二氧化碳液体泵设计按模板的样子计算

浙江工业大学毕业设计 本科毕业设计论文题目：二氧化碳液体泵设计二氧化碳液体泵设计浙江工业大学机械工程学院摘 要二氧化碳液体泵是往复式活塞泵的一种，是种低温液化分离设备输送高压液体的专用机械。本设计的设计参数为：最大出口压力为10MPa，进口压力为1.52.4MPa，工作流量为1200L/h，功率为5.5KW。基于相关设计参数，本设计提出了低温二氧化碳泵的设计方案，设计了二氧化碳泵的总体结构，分析了性能参数，计算了零部件结构的安全性以及部分工艺参数。关键词：二氧化碳液体泵 低温 高压 往复泵The Design of Cryogenic Pump for Liquid CarbondioxideStudent:Liyong Xu Advisor:Dr. Lihua Liang Dr. Xiaogui.WangCollege of Mechanical Engineering Zhejiang University of TechnologyAbstractCryogenic pump for liquid carbon dioxide is one kind of reciprocating piston pump, which is used for separating low-temperature liquid and transporting high-pressure liquid.The design parameters of the cryogenic pump for liquid carbon dioxide are 10MPa of the largest export pressure, 1.5 2.4MPa of the import pressure, 1200L/h of the flow flux, 5.5KW power. Base on the corresponding design parameters, the design scheme of the low-temperature carbon dioxide pump is presented in this paper firstly. The structure and the performance parameters of carbon dioxide pump are then studied. Finally, the safety evaluation of the parts and components are made, as well as some technique parameters are designed.Keywords: Cryogenic pump for liquid carbon dioxide; Cryogenic; High pressure; Reciprocating pump目 录摘 要iAbstractii第一章 绪论11.1 引言11.2 往复式活塞泵的工作原理及研究现状11.3 方案设计2第二章 主要结构参数的选择及原动机的确定42.1 主要技术参数的原始资料42.2 基本尺寸的确定42.3 吸入和排出管内径的选择42.4 原动机功率的确定和电机的选择5第三章 二氧化碳液体泵主要零部件设计73.1 液缸体73.2 泵阀设计83.2.1 泵阀选择83.3 活塞、活塞杆和活塞环的设计说明83.3.1 活塞的选择83.3.2 活塞主要尺寸的确定和强度校核93.3.3 活塞杆103.3.4 活塞环133.3.5 柱塞及其密封143.4 主轴结构的设计计算153.5 带轮的设计计算17第四章 设计总结20参 考 文 献21致 谢22 第一章 绪论1.1 引言二氧化碳液体泵是往复式活塞泵的一种，是一种低温液化分离设备输送高压液体的专用机械，用来循环液体或从贮槽中抽送液体，经汽化后在规定压力下输送给用户或进行充灌钢瓶。在这方面低温活塞泵显示出特有优点，它结构新，体积小，重量轻，使用寿命长，运转平稳，操作维护极为方便，能代替一台活塞式压缩机1。随着大中型空分设备的发展，液态气体产品产量与日俱增，与之配套的低温液体的运输，贮存、充装设备得到了高速发展。液态二氧化碳产品采用往复式低温液体泵充装，可以省去庞大的气体压缩机。以氧为例，液氧泵能耗仅是氧压机的l10左右。利用低温泵充装，可大幅度降低氧气中的水含量，从而提高了氧气质量。用低温泵充装的氧气可达到国标GB898288和GB8983-88的要求2。1.2 往复式活塞泵的工作原理及研究现状低温二氧化碳液体泵最常用的是作灌充泵使用，能代替活塞式压缩机，将低温液化二氧化碳气体从一只贮槽中放出是无压力或压力很低的，经过活塞泵升高压力，将液态输送进一只蒸发器，进行汽化并充灌注钢瓶。这种方法钢瓶的充灌压力通常在15MPa左右。使用的低温活塞泵大多利用电控装置全自动。如果活塞泵作为工艺流程用泵或配料用泵在调节系统内使用，那么对活塞泵的要求就特别复杂。根据操作条件要求有手控或遥控，但在多种情况下都是自动调节的根据压力、温度、流量的要求变化但是由于往复式泵周期性工作的特性，必然会对设备和管道产生脉动式冲击，引起振动，严重时甚至会造成设备故障或事故。因此，了解往复式泵工作原理、振动的原因、危害及消除与预防措施是非常有必要的。由往复式泵工作原理可知，往复泵是借助于活塞在液缸工作腔内的往复运动来使工作腔容积产生周期性的变化，通过泵阀来向管路输送液体的，因为液体的吸入与排出过程（即容积变化过程）是交替进行的，且活塞在移动过程中的速度又是在不断变化的，所以，泵的瞬时流量是随时间变化而变化，不是连续的，往复式泵的流量输出是脉冲式的，必然会对吸入管道和排出管道产生脉动冲击，引起振动，导致原动机的负载不均匀，对泵及管道的正常工作也有影响，设备长期在此状态下运行必然会引发故障或损坏，影响生产的正常进行，在往复式泵的排液管路安装脉冲缓冲器是消除往复式泵设备和管道内流量脉动的一个很有效的装置，在空分系统中的往复式低温泵巧妙地依据了低温液体的特性，利用脉冲阻尼器的原理，在它的出口管路装一气室型脉冲阻尼器。为保证气室中存有一定量的气体，使泵的压力波动保持在允许的范围内，脉冲阻尼器的上半部分未做绝热处理，低温液体便在其顶部汽化形成一个气体囊，从而起到脉冲阻尼器的作用3。刘连文等人对于往复式低温泵进排液阀的改进设计也值得参考4。采用高压往复泵系统的虚拟设计，尤其是关键零部件如泵阀的虚拟设计5，6，它不仅实现了往复泵的零件参数化设计、参数化绘图和虚拟装配，以及装配体的仿真和干涉检查，而且有利于往复泵设计的系列化和标准化。采用质地柔软，韧性和回弹性好，无水解作用，摩擦系数低，抗腐蚀性能好，耐高温的戈尔盘根作为高压柱塞泵的填料比较理想，依据填料密封机理，设计填料与铜环的规格，逐圈减压。选用双重压盖式填料密封结构，可有效延长往复泵填料使用寿命5。往复泵介杆密封的密封效果和寿命取决于密封装置的结构、密封元件的材料及型式和几何尺寸同时还要受到泵的技术参数、机壳及相关零件制造精度的影响，在使用中由于变形和磨损这些影响还会加大密封盒的设计就是要使之适应以上复杂工况并使之有良好效果和较长寿命双保险密封圈组合式介杆密封装置及新型全浮动式介杆密封装置具有可补偿磨损、调整密封间隙、调整同轴度、密封效果好和使用寿命长等特点，值得进一步推广应用6。45钢的综合力学性质较好，经过分析比较，确定45钢作为主轴材料。陈连善7提出的关于低温液体泵的设计和制造在泵泄漏量的控制、泵容积效率的提高、正确的安装、使用等方面提出的建议，也值得采纳。日本原子能研究所氚过程实验室已经为氚的使用研制出一种大型无油循环泵。这种循环泵用碳化聚酰亚胺膜合成活塞环和活动金属做成的风箱密封11，这为我们的泵设计时的密封关系提供的参考的依据。1.3 方案设计往复式低温泵由泵体和原动机两大部分组成8，其中泵体又可以分成两大部分：液力端和传动端。液力端（又可称泵头）的作用就是在泵体内压缩低温液体，使机械能转化为液体的压力能，使排出的液体的压力升高。传动端的作用，就是将原动机的动力通过减速机构输入，并通过连杆机构将旋转运动转换为往复运动。工作原理如图1所示。图1 往复式活塞泵的原理图当活塞（或柱塞）从左向右移动时，泵缸内部的容积就增大，压力随着降低，进入管路的液体压力大于泵缸中的压力时，液体在压差作用下，打开吸入阀而进入泵缸内。在传动箱的曲柄转过180度后，活塞向左移动。由于低温液体基本是不可压缩的，低温液体立即被活塞压缩而压力迅速升高，同时从密封部分（从活塞与活塞环或柱塞与泵缸的间隙中）泄露的低温液体量也增加，会使泵缸中的压力升高的速度变得小一点，但压力还是一直在升高。直到泵缸中的液体压力大到足够打开排出阀时，低温液体经过排出阀向排液管道输出。当活塞被曲柄拉动又向右移动时，重复以上过程。往复式低温泵前半个周期是吸入低温液体，后半个周期是排出低温液体。排液是间断式的，不是连续性的。液力端主要包括排出阀、吸入阀（或吸液窗口）、泵缸和缸套、活塞（或柱塞）、密封器、各种连接管及补偿管。这部分零件都接触到低温液体，一般都采用铜、不锈钢和聚四氟乙烯等低温材料，并注意去除油脂、防水、防止异物进入。图2是本设计的二氧化碳液体泵的设计总图，主要由电机通过皮带轮40和41将扭矩传递给轴33。轴上的曲柄33带动活塞杆18做往复运动，当活塞管向右运动时，泵缸内部的容积就增大，压力随着降低，二氧化碳液体通过进液阀10进入泵体，当曲柄转过180度后，活塞杆18向左，将液体通过软管1排除。27图2 二氧化碳液体泵的设计总图第二章 主要结构参数的选择及原动机的确定2.1 主要技术参数的原始资料最大出口压力：10MPa进口压力：1.52.4MPa工作流量：1200L/h功率：5.5KW2.2 基本尺寸的确定设计内容计算及说明结果缸径、活塞行程和曲轴转速的确定初选缸径D58mm，活塞行程S40mm。由流量的计算公式：式中，Q为泵的实际流量，（m3/s）；为活塞的横截面积（m2）；n为曲轴转速（rpm）或活塞的每分钟往复次数（spm）；Z为泵的联数（活塞数）。本次设计中，取Z=1。由提供的原始资料可知（见2.1节）：Q1200L/h=20L/min故计算可得： rpm由文献9的表2-5知，二氧化碳液体泵应选择 n=120985。可见n=189rpm在允许范围内，故所取的D和S为合适值。缸径D58mm活塞行程S40mm曲轴转速n=189rpm2.3 吸入和排出管内径d1、d2的选择吸入和排出管内径d1、d2的确定这两值的选取主要取决于吸入、排出管内介质的流速v1和v2。由文献9知， v1=12m/s v2=1.52.5m/s初选v1=1.6m/s v2=2m/s m则 根据总体尺寸需要，圆整为d1=16mm v1=1.66m/s m则根据总体尺寸需要，圆整为d2=14 mmv2=2.17m/sd1=16mmv1=1.66m/sd2=14 mmv2=2.17m/s2.4 原动机功率的确定和电机的选择泵的有效功率的确定泵的轴功率N和泵的总效率的确定电机的选择泵的有效功率kW式中p=p2-p1P为泵的压力差(MPa)； p1为泵的排出压力(MPa)； p2为泵的吸入压力(MPa)； Q为泵的实际流量(MPa)。由提供的原始资料可知（见2.1节）：p1=1.5MPap2=10MPaQ1200L/h=20L/min故计算可得：kW泵的轴功率式中为泵的效率由文献9知，故计算可得：kW本设计选择型号为YCT200-4A电磁调速三相异步电动机，其性能参数如下：额定功率：5.5kW调速范围：1251250rpmNe=4.63kWN=5.45kWYCT200-4A电磁调速三相异步电动第三章 二氧化碳液体泵主要零部件设计3.1 液缸体液缸体材料选择液体缸体构型的选择液缸体的材料选用性能较好的1Cr18Ni9Ti，其材料特性如下屈服强度：=20抗拉强度：=54热处理方法：镀铬同填料接触部分的表面硬度：HRC5055硬化层厚度：0.10.15mm使用场合：强腐蚀介质因T型交孔(如下图b)要比十字形交孔(如下图a)的液缸体寿命长一些。故本设计选择吸入阀和排出阀相互垂直S布置的液体缸体(下图b)。选为1Cr18Ni9Ti选择吸入阀和排出阀相互垂直S布置的液体缸体图3 两种常用的液缸体结构3.2 泵阀设计3.2.1 泵阀选择图4 泵阀的结构泵阀的结构泵阀的选择泵阀通常由以下几个部分组成：阀座1、阀板2、阀导向杆3、弹簧4、升程控制器5等零件，见图4。由文献9泵阀设计的一般原则，本设计的泵阀选择适用于高压和超高压上的锥形阀。选为锥形阀3.3 活塞、活塞杆和活塞环的设计说明3.3.1 活塞的选择活塞材料的选择活塞构型的选择选为1Cr18Ni9Ti选择活塞为涨紧式活塞因涨紧张式活塞中的双端面活塞，有两个端面承受活塞力，它有较高的刚度和强度，可用于压力较高的泵。如下图1Cr18Ni9Ti选为涨紧式活塞图5 涨紧式活塞基本结构3.3.2 活塞主要尺寸的确定和强度校核图6 活塞基本形状活塞直径的确定活塞总高(或总长)的确定形状的确定活塞环槽及外环尺寸的确定活塞环数确定活塞直径、总高(或总长)和形状，最终须与缸套和液力端在总体设计时一起确定。但活塞总高(或总长)H，一般不应小于下述值： cm由提供的原始资料可知（见2.1节）：缸径D=58mm 故取活塞直径为 Dh=57mm故计算得：式中，D-活塞直径，cm故活塞总高不应小于37.0585.5，取为112mm活塞基本形状如图7所示由文献9知：活塞环外槽轴向宽度h取与活塞环轴向宽同值，配合通常取H9/f9。第一道外环至活塞顶部轴向宽度：依次 活塞环数主要取决于密封压差，一般可由下式或下表选定：本设计中=10-（1.52.4）=7.68.5故取环数为H=112mm表2 活塞环数选择密封压差 MPa活塞环数5235303530120510 3.3.3 活塞杆图7 活塞杆基本尺寸活塞杆材料的选择活塞杆尺寸确定活塞杆稳定性校核选用材料为1Cr18Ni9Ti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。其尺寸初定为如图所示因活塞杆是一细长杆。因此，除对其连接进行强度校核外，还应校核活塞杆的稳定性。稳定校核时，一般取十字头销中心到活塞中心为活塞的杆长l，并近似的看做为等截面细长压杆。压杆柔度为：式中u为压杆长度系数，他与边界条件有关，当活塞杆为两端固定连接时，系数；l为活塞杆计算长度(cm)；imin-断面最小惯性半径(cm)；(cm)；Ar近似认为活塞杆为等截面细长压杆的估计截面积；。此处d即为估计等截面直径(cm)；J为截面惯性矩(cm4)。对于圆截面为：；对于圆形截面则有： cm 本设计中初选d=37mm l=223mm故可计算得：cm4 选为1Cr18Ni9Ti尺寸初选为如图所示d=37mm l=223mmimin=9.25cm4上表中n为安全系数Pmax为最大活塞力(N)Ar为活塞杆计算平均截面积(cm2)L为活塞杆计算长度(cm)；E为材料弹性模量；为材料允许抗拉应力(MPa)；为压杆柔度；J为断面惯性矩(cm4)；u为长度系数，这里；n为许用安全系数由以上计算得压杆稳定校核公式选择第三个即小柔度压杆这里遇到问题 Pmax 怎么算N故5n8n=58符合表3 压杆稳定性校核公式压杆柔度范围大柔度压杆欧拉公式：中柔度压杆泰特迈尔-雅辛斯基公式：小柔度压杆3.3.4 活塞环活塞环结构型式选择主要尺寸确定及强度校核径向厚度的确定轴向高（宽）度h活塞环多为灰铸铁制成，但也有用钢，铜，夹布胶木或塑料制成的。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（45或者60）和搭口三种形式，前两种在密封性方面无明显差异，后一种密封性较好，但制造工艺复杂且装配时易折断。斜口工艺性居中。一般多采用直口径向厚度t一般取：cm式中D为活塞环外径(cm)；故mm根据大直径活塞取取小值，小直径活塞取大值。取t=3.6mm一般取：cm根据大直径活塞取取小值，小直径活塞取大值。取h=1.8t故 经圆整为取为h=6mm轴向宽度h对密封性影响不大，故为了减小摩擦力，h值不宜过大。但h增加时，活塞环弹力也增加，易于克服环与槽的摩擦，使环与缸套内壁贴合较紧，因此当压差较大时，h值可取大些。t=3.6mmh=6mm3.3.5 柱塞及其密封图8 柱塞的基本尺寸表4 柱塞常用材料及热处理方法材料名称屈服强度抗拉强度热处理方法同填料接触部分的表面硬度硬化层厚度mm使用场合1Cr18Ni9Ti2054镀铬HRC50550.10.15强腐蚀介质柱塞材料的选择柱塞连接与十字头连接方式选取柱塞尺寸的确定柱塞稳定性校核柱塞最小界面压应力校核其材料选为：1Cr18Ni9Ti本设计采用螺纹连接的方式将柱塞和十字头连接在一起。因其结构简单，加工容易，拆装方便。柱塞直径，长度和形状需与总体设计及液力端设计一起确定，其基本尺寸如上图9。当总体设计和液力端设计时，大体上确定了柱塞的尺寸、长度和形状后，即应校核稳定性安全系数。计算长度l取自与十字头连接的端面至柱塞导向套中点。然后可参照活塞杆稳定性校核进行计算。由于连接需要，要出现最小截面。最小截面压应力 MPa式中 为最大柱塞力(N)为最小截面面积(cm2) MPa为柱塞材料的屈服强度(MPa) N为安全系数由以上计算知(见3.2.3) N cm2MPa故柱塞符合要求采用螺纹连接一般取n=34符合3.4 主轴结构的设计计算图9 主轴的基本结构轴的材料的确定计算弯距、扭距的值受力图剪力图弯矩图扭矩图校核强度初选轴的材料选为45钢查表得许用应力 MPa其中P的效率为0.9根据整体尺寸的需要和轴的选取，将最小直径取为40mm 为了满足各个零件的装配要求，轴的结构初定如上图9。根据轴的结构图作出轴的计算简图。再根据轴的计算简图作出轴的弯距图、扭距图和计算弯距图。是考虑扭距和弯距的加载情况及产生应力的循环特征差异的系数，因扭转切应力为脉动循环应力，故取=0.6故在安全系数取为2的情况下，安全3.5 带轮的设计计算确定计算功率选择V带的带型初选小带轮的基准直径验算V带速度计算大轮的基准直径确定中心距a，并选择V带基准长度Ld计算相应的带长Ld0选择V带基准长度Ld计算中心距a及其变动范围验算小带轮上的包角确定带的根数z确定初拉力F0计算压轴力Fp查机械设计手册知，在KA=1.4故取小带轮转速为800rpm选择B型V带，其参数为节宽bp=14.0mm 顶宽b=17.0mm 高度h=11.0mm 横截面积A=143.0mm2 楔角小带轮的基准直径为d1=125mm故rpm 将其圆整为d2=500mm此时传动比i修改为4根据总体尺寸要求或限制条件，结合公式： 计算得Ldo=2052.1mm带的基准长度Ld由表选取为2000mm传动实际中心距近似为计算得a=474mm因考虑到带轮的制造误差、带长误差、带的弹性以及因带的松弛而产生的补充张紧的需要，常给出中心距的变动范围：本设计中中心距允许变动范围为因小带轮上的包角小于大带轮上的包角。而小带轮上的总摩擦力相应的小于大带轮上的摩擦力。因此，打滑只可能发生在小带轮上。为了提高带传动的工作能力，应使本设计中 查表得 经圆整得z=4符合推荐值525m/s符合推荐值i=25初定中心距为500.Ldo=2052.1mma=474mm中心距允许变动范围为符合要求z=4皮带符合要求第四章 设计总结从开始接触二氧化碳液体泵的设计到现在基本完成主体设计，也已经过大半年的时间。从工作原理的确定到总体方案的设计，从结构参数的选择到主要零部件的确定，其中走了很多次很多次的弯路。自己从中学到了很多课内外知识，也巩固了一些所学知识，同时也发现了自己在一些专业知识上的薄弱与盲点。学会了查阅文献，学会了严谨的治学态度，同时也在制图过程中更加熟悉了制图软件，这次设计让我能够应用已学的知识，同时扩展的新的知识面，受益良多。本次设计基本完成二氧化碳液体泵，基本达到了预期的各项任务要求，理论上已经可以制造、生产和投入使用。希望本次的设计能够真正有所用，并且能够在实践中对本次设计的二氧化碳液体泵进行改进，使其更有效率地工作。参 考 文 献1 范光荣. 往复式低温液体泵J. 低温工程, 1989，42(2)2 万景隆. 正确使用往复式低温液体泵的几个问题J. 深冷技术, 1994, (5)3 崔书海. 脉冲阻尼器在往复式泵中的应用J. 河北化工,2008,31(7):51524 刘连文,毛捍东,丁玉慧,夏玉才. 往复式低温泵进排液阀的改进设计J. 深冷技术, 2000, 25 许喜红, 雷杰, 刘家懿. 高压往复泵填料泄漏分析及改造J. 流体机械, 2008, 36(1)6 姚春东, 谭英杰, 张勇. 往复泵介杆密封装置J. 润滑与密封, 2001, 57 陈连善, 李松青. 往复式低温液体柱塞泵设计制造之我见J.深冷技术, 2000, 28 潘建英. 往复式泵的性能分析J.机械工程及自动化, 2007, 144(5)9 往复泵设计组. 往复泵设计. 机械工业出版社. 198310 朱修传. 高压往复