1、中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 1 頁 一 概述 1.1 往復泵的發展概況 往復泵是工業泵中不可缺少的一類產品.它的突出優點是:可獲得高的排 壓,且流量與壓力無關,適應輸送介質十分廣泛,吸入性能好,效率高,泵的性 能不隨壓力和輸送介質粘度的變動而變動.在當今世界能源緊缺的形勢下, 往復泵作為節能產品,在石油開發、管道輸煤、煤氣化工、電站排渣、礦山 開采等方面起著重要作用,而且在壓力容器檢測和實現現代化石油化工工業 全面自動化方面也是不可缺少的品種.近年來,其產量明顯增長,證實了它在 國民經濟發展中的地位. 往復泵的原理及特點 1.2 往復泵的原理及 1-泵缸 2-活塞 3-活塞桿

2、 圖 1-1 往復泵裝置簡圖 中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 2 頁 1.2.1 往復泵的原理 (一主要部件：泵缸、活塞，活塞桿及吸人閥、排出閥。 (二工作原理：活塞自左向右移動時，泵缸內形成負壓，則貯槽內液體 經吸入閥進入泵缸內。 當活塞自右向左移動時， 缸內液體受擠壓， 壓力增大， 由排出閥排出。 活塞往復一次，各吸入和排出一次液體，稱為一個工作循環；這種泵 稱為單動泵。 活塞往返一次，各吸入和排出兩次液體，稱為雙動泵。 活塞由一端移至另一端，稱為一個沖程。 (三往復泵的流量和壓頭: 往復泵的流量與壓頭無關，與泵缸尺寸、活塞沖程及往復次數有關。 單動泵的理論流量為: QT=A

3、sn 往復泵的實際流量比理論流量小，且隨著壓頭的增高而減小，這是因 為漏失所致。 往復泵的壓頭與泵的流量及泵的幾何尺寸無關，而由泵的機械強度、 原動機的功率等因素決定。 (四往復泵的安裝高度和流量調節: 往復泵啟動時不需灌入液體，因往復泵有自吸能力，但其吸上真空高 度亦隨泵安裝地區的大氣壓力、液體的性質和溫度而變化，故往復泵的安裝 高度也有一定限制。 往復泵的流量不能用排出管路上的閥門來調節，而應采用旁路管或改 變活塞的往復次數、改變活塞的沖程來實現。往復泵啟動前必須將排出管路 中的閥門打開。 往復泵的活塞由連桿曲軸與原動機相連。原動機可用電機，亦可用蒸 汽機。往復泵適用于高壓頭、小流量、高粘

4、度液體的輸送，但不宜于輸送腐 蝕性液體。有時由蒸汽機直接帶動，輸送易燃、易爆的液體。 1.2.2 往復泵的特點 在離心式和容積式兩大類泵中,往復泵屬于容積式泵.亦即它也是借助 工作腔里的容積周期性變化來達到輸送液體的目的的;原動機的機械能經泵 直接轉化為輸送液體的壓力能;泵的流量只取決于工作腔容積變化值及其在 中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 3 頁 單位時間內的變化次 數(頻率,而(在理論上與排出壓力無關. 往復泵和其它類型容積式泵的區別,僅在于它實現工作腔容積變化的 方式和結構特點上;往復泵是借助于活塞(柱塞在液缸工作腔內的往復運動 (或通過隔膜、波紋管等撓性元件在工作腔內的周

5、期性彈性變形來使工作腔 容積產生周期性變化的.在結構上,往復泵的工作腔是借助密封裝置與外界 隔開,通過泵閥(吸入閥和排出閥與管路溝通或閉合. 往復泵這一實現工作容積變化的方式和結構特點,構成了這類類型泵 性能參數和總體結構的一系列特點.這些特點也正是這類類型泵借以生存、 競爭和發展的依據: 1. 瞬時流量是脈動的 這是因為在往復泵中,液體介質的吸入和排出過程(即容積變化過程是 交替進行的,而且活塞(柱塞在位移過程中,其速度又在不斷地變化之中.在 只有一個工作腔(單缸泵的泵中,泵的瞬時流量不僅隨時間而變化,而且是 不連續的;在具有多個工作腔(多缸泵的泵中,如果工作腔的工作相位安排 適當,則可減小

6、排出集液管路中瞬時流量的脈動幅度,乃至可達到在實用上 可認為是穩定流的地步.當然,此時相應的泵的結構也就變得復雜了.也正因 為如此,往復泵的工作腔不宜設置過多.因此往復泵瞬時流量的脈動性也就 不可避免,只不過因不同泵型其脈動程度有大有少而已. 2. 平均流量(即泵的流量是恒定的 由前述往復泵實現工作腔容積變化的方式和結構特點可知,當泵的設 計合理、制造質量又好時,泵的流量只取決于工作腔容積的變化值及其頻率. 具體地講:泵的流量只取決于泵的主要結構參數n(每分鐘往復次數、 S(活塞或柱塞行程、D(活塞或柱塞直徑、Z(工作腔或活塞數目,而(在理 論上與排出壓力無關,且與輸送介質(液體的溫度、粘度等

7、物理、化學性質 有關(實際上,由于介質性質和排出壓力不同,密封或泵閥處的泄漏量也有所 不同,因此也可以說有一點關系.當泵的每分鐘往復次數一定時,泵的流量 也是恒定的. 由于受活塞(柱塞密封技術以及泵閥、液缸體等設計技術及材料強度 等方面的限制、往復泵的工作腔容積一般不宜太大(特別是高壓時,工作腔 數目不宜太多、每分鐘往復次數也不宜太高.因此,泵的流量也就不可能很 大. 3. 泵的壓力取決于管路特性 離心式泵流量和揚程是由泵本身所限定的,而且兩者是密切相關的.往 復泵則不同,它的排出壓力不能由泵本身限定,而是取決于泵裝置的管路特 中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 4 頁 性,并且與流

8、量無關.換句話說,不論泵裝置的管路有多大的水力阻力,原則 上泵都可以按其主要結構參數所決定的恒定流量予以排出.也就是說,如果 認為輸送液體是不可 壓縮(因液體壓縮率很小,通?？蛇@樣認為,但在高壓或 超高壓下、液體的壓縮性也不容忽視的,那么,在理論上可認為往復泵的排 出壓力將不受任何限制,即可根據泵裝置的管路特性,建立泵的任何所需的 排出壓力. 當然,在往復泵實際出廠時,都有一個泵的排出壓力的規定,這不是說 該泵的排出壓力不會再升高,而只是說,由于受到配帶原動機的額定功率(或 者其它動力源參數和該泵本身的結構強度(包括液力端和傳動端所有承壓、 受力的零部件的限制,不允許高出這一排出壓力下使用而已

9、. 由這一特點導致往復泵在啟動和操作過程中與離心泵有著重大區別: 在泵的排出管路上必須設置安全閥,以保證泵的排出壓力不高于 它的額定值; 在泵啟動前,必須把管路上的排出閥門全部打開,且不允許排出管 路堵塞,否則就有可能造成設備或人身傷亡事故; 往復泵允許降壓使用,此時不會產生超載,也沒有機件損傷的可能, 只不過沒有充分發揮原設計的功能而已. 4.對輸送的介質(液體有較強的適應性 往復泵原則上可以輸送任何介質,幾乎不受介質的物理性能或化學性 能的限制.當然,在實際應用中,有時也會遇到不能適應的情況.但是,當遇到 這種情況時,多半是因為液力端的材料和制造工藝以及密封技術一時不能解 決的緣故.其它類

10、型泵就不能做到這一點. 4. 有良好的自吸性能 往復泵不僅有良好的吸入性能,而且還有良好的自吸性能.因此,對多 數往復泵(除高速泵來說,在啟動前通常不需灌泵. 由上述往復泵的主要特點可以看出往復泵的主要適用范圍.即往復泵 主要適用于高壓(超高壓、小流量,要求泵的流量恒定或定量(計量或成比 例地輸送各種不同的介質(液體,或者要求吸入性能或者要求有自吸性能的 場合. 1.3 往復泵的分類 往復泵(相對離心泵來講的特點決定了它的 “能用性” 越來越差,而專業 配套性越來越強.于是就出現了這樣的情況雖然它的產量少,但泵型和 中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 5 頁 品種卻繁多,以至于已經無

11、法按照某一統一原則來進行分類了.這里所講的 分類,只能是按照這類型泵各方面特點進行比較,并兼顧到目前已經習慣了 的稱呼,予以相對的分類和命名: (一 按泵的液力端特點分 1. 按與輸送介質接觸的工作構件可分為:活塞泵、 柱塞泵和隔膜(包括油 隔離泵; 2. 按泵的工作原理或流量的脈動特性可分為:單作用泵、雙作用泵、差 動泵、單缸泵、雙缸泵、三缸泵、多缸泵等; 3. 按泵的活塞(柱塞數目可分為:單聯泵、雙聯泵、三聯泵、多聯泵等; 4. 按活塞(柱塞中心線所處的位置可分為:臥式泵、立式泵、角度式(Y 形、V 形等泵,對置式 泵和軸向平行式(無曲柄泵等; (二 按傳動端的結構特點分 根據傳動端把原動

12、機的旋轉運動轉化為活塞(柱塞的往復運動的方式特 點可分為:曲柄(曲柄連桿機構泵、凸輪(凸輪軸機構泵和無曲柄(無曲柄機 構泵等; (三 按泵的驅動方式或配帶的原動機分 機動(以電動機或旋轉式內燃機驅動的泵、直動(以蒸汽、氣體或液體直 接驅動的泵和手機(人為驅動泵. (四 按泵的排出壓力( P2 分 根據泵排出壓力高與低可分為:低壓泵( P2 1mpa、中壓泵( P2 1 10mpa、高壓泵( P2 10100mpa、超高壓泵( P2 100mpa; (五 按泵的每分鐘往復次數(n分 按每分鐘往復次數高與低分為:低速泵(n80spm、高速泵(n550spm. 介于兩者之間的,對一般性往復泵來講,通

13、常是正常選擇范圍(當然各類型往 復泵,其正常范圍也有所不同,因此,沒有劃分. (六 按泵輸送介質某一突出特性分 根據泵設計時主要適用的介質可分為:熱油泵、酸泵、堿泵、鹽泵、液氨 泵、甲銨(氨基甲酸銨泵、泥漿泵、重水泵、清水泵、高溫泵、低溫泵、超 低溫泵、高粘液泵、低粘液泵等. (七 按泵的用途分 根據泵主要的使用部門或主要用途可分為:工業泵、農業用泵、陸用泵、 船用泵、化工用泵、原子能用泵、電站用泵、石油礦場用泵、液壓機用泵、 中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 6 頁 壓裂泵、固用泵、農藥噴霧用泵、注水泵、清砂泵、清渣泵、除銹泵、試壓 泵、消防泵、計量泵、平流泵等. 由上述分類可知

14、,往復泵的品種十分繁雜,而且從分類命名中也很難找出 它們之間相互聯系,有些稱呼也不能確切地反映泵的特點.在實際采用上述 稱呼時(特別是設計和生產部門,往往為了較為確切地反映該泵的結構特點 和性能特點,常常就要冠以一連串的組合式稱呼,例如:臥式三聯(缸單作用 機動柱塞泵、臥式雙缸雙作用蒸汽直接作用活塞泵、立式五缸單作用機動柱 塞泵等等.這種組合方式是多種多樣的.見表 1-1 1.4 往復泵的應用與發展 綜合前述可知,往復泵是一類產品品種多、批量少,而通用化程度較低、 專業配套性很強的產品.它常常是隨著某一生產工藝的需要而產生,又隨著 這一生產工藝的重大改革或取消而更新或淘汰.當這種生產工藝長期穩

15、定時, 也有基本上適應這一工藝需要的定型產品.從上述分類可知,往復泵的應用 仍然十分廣泛.下面將列舉若干實際應用領域來補充說明這一情況.例如: 用于化肥生產配套用的有銅液泵、堿液泵和氨基甲酸銨(甲銨泵和液氨 泵等; 用于高壓聚乙烯裝置配套用的超高壓催化劑注射泵等; 用于 11.5 萬 t/a、30 萬 t/a 乙稀、3 萬 t/a 乙醛、5 萬 t/a 丙烯腈、2.5 萬 t/a 芳烴、6 萬 t/a 乙二醇、4.2 萬 t/a 丁二烯等裝置上的各種藥液注射 計量泵以及用于各種研究院所中間試驗裝置上的各種計量泵等; 用于提供造船或機械制造大型鍛壓設備上配套用的液壓機用泵; 用于輸送石油及其副產

16、品和電站鍋爐給水備用配套的各種蒸汽走動泵; 中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 7 頁 用于陸上石油鉆井或海上石油開發配套用的鉆井泥漿泵、壓裂泵、固井 泵和注水泵等; 用于鑄造、軋鋼方面的水力清砂、除銹泵; 用于長距離管道輸送煤粉、冶金礦尾礦的油隔離泵,用于礦井排水的無曲 柄泵以及用于加固井壁、防止地下水害的注漿、堵水用泵等; 用于船舶的艙底泵; 用于農藥噴霧機配套用的農用泵; 用于水壓試驗或容器爆破試驗以及水力切割配套的高壓泵和超高壓泵; 用于城市污水清洗車配套的清洗泵,用于消防的消防泵; 用于電站或船臺等污水處理的各種計量泵. 總之,往復泵無論是在工業或農業、陸上和海上、國防與民

17、用、科研與生 產等各個部門,仍然是作為一種不可缺少的品種被廣泛地采用著.總括各類 往復泵,它的排出壓力可由常壓一直到 1500mpa,其流量范圍由 100 m 3 /h 600 m 3 /h,輸送介質的溫度由-200450,粘度由 0.1cp250000cp.被輸送 的介質,由一般常溫清水直至具有強腐蝕、易揮發、易結晶、易燃、易爆、 劇毒、惡臭、磨礪性強、比重大、粘度高、有放射性或其它貴重液體等. 從今后發展的角度來看,盡管往復泵原來占據的位置有不少已被其它類 型泵所取代,其產量也很少,但這并不意味著往復泵有全部被取代的趨勢.實 際情況是:在各類型泵的生存與競爭中,則是更加突出地發揮了它們各自

18、的 特長,顯示其本身的優越性,從而更好地為國民經濟、為建設社會主義中國而 服務.由此可知,要想求得往復泵的生存與更進一步的發展,從根本意義上講, 就是要揚長避短,充分發揮往復泵本身的優勢.這就是說: 第一,要充分發揮往復泵配套性強、適應介質廣泛的優勢. 對于其它任何一類泵來講,它所適應的介質都要受到.例如,離心泵就不 能適應粘度很高的液體;轉子泵則通常不能適應于化工介質.而目前隨著石 油化工、化學化工、醫藥衛生等部門生產技術的發展,使得輸送介質的名目 繁多、形狀各異.有些介質對其它類型泵來講,就不能適應,但對往復泵來講, 因為它原則上不受介質的物理和化學性能的限制,可見,往復泵是大有用武 之地

19、的. 第二,要充分發揮往復泵在流量比較小而排出壓力又很高的情況下,它的 整機效率高、運轉經濟性好的優勢. 上述兩點,往往不被使用部門所重視.他們往往是過分地注意了往復泵體 積較大、結構較復雜、瞬時流量又脈動這些缺點, 而忽視了這類泵的特長,因 此常常習慣于選用其它類型泵.他們不了解這些泵正是因為對某些介質不能 中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 8 頁 適應或者在壓力高、流量小的范圍內不可能有較高的效率這一弱點,以至有 這樣的情況發生歷經數年,幾經周折,最后又不得不回到往復泵這一選 型上來.由此可見,在當前世界性能能源危機、強調以節能原則采用省能機械 的現實面前,對于使用部門來講,如

20、何正確地認識種類型泵的特點,如何正確 地選型,是面臨的新課題;對于從事往復泵研究、設計和生產的部門來講,如 何正確地宣傳往復泵的特點,如何努力地發展新品種以滿足用戶的需要,要 面臨的新任務. 特別是當排出壓力很高(高壓或超高壓而流量又很小時,其它類型泵已 經不僅是效率很低的問題,而是根本不能適用.因此,往復泵主要是在高壓或 超高壓、流量小或比較小的范圍內發展新品種.在這一領域內,往復泵是獨占 優勢的. 第三,要充分發揮往復泵的流量恒定而且與排出壓力無關的優勢. 往復泵這一特長是它成為計量泵選型的基礎,而計量泵這一新品種是隨 著現代工業朝著自動化操作,遠距離自動控制這一發展形勢而出現的.由于 計

21、量泵這一新品種的出現,使得原來生產工藝由手工進行物料配比這一環節, 被計量泵所代替,使物料配比實現了遠距離自動控制下的連續操作,并使物 料配比更加準確無誤,從而為提高產品質量、降低成本、改善勞動條件、提 高全員生產率、全面實現工藝流程的自動化創造了條件.計量泵雖然只是從 五十年代才興起的新品種,但是至今已經不僅是在石油、化工合成裝置上被 廣泛采用,而且在水處理裝置、研究院所的中間試驗裝置以及化學分析儀器、 醫藥、食品加工和礦井注漿堵水方面也已被廣泛采用. 當然,要求往復泵的不斷發展,不僅要注意到充分發揮它的特長或優勢, 而且還要不斷地克服它的缺點.為此,就必須加強技術基礎的研究、不斷地提 高產

22、品質量、注意采用新技術、新材料、新工藝,以及在保證產品好用、耐 用的同時,要力求結構簡單、操作方便、體積小、重量輕和外形美觀. 中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 9 頁 二 方案論證 2.1 大流量柱塞泵 本次設計泵為臥式乳化液大流量柱塞泵，其中包括曲軸、曲柄、柱塞等， 該泵設置有五個柱塞，與五個柱塞相對應地設置有五個相互獨立的吸排液 閥，各吸排液閥相互獨立地分別與泵的殼體相連，且各閥的出液口相互串通 后再與泵的出液口相通。因此，即使得該泵的流量得以大幅度提高，在設計 上又使各零件的加工制造簡單，制造方便. 2.1.1 柱塞泵的基本原理 如圖 1 -2 所示的單柱塞泵同偏心輪 1、

23、柱塞 2、彈簧 3、缸體 4、和單 向閥 5、6 等組成,柱塞與缸體孔之間形成密閉容積.當原動機帶動偏心輪順 時針方向旋轉時,柱塞在彈簧力的作用下向下運動,柱塞與缸體孔組成的密 閉容積增大同,形成真空,油箱中的油液在大氣壓下的作用下經單向閥 5 進入 其內(此時單向閥 6 關閉.這一過程稱為吸油,在偏心輪的幾何中心轉到最下 點 o1 ，容積增大到極限時終止.吸油過程終了,偏心輪繼續旋轉,柱塞隨偏心 輪向上運動,柱塞與缸體孔組成的密閉容積減少,油液受擠壓經單向閥 6 排出 (單向閥 5 關閉,這一過程稱為排油,到偏心輪的幾何中心轉到最上點 o1 .容 積減少至極限時終止.偏心輪連續旋轉,柱塞上下

24、往復運動,泵在半個周期內 吸油、半個周期內壓油.如圖 1-2 所示原理圖 圖 1-2 單柱塞泵的工作原理 中國礦業大學 2012 屆本科生畢業設計 第 10 頁 柱塞泵是依靠柱塞的往復運動,改變柱塞缸內的容積進行吸入和排出 液體的泵,是容積式泵的一種,柱塞泵比較其他容積式泵齒輪泵、葉片 泵、螺桿泵有以下優點: 1.參數高:常用壓力達 2040mpa,超高壓泵可達 70mpa 以上;常用泵的 排量為每轉為幾 ml 至 500ml,大排量泵每轉可達數千 ml;常用泵的驅動功率 在 200KW 以下,大功率泵可達 500KW 以上. 2.效率高:容積效率可達 95%以上,總效率可達 90%以上. 3

25、.壽命較長:泵內軸承的設計壽命一般為 20005000h,泵的使用壽命 可達 10000h 以上. 4.變量方便,型式較多:利用變量柱塞泵,實現液壓系統的功率調節和 無級變速,是液壓傳動特別是高壓液壓傳動系統的最重要的優點之一. 5.可以使用不同的工作介質:例如,既可以使用礦物油;也可以使用乳 化液或其他人工合成介質,這對適應某此液壓設備的抗燃要求和節省能源具 有重要意義. 6.單位功率的重量輕. 但柱塞泵也有如下缺點: 1.結構較復雜,零件數較多. 2.制造工藝要求較高,成本較貴. 3.除閥式柱塞泵以外,一般對介質的清潔度比較敏感,因此對使用和維 護水平要求較高. 雖然柱塞泵有以上的缺點,但隨著泵設計制造水平的提高,液壓系統趨 向于高壓,要求更多地使用功率調節和無級變速以及工作介質的發展和污染 控制技術的不斷完善,柱塞泵的應用正在愈來愈廣泛. 2.1.2 2.1.2 柱塞泵的分類 柱