工程用陶瓷油隔离泥浆泵设计

1、摘要泥浆泵广泛应用于矿山、水利、煤炭钻井、石油等工业部门。它的工作条件极其恶劣，往往在高扬程、大流量的工作环境下输送含有小颗粒的混合浆液，磨损情况十分严重。为了提高泵的耐磨性能，人们将耐磨材料应用于缸套等过流部件上，或者采用特殊的工艺方法对易磨损部位进行处理。这些措施取得了一定的效果，但是所采用的材料价格昂贵，工艺复杂，增加了泥浆泵的制造、使用成本，部分材料韧性不足，耐冲击性较差，不能适应多变的工作环境，而且耐磨性也不是十分的好。因此，选用新材料，新工艺，成为解决问题的重要研究方向。工程陶瓷具有良好的耐磨性能，但是缺乏韧性是陶瓷的致命缺点。本设计将柱塞泵与隔膜泵相结合，用油将泥浆与活塞缸隔离开

2、来，使活塞缸远离恶劣的工作环境，从而提高其使用寿命，能以较低成本达到显著改善泥浆泵耐磨性能的目的。同时，在缸套内壁使用工程陶瓷，进一步增加其耐磨性能。关键词：泥浆泵 油隔离 磨损 使用寿命 缸套abstractmud pump widely used in mining, water conservancy, coal drilling, oil and other industrial sectors. it's an extremely poor working conditions, often in high-lift, the flow of the work environ

3、ment of small particles containing transmission of mixed size, wear is very serious. in order to increase the pump wear resistance, people will wear-resistant materials used in the flow components such as cylinder, or to use special methods of wear and tear on vulnerable sites for processing. these

4、measures have yielded some success, but the materials used is expensive, complicated process, an increase of the mud pump manufacture, use cost, lack of toughness of the material, the impact resistance of the poor, can not adapt to changing work environment, but also resistance grinding and is not v

5、ery good. therefore, the choice of new materials, new technology, a solution to the problem of important research direction. engineering ceramics has a good wear resistance, but the lack of toughness is the fatal shortcomings of ceramics.this will be designed piston pump diaphragm pump and the integ

6、ration of oil will be mud and pistons to isolate the cylinder, piston-cylinder away from the poor working conditions, thus increasing its service life, to achieve a lower cost significantly improve the mud pump-resistant mill performance. at the same time, the use of ceramic cylinder wall, and furth

7、er increase their wear resistance.key words: mud pump wear oil isolation use life cylinder目录前言11绪论11.1 油隔离泥浆泵在工业中的应用11.2 油隔离泥浆泵的特点和工作原理11.3 油隔离泥浆泵的结构和形式32 油隔离装置62.1油隔离装置的结构62.2 油泥浆界面的调节82.3 分界面的分离效果与油耗92.3.1分界面的分离效果92.3.2油耗92.4 油隔离装置的设计与计算102.4.1油罐直径与高度的确定102.4.2油罐壁厚计算103 z形管123.1 z形管的结构和作用123.2 z形管

8、在油隔离泥浆泵中的配置133.3 z形管的设计与计算144 泵 阀174.1 阀种类和结构174.1.1锥形阀174.1.2球形阀214.2泵阀的材料234.3泵阀的破坏机理及提高阀寿命的途径254.3.2提高阀寿命的途径264.4 泵阀的设计和计算294.4.1阀的计算和基本理论294.4.2阀座设计与计算325 稳压室335.1空气式稳压室335.3稳压室的计算395.3.1预压式球形空气室395.3.2充气式圆筒形空气室405.3.3吸入空气室416 安 全 阀426.1 安全阀的类型和结构426.1.1销钉式安全阀426.1.2膜片式安全阀446.1.3 弹簧式安全阀446.2 安全阀

9、设计与计算466.2.1销钉式安全阀466.2.2膜片式安全阀487用户手册497.1 操作497.1.1开车497.1.2运行507.1.3停车507.2 维修517.3 动力端常见故障及处理52总结54致谢56参考文献57前言泥浆泵是固液混合物水力输送的关键设备，在石油钻探、矿井、水利等行业都有广泛的应用。泥浆泵主要用来输送含有硬质颗粒的固液混合物。被输送的固体颗粒在高速运转的活塞缸中运动，泵缸在这种非规则运动的固液混合物中工作，经受强烈的磨损破坏。效率低下和磨损严重是泥浆泵长期存在的两大难题，尤其是在硬质颗粒比较大时，泵的磨损问题更加突出，过流部件的使用寿命非常短暂，经常更换泵过流部件需

10、要花费大量的资金和人力。近年来，我国对于在粒径较小使用条件下的高效抗磨新型泥浆泵的研究、开发和推广应用工作，已经取得了很大的进展，但是对在粗颗粒使用条件下的泥浆泵的研究、开发和推广应用工作，其进展却十分缓慢。本课题的研究主要是针对大流量，高扬程使用条件下而设计油隔离泥浆泵。研究的目的与意义在于：（1）通过使用新的结构、新的输送方式来改变过流部件所处环境。（2）提高缸套及使用寿命，解决生产企业实际问题，减少泵件消耗，降低企业的生产成本，提高企业效益。（3）将成果应用于生产，转化为生产力。本课题研究的主要内容包括油隔离装置、阀件、稳压室、等的设计方法。由于缺乏设计的经验，以及时间仓促。本论文中还存

11、在不足之处，敬请各位老师指正，这将会对我以后从事设计、工作等都会有很大的帮助。谢谢指点。1河南理工大学本科毕业设计（论文）1绪论1.1 油隔离泥浆泵在工业中的应用油隔离泥浆泵主要用矿浆和泥浆的长距离输送和厂矿区内输送。当前油隔离泥浆泵用于矿山输送料浆长达100公里以上，较活塞泵有明显的经济效果。水泥厂的水泥窑喂料，氧化铝生产中的高压溶出器的供料，火力发电厂的煤灰输送，矿井的尾矿回填和井下泥砂的排除，井下矿浆的提升，炼铁厂高炉炉灰输送和建筑工地的泥土输送等，都在使用油隔离泥浆泵。实践证明，油隔离泥浆泵与柱塞泵或活塞泵比较，在条件相同情况下使用油隔离泥浆泵将大大节省维修费用和检修工作量。据日本三菱

12、株式会社资料介绍，油隔离泥浆泵与一般活塞泵比较，在操作工人数和动力消耗费用相同情况下，易损件的材料费，油隔离泥浆泵只有emsco活塞泵的四分之一。我国某铝厂将 ys3活塞泵改制成油隔离泥浆泵后，设备运转率由57提高到98%，活塞杆和活塞缸套使用寿命由57天提高到3个月，每年每台油隔离泥浆泵可节约几万元的维修费用。油隔离泥桨泵的优越性越明显。油隔离泥浆泵与离心泵比较，油隔离泥浆泵由于设备庞大，占地面积大、操作麻烦、投资高等原因，因而在短时间内尚显示不出其优越性。当操作压力为4时，使用一台离心泵比油隔离泥浆泵有利。压力为8时两台离心泵串联，油隔离泥浆泵使用4年以后才有利。压力为11时离心泵三台串联

13、，油隔离泥浆泵两年以后有利。压力为15时离心泵需四台串联，油隔离泥浆泵1.3年以后有利，压力为18时离心泵需5台串联，油隔离泥浆泵1年以后有利。由此可见，使用压力越高，油隔离泵的优越性越明显。所以国内外对油隔离泵的应用越来越重视。日本、美国、英国、加拿大、俄罗斯和非洲很多国家都广泛应用 。 1.2 油隔离泥浆泵的特点和工作原理油隔离泥浆泵是根据油的比重小于泥浆的比重，而且油和泥浆易于分离的原理，在活塞泵的基础上将活塞缸和阀箱之间增设了油和泥浆的隔离罐（简称为油箱）见图1l。油罐上部与活塞缸相通，其下部是通过z形管与阀箱相通。由于油罐内油比重较泥浆的比重小，所以油浮在泥浆上面，从而油罐内形成了油

14、和泥浆的自然分界面，于是油和泥浆在油隔离泵中分成两个系统，即由分界面到活塞缸内充满油，由分界面到阀箱间充满泥浆，并且随着活塞的往复运动，其分界面也上下波动。当活塞往右运动时将油吸到活塞缸内，同时其分界面往上移动。与此同时通过吸入阀将泥浆 吸到油罐下部。当活塞住左运动时，将吸人阀立即关闭，其分界面往下移动，并通过排出阀将泥浆送人排出管路中。图1-1 油隔离原理图由此可见，油罐是油隔离泥浆泵的中心部件，也是油隔离泥浆泵与活塞泵的基本区别所在。在油罐内使油和泥浆分界面保持稳定并防止乳化，是油隔离泥浆泵正常运转的关键。油隔离泥浆泵是根据上述原理，油罐内油和泥浆直接接触。虽然泵在长时间运转过程中泥浆带走

15、一些油，但所造成油的损耗甚微，和泵本身性能相比基本可以忽略。为了减少油耗，利用油和泥浆的比重差，还可以采用浮板半隔离油和泥浆，也可以采用隔离液来隔离油和泥浆。图l-2为用浮板隔离油和泥浆的装置。为了使浮板恰好在油和泥浆的分界面上，浮板比重的大小必须界千油和泥浆购比重之间，即图13为利用隔离液的一种隔离方式，其原理是在u形管内装入隔离液体使油和泥浆不直接接触。为此，隔离液体的比重必须大于油和泥浆的比重，目前我国生产的油隔离泥浆泵：主要是利用前一种原理，后两种尚未得到应用。图12 带浮板的油罐 图13 u形管隔离器实践证明，油罐内油和泥浆分界面的稳定性与泵的冲次、油的物理化学性能、油罐的几何形状及

16、尺寸有关。 油隔离泥浆泵活塞的冲次不宜过高，一般不超过60次分，通常采用3550次分。当泵的冲次超过65次分时，罐内将会出现严重的乳化现象，使泵不能正常运转。为了防止油和泥浆的混合，要求采用抗乳化性、抗碱蚀能力和防锈能力强的以及润滑性、流动性好的介质油。实践证明，有机油不能满足上述婆求，最好是采用无添加物的优质石蜡类无机油。例如透平油、变压器油，以及冬季车用机油和60号机油。现在广泛采用的是20号透平油，其油的比重为夏季用=0.842，冬季闲0.79。油罐的几何形状和尺寸直接影响油和泥浆的分离效果，其结构将在第六章详细叙述。在实际油罐时，使油罐内分界面处的最大速度控制在比0.1米秒左右，其上下

17、波动量一般取4060毫米为好。为了使油隔离泵保持正常运转，对被输送的泥浆要求重量浓度小于60%（体积浓度小于4050%），最大粒度不大于3毫米，最好是小于1毫米。另外，要求泥浆不易汽化，以免在油罐内增加气体体积而降低泵的容积效率。 1.3 油隔离泥浆泵的结构和形式目前我国一些单位使用的油隔离泥浆泵，按其传动方式可分为机械传动、液压传动和蒸汽传动三种。按活塞缸安装方向则可分为卧式和立式两种。其中机械传动卧式油隔离泥浆泵具有传动力矩大、运转可靠、操作方便等优，因而应用最为广泛 （见图14）。 由图14可见，油隔离泥浆泵主要由传动装置、活塞部分、油和泥浆分离装置、阀箱和稳压室等几个部分组成，油隔离泥

18、浆泵传动装置的结构型式，在很大程度上决定泵的重量和外形尺寸。机械传动结构型式具有设备重、体积大和投资高等缺点。相反，液压传动结构型式具有重量轻、体积小、投资少等优点。目前使用的油隔离泥浆泵的机械传动装置，主要是由皮带传动和齿轮减速箱构成。皮带传动多半采用三角带（国外也有采用平皮带），减速箱齿轮采用人字齿，箱体结构有铸造和焊接两种形式。大齿轮两侧有相错成45°的偏心轮带动连杆，连杆借助十宇头带动活塞杆使活塞往复移动。油隔离泥浆泵还设有z形管。z形管是利用在直径突变处形成的涡流来防止泥桨中的粗颗粒沉淀在油罐下部的横管内。在泵检修或下横管堵塞时，打开油罐下部的排污口盖形螺母（或排污旋塞）放

19、出油罐和下横管内的泥浆在z形管的上横管部分设有开车和清理管道时用的高压水阀。泵阀具有使液体单向流动的作用。当活塞往右运动时，泥浆通过吸人阀被吸到油罐下部；当活塞往左运动时，将泥浆通过排出阀排到泵外。目前使用较多的泵阀为锥形阀和球形阔。为了减少泵的排量和压力的波动，油隔离泥浆泵还装设有空气稳压室（简称空气室）。室气室有吸入空气室和排出空气室两种形式。在室气室的上部装设有安全阀，以防止泵的操作压力超过泵的额定压力时发生意外事故。立式和卧式油隔离泥浆泵相互比较，立式泵结构紧凑，占地面积及油耗都小，但设备立的高，给设备维修带来一定困难。这种泵目前尚未得到广泛的应用。液压传动与机械传动油隔离泥浆泵相互比

20、较，前者体积和重量都小，寿命长，投资少，无冲击，压力和流量波动小，易于实现无级变速自动控制和过载保护。但液压传动的设备制造精度要求高，安装调试和维修都较复杂。图1-4 油隔离泥浆泵592 油隔离装置2.1油隔离装置的结构油隔离泥浆泵的油隔离装置包括油罐、油箱、供油阀和排气阀等四部分组成，见图2l和图22。图2-1 油隔离装置1-油罐；2-活塞缸；3-油箱；4-供油阀；5-排气阀；6-z型管油罐是借助于比重差将泥浆和油介质分开的分离器。油在罐的上部，泥浆在其下部。为观测油罐的油泥界面，设有观察窗。油罐内还设置了隔板和挡板，以减小油和泥浆进出口的紊流直接干扰分界面。为了使油泥分界面上下运动保持稳定

21、，装没了两个圆形孔的筛板，圆形筛孔径一般为16毫米。由于油罐内的油和泥浆直接接触，所以油罐内的油自然要有一部分被泥浆带走，同时泵运转时由于泥浆的汽蚀和气化而产生的气体以及密封不严而近入油罐内的气体，全部积聚在油罐顶部。这样就使泵的容积效率降低，泵的排出量也随之降低。为了及时弥补被泥浆带走的油，应当注意及时排出油罐内的气体。一般在油罐顶上装设油箱、供油阀和排气阀等装置。图2-2 油罐1-隔板；2-供油排气阀；3-筛板；4-油观察阀；5-界面观察阀6-泥浆观察阀；7-挡板；8-筛板图23 供油排气阀1-阀体；2-给油拉杆；3-给油阀芯；4-弹簧；5-挡栓；6-排气阀芯供油阀(见图23)主要由阀体、

22、给油拉杆、给油阀芯、弹簧等组成。当打开供油阀时，油箱内的油靠油塞在吸人行程时的负压，克服弹簧4的压力进入罐内。由于在给油阀芯和挡栓之间装设弹簧，所以容易调节供油量，并且活塞在压出行程时，借助弹簧的压力，使给油阀芯很快被关死，以防止罐内的油回流到油箱中去。当打开排气阀时，聚集在油箱上部的气体靠活塞压出行程的压力，通过油箱排到大气中。油罐侧面与活塞缸相通，其底部与z形管连接，并有放料阀，以便检修阀或z形管堵塞时清理使用。2.2 油泥浆界面的调节油罐内的油泥浆界面的调节方法有人工调节和自动控制调节。人工调节主要是对油罐侧面的三个阀和供油阀以及排气阀进行手工操作，其方法如下：当油隔离泥浆泵运转一段时间

23、后，泥浆带走一些油，使油罐内的油和泥浆分界面的位置往上移动，此时需打开供油阀，补充被带走的油，使分界面的位置复原。当活塞在吸人行程时，将泥浆吸人油罐内，同时将油箱内的油也随之被吸入油罐内。当活塞在压送行程时，油罐内压力逐渐增大，供油阀借助于油罐内的压力被关死，并油罐内油的体积增加使其分界面下移到界面阀位置时将供油阀关闭。当油罐内的顶部积聚的气体增加至使泵的排量变小时，应及时打开排气阀。排气阀是依靠油罐内的压力，将气体通过油箱排出，并在乙烯软管中观察到排油时，立即将排气阀关死。由于排气和排矿浆夹带损失一些油，因此必须及时给以补充。在生产过程中应经常观察油泥浆分界面的位置，以便及时调整共分界面。2

24、.3 分界面的分离效果与油耗2.3.1分界面的分离效果油隔离泥浆泵必须保证具有良好的分界面的分离效果，以减少油耗和维修费用。实践表明，油罐的几何形状和尺寸以及活塞外次直接影响分界面的分离效果。如果上述几个方面选择不当就会增加油罐内油的消耗量，甚至在罐内出现严重的乳化现象，以至迫使泵不能正常运转。2.3.2油耗油隔离泥浆泵在运转过程中，造成油的损失，主要有以下两个方面原因：一是泥浆带走一部分油，二是泵在维修和操作过程中漏掉一部分油。值得注意的是后者的损失比前者大。为了减少油耗，在油罐内可以采用浮筒或隔离膜(金属膜或橡胶膜)，以减少油和泥浆接触来减少油的损耗。另外，延长阀的使用寿命，加强密封性能，

25、防止z形管堵塞等都可以减少油耗。油隔离泥浆泵油耗一般在0.30.6克油米3矿浆。油隔离泥浆泵常用的隔离油为透平油、变压器油、冬季则以车用机油、60#机油等矿物油。隔离油的选用主要是根据被排送泥浆的物料性质决定，目前广泛使用的是22#透平油。本设计也采用22#透平油。2.4 油隔离装置的设计与计算2.4.1油罐直径与高度的确定油罐直径可按下式计算式中油罐直径，米；d活塞直径，米；s活塞行程，米；n活塞冲次，次/分;分界面在油罐内最大速度（米/秒）常取0.080.13（米/秒）当活塞冲次为50次/分时按下式计算油罐高度可按下式计算在式中，当分界面速度低时取下限值，速度高时取上限值。据计算以及查阅相

26、关手册可以确定油罐直径为=60cm油罐高度为=120cm2.4.2油罐壁厚计算目前使用油隔离泥浆泵的厂矿较多，这些泵的运转条件也大不相同，其中泵的操作压力有的高达160千克厘米2以上，温度95°c， ph值达14等，经验证明，对筒体来说操作压力是计算油睹壁厚的主要依据。筒体的材料可选用a3、16mn等。当泵的压力较高时，要慎重地详细计算，应考虑制造和使用上的不利因素，来决定油罐壁厚。油罐壁厚的计算，包括筒体和封头两部分，计算程序如下。当油罐内压力小于100千克厘米2时，筒体壁厚按下式计算。式中s筒体壁厚，毫米；p设计压力，千克厘米2；筒体内径，毫米； 材料的许用应力，千克厘米2。2.

27、当油罐内压力大于100（千克厘米2）时式中符号意义同上。经计算壁厚s为2.5cm3 z形管3.1 z形管的结构和作用油隔离泥浆泵在油罐和阀箱间装设有z形管。z形管主要由上横管、下横管和扩大竖管组成。z形管结构特点是扩大竖管比上核管和下横管都大。z形管的作用是：1.当泥浆通过z形管时，由于泥浆经过变径的管道，泥浆扩大管内形成有一定强度的涡流，因而引起水力搅拌作用的远动，从而防止或减少粗颗粒泥浆沉积在下核管内而堵塞。图31 z形管1-上横管；2一扩大竖管；3-下横管2z形管的扩大管可以降低泥浆的流速，从而防止或减少空与进入油罐内，可使油罐内的分界面上下移动平稳。 3由于扩大管内的体积突然增大，所以

28、对泵的振动起缓冲作用。4当更换阀箱内的易损件时，不会使油罐内的油通过阀箱流掉，又便于检修还可以减少油的损耗。由此可见，z形管是油隔离泥浆泵的重要部件。如不根据泥浆的性质来选择适当的z形管尺寸，将导致z形管的堵塞。 3.2 z形管在油隔离泥浆泵中的配置目前z形管在油隔离泥浆泵小的配置有两种型式。一种是将z形管设置在阀箱下方，（见图32）。我国目前使用的油隔离泥浆泵均属这种类型。另一种是将z形管装设在阀图3-2 z形管在阀箱下方图3-3 z形管在阀箱上方箱的上部(见图33)。这种型式由于泥浆沉淀的方向与z形管出口一致，所以大部分粗颗粒直接流入阀箱而会同泥浆同时排出，因而这种装置型式的z形管其作用更

29、为明显。尤其对比重和粒度都较大的泥浆，采用这种装置型式较为合理。3.3 z形管的设计与计算一、z形管几何形状和尺寸计算1下横管直径d1对z形管的下横管直径d1的正确选择是很重要的。如果选择不当，当管内流速过小，在交变负荷的作用下其流速小于临界速度时，将导致z形管堵塞。z形管下横管管径d1的选择原则，是根据其管内流速，必须大于或等于该管内交变负荷的临界流速。下横管直径d1按下述步骤进行计算：初步确定下横管直径式中折合到z形管内的流量，即q泵的排量，米时；当泥浆容积重量1.25吨米3时，当125时，,式中为泥浆的比重，d为z形管的下横管直径(米)；u为泥浆的中值粒径的的沉降速度(米秒)；为中值粒径

30、(毫米)；为矿浆体积浓度，k为折减系数，一般取k0.785。按上式计算结果必须满足，然后取2扩大竖管直径，高度h扩大竖管直径可取扩大竖管高度h可取。3上竖管长度b 经计算得出应用数据为z形管几何尺寸数据1352304002505501.701.741.85二、z形管壁厚计算 z形管一般由无缝钢管焊成，也有铸钢铸成的，其壁厚计算公式如下。式中p设计压力，dz形管直径，厘米；许用应力，式中等于钢材的抗拉极限除以安全系数，即,一般取58。经计算以及查阅相关手册知4 泵 阀油隔离泥浆泵阀是一种保证液体单向流动的装置。由于吸入阀和排出阀间歇动作，所以交替地将泵腔与吸入管线和排出管线连通或断开，从而保证泥

31、浆在泵内单向流动。泵阀是油隔离泥浆泵内的极为关键的部件，其工作性能的好坏直接影响泵的性能和工作的可靠性。泵阀是油隔离泥浆泵消耗量最多的易损件，是最薄弱的环节。因此延长泵的寿命对于提高泵的经济效果有着极并重要意义。因此，近年来国内外为提高泵阀的寿命，在阀的破坏机理试验、分析和阀的工作理论以及阀的计算等方面，做了大量的工作，正不断试制出寿命长的新的阀结构和阀材料。4.1 阀种类和结构油隔离泥浆泵和活塞式往复泥浆泵的工作原理基本相同，因此对阀的要求和结构形式也基本相同。目前在油隔离泥浆泵上使用的泵阀的类型和结构不太多，但在活塞式往复泥浆泵上使用的泵阀的类型和结构繁多，这对改进油隔离泥浆泵的泵阀结构和

32、材料提供了很多经验和枝术资料。泵阀按结构可分为锥形阀、球形阀、碟形阀(见图41)。按阀组合个数可分为单阀和群阀。其中锥形阀用的最为广泛，其次是球形阀。4.1.1锥形阀 锥形阀主要由阀座、阀盘、阀弹簧、阀密封、导向机构、加固密封圈、阀盖、阀箱等组成，见图42。1.阀座阀座是阀的重要零件，其结构形式和材料对阀寿命有很大影响。阀座外表面同阀箱的配合有两种形式：一种是锥面配合(锥阀座结构)，另一种是圆柱面配合(直阀座结构)，见图43锥阀座比直阀座易于保证阀座与阀箱锥孔间的配合紧度，从而减少了锥阀座在冲击液流下所产生的跳阀座现象，还可以提高阀座与阀箱锥孔间的密封。另外采用锥阀座结构可图4-1 阀的种类

33、图4-2 锥形阀a-碟形阀；b-锥形阀； 1-阀盖；2-导向套；3-阀弹簧； c-球形阀 4-阀芯；5-锁板；6-压板；7-阀 橡胶密封圈；8-阀座；9-导向机构以省去用来支承阀座的阀箱体上的台阶，从而可相应地减小阀箱的高度，以减少泵缸余隙容积而提高容积效率。锥阀座的缺点是要求加工精度高，维修时取出阀座较为团难。圆柱阀座虽然有加工方便、易取出等优点，但不易保证密封性能，只适用于小型低压泵上。2阀密封圈阀的密封圈不但在阀关闭时阀盘对阀座的冲击起缓冲作用，而且还起密封作用，从而提高了阀的使用寿命。实践证明，阀密封圈的几何形状不但对阀座和阀体间密封性能有影响，而是对延长阀使用寿命也起很大作用。为了提

34、高阀寿命，相继出现了多种密封圈的几何形状。密封圈安装在阀盘上的结构：阀盘上部的密封圈的截面形状有单锥面、双锥面、圆截面、卷边面、水滴状等。3导向装置阀的导向装置用来保证阀盘沿阀座轴线平稳地上下运动，并平正地下落在阀座上，以获得良好的密封性能。设计阀导向装置时，应注意(1)能获得良好的对中性能。(2)阀的有效过流断面积尽可能大，有足够的寿命，且易于维修。(3)有合适的导向间隙。其导向有上导向和下导向两种。上导向型式一般采有杆式和无杆式。下导向有翼形导向和杆式导向两种型式。.4阀弹簧泵阀的弹簧是泵阀的主要零件。其特性和弹力的大小对泵阀的工作性能及阀的寿命有很大影响。在泵阀中经常用的弹簧有圆柱形和圆

35、锥形两种。圆柱形弹簧属于不变刚性的弹资。它的直径较小，刚性较大，制造容易，因而能满足做为泵阀弹簧的基本要求，并已广泛地被应用在泵阀上。但由于圆柱形弹簧钢丝直径比较小，对腐蚀性缺口敏感性较大，因而影响位用寿命。锥形弹簧属于变刚性弹簧。内于锥形弹簧各圈旋绕比不同，所以各圈刚性不同。当阀盘上升时，其最大变形产生在直径最大的工作处，当直径最大的工作圈与弹簧支撑圈并合后，就不再参加工作，而其余的工作圈继续变形，这时弹簧的工作圈数减少，弹簧的最大直径也减小，弹簧刚性在变形过程中逐渐增大，相应地减轻了阀盘对阀盖的冲击力。当阀盘下落时反而刚性逐渐减弱，同时也减轻了阀盘对阀座的冲击力。所以，锥形弹簧比圆柱形弹簧

36、更能满足泵阀的工作特性。在设计锥形弹簧时必须控制弹簧的预压缩量，使弹簧的转折点位于泵阀的开闭过程中，否则弹簧的变刚性特性效果不明显。锥形弹簧尺寸较大，加工麻烦。5加固密封圈结构加固密封圈主要有锁紧机构和螺母结构。图43是锁紧结构。锁板l由半圆形钢板制成，并借助阀芯的构槽，压紧压板2而加固密封圈。利用o形密封圈或螺钉将锁板固定在压板上，以防止阀盘运动时锁板脱开。图44是用螺母压紧的密封圈。实践证明，这种结构型适用于高压泵，并且拆卸方便。为了加强密封圈的密封性能，在阀芯的上锥面上加工成凸缘或水线(图422a和b)，以橡胶压紧，使泥浆不易漏到夹层中去。图4-3 用锁板压紧密封圈 图4-4 用螺母压紧

37、密封圈1-锁板；2-压板；3-密封圈 a-突缘；b-水线6阀盖阀盖是易损件，需要经常更换。因而，要求阀盖耐高压和不漏失以及拆装方便。阀盖是经常拆卸的构件，其类型繁多。起初阀盖和阀体是采用螺栓连接，但由于螺栓连接拆卸不方便，现在一般不采用这种结构，目前的常用的阀盖与阀体之间的连接有矩形(或梯形)螺纹连接。4.1.2球形阀目前球形阀在油隔离泥浆泵上使用的越来越广泛，因为球形阀在工作中可不断地自行改变阀座与球形阀的接触位置，所以大大延长了球形阀的使用寿命。 图45是球形阀的结构。阀球在导向套简内运动，用限制器4来限制阀球向上运动的最上端位置。阀球2有实心钢球(图46a)、空心钢球(图46b)橡胶钢芯

38、球(图46c、d)等多种。 实心钢球一般用在小流量泵上，而大流量泵为了减轻阀球的重量几乎都采用空心钢球。实践表明，橡胶钢芯球比纯钢球耐磨性能强，使用寿命长。目前在低压泵上，橡胶钢芯球的寿命达2000小时以上。图4-5 球形阀1-密封圈； 2-阀球；3-导向套筒；4-限制器；5-阀座值得注感的是，橡胶钢芯球的橡胶外皮和钢芯间结合方式直接影响阀球的使用寿命。图427c结构，在阀球下落时由于阀球和阀座间发生很大冲击，所以外皮和钢芯间容易产生滑移，并导致外皮开裂而停止使用。图427d的钢芯表面制出了很多构槽，使橡胶外皮和钢芯之间结合得比较牢固，防止了上述现象，提高了阀寿命。图4-6 阀球密封圈的硬度应

39、大于肖氏80度，最好为8898度，而最适宜的材料是采用聚氨基甲酸酯。阀密封圈在预压后，其内径应处于阀球直径到阀球直径加132英寸的范围内，同时使密封圈的水平中心线刚好与阀球水平中心线对齐(当阀处于关闭位置时)。这样，当阀关闭时就能依靠阀上的高压使密封圈在阀球上产止变形而实现密封，而不是靠阀球推压密封圈实现密封。为此必须使阀球在工作时能在密封圈孔内作自由滑动。此外，阀球与密封圈孔之间的微小间隙还具有从阀球表面刮下固体颗粗的作用，使之不存留在上述两者表而间而损坏密封圈。4.2泵阀的材料阀的材料及共制造工艺件能，对阀的寿命有很大影响。阀的主要零件有密封件、阀座和阀盘以及阀弹簧。泵阀密封件的材料应该具

40、有较高的弹性模量、足够的硬度、强度和耐腐蚀等。此外，在满足其工艺性能的条件下，应具有最小的残余变形。常用的阀密封材料有丁脂橡胶、氯丁橡胶、聚胺酯橡胶、硬聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龙6、尼龙1010等，丁腈橡胶具有较成的耐磨、耐油、耐热性能，并且价格较低，在低压泵中广泛被采用。聚胺能橡胶比丁脂橡胶具有更为良好的韧性和耐磨性能，目前已被广泛采用。但聚胺酯橡胶在高温和高浓度碱性介质中工作时，其性能显著降低。目前开始采用mc尼龙密封圈，可显著地提高阀的使用寿命，因而广泛地被应用。尼龙密封圈具有以下几个优点：1具有较好的化学稳定性，在泥浆中对酸、碱、油等介质有良好的抗腐蚀和抗老化能力。2尼龙弹性模数比钢小

41、得多(尼龙，钢)，在一定的应力条件下，相对的有较大的变形，能吸收较大的碰撞能量，并具有较大的耐磨性能，大大延长了阀的寿命。3尼龙受热后质地较软，尤其在外力作用下，能有较大的变形。因此，除了具有良好的密封作用外，对泥浆中的颗粒(如铁屑、砂粒)有良好的嵌入性，大大改善了阀的工作条件。4尼龙阀门比钢芯阀门结构简单，重量轻，更换容易。阀芯和阀座材料有45、50、40cr、20cr、40crmo、40crni2mna、20crmnti、20crmnmo，3crl3、35crni2、1crl8ni9ti、2crl8ni9、nicrmo、crl7ni2等，种类繁多，但其中常用的材料是45、40cr、20cr

42、mo等。据分析，阀盘和阀座工作表面的金属微观组织和硬度，对阀的寿命影响很大。如果阀工作锥面的金属组织内含有软的铁素体，则当阀盘下落在阀应上时，在阀盘和阀座接触面之间有磨砺性颗粒的地方，将使金属表层产生凹痕和剥落，从而加速阀的破坏。若仅在阀盘工作锥面的上部边缘为屈氏马丁体组织(其深度为0608毫米)，而在其它地方均存有大量残余铁素体时其阀寿命也很短。如整个工作表面为屈氏马丁组织，不存在残余铁素体时，其阀的寿命比较长。阀盘和阀座金属表面硬度一般在hrc56以下，但个别泵阀已经达到hrc 70以上。用50、40cr、20cr、15crni2、crni3钢制造阀时，可采用渗碳处理。其工作表面可用高频淬

43、火或整体淬火，其淬火深度达24毫米，表面硬度在hrc 5055以上。用40cr制造阀时，由于淬火后其表面组织内易存有残余铁素体，易于渗碳处理。40crmo采用火焰淬火后可获得良好的效果，35crni2经整体淬火后，其硬度可达hrc4952。30crmo，35crmo经渗碳淬火后，渗层深度在l毫米以上， 硬度hrc576l，芯部硬度hrc3445。nicrmo经渗碳淬火后，渗碳层为1.5毫米，硬度为hrc6065，芯部硬度hrc95。实践证明，提高阀件的硬度是延长阀寿命的很重要途径。泵阀弹簧常用的材料有以下几种1优质碳素弹簧钢优质碳素弹簧钢的特点是价格低廉，原材料来源方便，钢中夹杂物较少，纯度较

44、高，钢的热处理表面不比合金钢差，在弹簧的使用温度不低于120°c并在相同表面状态及热处理条件下，其疲劳性能也不低于合金弹簧钢。2合金弹簧钢合金弹簧钢主要有50crva、 60si2mm 65mn等。50crva钢中加入钒的目的是细化组织，使之不易过热，这将提高钢的强度和韧性。在硬度高时，这种弹簧的缺口敏感性也较低，还具有良好的低温冲击韧性。在50055°c温度下回火后，仍有较高的抗拉强度和屈服强度，因为在高温工作时性能比较稳定。所以50crva是良好的弹簧材料605i2mn钢中加硅可显著地提高弹性极限屈服限，提高回火稳定性，从而在高温下回火时可得到良好的综合机械性能。但含硅

45、高时，表面易脱落，因此可加锰元素克服此缺点。目前60simn钢作为泵阀的材料得到了广泛地应用。不锈钢、青铜材料有4crb、ni80cr20、qsn43、qsn40.3、qsn6.50.1、q5n6.50.4，qsi31、qbe2等。这类材料主要用于输送各种腐蚀性泥浆的油隔离泥浆泵。其中化工用泵弹簧材料一般为4crb、ni80cr20等材料。4.3泵阀的破坏机理及提高阀寿命的途径4.3.1泵阀的破坏机理泵阀的寿命主要取决于泵的冲次、泵内液体流动形式、吸入条件、排出压力、工作液体特性、阀内液体流速。阀升高、阀材料和结构等多方面的因素。泵阀的破坏机理是较复杂的，与很多因素有关。实践证明，泵阀破坏机理

46、丰要有两种形式：冲击破坏和冲刷破坏。当泵工作时，阀盘多次给阀座冲击，使泥浆的磨砺性颗粒牢固地嵌入阀盘和阀座表层金属内，从而其工作表面产生局部性变形，结果形成不同形状和深度的凹痕。与此同时所产生的变形引起表面撕裂，并且内于多次塑性变形使金属表面某些区域产生了弹性剥落。这种破坏叫做冲击破坏。泵阀的另一种形式的破坏是高压溢流的冲刷破坏。这种破坏起初是从微小的刺漏介始，在高压作用下泥浆以极高速度从微小的缝隙小冲刷出去，使其缝隙迅速扩大，在金属表面很快形成沟槽，直到完全破坏。最初产生的微小缝隙主要是从阀橡胶密封圈的损坏而开始的。当密封圈开始破坏时仅出现初始沟槽，而当严重破坏时，则出现不同类型的深沟槽。这

47、就表明金属表面沟槽的大小和深浅与橡胶圈的破坏程度有关。由此可见，阀橡胶密封圈是保护阀正常运动，延长阀寿命的主要零件。产生冲刷破坏的原因还有导杆的磨损、阀接触面的加工偏差以及粗颗粒等。当阀导杆磨损后，其导向间隙增大，不能保证阀盘运动时良好的对中和平稳性，因而当阀盘下落在阀座上时产生偏斜而不能封严，内此出现冲刷破坏。的密封不严，除了上述原因外，还有由阀盘和阀座的锥角制造公差不符合要求或公差规定的不合理等造成的。另外，硬度和粘度都大的粗颗粒，夹在工作面上也存在间隙，同样引起冲刷破坏。对不同的泵，上述两种破坏有所不同，有的泵冲击破坏为主要，冲刷破坏为次要，有的阀冲刷破坏为主要，冲击破坏为次要。在一些文

48、献资料中提出，当阀隙液体流速超过67米秒，单位负荷低于250千克平方厘米时，为一般为冲刷破坏；当调隙液体流速低于67米秒，单位负荷高于250千克厘米2时，一般为冲击破坏；当阀隙液体流速超过10米秒时，不论多大压力，一般都属于冲刷破坏。4.3.2提高阀寿命的途径近年来，为了提高阀的寿命，国内外都在广泛地进行试验研究、寻求提高阀使用寿命的途径，并正不断出现阀寿命更长的新的阀结构和阀材料，在泵生产使用了取得的良好的经济效果，并且提供了以下几个方面提高阀寿命的途径：1改进阀密封圈的几何形状和材质实践证明，合理地选择阀密封圈的几何形状，从而提高阀的密封性能是提高阀寿命的很重要措施。目前，油隔离泥浆泵普通

49、采用锥形和单锥面的密封圈。这种密封圈由于几何形状不合理，所以当阀下落时，阀橡胶的尖部容易挤到阀座和阀盘的间隙中波剪坏，使阀失去密封作用。这种密封圈的阀寿一般在7一15天左右。图47是一种改进的双锥面密封圈几何形状。图4-7 双锥面密封圈这种结构将单锥面的密封圈尖角由40°改成13l°，以增加该处的橡胶强度和抗剪能力，并将单锥面的密封圈唇角140°改成86°，由此增加了自封能力。改进后阀的寿命比原来提高3倍以上。图48为苏联kck型的一种截面呈水滴状的橡胶密封圈。这种密封圈，由于截面容积较大，能吸收较大的能量，而减少阀体运动的冲击。另外，它具有较好的刚性，

50、不易被挤入缝隙里，同时密封部位的切应力和压应力均减小45倍。采用这种密封圈，阀使用寿命可提高到500600小时。图4-8 水滴状密封圈2加强阀座和阀盘的耐磨性能提高阀座和阀座的硬度及改变其几何尺寸的方法加强阀座和阀盘的耐磨性能是延长阀寿命的非常重要的途径。为了提向磨损件的硬度，目前广泛采用离子氮化、碳氮共渗、碳氮硼和碳氮钛等三元共渗、软氮化等新热处理工艺。其中碳氮硼三元共渗已经广泛用来提成阀座和阀盘的硬度，并延长寿命，效果比较明显。影响阀寿命的因素，还有阀体和阀座接触支承面的角度和形式。水平面和圆锥面双支承面结构的阀座和阀体，能改善阀体和阀座的受力状态。3利用高压垫原理图49是cs2型胶垫。这

51、种结构类似于气垫船浮在有压力的气垫上，胶垫凡尔浮在高压的胶垫上。当阀体下落时，内密封环和邻近的胶皮先接触阀座，切断液流。这时候胶皮的大直径处距离阀座23毫米(缓冲距离)，形成高压液垫，随着阀体下落，液垫中的泥浆将挤到高压腔内，液压垫随之消失，这样橡胶垫和液垫都同时起着减震作用，避免了产生巨大的冲击力。这种阀平均寿命为1400小时，最高可达2300小时以上。种阀具有密封性好、工作平稳、耐磨性好、寿命长等优点。但泥浆中含有较大颗粒时胶垫易被破坏，阀寿命也短。图4-9 cs-2型泵阀4不断改变阀盘落在阀座上的位置改变阀盘落在阀座上位置，减小冲击和冲刷磨损可使阀的寿命显著提高。采用球形阀就属于这种方法

52、。球形阀的特点是球阀在上下运动中随时改变对阀座的位置从而阻止阀座和阀体间微小缝隙的扩大，以大大减少冲刷破坏。球阀有纯胶球、钢芯橡胶球、钢芯尼龙球等。目前油隔离泥浆泵上使用的球形阀使用寿命可提高到2000小时以上。图416为旋转式翼形导向。当液体在阀座孔内流动时，接触翼形的液体运动方向发生改变，给翼形一个推力，迫使阀盘转动，从而不断改变阀盘落在阀座上的位置，可达到提高阀寿命的目的。5合理地确定泵冲次和阀升程泵的冲次是影响阴性能及寿命的一个重要因素，随着冲次的增加，阀寿命明显下降。但是，由于油隔离泥浆泵冲次一般在3550次分的低冲次，所以对提高阀寿命很有利。另外，阀的升程也对阀寿命有影响。总之，为

53、了提高阀寿命，国内外正在进行一系列科学实验和理论研究，不断改进和完善阀的结构，研制一些新的阀产品。4.4 泵阀的设计和计算4.4.1阀的计算和基本理论1阀计算公式阀的工作理论比较复杂，在很多文献中提出不少阀工作理论和计算方法，例如库可列夫斯基方法、别尔格方法、马特维夫方法、阿道尔夫方法等。这些方法都是以阀无冲击条件为基础，还没有涉及到阀冲刷破坏机理，因此与实际有一定的误差。尽管如此，目前仍以上述公式为阀的设计计算基础。实际计算表明，结果基本一致。由于油隔离泥浆泵的冲次低(3550次分)，泵阀可按库可列夫斯基方法计算，即式中n泵每分钟冲次，次/分； h一阀升程，毫米。 2阀的基本理论泵阀的升程h

54、近似为式中 h阀升程，米；a活塞面积，米；一阀的面积，米；r曲柄半径，米；曲柄转角，弧度；阀的密封面与阀座端面的夹角；间隙流量系数；阀隙理论流速，米秒， 其中为弹簧力(千克)，为阀和弹簧在液体中的重量(千克)； 阀隙总周长，（米），其中为一个工作腔中吸入阀或排出阀数目，为一个阀的阀隙周长(米)。由阀的升程公式可得： (1)当0时，即活塞的吸入行程(对吸入阀和排出行程)，在开始的瞬间，排出阀并未升起，直至时，阀开始动作，较活塞滞后角(滞后角)；当时，即活塞的吸入行程和排出行程终了的瞬间，阀尚未关闭，停留在升程为的高度(滞后高度)上，直至时，阀才关闭，即较活塞滞后角。阀滞后虽然不可避免，但应设法使

55、之尽量减小滞后角。阀的滞后高度阀的滞后角(米)（2）阀的最大升程发生在时（滞后影响），近似为式中 h阀升程，米；a活塞面积，；阀的面积，；r油柄半径，米；曲柄转角，度；阀的密封面与阀座端面的夹角，平板阀=0，球阀角为圆心角之半；阀隙流量系数；阀隙理论流速，从阀中流出为正(米秒)，；其中为弹簧力，向下为正(千克)，为阀和弹簧在液体中的重量，向下为正(千克)；阀隙总周长(米)，其中为工作腔中吸入阀或排出阀数目，为阀的阀隙周长。阀的滞后阀体的落座速度为（米/秒）或的方向向下，会引起阀的冲击，设计时应尽量减小值。(3)阀的阻力1)阀的开启阻力式中弹簧的预压力，千克； g阀的重量，千克；阀座孔截面积，泥

56、浆比重。2）阀开启后的水力阻力损失式中阻力系数（与阀的形状、升程、密封面宽度以及液体的性质有关）阀座孔流速(米秒)，对于水或类似于水的液体4.4.2阀座设计与计算1对阀设计的基本要求(1)启闭迅速及时；(2)关闭后无泄漏；(3)工作平稳噪音小；(4)阻力尽量小；(5)有足够的强度和刚度(6)结构简单，制造容易2阀主要尺寸的确定本设计采用球形阀阀孔直径为120毫米，阀升程为60毫米5 稳压室曲柄传动的往复式泥浆泵或油隔离泥浆泵，由于曲柄连杆机构将原动机回转运动转化为活塞的往复运动，所以活塞运动速度不均，因此泵的瞬时排量和压力不断在变化。由于泵的排量较大和压力波动，往往引起吸入性能降低，恶化原动机的工作条件，造成泵和管道振动等严重情况。为了减小泵的排量和压力波动，一般采用多缸多作用泵，例如双缸双作用泵(四作用泵)和三缸单作用泵等。除此而外，可以采用稳压室来控制往复系由