卧式三柱塞往复乳化液泵的结构设计

大学学士学位论文--卧式三柱塞往复乳化液泵的结构设计摘要在现代社会的煤矿生产中，乳化液泵的使用是时时刻刻存在的，它和乳化液箱组成了泵站，提供了井下机械采煤工作环境中支撑保护设备需要的动力。作为煤矿支撑保护作业“外注式单体液压支柱”和“液压支架”的专用小型推移式注液设备，具有体积小、重量轻、易操作、易移动、工作效率稳定可靠、安全性高等特点，尤其是在隧道空间窄口、水头、低煤层面积等位置，乳化液泵是很好的选择，而且深受大多数煤矿企业的喜爱。乳化液泵的设计主要是为了提高它在煤炭工业中的应用。在此次设计中，利用对往复泵的综合比较进行了总体方案的设计，最终确定了泵的类型，利用曲柄连杆机构将曲线运动变成直线运动。确定总体方案后，通过设计计算确定了液压端的结构型式，根据流体力学和流体机械最终确定了传动端的结构型式。根据文献和设计要求确定了电机的类型结构，根据设计要求中给定的设计参数，通过一定的设计计算确定了泵的主要结构尺寸和参数。经过详细的设计计算，完成了对液压缸的结构设计，液力端和传动端的主要部件的确定，减速机构、曲轴和连杆的设计，经过大量的验算，这个设计是比较合理的。关键词往复泵；曲柄；连杆；流量StructureDesignofHorizontalThreePlungerReciprocatingEmulsionPumpAbstractIntheproductionofcoalmineinmodernsociety,theuseofemulsionpumpalwaysexists,andtheemulsionpumpiscomposedofpumpingstation,whichprovidesthemainpowerforthesupportequipmentofundergroundcoalminingface.Asaspecialsmallcoalminesupportingoperation"passageofexternalinjectiontypesinglehydraulicprop"and"hydraulicsupport"typeliquidinjectiondevicehastheadvantagesofsmallsize,lightweight,easyoperation,easytomove,theworkefficiencyisstableandreliable,highsecurityfeatures,especiallyinthetunnelspacenarrowmouth,head,lowcoalseamareaso,theemulsionpumpisagoodchoice,butalsobythemajorityofcoalenterprisesalike.Thedesignoftheemulsionpumpismainlytoimproveitsapplicationinthecoalindustry.Inthisdesign,thecomprehensivedesignofthereciprocatingpumpwascarriedout,andthetypeofpumpwasfinallydetermined.Thecurvemotionwaschangedintoastraightlinemotionbyusingacrankconnectingrodmechanism.Afterdeterminingtheoverallplan,thestructureofthehydraulicendisdeterminedbydesignandcalculation.Finally,thestructureofthedriveendisdeterminedaccordingtofluidmechanicsandfluidmachinery.Accordingtotheliteratureanddesignrequirements,thetypeofthemotorisdetermined.Consideringthegivendesignparameters,themainstructuraldimensionsandparametersofthepumparedeterminedbycalculation.Throughthedesigncalculation,completedthestructuraldesignofthehydrauliccylinder,todeterminethemaincomponentsofthehydraulictransmissionendandendthedesignofreducer,crankshaftandconnectingrod,afteralotofcalculation,thisdesignismorereasonable.KeywordsReciprocatingpump,crank,connectingrod,flowrate全套设计加QQ11970985或197216396目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1选题的意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国外研究现状 11.2.2国内研究现状 11.3研究的内容及方法 2第2章总体方案的确定 32.1泵的确定及特点 32.1.1机动泵的特点 32.1.2柱塞泵具有的特点 32.1.3卧式泵具有的特点 42.2液力端结构的确定 42.3传动端结构的确定 42.4泵总体结构图的拟定 52.5本章小结 5第3章主要结构参数的确定 63.1主要结构尺寸参数的确定 63.2柱塞平均速度的确定 63.3原动机功率计算 83.4电动机的选择 93.5本章小结 9第4章主要零部件的设计 114.1液力端主要零部件的设计 114.1.1液缸体结构的确定 114.1.2液缸体壁厚设计及强度校核 114.2传动端零部件的设计 124.2.1机体组成 124.2.2减速机构的设计计算 124.2.3曲轴的设计 164.2.4连杆的结构设计 224.2.5柱塞及其密封 254.3本章小结 25结论 26致谢 27参考文献 28附录A 29附录B 36绪论选题的意义乳化液泵在机械的各个领域被广泛应用到。工作情况与煤矿的井下安全生产之间有紧密的联系，为了生产的效率能够得到大大的提高，减少一些事故的发生，泵的安全运行及其重要。传动方式简单可靠，高效低耗，易操作，无污染的特点，广受煤矿企业的喜爱。获得过多项国家发明专利，拥有属于是完全自主知识产权的核心技术，一直处在领先的地位。乳化液泵在其他行业有所应用，市场的需求量急剧增加[1]。国内外研究现状国外研究现状在我国的大型煤矿中乳化液泵主要是进口提供的，国外的泵代表着乳化液泵设计制造的顶尖水平。国外的基本都是采用卧式三柱塞这种结构的泵。与国内设计理念的不同，国外把工作重心主要放在了产品的安全性，可靠性等方面，主要是利用现有的科技来降低人为操作失误，为泵站提供全方面的监控保护，帮助机械化工中央集中控制奠定了主要的基础。国内主要引进的是$300型乳化液泵。这种泵额定压力37.5MPa，额定流量达到了315升，主要是卧式三柱塞结构。传动箱体为分箱结构，主要是为了曲轴的安装提供方便和调整并实现多点支承。泵头组件由泵头体、缸套、吸排液阀等组成。泵头体是整体的锻件，具有强度高，内部密封圈少，维修方便等一些特点。缸套内利用了弹簧压紧盘根密封来均衡压紧力，密封可靠。柱塞用陶瓷材料制造，密度较小而且耐磨、防锈能够有效的延长使用寿命。独立的冷却器对压力润滑油进行冷却。电控外卸载来进行卸载。利用压力、温度、液位等传感器对系统进行监控，随时监控泵站系统的状态并且在参数出现异常时自动停机。国内研究现状国内经济的快速发展，煤矿企业生产中主要使用的柱塞泵是以曲柄连杆机构为传动方式，具有的特点是简单可靠，量大面广。从计量泵到石油钻井泵，以及油田注水、压裂、固井、等工况往复泵，基本都是利用这种传动方式来进行传动的。通过对传统往复泵的理论研究和实验，对泵的运动规律及动力特性有所了解之后为以后的发展打下了基础。和其它事物的发展规律是相似的，通过一直对传统往复泵的工作原理的深入研究而且取到了积极性效果的同时，开始意识到传统的传动方式的运动规律与动力特性对自身的应用及发展有极大的影响[2]。根据查阅资料和分析得出为了降低叠加加速度，降低液流惯性带来的损失，减小排量的波动度，改善排液的工艺质量，这种靠增加结构的复杂性来改善曲柄连杆传动方式的运动规律与运动特性的方法在机械设计中是很常见的，但是付出的代价也是巨大的。研究的内容及方法本次设计中，先通过对比的方法对往复泵进行了总体方案的确定而且且也确定了泵的结构型式，利用能够将曲线运动变为直线运动的曲轴连杆机构来进行传动。通过设计计算对液力端的结构进行了确定，根据流体机械得到了传动端的结构型式。查表得出电动机的型号和结构，根据要求的设计参数确定了泵的主要结构尺寸及参数。经过一系列的计算对液力端的主要零部件进行了设计及校核，对传动端也进行了详细的设计，经过校核计算，设计合理。研究的方法是通过搜集大量机械类资料来了解掌握乳化液泵结构设计工作原理，最后确定了前期的设计思路并且完成了开题报告的撰写，根据设计所提出的要求完成具体的内容设计及计算。按照任务书中提出的要求，熟悉各种乳化液泵的工作原理，明确泵的设计方法。按照设计的要求完成设计计划及达到预期的结果，进行相关设计及计算。还需要对所设计的乳化液泵进行一系列相关的试验和校验，最后对设计说明书初稿进行相关格式修改，对设计图纸进行绘制修改。总体方案的确定泵的确定及特点根据设计参数和压力的要求泵分为很多种，主要包括机动泵、柱塞泵、卧式泵等，这些泵之间的结构有极大地相似之处，经过比较和对比最后确定选用往复泵[3]。机动泵的特点机动泵的动力是独立的旋转原动机提供的。液力端、传动端、减速机、原动机及其附属设备（润滑、冷却系统等）等组成了机动泵。机动泵的特点是平均流量主要与泵的结构参数（每分钟往复次数）、(柱塞的行程)、（柱塞直径）有关系，、、恒定时，泵的流量是不变的；排出压力是单独的，与排出管路的特性有关；把旋转运动变成塞往复运动或隔膜周期性弹性变形的传动端结构比较复杂，零部件数量比较多，造价是昂贵的[4]。表2-1中是几种常见的柱塞泵，具体参数见表2-1，表2-1常见机动泵的参数用途化工工业用泵液压机（乳化液）泵型卧式三联单作用柱塞泵卧式三联单作用柱塞泵柱塞泵具有的特点在往复运动副中无密封元件的是柱塞，与之相对应的泵称为柱塞泵。其特点是结构比较简单，直径小，多数直径范围在。直径过小，工艺复杂，直是径过大，尤其卧式泵，柱塞自重过大造成密封偏磨，影响密封的使用寿命；大多选用单作用；柱塞的密封在结构上容易产生变形，材料选择方便，适用的排出压力范围大，可制成高压泵[4]。卧式泵具有的特点卧式泵的液缸或柱塞中心线是水平布置的。特点是便于观察运转情况，拆、装、使用、维修方便；主要做水平往复运动，因密封件承受柱塞自重，会造成偏磨，尤其当柱塞较重、悬臂很长时，偏磨更明显；机械惯性力水平分力过大，泵的水平分力承受能力差，对基础的强度和刚度要求较高。根据几种泵的特点，根据工作环境的需要和乳化液泵本身的结构特点对其进行设计计算，最终选择的是三联单作用机动卧式柱塞泵[4]。液力端结构的确定液力端是指把柱塞从滑块处到泵的进出口处的部件，简言之就是介质过流的部分，液缸体，活塞和缸套或柱塞及其密封（填料箱）、吸入阀和排出阀组件、缸盖和阀箱盖以及吸入和排出集合管（或集液器）等部件组成其结构。设计时应遵循几个基本原则：首先需要过流性好，避免断面现象的出现；其次需要气体容易排出，不会产生气体的滞留，吸入阀、排出阀分别在液缸体的下面和顶部；吸入阀和排出阀处于垂直状态，利于阀板的启闭和密封；最后要求易磨损件的寿命长，易于更换，制造工艺性良好[5]。泵存在不同其液力端也会不相同的，同一种泵在某种特定的状态下会有不同的液力端，液力端结构型式很难得到一样，根据吸入阀和排出阀的布置的位置不同、液流通道特性和结构特性的不同，此次设计中卧式三联单作用柱塞泵的液力端选用直通式。传动端结构的确定泵的动力是由传动端进行传递的，是从滑块一直到主轴（曲轴）伸出端为止的部件。泵内减速的话，则箱体内包含了减速机构，若泵外减速，减速机需要单独进行设计，如果选用直联泵的话则不会包含减速机构，也不需要减速机。在设计传动端时应遵循以下原则[5]：1.主要零部件的强度和刚度要达到设计要求。2.机构内的运动副需要润滑，还必须满足比压和Pv允许值范围，在一定条件下装载冷却设备。3.利用降低基础的挠力载荷来使机械的惯性力和惯性力矩互相平衡。4.传动端需要考虑重心的稳定性。5.应拆、装、检修方便，大型泵的传动端还应考虑各零部件的起吊方式。根据以上的综合分析，而且设计的乳化液泵需要有减速机构，因此就选择了泵内减速，不需要单独的减速机。泵总体结构图的拟定根据总体方案各种机构的确定，拟定了泵总体结构图，见图2-1。图2-1乳化液泵总体结构拟定图本章小结本章内容主要包括了乳化液泵总体方案的设计，通过对各种泵的综合比较最终确定了泵的类型，最终确定选用三联单作用机动卧式柱塞泵，为了确定泵的液力端结构形式而进行了详细的分析和选择，选用了直通式液力端；利用泵内减速，减少了减速机构，占用空间而且还需要单独设计。主要结构参数的确定主要结构尺寸参数的确定乳化液油（含3%-5%乳油的中性溶液）是乳化液泵的主要工作介质，排出压力大小是，排量是，选择的往复泵柱塞的个数个。泵的排出压力额定值是由结构强度、液力端密封的质量及原动机的额定功率决定的[6]。(3-1)式中──泵的联数（柱塞数）──泵的实际流量，──泵的理论流量，──泵的容积效率──柱塞截面积，──柱塞直径，──柱塞行程长度，──曲轴转数或柱塞的每分钟往复次数K──系数（—柱塞杆截面积，）E=（—柱塞杆直径，）──柱塞的平均速度，──程径比根据以上公式(3-1)得，流量与、、、、等参数是相关的，在总体设计的情况下确定了泵的类型和总体结构，则、是已知的，则与Q相关的主要结构参数是、、和，此次柱塞泵的设计中只有、、三个主要结构参数[6]。柱塞平均速度的确定的选择会影响到各运动副中的零、部件的磨损程度，柱塞及其密封运动副也会有不同程度的影响。过大的情况下柱塞及其密封的磨损程度会增加，泄漏现象频繁出现，流量会降低，排出压力与要求不统一。1.值的选取原则和方法根据泵的有效功率Ne来选取，Um随着Ne的增大而增大，否则取较小值，Ne变大，柱塞力也会变大，加大s或者提高n都会使活塞力降低。确定活塞平均速度[6]和泵的有效功率有很大的关系式中──柱塞平均速度，──统计系数，──折合成单联但作用泵的有效功率(3-2)式中Q──流量，当选取时──排出压力，──吸入压力，──泵的联数──系数，选双作用泵，，（取0.3）由公式（3-2）得到则2.曲轴转数和柱塞行程长度的确定当选择之后，柱塞直径根据公式查表2-6得到常见泵型的值[6]，卧式三联单作用机动泵值范围主要在（），取3.计算柱塞直径由公式：(3-3)式中──曲轴的转数──柱塞的行程长度──柱塞的面积──联数──容积效率，──泵的流量，利用公式（3-3）计算得到4.程径比5.吸入管、排出管内径的确定的大小被介质的流速和所决定。、过大的话，会出现阻力损失会很大，能量消耗增加，吸入性能会减弱，还会使液缸内产生空化和汽蚀以及泵的过流量等现象；、过小，管路和液力端的结构占用的空间大。在往复泵中，、的值比较重要，的大小很重要，取值范围分别是在，之间，为了能使泵的结构制造简便，取、为相同的值，即，令m∕s，由公式(3-4)得，(3-4)式中d1──吸入管的内径d2─排出管的内径──流量v1──吸入管内介质流速，v2──排出管介质流速，原动机功率计算1.原动机的选择式中──泵的全压力──泵的实际流量2.泵输入功率的计算(3-5)根据公式（3-5）3.原动机的功率(3-6)由于泵的效率与泵的传动机构的摩擦损失有很大的关系的原因，泵的传动装置效率则与泵的减速机构的机械损失产生了关系。由公式（3-6）得电动机的选择由表3-1原动机的储备系数来确定电动机的类型，查表3-2Y系列电动机技术参数数据可知[8]，选取Y250M—4型电动机的各个参数是，，，，功率因数取0.88。根据以上的选择和计算，确定电动机的原型见图3-1，图3-1Y250M—4型电动机本章小结本章的主要内容包括了对泵的主要结构参数的确定，对泵的主要结构尺寸进行了设计和计算，也确定了柱塞的平均速度，n（每分钟往复次数）、s(柱塞的行程)、D（柱塞直径）决定了泵的平均流量Q（泵的流量），确定了泵的主要尺寸参数，经过查表分析对电动机进行了合理的选择。主要零部件的设计液力端主要零部件的设计液缸体结构的确定液体产生的压力比较集中，液压缸需要承受内压交变载荷，设计是否符合设计任务的要求，对其的使用寿命有很大的影响。液缸体结构的确定和泵的总体结构型式的确定是密切相关的，液缸体由单作用和双作用两种情况。整体式液缸体主要使用的是单作用泵，具有刚性好，工作间距小，加工量少，加工工件较大的特点。下图是典型的液缸体剖视图。吸入阀和排出阀两种不同的布置方式见图4-1[8]。a直通式b垂直式图4-1吸入阀和排出阀的布置方式液缸体壁厚设计及强度校核1.液缸体壁厚的确定(4-1)对于球墨铸铁=600~800式中──壁厚，──焊接系数，无焊接──缸内最大工作压力，──液缸体内径，由公式（4-1）计算2.进行强度的校核(4-2)液缸体一般情况下不焊接支管，取根据公式（4-2）计算液压缸的结构组件图见图4-2图4-2缸套的组件传动端零部件的设计机体组成机体、曲轴、连杆、滑块等零部件组成了传动端。机体是其中一个比较主要的零部件而且还是由机身、机盖、轴承盖等多种零件组成的。机体可以是铸造机体或者焊接机体两种。铸造的机体有高的刚度和抗震能力，稳定性比较好，生产周期短，成本低等特点，在柱塞泵中有很大的应用。减速机构的设计计算由于电动机轴输出的转速高，则选用泵内一级齿轮减速，见图4-3。1.传动比计算(4-3)式中──电动机转数，──电机效率──曲轴的转数，图4-3减速机构结构图2.确定精度的等级、材料及齿数减速机构由于经常处于工作状态，速度较低，因此选用的是7级精度，小齿轮材料选硬度为，大齿轮材料为45钢硬度为，选小齿轮齿数，大齿轮齿数，根据齿轮取整原则取3.按齿面接触强度设计(4-4)小齿轮传递的转矩选取齿宽系数，材料的弹性影响系数按齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳极限，大齿轮的接触疲劳强度极限。计算应力循环次数查由表10-13得[9]式中──齿轮转速──齿轮旋转一圈同一齿面啮合的次数──齿轮的工作寿命（单位为）接触疲劳强度寿命系数，计算接触疲劳许用应力取失效概率为。安全系数4.按齿面接触强度设计计算小齿轮分度圆直径，代入中极小值由公式（4-4）圆周速率模数齿数动载荷系数的计算根据计算，7级精度，动载荷，对于直齿轮，假设>100N∕mm，取，安全系数，选取7级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时[9]，按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径5.齿根弯曲强度的设计(4-5)小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限，取弯曲疲劳寿命系数、[9]，对弯曲疲劳许用应力进行计算载荷系数算出大小齿轮的并加以比较6.齿根弯曲强度的设计由公式（4-5）接触疲劳强度得到的模数比齿根弯曲疲劳强度得到的大，根据弯曲强度承载能力得到了齿轮的模数，然而齿面接触疲劳强度得到的承载能力与模数和齿数的乘积有关，利用弯曲强度计算得到的齿轮模数为3.33mm，取整得到mm，根据分度圆直径得到小齿轮齿数，根据计算得到的齿轮参数，齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度都满足了设计的要求，结构之间比较紧凑，减少材料的使用。7.几何尺寸的计算分度圆直径中心距齿轮宽度8.验算经过认真的验算，计算所得到的结果符合设计的要求。曲轴的设计曲轴的作用是将旋转运动变为直线运动。需要承受周期性的交变载荷，会产生交变的扭转应力和弯曲应力。1.曲轴的结构选择选择两支承三曲拐曲轴，这种结构只需要两个支承，并且传动端的装配简单。而且曲柄错角为120o根本无法看做是平面曲轴，它的受力状况复杂，刚度和强度都不高，相同条件下有些笨重。2.曲轴结构的确定根据以上的分析得到曲轴的结构图见图4-4，图4-4曲轴结构图(1)曲轴中销的直径曲拐轴的曲柄销直径（图4-5）[10]可按经验公式初步确定(4-6)式中曲轴系数取较大值，根据公式（4-6）取整得到销的直径，见图4-5图4-5销的直径尺寸(2)主轴颈曲轴的主轴颈变形大，主轴承倾角允许值要根据主轴承内径进行取圆整，此外，当主轴颈的尺寸确定之后，还要考虑到轴颈重叠度，不能出现等于零或接近于零甚至于小于零的情况（见图4-6）[10]图4-6主轴颈的结构(3)轴颈的长度、厚度、宽度、半径的计算轴颈的长度需要满足液缸中间距a的要求(4-7)曲柄厚度曲柄半径核算轴颈重叠度相邻两曲柄销处主轴颈与曲柄销处连杆大头轴瓦宽度曲柄长度长臂短臂取曲柄宽(4)校核液缸中心距根据公式（4-6）3.曲轴所受外力的分析与计算曲轴上受到的外力分为切向力，径向力，支反力，及轴前端载荷，总的输入扭矩是外力矩。这些力是关于曲柄转角的函数。各曲轴销上的所受到的力的方向不同，若第一曲柄的转角是，则第二曲柄的转角是第三转角则为[10]。曲轴销上所受到的外力见图4-7所示图4-7作用在曲轴销上的外力根据对曲轴的受力分析得到主轴颈的外力见图4-8，图4-8主轴颈上所受到的外力，和力矩对往复惯性力的计算在泵的设计计算中最大往复运动部分的质量可按最大活塞力来进行计算：(4-8)式中──柱塞力，──柱塞的直径，──排出压力当，时，计求得： 对旋转惯性力的计算公式中指的是曲拐中不平衡质量()；指的是连杆的质量()；表示的是往复运动质量的系数，一般的取值范围是。取整，指的是材料重度()活塞端和缸盖受到大小相等，方向相反的液体压力所产生的力称为柱塞力P：(4-9)公式中()表示的是柱塞的截面积，柱塞力实际上是泵的最大排出压力，通过公式求得：根据上面的公式计算到三种位置的柱塞力综合柱塞力的计算在一般的情况下与活塞进行比较，摩擦力忽略不计，根据公式得到连杆活塞力曲轴处于工作的三个位置时经过查表（4-4）[10]之后得到：径向力的计算的值查表4-6[10]得到的，由公式计算的到下面的结果切向力的计算通过查表4-7[10]得到，由公式得到输入扭矩的计算查表5-10得到如下的数据[10]5.曲轴强度校核曲轴承受交变载荷，疲劳磨损是主要形式，计算结果不会受到应力集中和尺寸系数的影响，若将复杂的疲劳强度校核简化成静强度校核需要选用大的安全系数，为了简化计算疲劳强度校核需要用静强度校核来代替。对于曲轴来说，根据对表5-6，5-7[10]的查询，通过详细的设计计算得到的那23个截面如图4-9所示，根据直径相同的情况下圆形截面的断面模数，求出三个的矢量，而且还利用公式分别求出了对应的、、的值以及矢量和相位角的大小[11]。不管是轴颈或曲柄截面，静强度校核的公式：(4-10)公式中各个变量的含义分别是：指的是对称的弯曲疲劳强度()，选择的材料为45号钢时()；表示的是危险点处的正应力()；的含义是危险点处的切应力()；计算安全系数是；指的是许用安全系数，取值范围在之间。图4-9两支点三拐曲轴的计算截面的选取危险截面的应力验算关于危险截面中存在的危险点的应力、的计算，按照轴颈截面来进行计算。两支承三拐曲轴颈上各截面应力计算特点是绕z轴和绕y轴的抗弯断面模数相等且与绕x轴的抗扭断面模数存在这样的关系：轴颈截面的静强度的校核根据曲轴的受力分析计算确定了曲轴强度校核截面见图4-10，图4-10曲轴强度校核截面的选取选取的校核截面1-1位于垂直于输入端主轴颈与曲柄连接处，危险相位角。材料的弯曲疲劳极限，许用安全系数，绕轴产生的扭矩绕轴所产生的弯矩绕轴产生的弯矩抗弯断面模数的计算安全系数的计算对于校核截面2-2，截面位于垂直于曲柄销Ⅱ的中线位置，危险相位角也是°，材料的弯曲疲劳强度，许用安全系数，轴方向扭矩轴方向上的弯矩轴方向上的弯矩计算抗弯断面模数安全系数根据上面的计算结果可知，结果都超过了许用安全系数，完全符合设计的要求。连杆的结构设计1.连杆结构的特点连杆的运动是由液缸中心线移动和绕滑块摆动的这两种运动组成的。连杆主要是连杆体、连杆盖、大头轴瓦、小头衬套等零部件组成的。选择工字形的截面，主要是为了方便拆装连杆，更好的调整与大头轴瓦之间的间隙，连杆大头端做成剖分式的结构，连杆用螺栓连接，一旦螺栓拉断，可保护杆体不受影响。为了保证连杆盖与杆体的装配精度，在两者间设有定位销钉。小头选为圆形头，与滑块之间的连接方式为球面整体式连接[12]。连杆的总体结构图见图4-11.图4-11连杆结构图2.连杆结构设计连杆结构设原则是需要有足够的刚度和强度，工作过程中不会被破坏和易弯曲变形；大、小头的结构设计合理，在各种环境下应便于加工制造和拆装。连杆的定位是为了避免连杆在工作时垂直于连杆体中心线方向发生窜动。本次设计中是利用小头定位来进行定位，小头衬套的端面作为定位的端面，利用该端面与小头两侧端面之间的间隙来限制连杆的跳动。（1）连杆大头孔和小头孔的中心距为连杆长l，曲柄半径r与连杆长l之比称为连杆比，曲柄半径是柱塞行程的一半，r=S/2=0.04/2=0.02，取λ=(λ≤0.25)/5则l=r/λ=0.022/0.169=0.120m。（2）连杆宽度与连杆轴瓦宽度有密切的关系，连杆采用的是小头定位，为小头衬套宽度，，由下面公式计算得到：（3）杆的连接盖结构尺寸的确定连杆体选取的是工字形截面，中间截面的当量直径根据下列公式计算得到：指的是最大的柱塞力。根据公式算得杆体中间截面的面积，选取工字形的连杆体截面，中截面的高；宽连杆的截面尺寸和杆体中心线是直线变化的关系，从中截面到大头方向的截面面积是增大的、向小头方向的变化是减小的并且杆体两头、的截面面积平均值与中截面的面积是相等的。距小头的距离为，距大头的距离为，杆体截面为工字形时，杆体宽度一般是不变的，高度也会发生变化，l与h大小的选取公式分别是[13]：（4-11）（4-12）连杆大头的内径根据曲柄销的直径，轴瓦的内径时，得到轴瓦的厚度是。得。连杆小头内径小头衬套采用的是整体结构，衬套内径即十字头销直径，衬套宽度，厚度由下列公式确定：则小头内径根据公式（4-11）和公式（4-12）得到连杆大头的尺寸计算截面面积，大头端截面和大头与杆体之间的连接截面的面积和，经常选取。连杆小头的尺寸计算连杆小头的端点处最小截面，小头处的截面是圆形时，取小值，工字形截面时，取较大值，连杆小头的和截面选取和大头是一样，取。3.连杆的强度校核最大的活塞力和小头衬套比压是有关系的，最大的连杆力校核强度和它的稳定性有莫大的关系。最大综合活塞力会在活塞开始进入排程时出现，会产生最大压缩力，并且与、及之和相等，最大连杆力是出现在连杆比最大值时；当柱塞力较大时，、会相对变小而且值也会减小。在校核连杆强度和稳定性时会把略去，则近似看为[14]。连杆小头衬套比压的校核(4-13)小头衬套比压按照公式(4-13)计算得到：式中──衬头套比压──最大活塞力，，──衬套的内径，──衬套的宽度，──许用比压，连杆体的强度和稳定性的校核最小截面作为连杆的根部与小头相连接处的过渡截面所受到的力只是单纯的拉伸力和压缩作用力，最大应力为：(4-14)式中──连杆力，，──连杆体上最小的截面面积，──材料的许用应力，，根据公式（4-14）取得到，符合设计的要求。柱塞及其密封1.密封副是由柱塞和填料箱这两个主要的零部件组成的，具有足够的刚度和强度，表面整洁，硬度高，耐磨性好，良好的耐腐蚀性等特点。为了减轻重量，降低对密封的偏磨，延长密封的使用寿命，所以选择了空心的柱塞。柱塞与滑块是用焊接的方式进行连接的，螺纹这种连接方式结构简单，加工容易，易于拆卸[15]。2.对柱塞截面压应力的校核由于设计要求在连接时出现最小截面，则最小截面压应力为，(4-15)式中──柱塞力，──截面面积，──许用应力，，根据公式（4-15）计算3.柱塞密封的选择柱塞密封件是泵中最容易损坏的部件而且还影响着泵的工作性能。此次设计中主要采用了自封式密封，也符合设计的要求。自封式密封又分为V型、U型、Y型等不同型式，采用V型密封[16]。本章小结本章主要内容包括了泵的主要零部件的设计，对液力端主要零部件的设计和传动端主要零部件的设计，最主要的设计是减速机构的设计，这是泵内减速，需要考虑过多的因素，但是也简化了整个泵的结构设计，也对液缸体进行了强度校核，传动机构中曲轴的强度校核和连杆的设计。结论泵作为井下综合采煤工作面支护设备的动力源泉，作为专用小型推移式注液设备，也是支护作业更换维修过程中不可或缺的设备。

它具有体积小、重量轻、易操作、移动灵活、工作平稳可靠且高效、节能、安全等特点，在空间狭小的坑道口、低煤层和回采面等情况下，是非常受欢迎的机械煤矿设备。煤矿井下安全运行的保证是泵能够安全的运行。泵具有较多的特点，例如流量均匀、压力稳定、运转平稳、强度高、脉冲小、油温低、噪声小、使用维护方便等，

因此在管道清洗、工件清洗、玻璃清洗、工程掘进等方面也广受欢迎。本次设计的目的是要提高煤矿井下设备工作的安全性，使其能够更加的适应矿井下面多变的环境，更好的满足在煤矿实际生产中的应用。此次设计的优点包括了泵尺寸设计是比较合理的，结构比较美观。泵的滑块机构的选材是镀膜材料其特点是可以延长滑块的使用寿命，减少煤矿生产中的存在的安全隐患。经过这些天的设计计算，对该机械设备已经有了深刻的了解。在设计中运用了许多关于机械专业的基础知识，更加加深了我对机械的理解，本次设计中会有许多的不足，还望老师给予相应的指正。致谢岁月如梭，转眼间，两年的本科生求学生活即将结束，站在毕业的门槛上，回首往昔，奋斗和辛劳成为丝丝的记忆，甜美与欢笑也都尘埃落定。本论文是在张老师的指导下完成的，指导老师广博的学识、严谨的治学态度、高度的事业心和责任感给了我很大的鼓励，使我受益匪浅并使我能积极主动的去完成设计。在大学生活中，许多老师在学习、生活中都给了我亲人般的关怀和帮助，使我在学习、生活、为人处事等方面均有了很大提高。其次，本论文的完成也离不开其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助。在此也要感谢其他老师在论文开题、初稿、预答辩期间所提出的宝贵意见，感谢张老师为本论文提供的数据和建议，还要感谢同班的同学们，在撰写过程中给我以诸多鼓励和帮助。回想整个论文的写作过程，虽有不易，却让我除却浮躁，经历了思考和启示，也更加深切地体会了机械设计的精髓和意义。在此向所有的老师表示由衷的感谢和深深的敬意。此次设计用到了许多关于机械的知识，而且也提高了我对机械的认识，是我对机械的兴趣又增加了许多。这次能够顺利完成毕业设计，离不开老师精心的指导，为了让我明白每一个环节，老师不厌其烦的给我讲解，许多的同学也给予了我很大的帮助和支持，我向他们表示衷心的感谢。再次感谢所有关心、支持和帮助我的老师和朋友们。参考文献[1]马海风，胡金平．QRB125—N系列乳化液泵的研制[J]．煤炭技术，2003年，第15卷，第6期：10-20[2]胡启智，王艳，张美玲．温度压力测试系统的研制[C]．煤矿机械，2004：11-20[3]石惠天．乳化液泵微机在线状态监测的实验研究[R]．煤矿机械，2009：03-15[4]朱松青，周辉．乳化液泵节能控制的一种方法[N]．煤矿机电，2001：06-20[5]任金泉．机械设计课程设计．西安交通大学出版社[M]，2002：12-27[6]唐建华．乳化液泵箱体两垂直孔垂直度的检测[P]．煤矿机电，1996：05-15[7]GuoWei,WangYunping.Finiteelementanalysisofcrankshaftstressinemulsionpump[D]．Machinetoolandhydraulic，2004：06-15[8]马丽．乳化液泵容积效率的试验研究[J]．煤矿机电，2007：05-20[9]濮良贵，纪名刚．机械设计[M]．第七版[10]韩建勇．往复泵[M]．第一版.[11]魏季良．一种乳化液泵用二级压力控制液控阀[J]．液压与气动2001：12-20[12]OchonskiW．StudiesonRadialPressureDistributionandFrictionForcesinSoft-PackedStuffing-boxSeal．ProceedingsoftheJSLEInternationalTribologyConference．TokyoJapan，2005，5(1)：202-215[13]HerbichandVallcatince.Characteristicsofadredgepump．LehighUniversityReportNo33forUSAArmyEngineers，2001，7(2)：109-210[14]张天然．PRB型乳化液泵卸载阀的改进[D]．煤矿机械，2008：15-32[15]郭卫，孙战彬，王云平．乳化液泵的工况故障诊断系统[R]．重型机械2003：10-16[16]ZangenehM,CotoA，HaradaH．OntheDesignCriteriaforSuppressionofSecondaryFlowsinCentrifugalandMixedFlowImpellers．ASMEJournalofTurbomachinery，2003，8(4)：545-560附录AAialPstonPmpAxialpistonpumpisatypicalcoaxialpumpcylinderandthedriveshaftitisparalleltothe(4-13),itisareciprocatingmotionofcamplatedrive,alsocalledswingdisc,tiltedplate,orswashplate.Thediskislocatedonaflatsurface,passingthroughthesameaxisofthedriveshaftandcylinder,soitcannotrotate.Inthedosingpump,thecammustbemountedinasuitableposition.Theresultisthatthecenterlineofthecylinderistilted25degreesinaverticaldirection.Thedesignofaxialpistonpumpvariabletransmissionwillbesovariedorthogonalanglecamandthecenterlineofthecylinderbarrelat0degreesto20degreesor25degreestooneorbothsides.Oneendofeachpistonrodisusedtocontactwiththecamplateasthesimultaneousassemblyofcylinderbodyandpistonshafttorotatetogether.Thiscausesthepistontobeinterchangedinthecylinder.Thelengthofthepistonisproportionaltotheangle.Thisangleistheangleofthecamplateintheverticaldirectionfromthecenterlineofthecylinder.Avariableaxialpistonpumpisatendencyaxistype,asshowninfigure4-14.Thistypeofpumphasnoslanteddisc,similartoacoaxialpump.Instead,thecylindershaftisdifferentfromthedriveshaft.Theendoftheconnectingrodisretainedintheholeabovethedisksoastorotatewiththedriveshaft.Thecylinderbodyrotatesalongwiththedriveend,drivenbythegeneralintersectionofthetransmissionshaftandthecylinderbodypistonrod.Inordertochangethedisplacementofthepump,thecylinderblockandvalveplateareconnectedandthewholedeviceisshakenandplacedonthepumphousearoundthepivotofapairofequipment.Theactionofanaxialpistonpumpiscausedbyauniversaljointorlink.Fig.4-15isaseriesofdrawingsillustratinghowtouseauniversaljointintheoperationofthepump.First,therockerarmismountedonthehorizontalbar(Figure4-15.,pictureA).Thearmisattachedtotherodbyapin,soitcanbemovedbackandforth,asshowninfigureB.Next,aringisplacedaroundthebartoprotecttherockerarm,sotheringcanbeturnedaround,asshowninfigureC.Thisgivesyoutworotationalmotionsthatyoumayneedtovaryatthesametimewithdifferentaspectratios.Therockerarmcanswingbackandforthinanarc,andtheringcanswingbackandforthintheotherarcatthesametime,andatasuitableangleintheplane,theplanerotatestherockerarm.Thenextoneaddsanobliqueplanetotheassembly.Thetiltedplaneisplacedintheobliquepositionoftheaxisoftherod,asdescribedinFigure4-15inFig.D.Therockerarmatthispointisinthesamepositionasthetiltdisk,soitisbasicallyparalleltotheswashplate.Theringisalsoparallel,anditisincontactwiththetilteddisk.Thepositionoftheringisassociatedwiththerockerarmandcannotbechanged,asillustratedinfigure4-15C.Fromthe4-15E,therodisstillinahorizontalpositionandrotatedatrightangles.Therockerarmremainsinthesamepositionasthetiltdiskandisorthogonaltotheaxisoftherod.Theringcanrotateontherockerpinandcanchangeitspositioncomparedtotherockerarm,buthemuststayparallelandcontactthetiltdisk.AsshowninFig.4-15F,thebarisrotatedatanotherrightangledturn.ThesepartsareinthesamepositionasshowninfigureD,butattheendoftherockerarmtogetherwithflip.Theringstillbearsthereverseoftheswashplate.Astherodcontinuestorotate,therockerarmsandringschangetheirpivotstogetherwitheachotherassociatedchangesandtheringalwaysexertspressureonthedisc.Asshowninfigure4-15G,thereisadeviceattachedtothewheel,whichisplacedverticallyandfixedtotheshaft,soitrotatesalongwiththeshaft.Inaddition,thetworodsAandBarelooselyattachedtotheinclinedringandextendthroughthetwostraightholesopposingeachothermountedonthewheel.Becausetherodisrotating,thefixedwheelisalwaysverticaltothesteeringrod.Theinclinedringhasbeenrotatedalongwiththerodandhasremainedtilteduntilcontactwiththeswashplateismaintained.AsmentionedinFig.G,thedistancefromtheinclinedringtothefixedwheelalongtherodAismuchmoreimportantthanthedistancealongtherodB.Astheassemblyrotates,however,thedistancealongtherodAdecreasesasthetipisplacedonthetiltringandmovesnearthestationarywheel,increasingalongtherodB.Thechangeswillcontinueuntilthefirsthalfoftherotationisreversedatthebeginningoftherod.Whentheotherhalfisrotated,thetworodwillreturntoitsoriginalpositionagain.Whentheassemblyrotates,therodwillmovebackandforthintheboreofthefixedwheel.Thisishowtheaxialpistonpumpworks.Tokeepthepumpworking,thepistonisplacedattheendoftherodandinsertedintothecylinderbeyondthesideofthestationarywheel.Thebarmustbewiththepistonandthewheelbyballandsocketjoints.Becauseoftherotationalassembly,eachpistonmovesbackandforthinitscylinder.Suctionanddischargerouteshavebeenplanned,sowhenthespacebetweenthepistonheadandcylinderincreasesgradually,theliquidentersthecylinder,andwhenthepistonmovesinreversedirection,theotherpartofthecylinderrotates.Themainpartsofthepumpincludethetransmissionshaft,piston,cylinderblock,valveandmetalplate.Theyaretwopairsonthevalvebody,whicharedirectedtowardthecylinderbody.Theliquidispumpedbythereciprocatingmotionofthepistonfromoneendtotheother.Coaxialvariableaxialpistonpump-whentheshaftrotates,itspistonandcylinderalsorotatetogether.Theswashplateisplacedobliquely,causingthepistontomovebackandforthinthehydrauliccylinderwhenthepistonrod,piston,cylinder,andtheswashplaterotatetogether.Thecombinationofthepistonrod,cylinderblock,andswashplatesometimesinvolvesrotation,assembly,orassembly.Becauseoftheinterchangeabilityofthepistoninthecylinder,theliquidisdrawnfromoneendandexpelledfromtheother.AsshowninFigure4-13,thepistonAisatitsbottom.WhenthepistonrotatestothepistonABposition,itwillbeinitscylindermovingupward,forcingtheliquidfromthewastewaterdischargeinthewholeprocess,whentheotherrotatebacktoitsoriginalposition,thestrokeofthepistondowninthecylinder,thissituationcausedbyalowpressureareainthesteamcylinder.Thedifferenceinpressurebetweentheinletofthecylinderandthereservoircausestheliquidtoflowfromtheinlettothecylinder.Aseachpistonperformsthesameoperationinsuccession,theliquidisconstantlypassedthroughtheintakechamberandisreleasedfromthechamberintothesystem.Thisactionprovidesasteady,irregularflowofliquid.Knowingtheinclinationorangleoftheswashplatecandeterminethedistanceofthepistontoreciprocateinthecylinder,sothatthedisplacementofthepumpcanbecontrolled.Whentheswashplateisintheverticalpositionoftherod,thepistonofthepumpcannotbeinterchangedandrotated,soitisimpossibleforthesuctionactiontooccur.Whentheswashplateistiltedawayfromtherightangle,thepistonbeginstoexchangeliquid,whichcanbedrawnbackandforth.Sincethistypeofpumphasbeenreplacedbyanangularoscillatingbox,measuresmustbetakentocontrolthisangularsubstitution.Variousmethodsareusedtocontrolsuchmovements-manual,electric,pneumatic,orhydraulic.Anothertypicalaxialpistonpump,sometimesreferredtoasacoaxialpump,isusuallyreferredtoasanenergypumpthatisavailable,bothinconstantdisplacementandvariabledisplacementtype.Thetwomainfunctionscanberepresentedbytheinnerpartofthepumpofthisquantitativetype.Thesefunctionsrefertomechanicalactuationandflowdisplacement.Themechanicaldriveisshowninfigure4-16.Inthistypeofpump,thepistonandslidercannotberotated.Thepistonmovementisguidedbytherotationofacamduringeachrotationofthepistonrod,insteadofthefullcamdriveofeachpiston.Theendofthepistonisattachedtoawobbledisksupportthatiscontactedbyafreecenterpivotandaflexiblecamsurface.Whenthesideofthehighsideofthecamisloweredtodepressthesideofthewobbleplate,thewobbleplateontheothersidewillbecompressedtothesameamount,andthepistonwillmovealongwithit.Thetwodisksareusedtoreducethewearofthecamwhenitrotates.Aschematicdiagramofafluiddisplacementisshowninfigure4-17.Theflowisreplacedbytheaxialmotionofthepiston.Asthepistonsmoveintheirrespectivecylinders,thepressureopensthecheckvalve,andsomeoftheliquidactsoffthepressure.Thestrengthoftherearpressureofthecombinationandthespringpressureofthecheckvalveareclose.Whenthevalveisclosetoitsmainposition,thepistonreturnstothecylinderinthelowpressurerange,causingfluidflowtobetheresultofwaterenteringthecylinder.Theinternalcharacteristicsoftheplungervariablepumpareillustratedinfigure4-18.Theoperationofthepumpissimilartothatofaquantitativereciprocatingpump.However,thepumpcanprovideadditionalfunctionstoautomaticallyregulatethechangeinoutput.Thisfunctionisconstrainedbythepressureofthehydraulicsystem.Forexample,weuseaquantitativepump3000psitoprovideasystemwithaflowrateof3000psi.Asthesystempressureapproaches,assumingthe2850psi,thepumpstartstounload(thesystemflowissmall)andcompletelyunloads(zeroflow)at3000psi.Pressureregulationandflowarecontrolledbytheinternalautomaticflowregulationsystem.Thebypasssystemisusedtoprovideitsownlubricatingoil,especiallywhenthepumpisrunningatarapidpace.Thenoiseofthebypasspistonholeisthateachpistonreachestheveryendoftheheadandthesoundtransmittediscombinedwiththesoundofthebypasschannel.Thepumphasasmallamountofliquidcomingfromthebypasspassagebacktothereservoirandprovidesapumpwithavariableflowrate.Thesecondarypumppassagesaredesignedtopreventlargerbackpressureduring