大流量柱塞泵设计 说明书

1、中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 1 页 一 概述 1.1 往复泵的发展概况 往复泵是工业泵中不可缺少的一类产品.它的突出优点是:可获得高的排 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、管道输煤、煤气化工、电站排渣、矿山 开采等方面起着重要作用,而且在压力容器检测和实现现代化石油化工工业 全面自动化方面也是不可缺少的品种.近年来,其产量明显增长,证实了它在 国民经济发展中的地位. 往复泵的原理及特点 1.2 往复泵的原理及 1-泵缸 2-活塞 3-活塞杆

2、 图 1-1 往复泵装置简图 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 2 页 1.2.1 往复泵的原理 (一主要部件：泵缸、活塞，活塞杆及吸人阀、排出阀。 (二工作原理：活塞自左向右移动时，泵缸内形成负压，则贮槽内液体 经吸入阀进入泵缸内。 当活塞自右向左移动时， 缸内液体受挤压， 压力增大， 由排出阀排出。 活塞往复一次，各吸入和排出一次液体，称为一个工作循环；这种泵 称为单动泵。 活塞往返一次，各吸入和排出两次液体，称为双动泵。 活塞由一端移至另一端，称为一个冲程。 (三往复泵的流量和压头: 往复泵的流量与压头无关，与泵缸尺寸、活塞冲程及往复次数有关。 单动泵的理论流量为: QT=A

3、sn 往复泵的实际流量比理论流量小，且随着压头的增高而减小，这是因 为漏失所致。 往复泵的压头与泵的流量及泵的几何尺寸无关，而由泵的机械强度、 原动机的功率等因素决定。 (四往复泵的安装高度和流量调节: 往复泵启动时不需灌入液体，因往复泵有自吸能力，但其吸上真空高 度亦随泵安装地区的大气压力、液体的性质和温度而变化，故往复泵的安装 高度也有一定限制。 往复泵的流量不能用排出管路上的阀门来调节，而应采用旁路管或改 变活塞的往复次数、改变活塞的冲程来实现。往复泵启动前必须将排出管路 中的阀门打开。 往复泵的活塞由连杆曲轴与原动机相连。原动机可用电机，亦可用蒸 汽机。往复泵适用于高压头、小流量、高粘

4、度液体的输送，但不宜于输送腐 蚀性液体。有时由蒸汽机直接带动，输送易燃、易爆的液体。 1.2.2 往复泵的特点 在离心式和容积式两大类泵中,往复泵属于容积式泵.亦即它也是借助 工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的的;原动机的机械能经泵 直接转化为输送液体的压力能;泵的流量只取决于工作腔容积变化值及其在 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 3 页 单位时间内的变化次 数(频率,而(在理论上与排出压力无关. 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

5、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

6、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少而已. 2. 平均流量(即泵的流量是恒定的 由前述往复泵实现工作腔容积变化的方式和结构特点可知,当泵的设 计合理、制造质量又好时,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

7、物理、化学性质 有关(实际上,由于介质性质和排出压力不同,密封或泵阀处的泄漏量也有所 不同,因此也可以说有一点关系.当泵的每分钟往复次数一定时,泵的流量 也是恒定的. 由于受活塞(柱塞密封技术以及泵阀、液缸体等设计技术及材料强度 等方面的限制、往复泵的工作腔容积一般不宜太大(特别是高压时,工作腔 数目不宜太多、每分钟往复次数也不宜太高.因此,泵的流量也就不可能很 大. 3. 泵的压力取决于管路特性 离心式泵流量和扬程是由泵本身所限定的,而且两者是密切相关的.往 复泵则不同,它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 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 4 页 性,并且与流

8、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、液体的压缩性也不容忽视的,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. 当然,在往复泵实际出厂时,都有一个泵的排出压力的规定,这不是说 该泵的排出压力不会再升高,而只是说,由于受到配带原动机的额定功率(或 者其它动力源参数和该泵本身的结构强度(包括液力端和传动端所有承压、 受力的零部件的限制,不允许高出这一排出压力下使用而已

9、. 由这一特点导致往复泵在启动和操作过程中与离心泵有着重大区别: 在泵的排出管路上必须设置安全阀,以保证泵的排出压力不高于 它的额定值; 在泵启动前,必须把管路上的排出阀门全部打开,且不允许排出管 路堵塞,否则就有可能造成设备或人身伤亡事故; 往复泵允许降压使用,此时不会产生超载,也没有机件损伤的可能, 只不过没有充分发挥原设计的功能而已. 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

10、型泵就不能做到这一点. 4. 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.即往复泵 主要适用于高压(超高压、小流量,要求泵的流量恒定或定量(计量或成比 例地输送各种不同的介质(液体,或者要求吸入性能或者要求有自吸性能的 场合. 1.3 往复泵的分类 往复泵(相对离心泵来讲的特点决定了它的 “能用性” 越来越差,而专业 配套性越来越强.于是就出现了这样的情况虽然它的产量少,但泵型和 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 5 页 品种却繁多,以至于已经无

11、法按照某一统一原则来进行分类了.这里所讲的 分类,只能是按照这类型泵各方面特点进行比较,并兼顾到目前已经习惯了 的称呼,予以相对的分类和命名: (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 形等泵,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

12、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 接驱动的泵和手机(人为驱动泵. (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( P2 1mpa、中压泵( P2 1 10mpa、高压泵( P2 10100mpa、超高压泵( P2 100mpa; (五 按泵的每分钟往复次数(n分 按每分钟往复次数高与低分为:低速泵(n80spm、高速泵(n550spm. 介于两者之间的,对一般性往复泵来讲,通

13、常是正常选择范围(当然各类型往 复泵,其正常范围也有所不同,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、石油矿场用泵、液压机用泵、 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 6 页 压裂泵、固用泵、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

14、,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(特别是设计和生产部门,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,例如:卧式三联(缸单作用 机动柱塞泵、卧式双缸双作用蒸汽直接作用活塞泵、立式五缸单作用机动柱 塞泵等等.这种组合方式是多种多样的.见表 1-1 1.4 往复泵的应用与发展 综合前述可知,往复泵是一类产品品种多、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

15、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 11.5 万 t/a、30 万 t/a 乙稀、3 万 t/a 乙醛、5 万 t/a 丙烯腈、2.5 万 t/a 芳烃、6 万 t/a 乙二醇、4.2 万 t/a 丁二烯等装置上的各种药液注射 计量泵以及用于各种研究院所中间试验装置上的各种计量泵等; 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

16、品和电站锅炉给水备用配套的各种蒸汽走动泵; 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 7 页 用于陆上石油钻井或海上石油开发配套用的钻井泥浆泵、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、防止地下水害的注浆、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; 用于水压试验或容器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

17、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 1500mpa,其流量范围由 100 m 3 /h 600 m 3 /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

18、的 特长,显示其本身的优越性,从而更好地为国民经济、为建设社会主义中国而 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.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、化学化工、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、形状各异.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

19、的. 第二,要充分发挥往复泵在流量比较小而排出压力又很高的情况下,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 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 8 页 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

20、何正确地认识种类型泵的特点,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,要 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. 第三,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

21、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、提 高全员生产率、全面实现工艺流程的自动化创造了条件.计量泵虽然只是从 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

22、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. 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 9 页 二 方案论证 2.1 大流量柱塞泵 本次设计泵为卧式乳化液大流量柱塞泵，其中包括曲轴、曲柄、柱塞等， 该泵设置有五个柱塞，与五个柱塞相对应地设置有五个相互独立的吸排液 阀，各吸排液阀相互独立地分别与泵的壳体相连，且各阀的出液口相互串通 后再与泵的出液口相通。因此，即使得该泵的流量得以大幅度提高，在设计 上又使各零件的加工制造简单，制造方便. 2.1.1 柱塞泵的基本原理 如图 1 -2 所示的单柱塞泵同偏心轮 1、

23、柱塞 2、弹簧 3、缸体 4、和单 向阀 5、6 等组成,柱塞与缸体孔之间形成密闭容积.当原动机带动偏心轮顺 时针方向旋转时,柱塞在弹簧力的作用下向下运动,柱塞与缸体孔组成的密 闭容积增大同,形成真空,油箱中的油液在大气压下的作用下经单向阀 5 进入 其内(此时单向阀 6 关闭.这一过程称为吸油,在偏心轮的几何中心转到最下 点 o1 ，容积增大到极限时终止.吸油过程终了,偏心轮继续旋转,柱塞随偏心 轮向上运动,柱塞与缸体孔组成的密闭容积减少,油液受挤压经单向阀 6 排出 (单向阀 5 关闭,这一过程称为排油,到偏心轮的几何中心转到最上点 o1 .容 积减少至极限时终止.偏心轮连续旋转,柱塞上下

24、往复运动,泵在半个周期内 吸油、半个周期内压油.如图 1-2 所示原理图 图 1-2 单柱塞泵的工作原理 中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 10 页 柱塞泵是依靠柱塞的往复运动,改变柱塞缸内的容积进行吸入和排出 液体的泵,是容积式泵的一种,柱塞泵比较其他容积式泵齿轮泵、叶片 泵、螺杆泵有以下优点: 1.参数高:常用压力达 2040mpa,超高压泵可达 70mpa 以上;常用泵的 排量为每转为几 ml 至 500ml,大排量泵每转可达数千 ml;常用泵的驱动功率 在 200KW 以下,大功率泵可达 500KW 以上. 2.效率高:容积效率可达 95%以上,总效率可达 90%以上. 3

25、.寿命较长:泵内轴承的设计寿命一般为 20005000h,泵的使用寿命 可达 10000h 以上. 4.变量方便,型式较多:利用变量柱塞泵,实现液压系统的功率调节和 无级变速,是液压传动特别是高压液压传动系统的最重要的优点之一. 5.可以使用不同的工作介质:例如,既可以使用矿物油;也可以使用乳 化液或其他人工合成介质,这对适应某此液压设备的抗燃要求和节省能源具 有重要意义. 6.单位功率的重量轻. 但柱塞泵也有如下缺点: 1.结构较复杂,零件数较多. 2.制造工艺要求较高,成本较贵. 3.除阀式柱塞泵以外,一般对介质的清洁度比较敏感,因此对使用和维 护水平要求较高. 虽然柱塞泵有以上的缺点,但随着泵设计制造水平的提高,液压系统趋 向于高压,要求更多地使用功率调节和无级变速以及工作介质的发展和污染 控制技术的不断完善,柱塞泵的应用正在愈来愈广泛. 2.1.2 2.1.2 柱塞泵的分类 柱