2DS（Y）—106型电动往复泵设计【含CAD图纸】
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2DS（Y）—106型电动往复泵设计【含CAD图纸】,含CAD图纸,DS,106,电动,往复泵,设计,CAD,图纸
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2DS（Y）10/6型电动往复泵摘 要该毕业设计是对2DS（Y）10/6型电动往复泵的设计。往复泵是借助于活塞在液缸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液体的目的，它是把机械能转化为压力能的装置。此种泵的流量只取决于工作腔容积变化值及在单位时间内的变化次数（频率），而在理论上与排出压力无关。本次设计通过对已知数据的分析以及参考相关资料完成的，该系列电动往复泵系双缸双作用泵，主要由液缸体和传动部分组成。对其活塞、泵阀等零部件进行具体的分析和计算，完成了本次设计的任务。关键词：电动往复泵；泵阀；活塞；设计The design of 2DS (Y) -10 / 6 electric reciprocating pump AbstractThis graduation project is to the 2DS（Y） - 10/6 electrically operated reciprocating pump design. The reciprocating pump is drawssupport the piston in fluid cylinder work cavity reciprocal motion,causes the work cavity volume to have the periodic variation toachieve the transportation liquid the goal, it is transforms themechanical energy as the fluid pressure energy installment. This kindpumps the current capacity is only decided by the work cavity volumechange value and in the unit time change number of times (frequency),but in theoretically has nothing to do with with the deliverypressure. This design through completes to the known data analysis aswell as the reference correlation data, this series electricallyoperated reciprocating pump is the two-cylinder double-acting pump,mainly partially is composed by the fluid cylinder body and thetransmission. To its spare part and so on piston, pump valve carrieson the concrete analysis and the computation, has completed thisdesign task.Key word ：Electrically operated reciprocating pump；Pump valve；Piston；design目 录绪 论1第一章 概 述2第一节 往复泵的结构和工作原理2第二节 往复泵的特点和分类4第三节 往复泵的应用与发展7第二章 往复泵的总体设计10第一节 泵型及总体结构形式选择10第二节 液力端结构形式的选择11第三章 2DS（Y）-10/6型电动往复泵的设计14第一节 主要结构参数的选择与确定14第二节 原动机的选择19第四章 液力端主要零部件设计22第一节 液 缸 体22第二节 泵 阀 设 计23第三节 活塞、活塞杆、活塞环27结束语40参考文献41外文资料42中文翻译49iii绪 论本毕业设计是完成机械专业培养目标所必须的重要的教学环节。是培养我们独立思考和科学的工作方法的重要过程。毕业设计的目的主要是培养学生综合运用所学理论知识和技能，分析解决实际问题的能力、培养我们掌握设计的思想和方法，树立严肃认真的工作作风、培养我们调查研究、查阅技术文献、资料、手册以及编写技术文献的能力。通过毕业设计，要求我们在指导教师的指导下，独立完成所分担的设计课程的全部内容。这对我们今后走向工作岗位有很大的帮助。这次设计主要是对电动往复泵零部件的设计，是设计任务的重点。这次设计我们将本着：独立分析，互相讨论，仔细认真的思考，充分发挥自己的才能，把毕业设计搞好。在设计中，我查找了相关的资料，多次向指导老师询问，以及和同学们讨论，首先对电动往复泵总体进行了设计；然后是活塞、连杆、曲轴等零部件的设计；达到了毕业设计的目的。作为一名即将上岗的工程技术人员，应当从现在开始做起，掌握更多的专业知识和实际操作能力。在指导老师的精心指导下，较为圆满的完成了这次设计工作，由于学识和经验不足，其中肯定会出现很多问题，不足之处恳请各位老师加以批评和指导。第一章 概 述往复泵是泵类产品中出现最早的一种，至今已有2100多年的历史。往复泵属于容积式泵，它是借助工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的；原动机的机械能经泵直接转化为输送液体的压力能。目前，往复泵的产量只占整个泵类总产量很少的一部分。但是，往复泵所具有的特点并没有被其它类型泵所代替。有些特点仍为其它类型泵所不及，因此，它非但不会被淘汰，而且仍将作为一种不可缺少的泵类，被广泛采用。下面介绍往复泵的结构和工作原理、特点和分类以及往复泵的应用和发展等。 第一节 往复泵的结构和工作原理一、往复泵的结构和工作原理1、结构如图所示，主要部件包括：泵缸；活塞；活塞杆；吸入阀；排出阀。其中吸入阀和排出阀均为单向阀。往复泵装置图1- 泵缸；2-活塞；3-活塞杆；4-吸入阀；5-排出阀2、工作原理：（1） 活塞由电动的曲柄连杆机构带动，把曲柄旋转运动变为活塞的往复运动或直接由蒸汽机驱动，使活塞做往复运动。 （2） 当活塞从左向右运动时，泵缸内形成低压，排出阀受排出管内液体的压力而关闭，吸入阀由于受液体压强的作用而打开，池内液体被吸入缸内。（3） 当活塞从右向左运动时，由于缸内液体压力增加，吸入阀关闭，排出阀打开向外排液。（4） 说明 往复泵是依靠活塞的往复运动而吸入和排出液体的。通常把活塞在缸内移动的距离称为冲程。单动泵，活塞往复运动一次，吸、排液交替进行，各一次，输送液体不连续；双动泵，活塞两侧都装有阀室，活塞的每一次行程都在吸液和向管路排液，因而供液连续。二、泵的理论流量在不计泵内任何容积损失时，泵在单位时间内应排出的液体容积称为泵的理论平均流量，简称泵的理论流量。由于不计任何容积损失，泵在单位时间内吸入和排出的体积，可用下式表示：单作用泵：Qt=ASnZ双作用泵：Qt=ASnZ(1+k)式中Qt理论流量；柱塞（或活塞）的截面积；=D2（柱塞或活塞直径）行程长度n曲轴转速(或柱塞的每分钟往复次数)Z联数(柱塞或活塞数)K系数K=1- (Ar活塞杆截面积)=1-()2 （Dr活塞杆直径）三、泵的流量单位时间内在泵出口处实际测得的液体体积（包括包含于其中的气体和固体体积并折算成泵进口状态下的体积）称为泵的实际平均流量，简称泵的流量。流量的常用单位有m3/s、 m3/h、 1/min 、1/h等。由于泵内存在容积损失，因此，泵的流量小于泵的理论流量，相互之间的关系为：Q=Qt-Q式中 Q泵的流量； Qt泵的理论流量； Q泵的流量损失。四、泵的容积效率泵的流量与理论流量之比称为容积效率：v=1 =1式中 v容积效率； Q泵的流量； Qt泵的理论流量； 泵的容积损失。第二节 往复泵的特点和分类一、往复泵的特点往复泵和其它类型容积式泵的区别，仅在于它实现工作腔容积变化的方式和结构特点上：往复泵是借助于活塞（柱塞）在液缸工作腔内的往复运动（或通过隔膜、波纹管等挠性元件在工作腔内的周期性弹性变形）来使工作腔容积产生周期性变化的。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。这些特点也正是这类类型泵借以生存、竞争和发展的依据：1、瞬时流量是脉动的这是因为在往复泵中，液体介质的吸入和排出过程（即容积变化过程）是交替进行的，而且活塞（柱塞）在位移过程中，其速度又在不断地变化之中。在只有一个工作腔（单缸泵）的泵中，泵的瞬时流量不仅随时间而变化，而且是不连续的；在具有多个工作腔（多缸泵）的泵中，如果工作腔的工作相位安排适当，则可减小排出集液管路中瞬时流量的脉动幅度，乃至可达到在实用上可认为是稳定流的地步。当然，此时相应的泵的结构也就变得复杂了。也正因为如此，往复泵的工作腔不宜设置过多。因此，往复泵瞬时流量的脉动性也就不可避免，只不过因不同泵型其脉动程度有大有小而已。2、平均流量（即泵的流量）是恒定的泵的流量只取决于工作腔容积的变化值及其频率。具体地讲：泵的流量只取决于泵的主要结构参数-n（每分钟往复次数）、S（活塞或柱塞行程）、D（活塞或柱塞直径）、Z（工作腔或活塞数目），而（在理论上）与排出压力无关，且与输送介质（液体）的温度、粘度等物理、化学性质无关。当泵的每分钟往复次数一定时，泵的流量也是恒定的。3、泵的压力取决于管路特性往复泵的排出压力不能由泵本身限定，而是取决于泵装置的管路特性，并且与流量无关。换句话说，不论泵装置的管路有多大的水力阻力，原则上泵都可以按其主要结构参数所决定的恒定流量予以排出。也就是说，如果认为输送液体是不可压缩（因液体压缩率很小，通常可这样认为，但在高压或超高压下，液体的压缩性也不可忽视）的，那么，在理论上可认为往复泵的排出压力将不受任何限制，即可根据泵装置的管路特性，建立泵的任何所需的排出压力。4、对输送的介质（液体）有较强的适应性往复泵原则上可以输送任何介质，几乎不受介质的物理性能或化 学性能的限制。当然，在实际应用中，有时也会遇到不能适应的情况。但是，当遇到这种情况时，多半是因为液力端的材料和制造工艺以及密封技术一时不能解决的缘故。其它类型泵就不能做到这一点。5、有良好的自吸性能往复泵不仅有良好的吸入性能，而且还有良好的自吸性能。因此，对多数往复泵（除高速泵外）来说，在启动前通常不需灌泵。由上述往复泵的主要特点可以看出往复泵的主要适用范围。二、往复泵的分类（一）按泵的液力端特点分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）泵；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）中心线所处的位置可分为：卧式泵、立式泵、角度式（Y形、V形）泵、对置式泵和轴向平行式（无曲柄）泵等； （二）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）泵等；（三）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；（四）按泵的排出压力（P2）分根据泵排出压力高与低可分为：低压泵（P210f/2 ）、中压泵（P210100f/2）、高压泵（P21001000f/2）、超高压泵（P21000f/2）；（五）按泵的每分钟往复次数（n）分按每分钟往复次数高与低可分为：低速泵（n80spm）、 高速泵（n 550 spm）。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。（六）按泵输送介质某一突出特性分根据泵设计时主要适用的介质可分为：热油泵、酸泵、碱泵、盐泵、液氨泵、甲铵（氨基甲酸铵）泵、泥浆泵、重水泵、清水泵、高温泵、低温泵、超低温泵、高粘液泵、低粘液泵等。（七）按泵的用途分根据泵主要的使用部门或主要用途可分为：工业用泵、农业用泵、陆用泵、船用泵、化工用泵、原子能用泵、电站用泵、石油场用泵、液压机用泵、压裂泵、固井泵、农药喷雾用泵、注水泵、清砂泵、清渣泵、除锈泵、试压泵、消防泵、计量泵、平流泵等。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。第三节 往复泵的应用与发展综合前述可知，往复泵是一类品种多、批量少，而通用化程度较低、专业配套性很强的产品。它常常是随着某一生产工艺的需要而产生，又随着这一生产工艺的重大改革或取消而更新或淘汰。当这种生产工艺长期稳定时，也有基本上适应这一工艺需要的定型产品。从上述分类可知，往复泵的应用仍然十分广泛。下面将列举若干实际应用领域来补充说明这一情况。例如：用于化肥生产配套用的有铜液泵，碱液泵和氨基甲酸铵（甲铵）泵和液氨泵等；用于高压聚乙烯装置配套用的超高压催化剂注射泵等；用于提供造船或机械制造大型锻压设备上配套用的液压机用泵；用于输送石油及其副产品和电站锅炉给水备用配套的各种蒸汽直动泵；用于陆上石油钻井或海上石油开发配套用的钻井泥桨泵、压裂泵、固井泵和注水泵等；用于铸造、轧钢方面的水力清砂、除锈泵；用于长距离管道输送煤粉、冶金矿尾矿的油隔离泵，用于矿井排水的无曲柄泵以及用于加固井壁、防止地下水害的注桨、堵水用泵等；用于船舶的舱底泵；用于农药喷雾机配套用的农用泵；用于水压试验或窗口爆破试验以及水力切割配套的高压泵和超高压泵。用于城市污水清洗车配套的清洗泵，用于消防的消防泵；用于电站或船台等污水处理的各种计量泵。总之，往复泵无论是在工业或农业、陆上和海上、国防与民用、科研与生产等各个部门，仍然是作为一种不可缺少的品种被广泛地采用着。总括各类往复泵，它的排出压力可由常压一直到15000kgf/2,其流量范围由cc/h600m3/h，输送介质的温度由-200450，粘度由0.1cp250000cp。被输送的介质，由一般常温清水直至具有强腐蚀、易挥发、易结晶、易燃、易爆、剧毒、恶臭、磨砺性强、比重大、粘度高、有放射性或其它贵重液体等。从今后发展的角度来看，尽管往复泵原来占据的位置有不少已被其它类型泵所取代，其产量也很少，但这并不意味着往复泵有全部被取代的趋势。实际情况是：在各类型泵的生存与竞争中，则是更加突出地发挥了它们各自的特长，显示其本身的优越性，从而更好地为国民经济、为四个现代化服务。由此可知，要想求得往复泵的生存与更进一步的发展，从根本意义上来讲，就是要扬长避短，充分发挥往复泵本身的优势。这就是说： 第一，要充分发挥往复泵配套性强、适应介质广泛的优势。对于其它任何一类泵来讲，它所适应的介质都要受到限制。例如，离心泵就不能适应粘度很高的液体；转子泵则通常不能适应于化工介质。而目前随着石油化工、化学工业、医药卫生等部门生产技术的发展，使得输送介质的名目繁多、性状各异。有些介质对其它类型泵来讲，就不能适应，但对往复泵来讲，因为它原则上不受介质的物理和化学性能的限制，可见，往复泵是大有用武之地的。第二，要充分发挥往复泵在流量比较小而排出压力又很大情况下，它的整机效率高、运转经济性好的优势。上述两点，往往不被使用部门所重视。他们往往是过分地注意了往复泵体积较大、结构较复杂、瞬时流量又脉动这些缺点，而忽视了这类泵的特长，因此常常习惯于选用其它类型泵。他们不了解这些泵正是因为对某些介质不能适应或者在压力高、流量小的范围内不可能有较高的效率这一弱点，以至有这样的情况发生历经数年，几经周折，最后又不得不回到往复泵这一选型上来。由此可见，在当前世界性能源危机、强调以节能原则采用省能机械的现实面前，对于使用部门来讲，如何正确地认识各类型泵的特点，如何正确地选型，是面临的新课题；对于使用部门来讲，如何正确地认识各类型泵的特点，如何正确地选型，是面临的新课题；对于从事往复泵研究、设计和生产的部门来讲，如何正确地宣传往复泵的特点，如何努力地发展新品种以满足用户的需要，是面临的新任务。特别是当排出压力很高(高压或超高压)而流量又很小时，其它类型泵已经不仅是效率很低的问题，而是根本不能适用。因此，往复泵主要是在高压或超高压、流量小或比较小的范围内发展新品种。在这一领域内，往复泵是独占优势的。第二、要充分发挥往复泵的流量恒定而且与排出压力无关的优势。往复泵这一特长是它成为计量泵选型的基础，而计量泵这一新品种是随着现代工业朝着自动化操作，远距离自动控制这一发展形势而出现的。由于计量泵这一新品种的出现，使得原来生产工艺由手工进行物料配比这一环节，被计量泵所代替，使物料配比实现了远距离自动控制下的连续操作，并使物料配比更加准确无误，从而为提高产品质量、降低成本、改善劳动条件。计量泵虽然只是从本世纪五十年代才兴起的新品种，但是至今已经不仅是在石油、化工合成装置上被广泛采用，而且在水处理装置、研究院所的中间试验装置以及化学分析仪器、医药、食品加工和矿井注浆堵水方面也已被广泛采用。当然，要求得往复泵的不断发展，不仅要注意到充分发挥它的特长或优势，而且还要不断地克服它的缺点。为此，就必须加强技术基础的研究、不断地提高产品质量、注意采用新技术、新材料、新工艺，以及在保证产品好用、耐用的同时，要力求结构简单、操作方便、体积小、重量轻和外形美观。第二章 往复泵的总体设计根据设计要求在通常情况下，泵的总体设计应遵循下述基本原则：（1）有足够长的使用寿命（指大修期应长）和足够的运转可靠性（指被迫停车次数应少）；（2）有较高的运转经济性（效率高，消耗少）；（3）尽可能采用新结构，新材料，新技术；（4）尽可能提高产品的“三化”（系列化、标准化、通用化）程度；（5）制造工艺性能好；（6）使用、维护、维修方便；（7）外形尺寸和重量尽可能小。第一节 泵型及总体结构形式选择一、电动泵的特点本次设计泵型为2DS（Y）属于机动泵，即采用独立的旋转原动机（电动机）驱动的泵。因采用电动机驱动又叫电动泵。电动泵的特点是：（1）瞬时流量脉动与平均流量（泵的流量）Q只取决于泵的主要结构参数n（每分钟往复次数）、S（柱塞行程）、D（柱塞直径），而与泵的排出压力几乎无关，当n、S、D为定值时，泵的流量是基本恒定的；（2）泵的排出压力P2是一个独立参数，不是泵的固有特性，它只取决于排出管路的特性而与泵的结构参数和原动机功率无关；（3）机动泵都需要有一个把原旋转运动转化为柱塞往复运动的传动端，故一般讲，结构较复杂，运动零部件数量较多，造价也较昂贵；（4）实现流量调节时，必须采用相应措施，或改变n、S、D或采用旁路放空办法来实现；（5）结构变形比较容易。二、卧式泵的特点液缸或活塞（柱塞）中心线为水平放置的泵，又称卧式泵。卧式泵的共同特点是：（1） 便于操作者观察泵的运转情况，拆装，使用，维修；（2） 机组高度方向尺寸小时，不需要很高的厂房，但长宽方向尺寸较大时，占地面积则较大；（3） 因为活塞（柱塞）做往复运动时，密封件在工作时须受活塞（柱塞）自重，容易产生偏磨，尤其当活塞（柱塞）较重时，悬颈很长时，这种现象将更为明显。（4） 卧式泵的机械惯性力水平分力较大，而泵的基础承受水平分力的能力又较差，故卧式泵对基础的强度和刚度要求较高。虽然卧式泵缺点不少，但因优点突出，故采用卧式泵的较多。三、联数，缸数和作用数每一根活塞（柱塞）以及该活塞（柱塞）连接在一起的活塞杆、十字头、连杆等称为组合体，叫一联。一般讲，该泵有几根活塞（柱塞）就称几联泵。2DS（Y）往复泵有两根活塞，因此又可称为双联泵。只有当Z联泵的活塞（柱塞）间相位差不同，各活塞（柱塞）的直径也不同，并且各联的排出口连接起来经同一排出集合管排出时，才可称为Z联缸，否则，只称Z联泵。因此2DS（Y）往复泵又称双缸泵。活塞（柱塞）每往复运动一次对介质吸入和排出的次数，叫做作用数。当活塞（柱塞）每往复运动一次，介质被吸入、排出各一次的泵，叫做单作用泵；当活塞（柱塞）每往复运动一次，介质被吸入、排出各两次的泵，叫做双作用泵；由2DS（Y）往复泵活塞每往复运动一次，介质被吸入，排出各两次，因此又称双作用泵。联数是指相对泵的总体结构形式而言，缸数是指相对液力端排出流量脉动特性而言，作用数是相对活塞（柱塞）在每一次往复运动中对介质的作用数而言的。 第二节 液力端结构形式的选择在往复泵上把活塞（柱塞）从十字头处脱开一直到泵的进口、出口法兰处的部件，称为液力端。液力端是介质过流部分，通常由液缸体、活塞和缸套或柱塞及其密封（填料箱）、吸入阀和排出阀组件、缸盖和阀箱、阀箱盖以及吸入和排出集合管（或集液器）等组成。在选择液力端结构形式时，应遵循下述基本原则：（1）过流性能好，水力损失小，为此液流通道应要求端而直，尽量避免拐弯和急剧的断面变化；（2）液流通道应该利于气体排出，不允许死区存在，造成气体滞留。通常，吸入阀应置于液缸体下部，排出阀应置于液缸体顶部；（3）吸入阀和排出阀一般应垂直布置，以利于阀板正常起动和密封，特别情况下也可以倾斜或水平布置；（4）余隙容积应尽可能的小，尤其是在对高压短行程泵后当泵输送含气量大，易挥发介质时，更要求减小余隙容积；（5）易损件，更换方便；（6）制造工艺性好。一活塞泵液力端因为活塞泵主要是双联（缸）双作用泵，近年来也出现了每分钟往复次数较高的三联（缸）单作用活塞泵。至于单联（缸）双作用泵或三联（缸）双作用泵也间或有之，但为数甚少。（一）卧式双联（缸）双作用活塞泵液力端按吸、排阀布置型式，该液力端又可分为两种基本型式叠式和侧罐式。当液力端每一个液缸里的吸、排阀均位于活塞中心线所在的轴面内的一侧，且吸、排阀呈上、下重叠形式，流道为直通式的，叫做叠式液力端；当每一个液缸里只有排出阀（或吸入阀）位于活塞中心线所在的轴面内，而吸入阀（排出阀）不在这一平面内，其流道呈阶梯形式的，称为侧罐式液力端。1、叠式液力端叠式液力端，吸、排阀分为上下两层。排出阀装在上层，吸入阀装在下层。若想拆下吸入阀，必须先拆排出阀。为此，又采用两种方式：（1）带阀座板的叠式液力端这种液力端的排出阀装在上层可拆的阀座板上，吸入阀则直接装在液缸体上。只要打开上盖，取下阀座板，则吸、排阀就可分组装配，故拆装较为方便。但必须增加一块有足够刚度的阀座板，也增加了一道密封，使加工工时也有所增加。（2）不带阀座板的叠式液力端这种液力端的上、下两层排出阀和吸入阀均直接装在液缸体上。吸入阀必须经排出阀座孔处拆、装，故排出阀尺寸必须大于吸入阀尺寸，装、拆也不方便。但因整体铸造的液缸体的刚性好，阀在工作时，阀板不易变形，而且也可省工时，降低成本。叠式液力端主要用于卧式双联（缸）双作用机动活塞泵和直接作用活塞泵。2、侧罐式液力端侧罐式液力端和阶梯式液力端一样，流道是阶梯状，吸、排阀可分别拆装，检修、更换均较方便。但尺寸较大，余隙容积也较大。（二）立式双联（缸）双作用活塞泵液力端立式活塞泵的液力端尺寸较大，常置于传动端的下方，这样可增加整机的稳定性。吸、排阀通常是重叠布置，流道为直通式。阀箱有的布置在液缸的一侧，有的则对称布置在液缸的两侧。前者便于拆装和维护，后者则整机重心稳定性好。本设计2DS（Y）电动往复泵是卧式双缸双作用带阀座板的叠式液力端。 第三章 2DS（Y）-10/6型电动往复泵的设计2DS（Y）-10/6型泵是由电机驱动的活塞式往复泵。其中2DS型泵为清水泵，2DY型泵为油泵。主要适用于工厂、矿山、钻探、铁路运输、建筑工地等单位输送运动粘度不超过8502/s，温度不高于105的石油及其制品，也可用于输送常温清水或物理化学性质类似于水的其他液体。型号意义：2DS（Y）-10/62双缸双作用 D电力驱动泵S输送介质为清水 Y输送介质为油类10泵设计流量值（m3/h） 6泵的额定排出压力(kgf/cm2)结构：2DS（Y）-10/6型泵系卧式电机驱动双缸双作用往复泵，主要分为液缸部分和传动部分。液缸的动力由电机经皮带轮传动给减速齿轮副，并由曲轴（偏心齿轮）、连杆、十字头等传动机构将旋转运动转变为活塞的往复直线运动。为防止部分液体与传动部分润滑油混肴，在十字头导板前加装挡油圈。液缸里分别有四组盘状吸液阀和排液阀。传动部分的油滑借齿轮传动所形成的飞溅油来实现或用附于齿轮轴上的小型油泵泵油润滑。第一节 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出压力P2和流量Q是由用户提供的。Q=Qt= = = m3/s式中 Q泵的实际流量，m3/s Qt泵的理论流量，m3/s 泵的容积效率；A= D2活塞（柱塞）截面积， D活塞（柱塞）直径，m S（活塞）柱塞行程长度，m n曲轴转数（rpm）或活塞（柱塞）的每分钟往复次数,spm Z泵的联数（活塞或柱塞数）； K系数； K=1- (Ar 活塞杆截面积，) =1-（）2 (Dr活塞杆直径，)um=活塞（柱塞）平均速度，m/s=程径比。由上式可知，要确定Q，必须确定n、S、D、Dr、Z等与结构有关的参数。此外，在绘制总体方案图时，还需知道排出管和吸入管的内径d2、d1，它们也与Q有关。以上这些参数统称之谓泵的结构参数。但是，d1、d2是在Q确定后确定的，如果在总体设计时预先选定了泵型和总体结构型式，那么，Z、K即为已知，可预先选取。因此，决定Q的主要结构参数就是n、S、D和Dr。由往复泵的设计实践经验得知，为了确定n、S、D组合的最佳方案，一般应选择合适的um入手，尔后再确定n,进而再比较，由此而逐步确定组合的最佳方案。一、容积效率的选择往复泵的容积效率与许多因素有关，很难在设计时精确确定。值选取过大，实际泵的将低于予选值，泵的流量也将低于设计值；选取过小，实际泵的将高于予选值，泵的流量也将大于设计值。如果考虑到泵运转后的磨损，一般在选取值时，都要略低些。选取的一般原则是：当泵的排出压力P2高、流量Q小、每分钟往复次数n高、液力端余隙容积大、制造精度低且当输送高温、高粘度或低粘度、高饱和蒸汽压的液体介质或介质中含气量大、含有固体颗粒时，应选取较低值；反之，可取较高值。的一般取值范围是：当输送常温清水时，=0.800.98；当输送石油产品、热水、液化烃等介质时，=0.600.80。二、活塞平均速度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。um不应选择过大。um过大，摩擦和磨损严重，特别是当活塞及其密封一旦严重磨损，泄露就将增加，流量下降，排出压力也不能达到额定值。um也不应选取过小，要获得一定的Q值，当um一经确定，D即为确定值。如果um选取过小，D值必然较大。这样一来，不仅使液力端径向尺寸增加，而且因活塞力是和D2成正比的，传动端受力也随之骤增，从而回使泵的总体尺寸和重量增大。为了提供um的定量选取范围，对目前已经投入生产的若干常见泵型um进行了统计和分析，得到了以下的经验公式。由统计可知，um大小主要与折合成单联单作用泵的有效功率Nez有关，即： um=KtNez0.4 m/s式中 um活塞平均速度，m/s Kt统计系数，Nez折合成单联单作用泵的有效功率，kwNez= kw = =0.43 kw查1图2-51 各类型泵的um选取um=0.33 m/s三、活塞每分钟往复次数n和行程长度Sum选定后，活塞直径即为确定值。但因um=nS/30，所以，必须再确定一个n或S，才能最后确定n、S、D的组合方案。此时可先选取n，尔后再确定S。n值选取的一般原则：1、活塞直径大，程径比大，连杆比大的，n应取低值；反之，可取较高值；2、吸入性能要求高的泵，应取较低的n值；反之可取较高的n值。因为，提高泵吸入性能虽然有许多途径，但最有效的途径还是降低n值；3、隔膜泵要比活塞泵取较低的n值；4、直接作用泵应比机动泵的n值低；5、单缸泵应比多缸泵的n值低；6、短期、间断性工作的泵，n可高些；长期、连续工作的泵，n值应低些；7、卧式泵应比立式泵的n值低些。n的一般取值范围可参看1表2-6 常见泵型的n值范围取n =84 spm根据，um= 得S=300.33/84=120四、活塞直径D的确定D=0.083m D值应按国家规定标准尺寸序列圆整,D=80五、程径比=S/D的选择值选取的一般原则：1、n值高时，取较小值；反之取较大值；2、排出压力大时，取大值；反之取小值。值的一般取值范围是=1.03.5。当n值很高时，有的取=0.8；对于高压或超高压泵，值可能大到=57。程径比: =1.5六、活塞杆直径Dr的选取Dr的取值取决于比值Ar/A或（Dr/D）2。显而易见，该比值越小，双作用效果（流量大，流量不均匀度小）越明显；反之，该比值越大，则双作用效果越差。由此可见，该比值应尽量取小值。但是，比值太小时，活塞杆直径Dr太小，难以保证强度和刚度的要求。特别是当泵的排出压力很高时，该比值难以减小。可见，双作用泵也不适合排出压力很高的泵。通常比值取值范围是 =0.100.20。取=0.10比值一经确定，活塞杆直径Dr和系数K即可确定： Dr=D m =80 =25.28 按国家规定标准尺寸序列圆整,Dr=25K=1-0.1=0.9七、吸入和排出管内径d1、d2的选取这两值的选取主要取决于吸入、排出管内径介质的流速和。、过大，水力阻力损失过大，消耗的能量多，泵的吸入性能差，而且容易产生液缸内的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、值，尤其是值限制更重要。一般取值范围是：=12 m/s, =1.52.5 m/s. 取=1 m/s, =2 m/s、选定后，d1、d2即可确定：d1= =0.06 m按标准管材圆整, d1=65d2=0.042 m按标准管材圆整, d2=40将以上计算结果列入下表:Qm3/hP2kgf/cm2nspmSmmDmmDrmmd1mmd2mm1068412080251.56540泵的理论流量：Qt= = =0.19 m3/min泵的容积效率： 第二节 原动机的选择在选择泵型和总体结构型式的同时，还应考虑原动机的选择。往复泵选择原动机的一般原则：1、原动机必须满足要求的功率；2、选择原动机时应注意转差率；3、应注意原动机的启动力矩和启动电流；4、注意泵输送介质和操作环境的易燃，易爆性；5、原动机外形、尺寸应与泵搭配合适，机组外形美观，便于安装和检修。一原动机功率ND的选择与确定（一）泵的轴功率N和泵的总效率1、泵的有效功率 kw= ps也可按下式计算： kw = =1.63 kw2、泵的轴功率（输入功率）N= kw泵效率一般的选择原则是，当泵的流量大、压力较低、介质含气量较少、制造质量高的泵，可选较大值；反之则取较小值。电动泵的效率，低于直接作用泵的效率。电动泵的效率范围是=0.600.90。蒸汽直接作用泵的=0.800.95。本设计是电动泵，取0.80。 kw = =2.04 kw(二)原动机功率式中 泵的传动装置效率；原动机效率。泵的传动装置效率只与泵的减速机构的机械损失有关。当采用平皮带传动时，=0.920.98；三角皮带传动时, =0.900.94；齿轮传动时, =0.940.99(闭式)；蜗杆传动时, =0.700.90(闭式).原动机效率通常由原动机出厂说明书给出.本设计是三角皮带传动, 取0.92。 =3.67 kw(三)储备系数和原动机功率选择为了使泵在实际运转中不致超载,常常在选择原动机时,还要留有一定的富裕量,把这一富裕量称为储备系数。储备系数可按1表2-7选择，=1.5实际原动机功率应为：= =1.53.67 =5.5 kwl 因此,原动机的功率选用Y132S-4型三相异步电动机,功率为5.5kw，转速为1440r/min。第四章 液力端主要零部件设计往复泵液力端通常由液缸体和缸盖，吸入阀和排出阀及其阀箱、阀盖，活塞和缸套（对活塞泵）或柱塞和填料箱（对柱塞泵）以及进出口法兰等。主要设计任务是：正确地选择零部件的结构型式，确定主要结构尺寸，进行强度和刚度的核算工作，选取合适的材料和热处理方式，完成零部件的施工图，并提出合理的技术要求。第一节 液 缸 体一、液缸体结构特点及选择液缸体的结构型式主要是服从来泵的总体结构型式和液力端结构选型。液缸体结构特点可按泵的作用数分为单作用液缸体和双作用泵液缸体，还可按各工作腔是否在同一块体上来分为整体式和组合式液缸体。1、单作用泵液缸体单作用泵液缸体可分为整体式和组合式两种。整体式液缸体是指泵的多个工作腔都在同一体上的液缸体。这种液缸体刚性好、工作腔间距小、机加工量少，但工件较大。它即适用单作用柱塞泵，也适用于单作用活塞泵。2、双作用泵液缸体双作用泵液缸体形状较复杂，一般多采用整体式并多采用铸造结构，流道孔也多半直接铸出。个别的采用锻焊或铸焊结构。3、组合式液缸体组合式液缸体是指把只包括一个或一部分工作腔的块体分别制造，然后再用适当的方法把它连接在一起。这种液缸体多用于高压、超高压或输强腐蚀性介质的泵上，并且多半是锻钢和铸造件，加工面增多，连接处的密封件也增多，而且受力情况变坏，一般情况下不予采用。二、液缸体壁厚确定及强度校核 （一） 液缸体壁厚确定： 式中 壁厚，；焊接系数，无焊接=1； P缸内最大工作压力，kgf/cm2; D1液缸体内径，； C考虑铸造偏心及腐蚀所留的裕量，一般取C=0.30.8。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， ，一般取812。即对普通铸铁可取=150160 kgf/cm2，对球墨铸铁可取=600800kgf/cm2。 =1.2 （二）强度校核当液缸体为一外圆半径，内圆半径为的内圆半径的等厚圆筒且其壁厚相对轮薄（）时，则可由薄壁筒公式确定壁厚对薄壁筒（）： kgf/ = =78 kgf/160 kgf/第二节 泵 阀 设 计泵阀通常由阀座、阀板、阀导向杆、弹簧、升程限制器等零件所组成。一、泵阀设计的一般原则是： 1、阀应能及时启、闭，关闭速度和关闭滞后角不应大于允许值，以减小关闭冲击和回流损失；2、密封可靠，减小或避免关闭后的漏损；3、尽可能减小水力阻力损失；4、根据不同的输送介质，选择相应的材料、阀板和阀座材料及其硬度匹配适当，并保证足够的强度和刚度；5、结构简单、拆装方便、工艺性好，尽可能有良好的互换性；6、工作平稳、噪音小，寿命长。二、泵阀的种类及结构型式的特点和选择泵阀主要是自动阀，只有当输送高粘度介质时，才采用强制阀。自动阀又分为弹簧阀（多为盘形阀和环形阀）和自重阀（多为球阀）两种。（一）盘形阀根据阀板与阀座密封面型式，盘形阀又可分为两种：一种是以平面接触的。称为平板阀；一种是以锥面接触的，称为锥形阀。1、平板阀平板阀广泛用于输送常温清水、低粘度油或类似于清水的介质。结构较简单、制造较容易。但密封性能不如锥形阀，多用于排压较低的泵。2、锥形阀锥形阀较平板阀在制造上略复杂，但流道较平滑，流量系数大、水力阻力小、过流能力强、密封性能好，不论介质粘度较高或较低都比较适宜，而且因阀板刚度较大，通常多用于高压和超高压泵上，在计量泵自重阀也间有采用的。（二）环形阀环形阀比相同的平板阀阀间隙面积大一倍（单环阀）或几倍（多环阀），故阀间隙过流面积大，适用于流量大的泵。但因阀板直径大而刚性差，在高压或超高压泵中很少用。（三）自重阀自重阀大多采用球阀，也有采用锥形阀的。由于自重阀没有弹簧，阀板惯性力影响较大，因此只适用于每分钟往复次数较低（通常n150spm,大多n100spm）、流量不大的泵。由上选择盘形阀中的平板阀泵阀的设计计算设计内容参数选取及计算公式结果已知条件泵的排压P2(kgf/cm2)6缸数Z2活塞直径D (cm)8活塞行程S(cm)12每分钟往复次数n(spm)84介质重度j1泵阀型式(度)90阀板材料重度f(g/cm3)8.8泵阀的设计计算活塞截面积A(cm2)49通过一个阀的流量Qtf（cm3/s）7821阀座孔最大瞬时流速(cm3/s)150300140当量阀座孔直径dk(cm)=4.88,取4.64.6阀座环宽b0(cm)b0=(0.190.24) 1.5环平均直径dm(cm)= /4b03.5密封面接触宽度b(cm)b=0.20.4, 取0.40.4阀板宽bf(cm)bf= b0+2b2.3阀座环外圆d02(cm)d02= +b05.0阀座环内圆d01(cm)d01= -b02.0阀板环外圆df2(cm)df2=5.8阀板环内圆df1(cm)df1=dm-bf2.2阀板厚度(cm)=()0.9阀板厚度df (cm)5.4密封面面积Aj(cm2)=2b8.79试验系数K()按阿道尔夫试验取1.30允许关闭速度=30, 取1212最大升程h0max(cm)1.45面积比1.245当量系数1m查1中,图3-256.1系数K31.54系数K1K1=0.684KhK3()26.54弹簧初始安装力F0(g)224系数K411.5弹簧刚度C(g/cm)96.5弹簧最大工作力F1(g)F1= F0+Ch0max336阀上最大载荷Fmax(g)466.4弹簧的设计计算弹簧中径Dm(mm)按结构选取26弹簧指数Ch查1中,表3-3,17.3弹簧曲度系数Kn查1中,表3-21.08许用扭转应力(kgf/mm2)查1中,表3-4,按65Mn钢丝取30钢丝直径dh(mm)1.5剪切弹性模量G(kgf/mm2)查1中,表3-58000弹簧工作圈数i(圈)4弹簧总圈数i1(圈)i1=i+(1.52.0)5.5弹簧节距t(mm)9.5自由高度H(mm)H=(t-dh)i+( i1-0.5) dh38安装高度H0(mm)34.4钢丝展开长L(mm)434.8强度校核密封面比压校核Py(kgf/cm2) =14020025弯曲强度校核(kgf/cm2)250220第三节 活塞、活塞杆、活塞环一、活塞活塞与缸套（有的无缸套而直接与液缸体内壁）组成一对动密封、密封元件组装在活塞上。通过活塞的往复运动，交替地改变着工作腔的容积，借助于泵阀来实现泵的吸、排液过程。因此，要求活塞必须具有：1、良好的密封性能；2、足够的强度和刚度；3、活塞体与活塞杆、活塞环等的连结和定位应牢固、可靠；4、在保证密封的前提下，应尽可能减少摩擦和磨损，减少功率损耗提高使用寿命。（一）活塞的结构型式和选择 活塞的结构型式，按活塞与缸套密合状况可分为间隙密封活塞（迷宫式）、胀紧式活塞（活塞环活塞）、过盈封密活塞（软填料活塞）和自紧或自封式活塞（自封碗或硫化活塞）；按活塞体结构分为单端活塞和双端面活塞；按活塞体与活塞环等密封元件。装配型式分为整体式活塞和组合式活塞；按活塞轴向与径向尺寸之比可分为筒状活塞（轴向长）和盘状活塞（轴向短）；按活塞实际工作状况分为单作用活塞（对应单作用泵）和双作用活塞（对应双作用泵）。1、迷宫式活塞这种活塞结构简单，零件数量少。而迷宫槽除了增加水力阻力外，还有储存液体、润滑摩擦副的作用，故摩擦、磨损小，寿命长。但因靠间隙密封，配合面的尺寸精度高，光洁度也不低于0.4，造价则较高。只适用于排压不高，且输送纯净而有粘性液体的活塞泵上。 2、软填料活塞其填料通常用棉线、石棉、亚麻等纤维编织而成。装入缸套前应涂以油类或石墨等润滑剂，装入后把填料压紧，造成一定的过盈值。在运转时摩擦、磨损较大，通常只用于排压不高、送输液体温度较低的活塞泵上。3、自封式活塞自封式活塞是靠排出液体时本身的液压使密封碗唇部与缸套贴合。压力越高，贴合越紧，有自行调节密封的效果。可用于较高的排出压力，而且摩擦、磨损较小的泵上。但排出压力过低时，则不宜采用。4、胀紧式活塞胀紧式活塞是靠装配状态活塞环对缸套内壁的弹力进行密合的，部分磨损后可自行补偿。因活塞环可单独制造，活塞总体结构比较简单，因此，这类活塞应用较多。（二）活塞主要尺寸的确定 对盘状活才塞：H=（0.651.5）D cm=(0.651.5)8=5.5 cm活塞环槽轴向dk宽h与活塞环轴向宽同值,h=0.7cm第一道外环至活塞顶部轴向宽度h1: h1=1.2h =1.20.7 =0.84 cm 取h1=0.9cm环槽间外环轴向宽度h2: h2=(0.81.0)h =(0.81.0)0.7 =0.7 cm 取h2=0.8cm活塞环数Z主要取决于密封压差P,可按1中,表3-15Z=，选定Z=3。盘状活塞顶部厚度t确定：1） 单端面活塞当2 r11.6d,(r3- r2)0.8t时，可将活塞力分为两部分：一部分为作用在r2圆面上的力一部分为作用在(r3- r2)环面上的力由此在活塞毂部r2处产生的最大弯应力应为； kgf/或 cm式中 P= kgf作用活塞上的最大压差， kgf/;毂部半径，cm;活塞外圆半径，cm系数，由表3-16查出。许用应力：铸铁铸钢锻钢 表3-16 不同下的值0405060708010203057041028019012175113079115071041027012473281179=0.4 t=二、活塞杆活塞杆一端连接活塞，另一端连接十字头并经十字头把动力传给活塞。活塞杆与活塞大多采用锥面连接和凸肩连接，在特殊情况下也有采用活塞销连接者。凸肩连接时，活塞和活塞杆靠凸肩与螺母固定。应校核凸肩支承面挤压应力和螺纹的静力强度及疲劳强度。1、挤压应力校核凸肩处的挤压应力 kgf/cm2式中 Pmax最大活塞力，kgf； Af凸肩有效支承面面积，cm2 y许用挤压应力： 对铸铁y400 kgf/cm2 对钢y8001000 kgf/cm2 =170.67kgf/cm2y2、螺纹连接强度校核螺纹静力强度校核 式中 螺纹静力强度安全系数； 活塞杆材料的屈服强度，kgf/cm2； 查1中，表3-17 =3600 kgf/cm2 螺纹工作时产生的正应力，kgf/cm2； 旋转时产生的剪切应力，kgf/cm2； 静强度允许安全系数，1.53。 cm/kgf cm/kgf K=23 =625.4 kg =625.4+0.17301.4 =676.6 kgf = =1780.5 kgf/cm2 =146.58 kgf/cm2 = =2.0 （一）螺纹疲劳强度校核：螺纹强度应校核应力幅安全系数和最大安全系数n,式中 活塞杆材料的疲劳极限，kgf/,查表3-17 应力循环对称系数，它与材料的抗拉强度有关，查表3-18； 应力集中系数，查表3-19。因活塞杆螺纹多为细牙螺纹，故 建议按对应英制螺纹值选取； 尺寸系数，查图3-59。取=2100 =0。05 =2.9 =0.6最大应力 =17805 kgf/cm2最小应力 =1645.8 kgf/cm2应力幅 =67.4 kgf/cm2 疲劳强度校核时，安全系数的许用值取： =6.1 =1.39校核毂部的剪切应力： kgf/cm2式中 活塞毂部直径，cm(见图3-57和图3-58)； t活塞顶部最薄处厚度，cm,对双端面活塞应取两端面厚度之和; 活塞体外圆半径，cm; 许用应力，对铸铁。 kgf/cm2 = =106.3（二）活塞杆与十字头连接及主副杆连接活塞杆与十字头连接及主副杆连接大多采用螺纹连接，为此，活塞杆上应备有旋入螺纹用的滚花或铣方，旋紧后亦应同样加设防松措施。（三）活塞杆稳定性校核 稳定校核时，一般取十字头销中心到活塞中心为活塞杆长为l,并近似看为等截面细长压杆，压杆长度为式中 压杆长度系数，它与边界条件有关，当活塞杆为两端固定时，系数； L活塞杆 计算长度，cm; 断面最小惯性半径，cm. cm式中 近似认为活塞杆为等截面细长压杆的估算截面积，此处d即为估计等截面直径，cm; J截面惯性距，。对圆截面为：。活塞杆为圆截面，故： 三、活塞环活塞环多用灰铸铁制成，但也有用钢、铜、夹布胶木或塑料制成者。对于非金属制成的活塞环，为了增加弹力，需加弹性圈。活塞环均需开口，在自由状态下，其外径略大于缸套内径，使其在装配状态下具有弹力。活塞开口有直口、斜口（成45或60）和搭口三种形式。1、径向厚度t D =8 =0.3 cm2、轴向高（宽）度h h=(1.21.8)t =(1.21.8)0.3 =0.54 cm 取0.7cm3、开口热间隙 cm式中 活塞环工作时及常温时温度，一般计算时取 a活塞环材料线膨胀系数，对铸铁取。 cm =1.1 =0.027cm4、自由开口宽度A为保证活塞环对钢套内壁的比压 cm式中 活塞环在装配状态下对钢套内壁的比压，设计时可取：当D150mm时，当150时 E弹性模量。对铸铁活塞环： 当D70mm时，E=0.95 70300mm时，E=1.05活塞在自由状态下开口值A应为 A= cm cm = =0.93 cm A= cm =0.93+0.027 =0.95 cm活塞环强度校核1工作应力因活塞环外圆大于钢套内径，因此当把活塞环装入钢套后，外缘产生弯应力。最大弯应力产生在活塞环开口的对侧。 或 由此可见，与h无关，只取决于材料和几何尺寸。对铸铁活塞环的许用应力为：。 = =2133 2装配应力对整体式活塞，需掰开活塞环安装。活塞环内径被扩大到等于活塞外径，所产生的安装应力为： 因活塞环安装受力在整个工作中往往只有一次，且历时甚短，因此许用应力略大些。一般取： = =928.3 活塞环的弹力和弹性模数核算为了准确提供设计时采用的E和，可对现有活塞环测定弹力以确定比压和弹性模数量E。1颈向弹力Q当使得开口间隙正好为热间隙时，所加的颈向力为： kgf当用钢丝绕外圆一周，开口为时，用弹簧称测得的弹力W即为切向力，由此可求出弹力为： kgf kgf = =5.68 kgf2材料弹性模量E已知弹力，可得： 式中 E材料弹性模量，； Q颈向弹力，kgf； h轴向宽度，cm； A自由开口尺寸，cm； D活塞环外颈，cm； t颈向厚度，cm； = = 四、柱塞密封柱塞密封包括活塞杆密封，常用型式有压紧式填料密封，自封式密封和间隙密封等。对柱塞密封总的设计要求是：1、密封可靠、泄露量小，使用寿命长；2、摩擦、磨损少，消耗功率少；3、应适应泵的输送介质和使用条件。总 结本次毕业设计共绘制整机装配图一张、部件装配图一张、零件图十张、说明书一份，完成了电动往复泵液力端的设计。通过这次设计，对大学四年所学专业基础课和专业课程等均有了比较系统、全面的认识，同时也出现了许多的问题。在设计中通过查阅有关资料、手册，经过老师和同学们相互帮助，特别是指导老师的悉心讲解，克服了设计中的许多问题，顺利圆满地完成了此次毕业设计任务。通过这次设计，使自己树立了正确的思想，严谨求实的工作作风，培养了提出问题、分析问题、解决问题的能力，为我们将来在工作岗位顺利地完成任务打下了许多坚实的基础，使我们更早地成为合格的工程技术人员，为我国的机械行业作贡献。参考文献1 机械工业出版社,19872 吴宗泽.机械零件设计手册.北京:机械工业出版社,2003.113 王世刚.机械设计实践.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,20034 中国机械设计大典编委会.机械设计大典.南昌:江西科学技术出版社,2001.15 薛彦成.公差配合与技术测量.北京:机械工业出版社,1999.106 机械设计手册编委会.机械设计手册.北京:机械工业出版社,2004.87 杨连生.内燃机设计.吉林:中国农业机械出版社,19848 邱宣怀.机械设计.北京:高等教育出版社,19979 金大鹰.机械制图.北京:机械工业出版社,200210 吕慧瑛.机械设计基础.北京:清华大学出版社,200211 国家质量技术监督局.国家标准.GB/T1800-1998外文资料HEAT TREATMENT OF METALSThe understanding of heat treatment is embrace by the broader study of metallurgy .Metallurgy is the physics, chemistry , and engineering related to metals from ore extraction to the final product . Heat treatment is the operation do heating and cooling a metal in its solid state to change its physical properties. According to the procedure used, steel can be hardened to resist cutting action and abrasion , or it can be softened to permit machining .With the proper heat treatment internal ductile interior . The analysis of the steel must be known because small percentages of certain elements,notably carbon , greatly affect the physical properties .Alloy steels owe their properties to the presence of one or more elements other than carbon, namely nickel, chromium , manganese , molybdenum , tungsten ,silicon , vanadium , and copper . Because of their improved physical properties they are used commercially in many ways not possible with carbon steels.The following discussion applies principally to the heat treatment of ordinary commercial steel known as plain-carbon steels .With this proves the rate of cooling is the controlling factor, produces the opposite effect .A SIMPLIFIED IRON-CARBON DAGRAMIf we focus only on the materials normally known as steels, a simplified diagram is often used . Those portions of the iron-carbon diagram near the delta region and those above 2% carbon content are of little importance to the engineer and are deleted. A simplified diagram, such as the one in Fig . 2.1 focuses on the eutectoid region and is quite useful in understanding the properties and processing of steel.The key transition described in this diagram is the decomposition of single-phase austenite ()to the two-phase ferrite plus carbide structure as temperature drop . Control of this reaction ,which arises due to the drastically different carbon solubilities of austenite and ferrite , enables a wide range of properties to be achieved through heat treatment .To begin to understand these processes , consider s steel of the eutectoid composition , 0.77% carbon , being slow cooled along line in Fig .2.1 At the upper temperatures , only austenite is present , the 0.77% carbon being dissolved in solid solution with the iron . When the steel cools to 727, several changes occur simultaneously . The iron wants to change from the bcc austenite structure to the bcc ferrite Structure , but the ferrite san only contain 0.02% carbon in solid solution . The rejected carbon forms the carbon-rich cementite intermetallic with composition.In essence , the net reaction at the eutectoid is: Austenite ferrite +cementiteSince this chemical separation of the carbon component occurs entirely in the solid state, the resulting structure is a fine mechanical mixture of ferrite and cementite . Speciments prepared by plolishing and etching in a weak solution lf nitric acid and alcohol reveal the lamellar structure lf alternating plates that forms on slow cooling . This structure is composed of two distinct phases, but has its own set of characteristic properties and goes by the name pearlite , because of its resemblance to mother-of-pearl at low magnification.Steels having less than the eutectoid amount of carbon(less than 0.77%)are known as hypoeutectoid steels . Consider now the transformation of such a material represented by cooling along line y-y in Fig .2.1.At high temperatures , the material is entrirely austenite, but upon cooling enters a region where the stable phases are ferrite and austenite . Tie-line and lever-law calculations show that low-carbon ferrite nucleates and grows, leaving the remaining austenite richer in carbon . At 727C (1341F),the austenite is of eutectoid compositon(0.77%carbon)and further cooling transforms the remaining austenite to pearlite. The resulting structure is a mixture lf primary or proeutectoid ferrite (ferrite that formed above the eutectoid reaction )and regions of pearlite.Hypereutectoid steels are steels that contain greater than the eutectoid amount of carbon. When such a steel cools, as in z-zof Fig .2.1 the process is similar to the hypoeutectoid case, except that the primary or proeutectoid phase is now cementite instead lf ferrite . As the carbon-rich phase forms, the remaining austenite decreases in carbon content, reaching the eutectoid composition at 727C(1341F).As before, any remaining austenite transforms to pearlite upon slow cooling through this temperature.It should be remembered that the transitions that have been described by the phase diagrams are for equilibrium conditions , which can be approximated by slow cooling , With slow heating, these transitions occur in the revertse manner . However, when alloys are cooled rapidly ,entirely different results may be obtained , because sufficient time is not provided for the normal phase reactions to occur, In such cases , the phase diagram is no longer a useful tool for engineering analysis.HARDENINGHardening is the process of heating p piece of steel to a temperature within or above its critical range and then cooling it rapidly . If the carbon content of the steel is known, the proper temperature to which the steel should be heated may be obtained by reference to the iron-iron carbide phase diagram. However, if the composition of the t steel is unknown, a little preliminary experimentation may be necessary to determine the range. A good procedure to follow is to heat-quench a number lf small specimens lf the steel at various temperatures lf the steel at various temperatures and observe the results, either by hardness testing or by microscopic examination. When then correct temperature is obtained ,there will be marked change in hardness and other properties.In any heat-treating operation the rate of heating is important. Heat flows from the exterior to the interior of steel at a definite rate. If the steel is heated too fast, the outside becomes hotter than the interior and uniform structure cannot be obtained. If a piece is irregular in shape, a slow rate is all the more essential to eliminate warping and cracking. The heavier the section, the longer must be the heating time to achieve uniform results. Even after the correct remperature has been reached, the piece should be held at that temperature for a sufficient period of time to permit its thickest section to attain a uniform temperature.The hardness obtained from a given treatment depends on the quenching rate, the carbon content , and the work size, In alloy steels the kind and amount lf alloying element influences only the harden ability (the ability lf the workpiece to be hardened to depths ) lf the steel and does not affect the hardness except in unhardened or partially hardened steels .Steel with low carbon content will not respond appreciably to hardening treatments. As the carbon content in steel increases up to around 0.60%,the possible hardness can be increased only slightly, because steels above the eutectoid point are made up entirely of pearlite and cementite in the annealed state. Pearlite responds best to heat-treating operations; any steel composed mostly of pearlite can be transformed into a hard steel .As the size of parts to be hardened increases ,the surface hardness decreases somewhat even though all other conditions have remained the same. There is a limit to the rate of heat flow through steel. No matter how cool the same . There is a limit to the rate lf heat flow through steel. No matter how cool the quenching medium many be ,if the heat inside a large piece cannot escape faster than a certain critical rate, there is a definite limit to the inside hardness. However, brine or water quenching is capable lf rapidly bringing the surface lf the quenched part to it own temperature and maintaining it at or close to this temperature. Under these circumstances there would always be some finite depth of surface hardening regardless lf size. This is not true in oil quenching , when the surface temperature may be high during the critical stages of quenching.TEMPERINGSteel that has been hardened by rapid quenching is brittle and not suitable for most uses . By tempering or drawing, the hardness and brittleness may be reduced to the desired point for service conditions . As these properties are reduced there is also a decrease in tensile strength and an increase in the ductility and toughness of the steel . The operation consists lf reheating quench-hardened steel to some temperature below the critical range followed by any rate lf cooling . Although this process softens steel , it differs considerably from annealing in that the process lends itself to close control lf the physical properties and in most cases does not soften the steel to the extent that annealing would. The final structure obtained from tempering a fully hardened steel is called tempered martensite .Tempering is possible because of the instability of the martensite ,the principal constituent of hardened steel. Low-temperature draws, from 300to 400F(150-205C), do not cause much decrease in hardness and are used principally to relieve internal strains. As the tempering temperatures are increased, the breakdown of the martensite takes place at a faster rate, and at about 600F(315C) the change to a structure called tempered martensite is very rapid. The tempering operation may be described as one lf precipitation and agglomeration or coalescence of cementite. A substantial precipitation lf cementite begins at 600F(315C),which produces a decrease in hardness. Increasing the temperature causes coalescence lf the carbides with continued decrease in hardness. In the process of tempering, some consideration should be given to time as well as to temperature. Although most of the softening action occurs in the first few minutes after the temperature is reached, there is some additional reduction in hardness if the temperature is maintained for a prolonged time. Usual practice is to heat the steel to the desired temperature and hold it there only long enough to have it uniformly heated.Two special processes using interrupted quenching are a form of tempering. In both, the hardened steel is quenched in a salt bath held at a selected lower temperature before being allowed to cool. These processes, known as austempering and martempering , result in products having certain desirable physical properties.ANNEALINGThe primary purpose of annealing is to soften hard steel so that it may be machined or cold worked . This is usually accomplished by heating the steel to slightly above the critical temperature , holding it there until the temperature of the piece is uniform throughout, and then cooling at a slowly controlled rate so that the temperature of the surface and that of the center of the piece are approximately the same. This process is known as full annealing because it wipes out all trace of previous structure, refines the crystalline structure, and softens the metal. Annealing also relieves internal stresses previously set up in the metal. The temperature to which a given steel should be heated in annealing depends on its composition; for carbon steels it can be obtained readily from the partial iron-iron the partial iron-iron carbide equilibrium diagram. The heating rate should be consistent with the size and uniformity of sections, so that the entire part is brought up to temperature as uniformly as possible. When the annealing temperature has been reached, the steel should be held there until is uniform throughout. This usually takes about 45 min for each inch (25mm) lf thickness lf the largest section. For maximum softness and ductility the cooling rate should be very slow, such as allowing the parts to cool down with the furnace. The higher the carbon content, the slower this rate must
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