【XQB小型泥浆泵结构设计与计算7100字（论文）】

IV1引言自从泥浆泵被发明出来，到现在已经应用了有一百多年。最先出现的泥浆泵功能主要是冲洗泥浆和运送岩土。直到1940年代末，随着各种新式钻井机构不断出现，使得其扩大了逆浆泵的使用范围。泥浆泵也可以称作为钻井泵，是钻井工程领域中最为重要的一个机构。在钻井的过程中，泥浆泵主要是将清水或其他溶液通过高压软管和众多零件输送到钻头的底端，从而达到对钻头冷却的目的，并实现井底的清洗。泥浆泵的结构类型众多，最早被使用的是双缸双作用泵,但这种泵效率低且体积重量大，很难适应野外各种复杂的状况。一直到1960年代，出现了三缸单作用泵，弥补了双杠双作用泵的缺点，在这其中占有较大优势的是工作效率高且整体稳定性好。之后泥浆泵也在一代一代的发展，大约过了40年，三缸单作用泵的技术较为成熟，应用广泛。现在泥浆泵仍在不断的发展，泵的使用不仅在于钻井，其中小型泥浆泵被广泛的应用在隧道、煤矿、大坝和地基等场合。针对应用于隧道、煤矿、大坝和地基等场合，主要是应用小型泥浆泵居多。虽然现在的泥浆泵的研制与发展很快，但仍然存在着诸多问题，如：整体的尺寸大小和重量还是比较大，运输不是非常便利；无故障运行的时间达不到所需的要求；结构较为复杂，更换密封件时间较长。因此此次对上述存在的问题进行改进，合理选择原动机来延长运行的时间；通过选择合适的密封材料和结构设计，以解决密封件的问题；选用行星减速器并将其置于大带轮之中，解决尺寸和重量的问题。因此研究XQB小型泥浆泵结构和其零件具有很大工程意义经济价值。2泵的介绍1、泵的选择现在泵的种类有很多种，其中应用较多主要是三缸泵和单缸双作用泵，三缸泵的优势在于泵的整体构造简洁、传动功效好，缺点主要是整机质量大和泵中压力较低等因素。单缸双作用泵相比三缸泵体积小、重量较轻、压力高和工作稳定，并考虑到野外复杂的工作状况，最终选择了单缸双作用泵。2、单缸双作用泵的工作原理首先是由电动机通过带将动力传入，然后由减速器进行降速，最后是由偏心轮上的曲柄滑块机构将其自身的回转运动转化为活塞与缸体的直线往复运动，从而实现整体的运动。柱塞泵有进腔和排腔两个腔。当杆向左运动时，缸体右腔进浆（F2打开，F4关闭），缸体左腔排浆（F3打开，F1关闭）。当杆向右驱动时，缸体左腔进浆（F1打开，F3关闭），缸体右腔排浆（F4打开，F2关闭）。（如图2-1所示）图2-1原理图3、优化设计在泵的总体设计中，针对现有的泥浆泵的诸多问题，经过多次的调研和现场的实际考察，最后也从实际经济的角度考虑，确定了如下的方案：（1）泥浆泵多用于野外场所，环境恶劣且工作时间长，泵体容易损坏，需要选用高强度的材料；（2）野外各种工作环境非常复杂，动力要选用电机来更好的适应环境；（3）密封件易损坏从而影响泥浆泵的工作性能，可以选用新型的密封件材料聚四氟乙烯来提高寿命；（4）柱塞容易磨损，选用更好的材料来提高耐磨性；（5）使泵整体运行更加平稳，可以选择增加一个空气室。3原动机的选择现在所应用的电动机主要就是绕线式和鼠笼式这两种异步电动机。这两种电动机都有着自己独有的优劣之处。其中绕线式异步电动机的长处就是运行启动速度非常快，短处就在于结构较为复杂，维修不变，运行不稳定，经济效益不高。而鼠笼式的特点是启动便捷，构造简洁，便于维修且经济效益好等，缺点是启动时所要求的电流大且转速难以调整。同时也有考虑到直流电动机，虽然直流电动机启动迅速和转矩大等优点，但相比于异步电动机来说直流电动机效益较低、结构庞杂且难以拆卸等。最后综合考虑各种电动机的优缺点，并且考虑到工作环境在野外场所，需要构造简洁、容易维护、综合收益高及故障率低的优点，因此最后选择了鼠笼式异步电动机。最后电动机型号的选择还需要根据一些参数来计算，从而最终完成原动机的选择。已知，。主轴所受的轴向力F：(3-1)其中：A—运动活塞的截面积P—作用在轴上的最大压力主轴的转矩T：(3-2)计算排量P：(3-3)其中：M—转矩P—最大压力由，可得轴的转速r：(3-4)其中：Q—为流量（）P—为排量（）由公式，得输出功率P：(3-5)则输出功率P：式中：齿轮传动效率带传动效率由《机械设计手册》可知选择Y132M-4型三向异步电动机，其功率为7.5Kw，转速为1440r/min。4浆管的选择与直径计算这次所选的浆管有吸浆管和排浆管，需要考虑胶管在安装时尽量不发生扭转，且弯曲半径不宜过小，以防止受力过大。浆管会经常与较粗糙和锋利的表面向接触，会承受较大的压强和摩擦力，需要选用高强度材料的胶管。胶管可以分为夹布胶管、缠绕胶管、针织胶管和编织胶管。首先第一个胶管的长处是制造方便、对各种要求的适应性较好并具有管体挺性好，但效率低。其次是缠绕胶管承压强度高和耐冲击。其次针织胶管管体轻便柔软，弯曲性好，但只适应于工作压力不高的场合。最后编织胶管承压、耐冲击和弯曲性好、相比于夹布胶管材料利用率高。因此综合考虑泥浆泵的工作状况，选用了编织胶管。1、吸浆管直径计算吸入管中的流速，取。流量：(4-1)(4-2)所以取。2、排浆管直径计算排水管中的流速，取所以取；因此最后选择了直径为30mm吸浆管和直径为40mm的排浆管，其材料为编织胶管。5泥浆泵零件的选择与强度计算主要参数：电机的功率7.5KW,流量,泵的额定压力,柱塞。5.1泵体泵体在机器的整个运行过程中起着很重要的作用，其主要就是吸浆和排浆这两大功能。泵体主要由主轴、偏心套、连杆、滑套等组成。泵头由拉杆、柱塞球阀、进浆室、排浆室、进浆胶管接头、空气室等组成。圆锥滚子轴承在行星轴和主轴上均安装，有众多优势：能同时承受两个方向的载荷：轴向和径向，能够承受很大的载荷，适用于高速重载的场合。同时柱塞和拉杆上都是进行了密封，在他们中间使用的是型环。它不仅能承受极高、极低和不断变化的温度，而且能够在长时间运行后，其整体磨损非常的小，且适应于泥浆、水和矿物油等各种物质。并且柱塞需要冷却，可以把胶管与直通管接头相连接后，流出的冷水就可以起到冷却的目的。5.2销子的选择与强度计算销在于用法上有许多种，其中销可以分为定位销、连接销和安全销。首先第一个销的作用就是用来确保零件之间不会发生位移；其次第二个销作用是传递载荷；最后的安全销起保护元件作用。销的类型众多，有圆柱销、圆锥销、槽销和开口销等，以上销都是标准化零件。圆柱销的应用是最为广泛的，通过圆柱销与孔的挤压来固定，连接非常紧密与安全；圆锥销受横向力是会自锁，它装拆方便，且不影响其定位要求；当槽销与销孔进行安装时，由于材料本身的性能使得连接紧密，能够承受较大的冲击；开口销常用于螺纹连接的防松装置。在销的选择过程中，我们需要考虑到很多的因素。一方面，我们要考虑到野外恶劣的环境条件和装配所要求的尺寸要求。另一方面，我们还要考虑到销能不能在使用过程中能够承受较大的力与挤压。销在使用的过程中常用的材料有35或45钢。安全销相比之下就拥有更多的原材料可更替换。而定位销所使用的材料就与普通销所一致，并进行硬化处理。根据实际情况，选择材料为45钢的圆柱销。已知，，。1、外加负荷P(5-1)2、各支点反力、解得：图5-1弯矩图3、各支点弯矩如图4、弯曲强度计算截面C处的抗弯摸量W：截面C处的弯曲应力：(5-2)，安全。5、剪切强度计算此销为双剪切，所以剪力：剪应力：(5-3)，安全。式中：—许用剪应力6、挤压强度计算挤压应力：(5-4)，安全式中：—挤压剪应力=因此符合要求。5.3柱塞上螺纹的选择与强度计算5.3.1螺纹的选择与强度计算根据螺纹所处的位置不同，被分为内外螺纹。螺旋线的绕行方向有左、右旋，被使用最多的是右旋螺纹。按照其外观可分为圆柱螺纹和圆锥螺纹。前一种主要适应与连接和传动，后一种适应与连接。传动螺纹主要有三种类型。第一种为方形螺纹效率较高，但其螺纹根部强度弱，相互转动部位容易磨损，会导致传动精度下降。锯齿形螺纹容易对中。这类螺纹兼有方形螺纹，它的优点是传送速度快、梯形螺纹底部坚韧度高的优点，但只能用于一个方向受力的螺纹。梯形螺纹的里、外两侧紧密贴合，不会发生移位。和方形螺纹对比强度高，韧性好，但工作效率低。其应用的最为广泛，最后选择了梯形螺纹。(如图5-2所示)图5-2螺纹简图螺纹所选用的材料：45钢性能：，，公称尺寸内径螺距工作高度螺纹梯形宽度旋上差宽旋入等容1、弯曲强度计算弯矩M：(5-5)抗弯模量W：(5-6)，安全。2、剪切强度计算剪切面积：(5-7)许用剪切应力：，安全。3、挤压强度计算挤压面积：(5-8)(5-9)许用挤压应力：，安全。因此所选的柱塞螺纹符合要求。5.3.2螺纹防松的选择螺纹连接发生松动现象，会对机器造成很严重的影响，可能会使机器发生严重的故障，停止工作。因此为了保证连接的紧固和机器的平稳运行，在设计的时候需要采取防松手段。防松其实就是阻止螺旋副之间发生旋转位移。可以分为摩擦防松、机械防松和破坏螺旋副防松等。在选择方法时，我们一般会选用最简洁有效的防松方法，因此最后选择了机械防松。5.4泵体壁厚选择与强度计算泵体壁厚选择的材料为：蠕墨铸铁性能：，许用安全系数，取壁厚1、由经验公式计算(5-10)式中：缸的内半径取考虑到壁厚附加量，取2、由承压强度计算(5-11)得：式中：泵体最大内径D壁厚附加量安全系数所以所选的壁厚符合要求。5.5空气室容积的选择与计算本机构中仍然需要额外加一个空气室，空气室能起到很大的作用。当机器运行时，浆量发生波动时，空气室里面预存的空气也会发生相应的变化，造成空气室中空气体积大小发生变化，进而影响空气压力，从而使得排浆均匀。(如图5-3所示)1、计算空气室的容积（5-12）其中：剩余液量平均压力空气室中为工作时的压力柱塞行程压力不均匀系数,取图5-3空气室2、实际容积(5-13)所以空气室的容积充足。3、强度计算材料为：蠕墨铸铁，厚度为。(5-14)由承压强度计算：(5-15)，安全。所以选择厚度为合适。5.6减速器的选择与计算减速器是较为精密的机械，其主要起到降速的目的。减速器的种类有很多，主要有：齿轮减速器、蜗杆减速器、谐波减速器、行星减速器。每种减速器都有自己独特的优劣之处，要按照所应用的场合和具体的尺寸要求来选择最优的减速器。齿轮减速器主要有以下几种类型。首先第一个是直齿圆柱轮，它适应于两轴不相交的场合，在其运动的过程中会产生较大的冲击和噪音。其次是斜齿圆柱轮，它适应于平行和交叉传动，其特点：两齿轮间接触的更加紧密且运行平稳，适能承受较大载荷。最后是锥齿轮，它的两轴之间相交，一般来说都是垂直的。齿轮传动大多数应用于传动比要求很高、传动效率高且整体的尺寸较小。涡轮蜗杆效率低，容易产生摩擦热导致温度过高，容易胶合，同时它也有自锁功能。谐波减速机的主要特点是尺寸小、稳定性较差和能够无故障工作的时间较短。行星减速机结构相比之下还是较为紧密的，精度较高且工作时间长。泥浆泵一般用于野外，需要经常的搬动，因此需要减轻它的重量和体积，所以要选择较轻的减速器，就选择了行星减速器并将其置于大带轮之中，从而能够实现所需要求。5.6.1传动比的分配电机转速，泵的运行次数为120次/分，即，；，。1、选定(5-16)式中：计算功率使用系数安全系数当，时，由《机械设计手册》可知NAD200，2、温度的变化会对机器造成一定的影响，要找到临界功率，，由查表可知，，。通过《机械设计手册》可知由此热平衡时临界功率符合要求。5.6.2行星减速器各齿轮参数选用型双联机构类型的行星减速器，行星轮n=3，i=6。1、中心轮相关数据；；；；；；旋向向左。2、行星轮相关数据；；；；；；旋向向左；。3、行星轮相关数据；；；；；；旋向右旋；。5.7带的选择与计算带传动大多应用于小带轮与大带轮之间有较大距离的场合。带传动主要由带轮和传动带组成。当主动带轮1转动时，会由传动带2将运动传递到从动轮3。带从整体上来说就由三部分组成，结构很简洁，运行平稳且当运行速度过快时，带与带轮之间会发生相对位移。因此它在现在社会中应用的非常广泛。(如图5-4)图5-4带传动图在带的传动中有多种类型，各有其自己的特点和优缺点。带的类型主要有平带、V带、多楔带和同步带。平带传动整体构造比较简单，传送平稳且速度快和可以应用在大小带轮之间有距离的场合。V带传动适应于两带轮之间有较远距离的场合和构造紧密。多楔带有着两者共有的长处，主要用于运载较重物品的的场合。同步带传动需要很高的运行平稳性。最后综合考虑我们的需求，选择了V带传动。1、计算功率(5-17)其中：工作情况系数2、选择带的型号的小带轮直径知，，由《机械设计手册》知选B带型，3、传动比4、大带轮直径(5-18)其中：弹性滑动率由《机械设计手册》可知，。5、带速V(5-19)速度在范围内，合适。6、初定轴间距所以取。7、初算带的基准长度(5-20)由《机械设计手册》知，取。8、实际中心距a(5-21)9、小带轮包角(5-22)包角合适。10、单根带传递的功率由，。由《机械设计手册》知11、单根带传递功率的增量由，由《机械设计手册》知。12、带的根数(5-23)其中：包角系数，长度系数所以Z=4。13、单根带的预紧力(5-24)其中：皮带每米长的重量。14、带轮的结构和尺寸本次选用的电机型号。参数如下：直径；长度。所以小带轮轴孔的直径取，毂长小于88mm。由《机械设计手册》知小带轮选取实心轮，大带轮选取孔板轮。（1）确定小带轮相关尺寸由《机械设计手册》查得大小带轮相关尺寸，，，，，，，，取。（2）确定大带轮相关尺寸由《机械设计手册》查得，，，，，，，，取。5.8轴的选择与强度计算材料：40Cr，调质后性能：，5.8.1初算轴径式中：与材料有关的系数开键槽应增大，取5.8.2轴的受力分析1、带产生的作用力Q(5-25)2、缸内压力对轴的作用（1）此处只考虑缸内的压力，其它不在范围之内。在轴上受到的两个方向上的载荷都会造成应力，如下图5-5。5-5轴的受力图（2）切向力T(5-26)法向力Z(5-27)式中：偏心角连杆的偏角通过受力分析，当时，，此刻轴的受力最大。，将以上各力分别向水平和垂直面上投影。(5-28)由于，产生扭矩(5-29)轴传递的扭矩(5-30)3、各支点反力X平面Y平面4、弯矩(5-31)水平面如图5-6所示垂直面如图5-7所示最大弯矩：最大扭矩：合成弯矩如图5-8所示图5-6水平面弯矩图5-7垂直面弯矩图5-8合成弯矩5.8.3验算轴径当材料为40Cr，时，由资料查得：，，，过盈公式：(5-32)取所以符合要求。5.9轴承的选择与强度计算按接触面分为滑动轴承和滚动轴承。滑动轴承按承载方向可分为径向轴承和止推轴承。它有着自己的长处，对其尺寸是有一定的要求且适应于在运行速度极快时会承受较大的力。与前者进行比较，滚动轴承的摩擦系数小且能长时间平稳运行；滚动轴承经过长时间的发展与改进，已经形成了自己独有的标准和特点。当零件出现问题，可以很容易的被替换，从而大大节省成本。滚动轴承用轴承钢制造出来，经过热处理后，其表面的硬度和韧度都得到了很大的加强。现在滚动轴承的应用非常广泛，滚动轴承相比于滑动轴承，有着很多的优缺点，针对泥浆泵所处的工作环境，经过多次的考虑，最终选择了滚动轴承。所选轴承为：单列深沟球轴承61912。性能：在受载这个方面，它会同时收到多个方向载荷的挤压。接触面光滑，经济效益高，构造简单。，，。此轴承只受径向载荷，其力为：1、寿命计算（1）当量动载荷P(5-33)式中：载荷系数寿命(5-34)2、静载荷计算（1）式中：载荷安全系数（2)当量静载荷(5-35)式中：径向静载荷系数轴向静载荷系数所以符合要求。结论目前来说，泥浆泵的发展很快，但仍有着诸多的问题，现有泥浆泵无故障工作时间短、体积重量大和更换密封件的时间较长等问题。其主要通过选择合适的泵来解决工作时间短的问题；对于密封件的问题，一方面可以通过选择合适的密封件材料来延长密封件的使用时间，另一方面可以通过合理的结构设计来缩短更换密封件的时间；为了减轻总体的重量和缩小体积，可以选用优异的减速方式，选用行星减速器并将其置于大带轮之中，从而可以解决现在所存在的问题。在这一次的毕业设计中，完成了很多的工作，主要有：首先是先查阅相关的文献，并对泥浆泵进