体输送，斜流泵在大量的工程案例中被普遍运用。随着各种工程的开展，需求的设备也越来越多，因此行业对斜流泵的要求变得越来越规范。因此，本设计在进行过程中需要不断学习专业知识，合理的进行创新，对传统的斜流泵进行创新，使设备能够满足不同环境需求下的要求。根据要求，本设计需要设计一款合适的立式斜流泵，用于液体的抽取。主要任务包括传动系统的设计、叶轮叶片的设计、叶轮轴的设计、泵体的设计，使用SolidWorks进行建模绘图。第二章立式斜流泵的总体方案设计2.1立式斜流泵的设计要求(1)2.2.1基本要求①符合安全要求②满足经济和性能上的需求③使用年限和可靠性满足需求④满足环境使用需求及环保要求⑤达到技术规范要求2.2.2设计原则①易于维护和安全操作②满足节能高效及稳定性和可靠性2.2.3设计参数①输送介质：清水②水泵设计扬程：12m③叶轮直径：320mm④转速：1450r/min⑤水泵设计流量：300L/s2.2基本方案的拟定立式斜流泵的工作原理如下图所示：图2-1立式斜流泵装配图(简图示意图)(1)立式斜流泵的结构设计：传动系统主要包括供电系统及传动装置。本设计中的立式斜流泵，启动时需要较大的扭矩，同时由于泵体的结构性需求，需要在有限的空间内放置电动机。刚性联轴器安装维护方便，传递扭矩较大，所以选择刚性联轴器。立式斜流泵的传动轴类型主要包括直连轴和联轴器连接轴两种，通常小功率的泵采用直连轴，在本设计中，泵的功率并不算高，但是为了给泵增加一定的吸收振动和缓冲冲击，采用联轴器连接轴，使用刚性联轴器连接电机和泵轴。(2)立式斜流泵叶轮和导叶的水力设计：不同类型的叶片适用于不同的工作场景，选择适合的叶片可以提高搅拌效率，降低能耗。本设计采用的是月牙型叶片，月牙型叶片可以减少湍流和涡流，减少噪音和震动，一定程度的增加扬程，能够降低能耗，具有较好的适应性。叶片通常采用耐腐蚀的材料制造，如不锈钢、铸铁、铝合金等，能够确保叶轮长期稳定运行。合理的设计叶片的数量以及安装角度可以提升泵的性能，本设计采用三个叶片，安装角度根据实际的工况进行调整，以达到最佳工作状态。一般立式斜流泵的泵体选用铸铁或者不锈钢材质进行制造，针对于本设计较低功率较低扬程的潜水轴流泵，采用了不锈钢材质。选用304不锈钢，其具有良好的耐腐蚀性和机械强度。(3)传动系统：主要包括电动机、传动装置和联轴器的选择。为满足经济需求且使其结构简单在考虑其稳定性及可靠性的前提下本方案传动方式选用电动机直接连接驱动，由于异步电动机具有启动电流小、调速范围广、适应性强、维护简单等优点，所以本设计电动机选用异步电动机；金属弹性联轴器具有吸收振动和冲击的特点并且密封性好、扭转刚度高、维护方便，所以联轴器选用金属弹性联轴器。

第三章斜流泵的水力设计3.1叶轮水力叶片翼型的水力设计理论本设计研究对象为立式斜流泵装置，立式斜流泵通过叶轮旋转实现抽水。泵装置由进水流道、叶轮、导叶和出水流道4部分组成。进水流道是流体从外部环境进入泵体内部的通道；叶轮是立式潜水轴流泵的核心部件之一，负责将流体加速并推送至出水流道；导叶位于叶轮的上部，其主要作用是引导流体流向叶轮，增加泵的扬程；出水流道是流体从泵体内部排出的通道。在本次的立式混流泵的叶轮叶片设计中，其叶片主要通过四个翼型截面形状进行控制，如下图所示。图3-1叶轮叶片结构示意图因此，在设计过程中只需确定每个翼型截面的二维形状，就可以控制整个叶轮叶片的三维造型。其中，每个翼型截面形状的控制参数主要是每条流线的进口角、出口角以及包角。在本设计中，四个翼型截面的三个控制参数是线性分布的。因此，只需要确定出轮毂侧与轮缘侧的进口角、出口角和包角，即可确定叶轮叶片形状。其叶轮控制参数如下图所示。图3-2叶片各流线进出口角大小3.2斜流泵的设计思路第一步，根据泵的流量、流体密度、扬程及效率，计算得电机的功率，查阅机械设计手册，选定电机型号。第二步，利用升力法进行叶片的设计。第三步，利用流线法进行导叶的设计。第四步，根据转矩公式和扭转切应力校核，安全系数等计算轴段直径，结合轴影响因素和基本要求设计出轴。第五步，根据计算的轴直径，对轴承进行选型，包括轴承类型，轴承内径计算等。第六步，进行油室设计，分别针对机械密封和油封进行结构设计。最终，根据以上步骤选取的零件进行相应的公差配合选定，并选用合适标准件进行连接。3.3泵的比转速ns(3-1)3.4泵进出口直径计算泵的进口直径Di一般是通过进口速度Vs决定的，通过查阅资料和相关类型泵，取Di(3-2)其中泵出口直径D0取略小于进口直径DD(3-3)本次设计取D03.5叶轮进口直径立式斜流泵的叶轮是泵中关键的动力装置，其主要作用是将电机传输的机械能转化为水流的动能，实现从低处抽水、调节流经流量和提高泵效率等功能。通过叶轮的旋转，水流在叶片间形成高速旋转，产生动能和离心力，使得水能够顺利流动至出口。合理设计的叶轮能够减少能量损失，提高泵的效率，是立式斜流泵正常运行和性能优化的关键组件之一。叶轮进口直径又叫泵吸入直径，指泵吸入法兰处管的内径。该直径可用下列的方法计算有效进口直径D0D(3-4)式中：Q—泵的流量(m3n—泵的转速(r/min)D0—系数，通常D0=4～4.5，可满足一般抗汽蚀性能的要求，如果对抗汽蚀性能要求较高时通常取D0=5～5.5，但泵的效率会有所下降。本设计取KD则由(2-1)式得：D(3-5) 参考类似泵取Dj3.6确定叶轮出口直径(1)叶轮进口有效直径D2叶轮出口直径DD(3-6)式中，KD2=0.64(nD(3-7)(2)叶轮出口宽度b叶轮出口宽度b2b(3-8)在计算出口宽度b2前，先确定KbKb2，Kb从图Kb与K(3-9)b(3-10)前盖板流线外直径D2D(3-11)其中，D2α—直径D2的圆周速度系数，根据ns由图5-3[16]查得D(3-12)后盖板流线外直径D在求得D2和D2D(3-13)根据设计经验，此D23.7叶片进、出口角的确定(1)叶片进口角1)叶片进口相对液流角βtan(3-14)vm1为进口轴面速度；vu=(3-15)v(3-16)tan(3-17)得出叶片进口相对液流角β叶片进口角β(3-18)式中，∆β为冲角，一般∆ββ(3-19)斜流泵进口边一般与过水断面形成线一致，或者相差不大，因而在进口边上各流线的轴面速度基本相等。则有Dtan(3-20)确定中间流线叶片进口角β1D(3-21)据设计经验得出表3.2叶片各流线进出口角大小项目单位流线abcde叶片进口角(°)4237.733.529.225(2)叶片出口角1)确定中间流线的出口角，通常β2=18°~25°2)当确定中间流线叶片进口角β2D(3-22)tan(3-23)根据设计经验得出表3.3叶片各流线包角大小项目单位流线abcde叶片出口角(°)4136.732.528.2243.8叶片数Z的确定叶片数z可参考下表决定表3.1叶片各流线进出口角大小n300350400z543立式斜流泵的叶片数量设计对泵的各项性能和效率具有重要影响。较少的叶片数量可以降低泵的内部阻力和摩擦损失，有利于降低功耗，适用于大流量、低扬程的场合；而较多的叶片数量则能增加叶轮的受力面积，提高泵的扬程能力和效率，适用于较小流量、大扬程的场合。设计过程中需结合经验公式计算确定初始叶片数量，以保证泵的运行稳定性和性能可靠性。另外，还需考虑叶片数量对泵的噪音水平和振动特性功能的影响，以确保泵在长期运行中能够平稳工作。斜流泵导叶的叶片数一般根据叶轮的叶片数确定。通常情况下导叶的叶片数取4~6个，且与叶轮叶片数互质。但由于本设计中，比转速较高，通常的导叶数量会影响到流体出口的效率，因此减少一定的导叶叶片数量，叶轮叶片数选择导叶叶片的数量z=4。本设计中泵的比转速ns3.9叶片材料的选择泵一直浸没液体中，考虑到斜流泵的工作环境较为恶劣，运输的水体成分较为复杂，要求叶轮叶片有较强的耐腐蚀性。因此选择不锈钢作为主要材料，其具有优良的耐腐蚀性和耐磨性，特别适用于含有腐蚀性介质的流体泵送。还有一点其强度也相对较高，能够满足大多数情况下立式斜流泵的工作需求。

第四章导叶的水力设计4.1导叶设计立式斜流泵的导叶是泵的定向和支撑装置，其主要作用是将流体经过叶轮后产生的旋转动能转化为压力能并且引导流体顺利流出，因此将导叶安装到叶轮出口处。导叶能够有效地减小涡流，减少振动以及降低噪音，提高泵的效率和性能。通过调整导叶的角度和形状，可以控制流体的出口速度和流向 的确定，减小流体的损失，进一步提高泵的整体效率和稳定性。在本次的立式混流泵的叶轮叶片设计中，其如下图所示。图4-2导叶三维模型示意图因此，在设计过程中只需确定每个翼型截面的二维形状，就可以控制整个导叶的三维造型。其中，每个翼型截面形状的控制参数主要是每条流线的进口角、出口角以及包角。因此，只需要确定出轮毂侧与轮缘侧的进口角、出口角和包角，即可确定导叶形状。其叶轮控制参数如下图所示。图4-3叶片各流线包角大小4.2叶片进出口角进口液流角tan(4-1)v(4-2)ψ(4-3)s(4-4)式中，vm3D3dhψ3su3s3图4-1速度三角形示意图本设计可认为近似等于真实厚度，α3其中，取s3=0.085m，取αv(4-5)s(4-6)ψ(4-7)tan(4-8)得出α‘叶片进口角α(4-9)式中，∆α为冲角，一般∆β=0°~5°。通常可不加冲角。得出得出α‘因为导叶进口vm基本相同，也可以首先计算确定中间流线的叶片进口角，其他流线按Dtanα开始计算时，叶片进口角α3是未知的，为此可先假定ψ3计算α3‘，再用确定的α3计算ψ3，使其等于假定的确定中间流线叶片进口角α3D(4-10)据设计经验得出表4.1叶片各流线进口角大小项目单位流线abcde导叶进口角(°)4136.732.528.224叶片出口角考虑有限叶片影响α4应大于90°，以保证液流法向出口。实际上，目前一般取α4=90°本次设计根据设计经验，取α4据设计经验得出表4.2叶片各流线出口角大小项目单位流线abcde导叶出口角(°)90909090904.3确定叶栅稠密度lt叶栅稠密度lt和相邻叶片间流道的扩散角有关。叶栅中两叶片进口宽度为tsinα3tan(4-11)扩散角一般ε=6°~10°，不得超过12°。通常先参考有关资料选择lt得出ε2=4.473°l(4-12)4.4导叶高度和型线半径(1)导叶高度HH=lsin(4-13)H=lsin根据设计经验导叶高度H=0.322m图4-2导叶高度和型线半径示意图型线半径RR=(4-14)或R=(4-15)式中H为导叶高度，取H=0.322mR=(4-16)型线也可以再保证进、出口角的情况下，按任意光滑曲线画出。4.5选择翼型厚度，在型线上加厚选择某种翼型厚度变化规律，如791翼型厚度变化规律，以型线为工作面(凹面)向背面加厚，小泵也可以采用等厚叶片。在工艺和结构强度可能的条件下，厚度约薄越好，进口应修成流线型，尾部修尖。

第五章斜流泵的结构设计5.1电动机的选择(1)泵的轴功率P=(5-1)式中：Q—泵的流量(m3/s)H—泵的扬程(m)ρ—抽送液体的密度(kg/m3)确定泵的计算功率：P(5-2)式中：k—余量系数，可按表1选择nt下表4.1、4.2来源于《现代泵理论与设计》第247页的表格8-9、8-10表5.1泵功率余量系数k泵的功率P/Kw电动机k汽轮机kP<<151.251.115<P≤551.151.1P>551.101.1表5.2泵传动装置效率n传动方式直联传动平皮带传动齿轮传动蜗杆传动三角皮带传动n1.00.950.9-0.970.7-0.90.92由表4.1和表4.2可得P(5-3)原动机功率根据计算功率Pg进行选择按照Pm＞Pd来选取电动机型号。电动机功率裕量的大小应该根据水泵负载状况变化而定。然而，本设计为立式斜流泵，在实际的工况中并无变速需求，也就是说电机传递功率经过传动轴和轴承直接传递给叶轮，所以直接根据转速来选择电机，同时保证电机功率＞轴功率和计算出的电机所需功率。由于泵的运行一般采用连续工作制，所以选用全封闭自扇冷式Y系列电动机，此类电动机更符合本课题的使用环境和动力需求。查《现代机械设计手册》第5卷第25-24页表25-1-26可选得电动机型号为Y280S-4，电动机具体参数如下表4.3所示。表5.3Y280S-4型号电动机参数电动机型号额定功率/Kw同步转r/min额定转r/min重量/kgY280S-475150014805355.2轴径与轮毂直径的初步计算(1)泵轴传递扭矩M(5-4)(2)轴径和轮毂直径由于导叶部分在轴流泵工作时是不进行旋转的，起到导流、转换旋转动能以及支承泵体的作用，同时，为了不影响流体的出口，因此在轮毂的厚度和直径上，本设计采用与叶轮轮毂一致的方式。泵轴的直径应由其承受的外载荷和刚度及其临界转速条件确定，由于在本设计中扭矩是泵轴最主要的载荷，所以泵轴最小直径的初算由扭矩确定。具体按下列公式计算。d(5-5)式中Mn—[τ]—材料的许用切应力(Pa)。其可由表4.4查取。表5.4泵轴常用材料的许用应力材料热处理要求[τ]/MPa用途35正火处理34.3~44.1一般单级泵45调质处理HB=241~28644.1~53.9一般单级泵40Cr调质处理HB=241~30263.7~73.5大功率高压泵3Cr13调质处理HB=269~30253.9~68.7耐腐蚀泵35CrMo调质处理HB=241~28568.7~78.5高温泵(T=200~400℃)本设计中，轴的材料选用45号钢，取[τ]=450MPa，所以：d(5-6)取标准直径dmin=34mm。叶轮轮毂直径ddℎ=dmin+2×0.2d(5-7)由于本设计为单级泵，叶轮轮毂一般不通过叶轮进口，因此取d(5-8)取dℎ=1.5dmin5.3传动部件的选择(1)轴承的选择轴承在机械设备中起着支撑和定位轴的重要作用，它能够有效减少摩擦力，支持旋转和运动的轴部件，确保设备能够顺利安全地运转，并且承受轴上的径向和轴向载荷，同时保持轴的位置相对稳定，降低部件之间的碰撞磨损，确保设备运行平稳，延长设备的使用寿命的同时确保使用时的安全系数提高，降低人力物力的投资，减少成本。根据泵结构和其他类型泵的结构，轴承类型选择深沟球轴承，根据设计经验选取轴承型号为：6218型(GB/T276-1994)和推力球轴承51219，本设计共选择两个不同型号的轴承，采用两端固定支承的方式按装轴承，具体参数如下表。表5.56218型深沟球轴承轴承参数轴承型号质量dDB620990150262.5图5-160000型深沟球轴承结构图表5.551219型推力球轴承轴承参数轴承型号质量dDB5121995135352.2图5-251219型推力球轴承结构图(2)联轴器的选择联轴器是用于连接两个轴之间的部件或传动装置的部件，其作用包括传递动力和转矩、减少振动、保护机械设备和传动系统，延长使用寿命，实现轴的分离和连接控制，从而提高设备的稳定性、可靠性和安全性。在本设计中，使用联轴器来连接电机轴与泵轴从而向叶轮传递动力，使其顺利运行。根据《机械设计课程设计》可知，部分联轴器不能够适用于立轴的连接，在查阅过程中发现GY型凸缘联轴器不具备径向、轴向和角向的补偿性能，刚性好，传递扭矩大，结构简单，工作可靠，维护简便，适用于两轴对中精度良好的一般轴系传动。其性能和适用范围均符合本设计需求。一般轴的最小径应该是安装联轴器处轴的直径dmin，为了确保联轴器的孔径与轴直径dmin相匹配和联轴器与轴的紧密连接，因此，我们需要选择对应的联轴器型号。由于爪形联轴器和柱销联轴器在泵各类型中较为常用，所以在本次设计中将采用弹性套柱销联轴器，为了与最小轴径相匹配，最小直径dmin键的选择键连接作为旋转副传动的核心组件，其功能实现主要包含两个维度：在圆周方向上建立轴系部件的刚性连接以传递动力载荷，同时在必要时提供轴向限位功能。根据GB/T1095-2003等国家标准规范，该技术体系可分为平面传动型、切向承载型和楔形锁紧型三大类，其中平面键连接凭借其优良的工艺适配性占据工业应用的主流地位。键是一种机械连接元件，主要用于连接旋转部件与轴或轴与零件，其作用是传递扭矩，确保轴和零件之间的相对位置不变，防止它们相对滑动，从而实现稳定的传动。通过键的固定，可以保证机械设备的正常工作，提高传动效率和可靠性，避免轴与零件的脱离或相对滑动，确保设备运行平稳安全，延长其使用寿命，确保使用时的安全系数。其工作原理在于，两侧面作为关键的工作界面，与相应的键槽紧密配合，而上表面与轮毂槽底之间则保留有一定的间隙。在运行时，扭矩的传递主要依赖于键与键槽侧面之间的紧密挤压。平键连接之所以广受欢迎，主要得益于其安装拆卸的便捷性以及结构设计的简洁性。然而，值得注意的是，由于平键连接在设计上并不考虑承受轴向力，因此它无法直接用于轴上零件的轴向固定。其中平键的主要尺寸为横截面的宽度b和高度h以及键的长度L。键的截面尺寸b×h一般由轴的直径d确定。长度L可根据具体的配合长度而定。由于本课题中泵轴所受轴向力很小且键位置位于轴端，所以选用A型平键。叶轮与转轴配合键选择：单圆头平键(A型)b=12mm，h=8mm，L=90mm。联轴器与转轴的配合选择：单圆头平键(A型)b=12mm，h=8mm，L=63mm。5.4轴结构设计传动轴在立式斜流泵中具有关键作用，它连接电机和叶轮，将电机的动力传递给叶轮，从而实现水泵的工作。传动轴的设计和选择直接影响到泵的运行效率和稳定性，合适的传动轴能够确保水泵在长期运行中稳定工作。传动轴的材料和结构设计需要考虑到叶轮的负荷、工作环境等因素，以确保传动系统的可靠性和安全性，需对其结构设计进行进一步设计。本设计针对传动轴系统进行设计，需确定各轴段的直径和长度，以满足联轴器安装、轴承定位、导叶、叶轮装配等功能要求，同时确保轴的强度及装配可行性。主要设计步骤如下：5.4.1轴径设计最小径确定后，因此以最小径作为与电机端相连的轴径设计基准，并将本轴段命名为轴段I。本设计中轴与电机使用联轴器相连，因此需要在轴段I上设计一个键槽，根据《机械设计课程设计》中对轴的设计要求，对于直径d≤100mm的轴，有一个键槽时，直径增大5%~7%。因此对于轴段I的直径，选用最小径增加5%，故Ⅰ-Ⅱ轴段右端需作有轴肩，以便于对联轴器进行定位，因此取与轴配合的半联轴器孔径dmin=34mm，取整dmin=35mm，dⅠ−Ⅱ=35mm。根据实际装配情况需求，泵轴设计成阶梯轴，从连接电机端向上直径递增，第二段设计一个合适的轴径以安装轴承，保证泵运行的稳定性。因此，Ⅱ-Ⅲ段的直径dⅡ−Ⅲ=dⅣ−Ⅴ=43mm，左端用轴端挡圈进行定位，按轴端直径查手册取挡圈直径D=44mm，根据前面轴Ⅱ−Ⅲ段直径dⅡ−Ⅲ的大小及轴承型号及尺寸可得5.4.2轴长设计因半联轴器与轴配合长度L1=82mm，为保证轴端挡板压紧联轴器，而不会压在轴的端面上，故lⅠ−Ⅱ略小于L1，取lⅠ−Ⅱ=79mm。轴端Ⅱ-Ⅲ的长度由轴承端盖宽度及其固定螺钉能够拆装的空间要求决定的，这里取lⅡ−Ⅲ=48mm。轴Ⅲ-Ⅳ的长度由滚动轴承的宽度B=19mm，轴承与箱体内壁距离s=5~10mm(取s=5mm)，箱体内壁与齿轮距离a=10~20mm(取a=18mm)及大齿轮轮毂与装配轴段的长度差(此例取4mm)等尺寸确定，取lⅢ−Ⅳ=B+s+a=19+5+18+4=46mm。根据设计经验，lⅣ−Ⅴ

第六章斜流泵的强度计算6.1轴径向力与轴向力计算对于泵的转轴可能受到的载荷主要有三种，分别为：径向力，轴向力，扭矩。由于本设计为立式式混流泵，传动方式为直接连接驱动，故径向力只为转子的重量，且径向力的方向固定，叶轮重量估算为F1=240N。对于离心力，由于叶轮最大半径R=165mm，取最大半径上的不平衡重量Gc=6(g)，弹性柱销联轴器为机械加工，可认为是静平衡的。泵的转速n=1450r/min，则叶轮由不平衡产生的离心力F(6-1)故径向力为：F(6-2)对于叶轮的轴向力可按经验公式进行推算F=K(6-3)式中：F—轴向力(kg)H1—单级叶轮的扬程(m)Υ—液体重度(kg/m2)RmrbK—轴向力实验系数，本次取K=0.9i—叶轮级数则轴向力为：F=(6-4)扭矩可前面已计算为：M(6-5)本泵通过平衡孔方式来对轴向力进行平衡。6.2轴的强度计算由于本设计为立式混流泵，传动方式为直接连接驱动，轴的重量为均布载荷，为了便于计算，把轴分别为多段变为集中载荷。径向力只为转子的重量，且径向力的方向固定。叶轮质量大约为F1=240(1)轴向力根据式6-4，可得作用在叶轮上的轴向力F=305N(2)支反力由于本设采用两端固定支承，径向力和轴向力主要作用在两端轴承A、B上，其支反力分别用RA、R其中轴承B只承受轴向力，轴承A只承受径向力。考虑叶轮自重G=100N。对P点取矩−R最后解得：RR通过上面计算和弯矩图可知，最危险断面位于轴承B处，其中：MB轴径d=0.052m对B处进行强度校核B断面系数ZωZ则弯曲应力σωσ拉应力：轴向力F=305N断面面积B为：B=则拉应力σ1σ切应力：扭矩Mt扭转断面系数ZtZ切应力τ为：τ=折算应力σdσ本轴材料采用45号优质碳素结构钢，查机械手册得σs=5500kg/cm2，σ−1=3500kg/cm2，则安全系数n为：n=故本设计的轴满足强度要求，且也满足疲劳强度，因此省略疲劳强度的计算6.3轴的密封泵轴的密封是确保泵在运行过程中不发生泄漏的关键部分，常见的泵轴密封方式包括以下几种：(1)填料密封：这是一种较为传统的密封方式。它将填料包在一个密封室内，用压盖或密封绕组把填料压实，以达到密封的目的。填料常用的材料有软墨棒、亚麻、聚四氟乙烯、陶瓷等。这种密封方式结构简单、易于维护，但是需要经常补充填料，且不适用于高速、高压情况。常州工学院学位学士论文(2)机械密封：这是一种基于密封面间的滑动磨擦，凭借轴向和径向力来达到密封效果的密封方式。机械密封具有密封性能好、使用寿命长、不需要补充填料等优点，但是需要定期更换部件，并且其密封效果会受到润滑情况的影响。(3)润滑脂法：这是一种简单易行的水泵轴承密封方式，其将多种防水、防锈等材料与润滑脂混合，填充于轴承处，起到了一定的密封效果。这种方式还可以保障轴承寿命，同时起到润滑作用。由于填料密封具有良好的密封性能、较长的使用寿命、较低的摩擦系数和较低的成本等优点，且在各类泵中应用也较为广泛，考验本设计成功与否的关键在于能否发挥轴流泵的工作原理，油室的油不可到油室外。所以本次选用填料密封来进行轴的密封本次设计将采用填料密封。图5-1填料密封尺寸其中D=(1.2~1.4)dε=0.5Et=(2~2.5)E，查机械手册得E=9.5(mm)，填料根数选5根填料δ由上式可得在本设计中填料密封的尺寸为：Dε=0.5EtδL=6.4配合选择及基本偏差选用配合配合类型配合代号基准类型定子与电机套过渡配合H7/n6基孔制转子与主轴过渡配合(过盈量小)H7/n6基孔制联轴器平键与主轴过渡配合N9/js9导叶平键与主轴间隙配合N9/d10叶轮与主轴过渡配合H7/k6基孔制机械密封与轴过盈配合(过盈量小)非标准轴承与电机上盖过盈配合(过盈量小)H7/n5基孔制轴承与轴过盈配合(过盈量小)G7/n5基轴制轴承与轴，轴承座的配合均为小间隙配合，主要目的是减少轴承的振动，延长轴承的使用寿命和机械设备的运行稳定性。定子与电机套之间的配合由键导向作用,由于定子键与定子的配合时过盈配合，所以定子与电机套之间的配合只需过渡配合即可。电机在高速转动时要求转子不能出现松动情况，因而要求是过盈配合，由于转子上的键与转子之间的配合为过盈配合，因而转子与轴的配合只需小过盈即可。叶轮本身依靠顶端的锁紧螺母固定，叶轮的平键只是起到导向作用，因而叶轮键与轴的配合只需间隙配合即可。叶轮安装在主轴上为了方便拆卸和后期维护，由于主要起定位作用的是锁紧螺母，因此叶轮与轴只需要过渡配合即可。为了保证机械密封的可靠性，要求机械密封与主轴的配合为小过盈配合。6.5键的强度校核我们对键进行强度的校验其目的是：为了检测当键在传递扭矩的时候键的表面所产生的切应力于同键相接处的零件在传递扭矩的工作面上所产生的挤压应力是否可以满足规定的要求。从而能保证在工作时可以达到预期的目的安全的运行。对于普通平键（A），键宽b=0.008m，键高h=0.008m，键长L=0.025m。其结构可见下图。图6-1键的结构图键连接的零件与键传递扭矩时，挤压应力在工作面上需要满足下式：σ其中——在工作面的挤压应力(Pa)；——键与轴所传递的扭矩是相同的(N·m)；——在安装叶轮处时的轴径(m)；——键高(m)；——键工作时的有效长度，l=125−35=90mm——许用挤压应力(Pa)。键采用的材料为45号钢材，所以，把数据代入下式可以得到σ通过上面的计算可以得出结论，该键是满足校核强度的，即当在工作时可以安全的运行。此外，键在工作时所产生的最大切应力其计算方法可以通过下式求得，τ其中τ——切应力(Pa)；b——键的宽度(m)；[τ]——材料的许用切应力，键的材料为45号钢材，所以取τ=88MPa把上面的数据代入式中可以得到τ通过上面的计算结果可以得出键是满足校核强度的。6.6轴承的寿命校核由轴承负荷计算公式：FF式中：Fr,F