氨用小流量隔膜泵的设计与研究

氨用小流量隔膜泵的设计与研究摘要本文对现有隔膜泵进行了系统的分析和认识，从浅到深的开始对隔膜泵运送氨液进行设计。介绍了隔膜泵的结构和特性，分析隔膜泵输送氨液的可行性。建立隔膜泵膜片的有限元模型，利用有限元软件对膜片进行应力分析，以获得隔膜泵膜片的受力情况。 结合隔膜泵的发展，分析各类隔膜泵的优缺点，对隔膜泵的组成部分进行了，材料的筛选和参数的校核，使得设计的隔膜泵更具安全性以及耐久性。对隔膜泵运送氨水的特点选用特殊材料的隔膜，让隔膜泵的寿命有了显著的提高，在现在知道的隔膜泵形式中设计出了一种适合氨液输送的电动小流量隔膜泵。关键词：隔膜泵 氨液输送 电动机Design and Research of ammonia with low flow diaphragm Abstract:This paper analyzes the existing diaphragm and understanding of the system, from shallow to deep diaphragm began transporting ammonia solution design. The structure and characteristics of the diaphragm, the diaphragm analyze the feasibility of transporting ammonia solution. Finite element model of the diaphragm pump diaphragm, the diaphragm by finite element stress analysis software to obtain the forces diaphragm pump diaphragm. Combined with the development of diaphragm, analyzes the advantages and disadvantages of various types of diaphragm pumps, diaphragm pumps to be a part of, screening and checking the parameters of materials, making the design diaphragm pump more secure and durability. Ammonia delivery characteristics of diaphragm membrane selection of special materials, so the life of the diaphragm pump has been significantly improved in the form of a diaphragm pump that now devised a suitable liquid ammonia flow fed small electric diaphragm.Key word: Diaphragm、Liquidammoniatransport 、 ElectricmotorII 1 绪论11.1课题的来源和意义11.2隔膜泵的发展和工业应用11.2.1隔膜泵的发展历史11.2.2隔膜泵的工业运用21.3隔膜泵的简述及国内外的发展水平和趋势21.3.1国外隔膜泵的发展水平和趋势21.3.2国内隔膜泵的发展水平和趋势51.4本课题研究的内容和主要工作6本章小结62 隔膜泵结构和性能分析72.1隔膜泵的分类72.2隔膜泵的结构和工作原理72.3隔膜泵的结构特点82.4隔膜泵的核心技术82.5 液压隔膜泵结构分析9本章小结93 适于氨液运输的液压隔膜本设计103.1 柱塞的设计103.2涡轮蜗杆的设计103.2.1 蜗杆与涡轮的主要参数与几何尺寸123.2.2校核齿根弯曲疲劳强度133.3 偏心轴的设计153.4 泵头的设计15本章小结164 对隔膜泵膜片进行的有限元分析17本章小结195 结论与展望20致谢21参考文献22 III 1 绪论近几年来“雾霾”显然已经是最热词汇，对于雾霾的防治最好的方法还是减少化石燃料的燃烧使用。太阳能制冷是我校产业化的重要项目，对环境的污染基本为零。其中氨用小流量泵的选择既是其中的重要环节。本文在氨用小流量泵的背景下对氨用小流量隔膜泵的设计与研究。氨用小流量隔膜泵的设计与研究是对大学课程的一次大的集中的应用，系统综合的运用了专业基础知识以及专业知识。通过这次设计可以对自己这几年学习的情况进行一次全面彻底的检查，对自己所学的专业知识进行一次全面的融会贯通。其中曲柄连杆，电机的选择，零件布置，各种零件的配合，全方位的应用到材料力学、工程力学、几何公差，以及机械设计的基础知识。液压的控制与反馈是对流体力学，液压气压传动知识的应用。2D以及3D图的绘制，是对CAD，UG绘图能力的再一次提升。1.1课题的来源和意义近年来往复式隔膜泵应用越来越广泛，本课题以复式活塞隔膜泵DGMB系列为研究对象,采用SolidW0rks分析建模,利用同时分析样机的运动和受力情况,在此基础上运用有限元软件对隔膜的受力进行一定的分析。根据太阳能制冷用小型隔膜泵的特点,进行研究,在此基础上虚拟仿真隔膜泵的传动机构,其结果精度高、可靠性强。目前制约我国固液两相流管道输送系统发展的瓶颈问题是腐蚀介质、小流量、高运转率的输送主泵组,因此其装备和设计不得不依赖于外国,由于国外的技术封锁更加大了我国与先进国家的差距,因此必须开展多相流管道输送系统的研究工作。 通过仿真和分析虚拟样机得到隔膜泵整体的运动情况及隔膜泵中曲轴的受力和应力情况,确定引起故障的原因并提出解决方案。同时也为隔膜泵的进一步分析和优化提供参考数据。1.2隔膜泵的发展和工业应用1.2.1隔膜泵的发展历史往复式隔膜泵是往复泵的一种。往复泵是泵类产品中出现最早的泵。至今已经有2100多年的历史,曾在整个工业界都被广泛地应用。在十九世纪末期和二十世纪初期,德国的魏斯特法尔(M.WestPhal)和贝尔格(H.Berg)等人曾对往复泵技术的基础理论研究做出了杰出的贡献。贝尔格所著的活塞泵一书是当时关于往复泵原理和设计的权威性著作,这本书中有关泵阀运动的分析和公式,吸入与排出过程中液缸内压力变化的规律,吸入管中的惯性水头值计算等基础理论至今仍被引用。但由于旋转式原动机的出现,到了二十世纪中期,产生了后起的离心泵、转子泵等其他类型的泵,由于这些泵体积小、重量轻、通用性强、结构比较简单、操作比较方便等特点,在许多应用领域逐渐取代了往复泵。受此影响,往复泵的技术基础理论、设计及制造技术的研究发展工作处于长期停滞不前的阶段。特别是在基础理论方面,无论是与内燃机、活塞式压缩机等往复式机械相比,还是与离心泵等动力式泵相比,往复泵的差距都是相当大的。 目前,往复泵的产量只占整个泵类总产量的很少一部分。但是,往复泵的某些特点仍然是其他泵类所不及的,因而它的应用从来不曾完全被其他泵类所取代。往复泵的突出优点有可获得很高的排压,且流量与压力无关,适应输送介质十分广泛,吸入性能好,效率高,泵的性能不随压力和输送介质粘度的变动而变动。在当今世界能源紧缺的形势下,往复泵作为节能产品,在石油开发、管道输媒、煤气化工、电站派渣、矿山开采等方面都起着很重要的作用,而且在压力容器检测和实现现代化石油化工工业全面自动化运作等方面也是不可或缺的品种。 另一方面,由于往复泵在不同的场合所要求的流量、压力、功率和驱动、传动型式等均相差甚远,而且为了适应各种不同的特种介质和性能要求,泵的结构设计型式差别也非常大。从这个意义上说,往复泵在今日己不再是通用机械了。因此往复泵的设计制造应注意两方面:一方面要注意生产产品、工艺规模的发展变化,使各类往复泵更好地适应和满足生产部门的需要;另一方面各类往复泵之间仍需要相互借鉴和启发。往复泵的结构随着世界科技的进步而不断改进、它的动力端山蒸汽机发展到电动机、液压系统等,传动端也有曲柄连杆、凸轮等多种形式。发展历史较久技术较为成熟应用广泛的往复泵有蒸汽直接作用泵、旋转电机驱动的二缸单作用等,随着科学技术的发展,研究人员利用新技术、新工艺,以提高往复泵性能、可靠性、效率为目的研究出了气动隔膜泵、电动隔膜泵、液动隔膜泵等新型的往复泵。1.2.2隔膜泵的工业运用往复式活塞隔膜泵是近年来发展起来的一种较理想的往复式料浆泵,可输送各种料浆,如易燃、易爆、强腐蚀、易挥发、结晶、剧毒、具有放射性或对操作人员有害的介质。其中,固液两相介质的输送广泛应用于黑色、有色冶金、煤炭、电力、化工、建材、环保、矿山等诸多领域,其中输送泵是心脏设备。技术的不断进步导致了对输送流量大、输送压力高、输送高温、高磨蚀固液两相介质泵的需求。隔膜泵在石油化学工业中,合成橡胶、合成塑料、合成纤维、合成氨等生产设备中有关键地位。它与油隔离泵相比具有设计结构合理,控制系统可靠、运行平稳、噪声低、操作维修方便、易损件寿命长、有明显的节油、节电、节备件消耗等特点,综合了活塞泵压力高、坚固耐用,使得隔膜泵具有结构简单、耐腐蚀等优点,而克服了活塞泵活塞密封件易磨损的缺点。因而它的应用领域呈现越来越宽的趋势,经济效益和社会效益越来越显著。1.3隔膜泵的简述及国内外的发展水平和趋势1.3.1国外隔膜泵的发展水平和趋势国外长距离管道输送,传统是采用往复式泵,如柱塞泵、活塞泵等。这类泵结构较为复杂,维护困难,且由于矿浆直接进入泵体,使易损件寿命缩短,维修费用较高。五十年代末,日本日立制造所研制出第一台卧式水隔泵,用于远距离输送,获得成功。六十年代中,日本又研制出第一台立式水隔泵,用于氧化铝厂,又获得成功。七十年代后期,这种泵已有美国、加拿大、澳大利亚、西德、英国的专利登记号达数十个。1976年,由荷兰HOLTHUIS公司制造的第一台隔膜活塞泵问世,这种泵用橡胶隔膜把油液和矿浆分开,有效地防止了固体颗粒进入泵缸,因而其使用寿命较活塞泵和柱塞泵有显著提高,减少了维修费用。目前,由荷兰制造的“奇好”(GEHO)泵,即隔膜活塞泵,已遍及世界的十几个国家。国内外技术发展趋势:输送主泵组的性能要求越来越高;管路越来越长、越来越能适应复杂条件;(3)管径越来越粗;(4)检测手段控制技术越来越完善;(5)设计越来越智能化。一管道运输现己形成独立的技术门类和产业体系。它输送的主要是油品(原油和成品油)、天然气、煤浆以及其他矿浆等。在货物输送过程中,管道本身是相对静的,而通过输送设备驱动货物,通过管道将货物输送到目的地,它的优势在于可以连续地输送,受气候影响较小;运能较大;管道多埋于地下,一占地少;易于远程监控,自动化程度较高;油、气漏失和污染少;密封输送比较安全等。当然管道运输也有其自身的局限性,它承运的货种比较单一。随着油气资源的大规模开发,油气输量的不断增长为了提高输送能力和效率,管道的技术设备和技术水平日益提高,其发展趋势有以下几点:(1)以高新技术为手段,大规模开发边远地区的油、气资源,建设长距离、大管径、高难度的管道运输系统。美国在19751977年建设横跨阿拉斯加的输油管线,全长1287公里、管径1020毫米,年输送量己达1.3亿吨,管线位于冰冻带和地震活跃区,共穿越300多条河流和5条河流的泛滥区,穿过3座高山(最高海拔1400米);19801987年又建成纵贯阿拉斯加的输气管线。(2)随着机械电子工业的进步将会使现代化管道输送系统向通信、临控的自动化方向发展,管道、泵站的运行操作也从70年代中期的模拟临控向80年代的数字监控发展,即逐步走向采用微型计算机监控和数据采集系统,大大提高了管道输送系统的自动化水平和经营管理水平。(3)低阻高浓度的输送有着广阔的发展前景。用泵送时能耗显著降低,只要浓度提高10%28%,就能节约电能30%83%;高浓度输送时临界流速较小,可以使输送很可靠;可以有效降低耗水量,减少污水处理量和新水供应量,节约了新水水源、供水设备和电费,对缺水地区意义重大;高浓度输送能大大减小浆体的排放总量,从而管径、泵的容量、电机容量、耗水量与其附属设施都可缩减;胶结充填时,提高浆体浓度就可以使充填体强度明显增大,从而减轻水泥的离析,降低水泥的耗用量,降低充填成本。(4)近几年开始出现一种新颖的管道输送技术,那就是膏体泵送技术,它目前主要应用于金属矿山的充填,并具备如下优点:不必构筑复杂和费用高的档墙,矿山排水费用大大减少,充填体由于水泥不离析而强度高,水泥耗用量减少40%60%,养护时间明显缩短。很有可能成为未来充填的发展方向。(5)管道输送需要消耗大量的水,水资源本来就有限,而在很多情况下产煤地和其它矿产资源产地又往往缺水。为了解决这一问题,国外一直在研究和试验其他运输载体,其中甲醉和合成液体燃料最有发展前途,受到德国、美国、原苏联、加拿大、英国、法国、波兰等国家的高度重视。用煤生产甲醇的成本接近或低于用天然气生产甲醉。由于甲醇的粘度只有水的1/22,因而在管径相同,能耗大体相当的情况下,管道以甲醇为载体的运输效率要比水力运输的效率高40%-45%。西欧计算了用不同运输方式输送相当于460万吨煤的动力资源运输费用。运送距离为350,600,功00km。运输方式有铁路、内河、管道和高压输电线等。结果表明,以煤甲醇混合物方式输煤的成本只相当于最强竞争对手的30%35%。根据美国、原苏联等国家对煤浆管道所作的一系列技术经济比较,可以得出如下结论:管道输煤具有无可争议的技术经济优势,是一种经济、安全、无污染、无损耗的运输方式,以甲醇为载体的输煤成本最低。(6)油、气外,还在发展输送煤炭、矿石、粮食等大宗散货,甚至研究在大口径管道中配备形似集装箱的车厢来输送旅客,以扩大管道的输送功能。近几年来,管道输送煤浆技术已有新的突破,煤浆脱水技术大为提高,排放出的废水可完全符合环保要求,将水分降至10%以下的水煤浆混合物投进锅炉,可比干煤燃烧得还要充分。管道输送高浓度水煤浆悬浮在技术上已达到工业化的成熟阶段。据美国的研究资料,管道输煤要比铁路运煤的基建投资、钢材耗量以及单位运输费用都降低不少。然而,对于长距离的浆体管道运输,缺乏实践和研究,制约了浆体管道应用技术的迸一步发展。由于我国待开发的固体矿产资源逐步向西部转移,开采、运输的难度越来越大,在很大程度上制约了西部资源的开发利用和经济发展。发展长距离的多相流管道输送系统技术势在必行。为此,冶金矿山行业早在80年代初期就开始对长距离铁矿浆管道输送工程应用技术的研究,同时我们国家积极引进先进技术和装备,大力发展长距离的浆体管道输送技术。国外隔膜泵的制造商为数不多,有荷兰HOLTHUIS公司、德国WrrHER、EMME班CH、FELUMA公司、加拿大的WILSONSNYDER公司。其中HOLTHUIS公司在全世界的市场占有率最高。wiTHER公司、WILSONSNYDER公司近年的市场份额聚减,产品竞争力削弱。EMME租CH公司的产品集中在氧化铝市场。一FELUMA公司的产品处于市场推广阶段。HOLTHUIS公司近年相继推出大流量、高压力的泵型,在计算机控制、易损件寿命、动力端结构、安全可靠操作方面较大的提高。wIT现R公司、WILSoNsNYDER、EMMERICH公司近年未见有新产品的推出。FELUMA公司推出的软管一隔膜泵在结构及原理上有较大的突破,是又一发展方向,目前只是缺少更多的工业实践,以完善提高,进一步占领市场。俄罗斯的一种来油设备是低排量电动潜油隔膜泵。该泵在低排量下具有很高效率,该泵将电动乌达的旋转运动变为柱塞的短行程的往复运动,然后传递给橡胶隔膜。该泵具有一个游动阀和一个固定阀。由于运动部件不与井液接触,故可用于高含砂、含水井、斜井和含玩S的井。美国wARRENRl甲P气动隔膜泵是世界上首家获得1509000质量证书的专业隔膜泵制造厂。在气动式双隔膜的世界市场上居于先驱地位。sANDP印ER泵广泛应用于石油化工、水处理、食品工业、机械制造、造船、制药、油漆等领域。其特性为完全自吸式、无密封、千转可变流量及扬程、可选择出口、无马达且防爆、可处理磨损性物体及高粘度物质。美国wiLDEN泵业公司开发了世界上第一台气动隔膜泵WILDEN气动隔膜泵已成为隔膜泵行业中的标准,占全球市场份额的55%。美国GRACO(固瑞克)公司的气动隔膜泵,世界最大的齿轮泵制造商之一;丹麦ROTAN公司的内啮合齿轮泵、英国MONO公司的单螺杆泵及水处理仪表等。管道输送的运输方式,在国民经济中占有越来越重要的地位。自六十年代以来,许多先进工业国家相继成立了浆体管道设计系统公司,如美国的柏克特公司(BECHTEL)、管道系统公司(PSI)、德国的萨尔茨吉特公司(SALZGITTER)等,使浆体管道系统从设计研究阶段,进入到了实际应用阶段。据不完全统计,世界上已有近二十多个国家建成了近百条长距离输送管道,总长度近4000公里,其中较为著名的有1976年澳大利亚的萨凡奇河铁精矿输送管道,长85公里,外运矿250万吨/年。1977年巴西的萨尔柯铁精矿管道,长400公里,管径达500毫米,年输送能力为1200万吨。日本松浦火力发电厂开发的高浓度粉煤灰浆体输送系统,于1992年在松岛发电厂、石川发电厂实际运行,该设备将原有处理设备中回收的粉煤灰与海水混合成高浓度状态,输送到排灰厂。1.3.2国内隔膜泵的发展水平和趋势隔膜泵是近年来发展起来的用于浆体长距离、高浓度输送的新技术,在国内外己取得成功。我国隔膜泵应用技术获突破性进展,我国隔膜泵市场过去几乎由荷兰的HOLTHUIS公司占领,由于其产品价格昂贵,大大限制了该产品应用领域的拓展。因而来自东北大学、清华大学及国家权威部门组成的评审小组专家建议,应在全国大力推广隔膜泵系列产品,除了目前应用的领域外,还应加快其在环保、煤炭、轻工行业以及化工、冶金、矿山等行业其他领域的开发及应用,并争取早日打入国际市场。沈冶机械公司早在20年前就开始进行隔膜泵技术和产品的研制。1992年,该公司通过引进、消化、吸收、再创新开发的具有自主知识产权的隔膜泵系列产品,使固液两相介质的输送设备国产化实现了新的突破。进入2000年之后,该公司在国内首次研制成功的浆体管道化输送核心设备SGMB系列隔膜泵获辽宁省科技成果二等奖。该公司还应用有限元分析理论,建立了系列隔膜泵的力学参数及优化模型,提升了设计技术水平和可靠性;采用可编程集中控制技术,提升了隔膜泵系列产品的技术优势。通过在宝钢梅山矿业公司等冶金、矿山、有色金属领域的应用,每年节水约5OOOOO,节电约1014000千瓦时,节省人工支出费用70多万元,其技术优势已经转化为市场优势。现在,该公司隔膜泵系列产品有3项技术获得国家专利,累计为国内1。多个行业提供了200台产品。近年,沈阳冶金机械公司推出了SGMB、DGMB系列隔膜泵,其份额大幅度上升,竞争力明显加强,己成为HOLTHUIS公司、EMMERICH公司、FELUMA公司的强有力的竞争对手。2003年4月6台SGMB16O/7型隔膜泵一次性在鞍钢集团鞍山矿业公司东鞍山烧结厂投入试生产,经过8个月的生产运行表明:隔膜泵作为选矿工艺中输送尾矿浆是十分理想的设备,该泵本身具有高效、节能、工作可靠、噪音低的特点,机械性能优越,运行稳定。整个系统安全可靠,达到设计要求和预期效果。杜绝了生产废水的外排,回收了尾矿库的溢流水,节约了大量的水资源,其经济效益和社会效益是非常显著的。预计到2010年,工业泵行业工业总产值预计达到180亿元,销售收入达190亿元,是2000年的150%。行业经济效益将得到明显的提高。1.4本课题研究的内容和主要工作本课题的目的是结合氨用隔膜泵的特点，对现有的隔膜泵进行分析、计算。仿真传动机构。需要解决的关键问题是:换向机构的合理布置和隔膜的有限元分析,并对整体模型动态仿真。主要工作如下,(1)对隔膜泵全面了解和分析传动机构受力情况。针对隔膜泵的核心技术,研究各参数对隔膜泵转数及受力等的影响。(2)建立隔膜泵的虚拟样机模型。建立隔膜泵虚拟样机模型,并进行曲轴、连杆和十字头等零件的装配。在建模和装配的过程中,曲轴、十字头、连杆等一些零件使用的冶金机械厂提供的solldwork记S模型,考虑隔膜泵的实际结构和工作特点以及在后续的ADAMS仿真过程的要求,提高仿真速度,适当合理简化了箱体和轴承模型中的一些细节。(3)曲轴的有限元分析。对模型进行ANSYS分析,将最大载荷加载到曲轴模型上,检验曲轴受力变形情况以及危险界面的位置等。(4)隔膜泵的虚拟样机仿真分析。在隔膜泵虚拟样机模型的基础上,结合机械动力学仿真软件.ADAMS,建立系统整体的虚拟仿真模型;对系统整体运动情况进行仿真,输出系统整体的虚拟运动过程,以及各种参数的变化曲线。本章小结前期准备查阅相关资料对隔膜泵有基础以及深入的了解，为液压系统和转向系统设计打下基础。了解隔膜泵的发展让设计思路更加明确避免了一些错误的发生。本章节确定了设计的基本内容和任务，知道要为开始设计做哪些必要的准备。2 隔膜泵结构和性能分析2.1隔膜泵的分类隔膜泵是指在泵的液力端设一个隔膜,其周边紧固呈静密封,由它把输送介质与作用于隔膜且使其不断循环弯曲变形的机械或工作介质隔开,使输送介质既不外漏也不与其作用动力部分混合的一种无泄漏泵。隔膜形状有薄板圆形,筒状或波纹管状等;其材料可以是非金属的,也可以是金属的。常见的隔膜泵有往复式机械作用与液压作用隔膜泵。液压作用计量泵,直动对置式机械作用隔膜泵,回转式环形隔膜泵等。2.2隔膜泵的结构和工作原理一台完整的往复式活塞隔膜泵系统由传动系统、动力端、液力端、液压辅助系统、进出口压力流量稳定系统、集控系统和消振装置组成。结构形式有液压活塞单双作用、液压缸数、活塞的立卧式运动。隔膜泵的结构形式一般以双缸双作用卧式、三缸单作用卧式、多缸单作用立式等较为平常。输送介质性质包括输送介质的密度、粒度、粘度、酸碱度、磨蚀性、温度和重量浓度等指标。隔膜泵的核心技术由隔膜技术、活塞密封技术、自动化控制技术组成。隔膜寿命受三方面因素制约。一是隔膜的受力状态,要使受力仅受由产生弯曲变形;二是隔膜的几何尺寸,防止应力集中保证密封可靠;三是隔膜的材质。隔膜的最佳力学模型是无力矩薄膜受力假设,只受弯曲应力而不受拉伸变形,避免产生“S”变形。在泵的设计中采用三种措施来加强隔膜:(l)合理进行隔膜室的腔设计,减少隔膜运动变形时液压液的冲刷磨蚀;(2)在隔膜中心加设拉杆和补强板,避免“S”变形和鼓胀破坏;(3)通过检测补油情况,进行补油,利用强制补、排油措施来避免。隔膜泵通常由两部分组成。一部分直接输送液体,把机械能转换为液体压力能的液力端,另一部分将原动机的能量传给液力端的传动端。液力端主要有液缸体、活塞(柱塞)、吸入阀和排出阀等部件。传动端主要有曲轴、连杆、十字头等部件。隔膜泵最适合于高扬程和低流量的场合,其功率范围在0.01一103kw。机械驱动的隔膜泵由于隔膜同时受到挠曲和不同压力的作用,因此机械驱动隔膜泵被限制用于低压泵。不同的压力会引起隔膜的弹性变形,并且影响到诸如应用这类泵的测量装置的性能。从而限制了机械驱动隔膜泵的应用功率约低于1一2kw。电动机通过减速机驱动曲柄滑块机构,将旋转运动变为直线运动,带动活塞往复运动,活塞借助油介质使橡胶隔膜(以下简称隔膜)凹凸运动,隔膜室腔内容积周期变化,完成矿浆输送。由于在泵的液力端增设一个隔膜,其周边紧固呈静密封,由它把输送介质与作用于隔膜且使其不断循环挠曲弹性变形的机械或工作介质隔开,使输送介质既不外漏也不与其作用动力部位混合。活塞、缸套、活塞杆等运动部件不与矿浆直接接触,避免了矿浆中磨砺性很高的固体颗粒的磨损,保证了这些运动部件的使用寿命。与矿浆直接接触的只有隔膜,进出料阀件。隔膜泵具有结构简单、耐腐蚀等优点,克服了活塞泵活塞密封件易磨损的缺点,隔膜的使用寿命很长达8000小时,既可称为易损件,也可称为定期更换件;真正的易损件仅为进出阀。通过设计合理的结构,可使阀件、隔膜更换迅速、方便。这样从隔膜泵结构上而言,就可以保证较高的连续运转率和较低的运行成本。2.3隔膜泵的结构特点:(1)隔膜泵所输送的介质和液缸之间是用隔膜隔开。输送介质不会外漏。因此,隔膜泵适用于输送易燃、易爆、强腐蚀、易挥发、结晶、剧毒、恶臭、具有放射性或对操作人员有毒的介质。(2)为了克服隔膜的弹性变形,液压隔膜泵在柱塞的吸入过程中需要一定的能量,因此,在同样条件下的吸入性能低于一般的柱塞泵。(3)相对于柱塞泵来说,隔膜泵的余隙容积比较大。因此,流量系数较低,且随排除压力的增加其影响增大。隔膜泵的隔膜是在周期性的弹性变形下工作,为了保证隔膜有足够的疲劳寿命,要限制隔膜泵的往复次数,隔膜的弹性变形要小,隔膜的行程容积不可能很大,否则其径向尺寸会很大隔膜泵的结构比活塞泵复杂,且使用、维修的技术要求也高。粘度无关;当泵每分钟往复次数一定时,泵的流量也一定。提高往复次数可以缩小往复泵的体积,减轻往复泵的重量。但是往复泵的往复次数并不是可以无限的提高,对特定的往复泵来说,当往复次数超过某一范围后就会使阀板在落到阀座上时产生撞击,引起振动,阀门很快磨损,使往复泵不能正常工作。隔膜泵的扬程取决与其中工作的装置的特性,只要原动机有足够的功率,往复泵有足够的强度以及相应的密封能力,活塞就可以把液体排出。泵有良好的自吸能力,即泵在一定的安装高度下,不需要灌泵就可以在规定的时间内启动并达到正常工作状态。泵的效率很高。隔膜泵也存在一些缺点,泵的流量小,转速比较低,结构比较复杂。2.4隔膜泵的核心技术隔膜泵的核心技术主要是由隔膜设计基本理论及制造、进、出料阀的设计基本理论及制造技术、进、出料补偿基本理论、活塞密封的制造技术、大功率动力端设计理论及制造技术、自动化控制技术等组成。其中隔膜设计基本理论及制造、活塞密封的制造技术、自动化控制技术与其他往复泵不同。进、出料阀的设计基本理论及制造技术、进、出料补偿基本理论、大功率动力端设计理论及制造技术在近年有长足的进步。隔膜设计基本理论及制造技术由隔膜的几何尺寸、隔膜的受力状态控制、隔膜的材质三部分组成。显然,隔膜的技术涉及学科很多。在设计方面,有隔膜材料的力学性能计算、实验测试,隔膜的受力状态的监测、检测,隔膜与活塞之间的油量液压调整,PLC对检测传感器、液压元件的程序控制。在制造方面,有隔膜的材质配方及制造工艺、检测传感器的精度及可靠性、液压元件的精度及可靠性。无论是设计、制造、元器件的选型,均影响隔膜的使用寿命,从技术角度而言,难度及复杂性都是很高的。活塞密封性能决定了隔膜与活塞之间的油量的变化程度,密封性好,油量变化小,隔膜的受力状态稳定,对隔膜的使用寿命影响小。自动化控制技术是指为保证隔膜泵运行可靠性,将其曲柄滑块机构的润滑、冲洗及工作压力、隔膜行程的检测调整以及流量调整的控制由PLC及变频调速装置来完成,并通过人机对话界面实现隔膜泵的运行。隔膜泵总体简图设计如下：2.5 液压隔膜泵结构分析液压隔膜泵比机械隔膜泵多了一个液压室和一个液压油杯， 液压油推动膜片往复运动,如图(2-1)。液压油杯中有三个阀：（1）自动补油阀：泵在运转 过程中，柱塞泵密封处的泄漏是不可避免的，因而液 压室内油量会逐渐减少，要及时地补充泄漏的油，以 保证泵的正常工作；（2）放气阀：在向液压室灌油时， 打开放气阀， 起到排出液压腔内气体的作用；（3）安全阀： 当液压室内油量补得过多或在排出管路中发 生异常的压力升高时，安全阀起跳，可以保护隔膜和泵体头不致破坏。由于液压隔膜泵能达到 10 MPa 以上的压力， 达到 60 L/h 的流量，所以把液压隔膜泵运用到汽车 上是可行的。但由于液压隔膜泵的体积很大，必须对 液压隔膜泵进行设计才能达到车用化、小型化的效果。 图2-1液压隔膜泵本章小结本章首先简要介绍了隔膜泵的结构和工作原理以及隔膜泵的主要性能参数和隔膜泵的特点,论述了隔膜泵各部分组成以及特点,然后对隔膜泵整体进行了分析，初步确定了隔膜泵的设计思路，为下面的设计打下了基础。 3 适于氨液运输的液压隔膜本设计根据电动机的特性，该装置采用蜗轮蜗杆减速机构，蜗杆前端装有齿轮，通过与正时齿轮的啮合作用输入动力，经蜗轮蜗杆减速增矩后，传到偏心轮上，偏心轮驱使柱塞向右运动，柱塞向右运动到极限位置后，通过弹簧复位。柱塞在缸体内往复运动，使后腔内油液产生脉动力，推动聚四氟乙烯膜片来回鼓动，在阀的启闭作用下达到吸排液体的目的。3.1 柱塞的设计初步确定已知参数：泵头输出压力 P=10；输出流量 =40 L/h；容积效率为 =0.93；电动机输出功率为 =2 kW，转速 n=8501 500 r/min。由上述参数可知理论流量为=/=43 L/h。 根据科宇机械公司车间现有的设计经验，初步选择的柱塞直径 D=30 mm，柱塞行程 s=22 mm 进行验算。 当电动机的转速为 n =850 r/min 时，= 0.25D2sn=44 L/h43 /h; 当电动机的转速为 n =1 500 r/min 时 ， = 0.25D2sn=76 L/h43 L/h 满足流量的要求， 故确定柱塞直径 D=30 mm，柱塞行程 s=22 mm。3.2涡轮蜗杆的设计蜗轮蜗杆减速机构设计是本设计的关键，关系到柱塞行程及最后的输出压力。 其设计原则是在满 足强度和力矩的情况下，尽量缩小尺寸。 考虑到蜗杆的传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢，其中 i 表示 传动比，表示涡杆齿数，表示涡轮齿数， 表示传动效率。1）选择材料和加工精度 考虑到蜗杆的传动功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢，芯部调质，表面渗碳淬火，硬度为 4555HRC；蜗轮用铸锡青铜 ZCuSn10P1，砂模铸造；加工精度 8 级。 2）初选几何参数 当 i=18，=i=182=36；3）估算传动效率 =（100-3.25i1/2）=（100-3.5181/2）=85 计算涡轮输出转矩 ： =9550P/n2=9550Pi/n1=955020.8518/800 Nm=365 Nm4)确定载荷系数K因工作较载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数;由表3-1选取使用系数;由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数表3-1 使用系数工作类型IIIIII载荷性质均匀、无冲击不均匀、小冲击不均匀、大冲击每小时起动次数50起动载荷小较大大11.151.25）因选用的是铸锡磷青铜涡轮和钢涡轮和钢蜗杆相配，故。确定接触系数先假设分度圆的直径和传动中心距的比值，从图3-1中可查得。6)确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度，可从圆柱蜗杆传动的接触面系数ZP中查得蜗轮的基本许用应力=268应力循环次数7)寿命系数 则 表3-2铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度小于等于45 HRC大于45铸锡磷青铜ZcuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡铅青铜ZcuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造1281408)计算中心距取中心矩，因i=18，故从机械设计表11-2 普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与蜗轮参数的匹配，中取模数，蜗杆分度圆直径这时从图3-5中可查得,因为,因此以上计算结果可用。3.2.1 蜗杆与涡轮的主要参数与几何尺寸（1） 蜗杆 轴向齿距；直径系数；齿顶圆直径；齿根圆直径；分度圆导程角；蜗杆轴向齿厚。（2） 涡轮 蜗轮齿数变位系数； 验算传动比 这时的传动比误差为，是在允许范围之内的。 蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗轮咽喉母圆直径 3.2.2校核齿根弯曲疲劳强度当量齿数 根据从机械设计图11-19中查到齿形系数。螺旋角系数许用弯曲应力从表3-3中查出ZcuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力表3-3 蜗轮的基本许用弯曲应力 单位：蜗轮材料铸造方法单侧工作双侧工作铸锡青铜ZCuSn10P1砂模铸造4029金属膜铸造5640铸锡锌铅青铜ZCuAl10Fe5Zn5砂模铸造2622金属模铸造3226铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3砂模铸造8057金属模铸造9064灰铸铁HT150砂模铸造4028HT200砂模铸造4834寿命系数弯曲强度是满足的。3.2.3 验算效率已知与相对滑动速度有关。从机械设计表11-18中查出得带入始终得，大于原估计值，因此不用再次计算。3.2.4 精度等级公差和表面粗糙度的确定 考虑到所涉及的蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速装置，从GB/T 10089-1988圆柱蜗杆，蜗轮精度中选择8级等级精度，侧隙种类为f，标注为8f GB/T 10089-1988。然后由相关手册查到要求的公差项目及表面粗糙度。蜗轮蜗杆设计图如下：3.3 偏心轴的设计设计的偏心轴由轴和偏心轮组成， 为了装配方 便，将偏心轮和轴加工为一体。偏心轴的设计核心是 依据偏心矩确定轴各段尺寸。 表示传动轴的传动效率。 偏心距为柱塞行程的一半;即偏心距 e=0.5s= 11 mm；则偏心轮上的转矩 =3650.95=346.8 Nm； 柱塞截面积 S=0.25=0.253.140.09=7.1 104 ；当输出的压力为P=10 MPa 时， 柱塞输出的力 F=PS=1077.110-4=7.1103 N； 当小轮与偏心轮上距轴心最远点接触时， 传动 到柱塞上的力最小为 Fmin。 按照设计要求， 有 = /（e+R） 7.1 N （R 为凸轮圆盘的半径），解得 R0.0404 m。 在设计中，设计的凸轮半径为 35 mm；3.4 泵头的设计：根据膜理论隔膜（如图 3.41）的厚度很薄，可以近 似地把弯曲刚度视为零，即在弹性变形时弯曲对隔膜的平衡影响忽略不计。 外载荷由作用在曲面中拉 力来维持平衡，如同薄膜一样，通常称这种隔膜为 绝对柔韧的（一般为橡胶或塑料等制造的）非金属 隔膜。 对于绝对柔韧隔膜， 隔膜离开中间位置向两个方向弯曲时所包围的容积为： V=W 图 3.41 隔膜1)式中：R 为隔膜半径，W 为隔膜中心挠度。 2)根据平板隔膜设计原则可知： 平板隔膜行程应 小于等于隔膜直径的 10%（一般在 7%9%之间，取8%），即最大挠度变形量 满足： 式中：Dm 表示隔膜直径。 柱塞一冲次所排出的液体容积为： =s0.25302=4 950 mm3； 隔膜腔空积 为：； 由于工作腔、液压腔都 充满液体，而且液体不可压缩，所以柱塞一冲次所排出的液体容积应等于隔膜腔的容积。即 ，； 求得 R=45 mm，取隔膜直径 mm； 平板隔膜的最大偏移量 8%Dm/2=8%90/2 mm=3.6 mm，满足隔膜变形要求。由此可以设计泵头的尺寸。另外三阀装置是直接采用 J-X 液压力隔膜泵上的三阀。本章小结本章对液压隔膜泵的各部件进行了设计以及计算，包括柱塞、涡轮蜗杆、偏心轴、泵头。以及对涡轮蜗杆的传动进行了校核，通过本章的计算液压隔膜泵的设计基本完成，下一章我们重点对隔膜泵的隔膜进行有限元分析。 4 对隔膜泵膜片进行的有限元分析在 Ansys 前处理模块下， 根据膜片的尺寸和厚度等参数，建立隔膜泵膜片的模型， 其为轴对称结构，在 Ansys 软件下通过 GUI 方式或者命令流方式 建立简化模型，如图 4-1所示。图4-1 隔膜在建立完模型后对其进行网格划分， 考虑到膜 片的结构以及外形， 采用 mapped 映射网格划分类型，单元网格尺寸为 10，如图 4-2所示。图4-2 隔膜泵的网格划分对膜片施加位移约束和荷载， 因为膜片腔的最 外围边线被固定，故理想情况下，模型中外围边线上 的所有结点在所有自由度上都被施加零位移约束，而其他线上所有结点施加荷载，并施加位移约束，如 图4-3所示。图4-3 隔膜周边约束及施加载荷力视图图 4-4为施加位移和荷载以后计算的结果变形 图，其中虚线表示计算前的形状及位置，对比计算前 后可以看出， 膜片在受到外力的作用后发生挠曲形 变，膜片在 Y 方向上发生位移变化，膜片空间受到 挤压变形使得膜片腔内压强增加，体积缩小，从而使得膜片腔内液体产生流动。图4-4 施加载荷后的变形图本章小结本章对隔膜泵的重要组成部分隔膜进行了有限元分析，对隔膜的受力，挤压变形、位移情况做了详尽的模拟。验证了的可靠性以及用在隔膜泵上的可行性。5 结论与展望通过计算及膜片的有限元分析， 结合柴油机喷 油泵的特性，采用二甲醚可控预混合燃烧的条件下， 本文设计的隔膜泵是可以作为柴油机代用燃料喷油 泵的。采用低压喷射技术，可使用隔膜泵替代常规柴油机的高压油泵作为燃料加压泵。 隔膜泵自身有润 滑系统，不需要依赖被加压的介质来润滑，其柱塞偶 件的润滑也很容易实现； 且隔膜泵的加压部分和燃 料被隔膜泵完全隔开， 因此不存在燃料从柱塞偶件 间隙泄漏的问题。 但要实现 DME 隔膜式喷油泵走 向实用化还需要解决两个基本问题：（1）柱塞及弹簧 的弹力在设计中是忽略不计的，要通过建模、仿真来 进一步分析；（2） 采用的是凸轮机构进行传动的，在 设计中采取了近似处理， 要达到实用化的要求就要 对凸轮扭矩的变化进行理论计算及分析。 致谢这是我们大学生涯最后一个有关机械的专业设计，终于在各位老师的指导下顺利完成。从设计说明书到最后的大图绘制，都有导师的指点与教诲，也有同学的互相帮助。借这次机会感谢施老师和其他老师及同学给予的帮助。同时也感谢机械工程学院的各位领导和老师四年来对我们的辛勤培育与教导。匆匆四年，转瞬即逝。感谢母校四年伴我一起，让我学会了专业知识的同时，更加学会了自我素质的提高；感谢所有在大学期间给予我知识的老师；感谢伴我一起始终默默支持我的同学以及舍友小伙伴们。谢谢你们！ 参考文献1 左承基，钱叶剑，谈健，等.一种基于液化燃料的电控共轨 式喷射系统J.内燃机学报，2002，（6）：481-486. 2 王贺武，周龙保，陈鸿雁，等.柴油机燃用二甲醚的燃烧特 性J.燃烧科学与技术，2000，（3）：200-204. 3 胡真，郑国章，杨庆佛.ZS195 柴油机燃用二甲醚的试验 研究J.内燃机工程，2001，（1）：62-65. 4 凌学勤.往复式活塞隔膜泵的技术参数及核心技术J.机 电产品开发与创新，2006，19（5）：45-48. 5 从恒斌，陶自强.隔膜泵隔膜行程控制系统J.煤矿机电， 2006，（4）：59-60. 6 张光德，黄震，乔信起，等.二甲醚燃料喷射过程的试验研 究J.内燃机学报，2002，5. 7 张生昌，牟介刚，张华军.外环流活塞泵转子型线对汽蚀 性能影响的研究J.农业机械学报，2005，36（12）：71-73. 8 朱俊华.往复泵及其它类型泵M.北京：机械工业出版 社，1982.9 Seyboth K, Beurskens L, Langniss O,et al. 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