礦用泥漿泵的設(shè)計【5PS型礦用砂泵】

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With the continuous development of the coal industry and in-depth, drilling equipment and tools also continue to have new requirements and challenges. Mine mud pump is one of the important components of mining drilling equipment, and gradually to the high efficiency, high pressure and high reliability and safety direction, while the contemporary mining industry is also mine wear resistance of mining mud And the service life also has a higher and higher requirements. This design is a centrifugal mine mud pump, the first motor and the coupling phase connected with the pump shaft connected to the motor after the drive pump shaft and impeller rotation, so put the motor kinetic energy through the impeller into the pump liquid mechanical With pressure energy. Due to the relationship between the centrifugal force, the pump after the energy obtained through the extrusion chamber to the slurry port flow, and because the loss of liquid in the pump caused by the impeller inlet atmospheric pressure drop will be a steady stream from the mouth into the liquid, To achieve the circulation of ore. According to the given initial design parameters, this design mainly explains the working principle of the mud pump and completes the structure and parameter design of the main parts such as impeller, pump shaft, shaft seal mechanism, seal ring and bearing, and the choice of motor model, And the pump shaft and bearing a detailed strength and life check, but also carried out a feasibility analysis, completed the drawing of the impeller, pump, pressure chamber, pump shaft and other major zero parts and mud pump assembly diagram. Keywords: mine mud pump; impeller; shaft. 礦用泥漿泵的設(shè)計 目 錄 摘 要 I Abstract II 1．緒 論 1 1.1 泵的定義和用途 1 1.2 泵分類 1 1.3 礦用泥漿泵發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.4 礦用泥漿泵發(fā)展趨勢 2 2.礦用泥漿泵的總體方案設(shè)計 3 2.1 礦用泥漿泵的工作原理 3 2.2泥漿泵基本參數(shù) 3 3.電動機的選擇 5 3.1 電動機的介紹 5 3.2 電動機型號選擇 5 4.聯(lián)軸器的選擇 6 4.1 聯(lián)軸器的原理與分類 7 4.2 聯(lián)軸器的選用及其特點 7 5 .泥漿泵主要零件的設(shè)計 8 5.1 泥漿泵主要參數(shù)的合理選擇 8 5.1.1泥漿泵的額定流量Q 8 5.1.2泥漿泵的揚程H 8 5.1.3其他參數(shù)的選擇 8 5.2 吸漿管與排漿管的設(shè)計 8 5.2.1吸漿管的直徑計算： 8 5.2.2排漿管的直徑計算 8 5.3葉輪的設(shè)計 8 5.3.1葉輪材料的選擇 9 5.3.2 葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 5.4泵軸的設(shè)計及校核 10 5.4.1軸徑的初步計算 10 5.4.2軸的強度計算 12 5.5軸封機構(gòu)的設(shè)計 16 5.5.1軸封機構(gòu)的作用及方式 16 5.5.2軸封機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計 16 5.6密封環(huán)的設(shè)計 18 5.6.1密封環(huán)的用途 18 5.6.2密封環(huán)的材料 18 5.6.3密封環(huán)的結(jié)構(gòu) 18 5.7軸承部件的設(shè)計 19 5.7.1軸承型號的選擇 19 5.7.2軸承的潤滑 19 5.7.3軸承的密封 19 5.7.4軸承的壽命校核 19 6. 泥漿泵的使用與維護 21 6.1 泥漿泵的安裝 21 6.2 泥漿泵的維護 21 6.3 泥漿泵的正確使用 21 6.4 泥漿泵的潤滑 22 6.5 其他注意事項 22 7. 礦用泥漿泵的可行性分析 23 結(jié) 論 24 參 考 文 獻 25 致 謝 35 -II- 1．緒 論 1.1 泵的定義和用途 泵是一種輸送液體的機器。在社會生活中我們最常見的就是水泵。泵是一種輔助裝置，電動機帶動泵工作它給予液體壓力，將電動機的動能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能從而可以將液體輸送至別的地方。不僅在我們的日常生活中，泵的用途是極為廣泛的。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，泵也是不可或缺的機器之一，也有著很多不同種類的泵來滿足工業(yè)生產(chǎn)需要，除了用于用于傳送工業(yè)用水以外，在采礦、建筑、電力輸送、化學工程、水利工程、農(nóng)業(yè)灌溉、船舶制造等等諸多領(lǐng)域上，泵也有著廣泛的應(yīng)用。在很多時候泵作為輔助裝置出現(xiàn)，用于對主要工作機的潤滑。對于礦用泥漿泵來說，在礦井鉆探的過程中也起著重要的作用。 礦用泥漿泵的作用也是在采礦過程中，將水或是含有一些泥漿、沙粒雜質(zhì)的礦液輸送至鉆井下的機器。它將礦液沿著鉆井將礦用泥漿泵是在鉆探過程中，往所鉆的深孔輸送泥漿或水等沖洗液的機械。泥漿泵給予礦液足夠的壓力，將礦液輸送至鉆頭處，起著清潔冷卻并潤滑鉆頭的作用。同時它也將鉆井下的鉆屑等雜質(zhì)帶出表面保證了鉆頭的工作效率。 1.2 泵分類 泵一般將輸送液體含有懸浮固體物的雜質(zhì)泵分為：污水泵，泥漿泵，砂泵，挖沙泵。分類的主要依據(jù)是混合物成分，固體的形狀、固體物的粒徑的大小。 離心式泥漿泵，用于輸送含有砂粒、礦渣等的懸浮液。葉輪多為開式。泵的內(nèi)襯一般分為兩種，耐磨金屬盒耐磨橡膠。另外，將高壓水注入泵軸的滑動部位，以防泥砂進入滑動部位。這種泵可用于含粒度在 48 網(wǎng)目以上的粗粒固體物液體的輸送。一般主要用在礦業(yè)，煤炭，冶金，化工，環(huán)保等行業(yè)。一般意義的砂泵更多是指用在環(huán)保，挖沙，河道清淤等行業(yè)較多。 1.3 礦用泥漿泵發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，化工、石油化工、電力、礦山和船舶等工業(yè)對泵的需求日益增長，這促使了泵技術(shù)的發(fā)展。泵的品種規(guī)格繁多，并向大型化、高速化方向發(fā)展。隨著環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展的觀念深入人心，隨著新技術(shù)要求，作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的泵技術(shù)不斷進步。20世紀初，首先在英國開發(fā)了無泄漏屏蔽泵；20世紀中期美國開發(fā)了高速分流泵。高溫、高壓泵日益向大型化，高可靠性發(fā)展。特殊材料泵，如陶瓷泵、石墨泵、塑料泵以及鋯、鈦等貴重合金泵也應(yīng)運而生。繼而在水力設(shè)計、誘導輪研究、新材料、新工藝、計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造等方面有了進一步的發(fā)展。 美、德、日等國家在長期的泵生產(chǎn)、使用中，建立了一整套完善的標準體系，以獲得更高的效益。國外先進泵制造業(yè)，還體現(xiàn)在標準化、系列化、通用化、模塊化、便于生產(chǎn)管理、便于用戶維護。 中國泵行業(yè)是在新中國成立以后發(fā)展起來的，特別是改革開放以來，泵行業(yè)得到了快速發(fā)展。除少數(shù)的特殊泵類產(chǎn)品外，現(xiàn)有的產(chǎn)品品種和數(shù)量基本能滿足國民經(jīng)濟各部門的需求。泵行業(yè)主要產(chǎn)品有各類離心泵，混流泵，軸流泵，旋渦泵，回轉(zhuǎn)式容積泵，往復式容積泵和水環(huán)真空泵等。在這些泵類產(chǎn)品中，按臺數(shù)計算，離心泵約占70%，回轉(zhuǎn)式容積泵和往復式容積泵約占18%。隨著各行業(yè)尤其是流程工業(yè)的快速發(fā)展，中國的泵行業(yè)也經(jīng)歷了高速的發(fā)展。同時，污水處理，石油化工，電力行業(yè)繼續(xù)保持持較高的景氣度。 1.4 礦用泥漿泵發(fā)展趨勢 隨著采礦業(yè)的不斷發(fā)展，不斷有新的礦產(chǎn)資源不斷探明出來，采礦技術(shù)也不斷向前發(fā)展。礦用泥漿泵是采礦的重要設(shè)備之一也不斷的再改良與改進。礦用泥漿泵發(fā)展趨勢是提高效率、 降低其制造和使用成本，不斷優(yōu)化礦用泥漿泵的制造工藝和制造技術(shù)。隨著采礦技術(shù)提升，越來越惡劣的采礦環(huán)境條件難關(guān)也不斷被攻克，高轉(zhuǎn)速高壓力的噴射鉆井工藝是已經(jīng)成為主流。由于現(xiàn)在鉆機的轉(zhuǎn)速越來越高，其配套的礦用泥漿泵也需要提升功率實現(xiàn)礦液的大排液量的高壓噴射。同時由于采礦的惡劣工況礦用泥漿泵也需要不斷提升其可靠性與安全性，不斷延長其工作壽命。鉆井泵要適應(yīng)鉆井工藝技術(shù)，其將進一步向大功率、高排量和高泵壓方向發(fā)展。 2.礦用泥漿泵的總體方案設(shè)計 2.1 礦用泥漿泵工作原理 本文所設(shè)計的泥漿泵為5PS型礦用泥漿泵，是臥式單級單吸閉式葉輪的離心式葉片泵，主要用來運送一些含有砂子、礦渣等雜質(zhì)的液體，可輸送液體的濃度較高，主要應(yīng)用于礦山、建筑、冶金等糟糕的工況。 型號5PS的意義： 5---排液口除以二十五的整數(shù)值 P---雜質(zhì)型泵 S---砂 該礦用砂泵的工作原理簡圖如圖2.1所示。首先泵開始作業(yè)之前先將泥漿泵內(nèi)充滿液體，之后啟動泥漿泵，通過電動機和泵軸的傳動葉輪快速轉(zhuǎn)動起來，葉輪的葉片帶動泵內(nèi)的液體轉(zhuǎn)動起來，由于轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力的原因，液體向葉輪外周流去，葉輪給液體向為外的力使其向排漿口流去，這時由于液體流出泵內(nèi)氣壓下降，由于壓力緣故泥漿泵從進漿口不斷吸入液體，這樣礦用泥漿泵就完成了吸液與排液的循環(huán)。 圖2.1 泥漿泵工作原理圖 2.2泥漿泵基本參數(shù) 本次設(shè)計的為5PS型礦用泥漿泵。該泵的基本參數(shù)為： 1. 額定揚程------28m 2. 額定流量------240m^3/h 3. 效率------------0.55 4. 轉(zhuǎn)速------------980rpm 5. 介質(zhì)相對密度--1.1-1.5 3.電動機的選擇 3.1 電動機的介紹 泵的電動機選擇要考慮其額定轉(zhuǎn)速，工作環(huán)境的限制以及成本的限制。 電動機根據(jù)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)主要分為籠型感應(yīng)電機和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機兩種，對于礦用泥漿泵來說三向籠型感應(yīng)電機是經(jīng)常使用的原動機。它的成本十分低廉，構(gòu)造十分簡單，容易進行維修，占用空間也較少，是作為轉(zhuǎn)速較低的中小型泵的原動機的最佳選擇。相比于繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機它也有不足之出，他不能實現(xiàn)無級變速，且輸出功率也比較低。繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機構(gòu)造比較復雜，成本和維修費用也更為昂貴，適用于大型泵的使用。 直流電機輸出較為穩(wěn)定且容易實現(xiàn)調(diào)速，但是在工地中很少使用直流電源，而且直流電機維修費用較高，所以不選擇直流電機作為礦用泥漿泵的原動機。 此次設(shè)計的礦用泥漿泵轉(zhuǎn)速較低，所需功率也不高，泥漿泵經(jīng)常在環(huán)境條件比較差的情況下進行作業(yè)，綜合考慮選擇籠型三項異步電動機作為泥漿泵的原動機。 3.2 電動機型號選擇 根據(jù)初始方案設(shè)計礦用泥漿泵的兩個參數(shù)為：額定流量，額定壓P=0.364MPa。 由文獻[3]可知泵的輸出功率Ne 式中：Q—額定流量 H—揚程 P—額定壓力 —輸送液體的重度，選擇為1.3 kW 傳動到泵軸的功率： N= Ne/η 式中：η——泵的總效率取η=0.55 N=24.267/0.55=42.122 kW 電動機的功率： Nd= kN/ηc 式中：ηc——電機的效率，取ηc=0.96 k ——功率富裕系數(shù),取k=1.20 Nd=1.2×42.122/0.96=52.65 kW Y系列是比較常見的完整封閉籠型感應(yīng)電動機，擁有籠型感應(yīng)電機的優(yōu)點成本低，可維修性高，高效率，占地面積少，電機轉(zhuǎn)矩大，也具有較高的性能。完全能勝任泥漿泵的日常工作所需。同時由于其采用封閉式設(shè)計對于工作環(huán)境較為惡劣的礦用泥漿泵來說Y系列電動機是十分好的選擇。 根據(jù)上述的計算，決定采用三相異步電動機Y280M—6型電動機，它的功率P=55kW，轉(zhuǎn)速n=980r/min，重量為600kg。 4.聯(lián)軸器的選擇 4.1 聯(lián)軸器的原理與分類 聯(lián)軸器可以起到將兩個分開的軸連接起來的作用，這樣可以將一個元件的轉(zhuǎn)動傳到與其相連的元件上。這里我們將用聯(lián)軸器來連接電動機與泥漿泵主軸。 聯(lián)軸器分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器，撓性聯(lián)軸器又分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩種。 4.2 聯(lián)軸器的選用及其特點 對于礦用泥漿泵來說，它的工作環(huán)境較為惡劣，在作業(yè)時有著較大的沖擊與振動，所以選用可以補償兩軸相對位移且具有較好的緩沖吸振能力的有彈性元件撓性聯(lián)軸器。同時由于接觸雜質(zhì)與礦液的關(guān)系，會對聯(lián)軸器進行腐蝕，所以不宜采用具有橡膠的彈性柱銷套聯(lián)軸器會縮短使用壽命，所以采用彈性柱銷聯(lián)軸器。 彈性柱銷聯(lián)軸器傳遞扭矩的能力很大，組成結(jié)構(gòu)簡單，組裝與加工工藝也較為簡便，耐磨性與耐久性也很高。彈性柱銷有一定的緩沖和吸振能力，具有較高的負載能力和使用壽命，允許被連接的兩軸具有一定的軸向位移以及少量的徑向位移和角位移，適用于軸向竄動較大、正反轉(zhuǎn)變化較多和啟動頻繁的場合。 對于參數(shù)選擇，聯(lián)軸器軸徑為45mm,泥漿泵的轉(zhuǎn)速為980r/min根據(jù)機械設(shè)計手冊選用LH4型聯(lián)軸器。 5 .泥漿泵主要零件的設(shè)計 本次設(shè)計的5PS型泥漿泵主要由泵體、葉輪、護板、進水室、引水室、軸封體、軸、軸承體、支架、泵座等部件組成。在此將對葉輪、軸封體、密封環(huán)、泵軸的設(shè)計、軸承的選擇以及軸封的選擇進行設(shè)計。 5.1 泥漿泵主要參數(shù)的合理選擇 泵的主要參數(shù)有流量、揚程。 5.1.1泥漿泵的額定流量Q 泵的流量是泵在單位時間內(nèi)所流過出液體的體積或質(zhì)量。 重量流量G和體積流量Q的關(guān)系為：式中 —液體重度（） 本次設(shè)計中的額定流量為Q= 重度: 5.1.2泥漿泵的揚程H 單位重量液體通過泵所得到的能量叫作揚程，也是泵所能揚起液體的高度，又叫總揚程或全揚程，符號H，其單位為米。揚程是泵的重要性能參數(shù)。本次設(shè)計中的揚程為H=28m 5.1.3其他參數(shù)的選擇 泵的轉(zhuǎn)速：n=980r/min 功率P=55KW 5.2 吸漿管與排漿管的設(shè)計 5.2.1吸漿管的直徑計算： 式中：vp——在排漿管中液體的流速 取vp=0.3m/s 5.2.2排漿管的直徑計算 取φ=60mm 式中：vx—液流在吸入管中的流速，取vX=0.77m/s=7.7dm/s Q‘—計算流量,Q‘=Q/ηV=4000/0.6=5655.75L/min 5.3葉輪的設(shè)計 5.3.1葉輪材料的選擇 葉輪是泵的核心組成部件，電動機帶動葉輪使其能量傳給液體，液體的能量由此增大，所以選擇葉輪材料時要滿足以下要求： （1）具有足夠的強度，能夠長期承受較高的工作壓力； （2）具有足夠的剛度，能夠承受液體流動給葉輪帶來的側(cè)面壓力和礦液的重力時不會變形； （3）具有較強的耐磨性和耐腐蝕性，由于礦液中經(jīng)常含有顆粒物等雜質(zhì)會對葉輪進行侵蝕，要保證葉輪的形狀和光潔度從而保證其工作效率。 葉輪可以分為兩部分，葉輪主體與襯套。礦用泥漿泵葉輪轉(zhuǎn)速不高，所以選則巴氏合金作為襯套的材料。巴氏合金是在低速轉(zhuǎn)動材料中有著極其好的摩擦性能，且其硬度較低擁有良好的自適應(yīng)性，巴氏合金材料的襯套十分易于安裝，其表面與安裝接觸面有著良好的契合，是制造低速軸承和襯套的常用材料。用鑄鐵作為葉輪體的材料，它的強度、剛度和硬度滿足實際工作中的使用要求，能夠克服礦用泥漿泵的惡劣工作環(huán)境。 5.3.2 葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 離心式礦用泥漿泵的葉輪通常由由葉片和前后蓋板組成。擁有前后蓋板的葉輪叫作閉式葉輪，沒有前蓋板只有后蓋板的為半開式葉輪，前后蓋板都有的為開式葉輪。閉式葉輪可以運輸比較干凈，雜質(zhì)較少的液體，其輸送效率十分高。閉式葉輪的葉片數(shù)一般在5至13片之間。開式葉輪由于沒有蓋板構(gòu)造簡單一般用來輸送液體中含有大量雜質(zhì)的液體，清潔起來也十分方便，葉輪的轉(zhuǎn)速比較低效率也不高。至于半閉式葉輪其進漿口處沒有蓋板也就是前蓋板，它的輸送礦液能力介于閉式與開式葉輪之間，適合樹洞含有一定沉濁物的雜質(zhì)，效率較高。 圖5.1 離心式葉輪結(jié)構(gòu) 由于礦井輸送的礦液中含有大量的沙粒和礦渣等雜質(zhì)，因此本次設(shè)計決定采用閉式葉輪，具體的設(shè)計結(jié)構(gòu)及尺寸如圖5.2所示： 圖5.2 葉輪的結(jié)構(gòu)的設(shè)計 5.4泵軸的設(shè)計及校核 5.4.1軸徑的初步計算 泵軸功率N(千瓦)為： (5.1) 計算軸徑時用的功率N2較軸功率稍大些，因為軸功率是設(shè)計工況下的功率，而泵運行時的最大流量所對應(yīng)的功率大于軸功率N,計算功率N2一般取： (5.2) 式中-計算功率（千瓦） 由文獻[3]可知，可按下式計算泵軸所傳遞的扭力矩M（公斤-厘米）： (5.3) 按扭矩初步計算的最小軸d（厘米）為 (5.4) 式中[τ] ——材料的許用切應(yīng)力（公斤/平方厘米） d ——最小軸徑（厘米） 泵軸在旋轉(zhuǎn)過程中，不僅會受到扭轉(zhuǎn)力矩的作用，也會收到到離心力、自身重力、由軸承和壓入室所產(chǎn)生的徑向力和軸向力。泵軸受到諸多力后會產(chǎn)生一定的彎曲，這樣會影響在轉(zhuǎn)動時的動平衡與對心，且如果彎曲程度過大會導致劇烈的摩擦，所以泵軸設(shè)計完成后要進行強度和剛度校核確保泵軸能順利工作。 表5.1 泵軸常用材料的許用切應(yīng)力 材料 熱處理要求 許用切應(yīng)力[τ](公斤/厘米^2) 用途 35 正火處理 400-500 一般單級泵 45 調(diào)制處理HB=241-286 500-600 一般多級泵 40Cr 調(diào)制處理 HB241-302 700-8000 大功率高壓泵 3Cr13 調(diào)制處理HB=269-302 600-750 耐腐蝕泵 35CrMo 調(diào)制處理HB=241-285 750-850 在高溫下工作的泵（200-400℃） 圖5.3 懸臂泵泵軸 懸臂泵的泵軸是不通過葉輪吸入口的，在最小軸徑d確定后，先考慮托架結(jié)構(gòu)，然后在推算到安裝滾動軸承處的軸徑d2，并選用標準尺寸。與葉輪配合的直徑d2比軸承處的軸徑小一級，并應(yīng)考慮軸套的定位凸臺，凸臺有1至2毫米即可，也應(yīng)選擇標準尺寸。 具 體的設(shè)計過程如下： ⑴結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于軸徑較小，軸毛培采用圓鋼棒料車制，材料為45鋼調(diào)質(zhì) ①計算基本軸徑： 基本軸徑由前面葉輪設(shè)計時已算出：d=46mm ②裝有葉輪和聯(lián)軸器的軸徑為：46mm 裝軸承處軸徑為：80mm ③畫軸的結(jié)構(gòu)圖，如圖5.4所示： 圖5.4 泵軸 5.4.2軸的強度計算 軸設(shè)計出來以后，要校核其強度是否足夠，校核軸的發(fā)放有：許用切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力校核，安全系數(shù)方法校核。 由于本設(shè)計泵軸在工作過程中，受彎扭復合作用，因而采用許用彎曲應(yīng)力計算。校核軸端作用力為徑向力加上離心力C （1）離心力C （5.5） 式中：C——葉輪由剩余不平衡孔引起的離心力（公斤） n——泵的轉(zhuǎn)速（r/min） e——葉輪偏心距（mm）,一般e取葉輪外徑徑向跳動0.12，即e=0.05mm G——葉輪重量 經(jīng)過估算葉輪體積為0.019,葉輪材料采用鑄鐵，密度為1740 所以， 所以， （5.6） （2）軸裝葉輪端受力P =350.65+282+15=647.65N （5.7） 由于聯(lián)軸器離軸承較近，故其自重對軸的作用忽略不計。 （3)軸受力簡圖，如圖5.5所示： 圖5.5 受力簡圖 (4)計算支反力： =(300+580)/580=880647.65/580=982.64N (5.8) (5)畫彎矩圖，如圖5-6所示 =0.3=647.65300=194.235N.m 圖5.6 彎矩圖 (6)轉(zhuǎn)矩圖 軸材料為45號鋼調(diào)質(zhì)，由《機械零件手冊》查得=650MPa ,=360Mpa,用插入法由《機械設(shè)計》表15-1查得： =102.5Mpa, =60Mpa 其中：為在脈動循環(huán)和下的許用應(yīng)力，是在對稱循環(huán)下的許用彎曲應(yīng)力。 考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力所以取=0.6 =0.6535.97=321.58Nm 當量彎矩： ① 轉(zhuǎn)矩圖，如圖5.7所示 圖5.7 轉(zhuǎn)矩圖 故安全。 ② 校核軸徑 選擇危險斷面進行校核。 選擇危險斷面為：力矩最大處和60mm徑處。 計算： 得 =56.7mm，=39.5mm因為<60mm，<50mm 經(jīng)校驗，軸的強度足夠 5.4.3軸的剛度計算 軸受載荷以后，會產(chǎn)生彎扭變形，影響泵軸的穩(wěn)定性。 軸的剛度校核，主要是看它在載荷下所受彎曲的程度要小于泵體與其縫隙。所以我們要計算撓度。 由《離心泵設(shè)計基礎(chǔ)》可知，葉輪轉(zhuǎn)子徑向跳動允許為0.08mm，葉輪密封環(huán)的最小間隙為Δ=0.45mm。 在計算撓度時，對于階梯軸可以簡化為當量等效光軸。 （1）計算當量軸徑dv （5.9） 式中：L=1292mm Σ(l/d)^4=237/60^4+518/89^4+95/80^4+442/60^4=0.0000152mm^2 所以，dv=96.018mm （2）計算撓度 圖5.8 撓度圖 ,式中： (5.10) E:由文獻［3］查得E=200GPa L:懸臂長度為300mm P:徑向力P=647.65N 所以，fb=0.007mm 最大撓度加上徑向跳動為：=0.007+0.08=0.087<Δ0.45mm 所以，經(jīng)計算，泵軸的剛度足夠，不會因為軸的變形而影響葉輪的正常工作。 （3）軸的臨界轉(zhuǎn)速 載有不平衡質(zhì)量的軸，以某一頻率旋轉(zhuǎn)時，開始產(chǎn)生振動，繼續(xù)增加或減少旋轉(zhuǎn)頻率時振動便會消失，軸又穩(wěn)定工作。 振動是由于運動的軸動力不平衡造成的。如果軸旋轉(zhuǎn)角速度接近固有頻率即 則軸的撓度 不平衡軸的撓度無限增加下的旋轉(zhuǎn)頻率叫做無臨界旋轉(zhuǎn)頻率（臨界轉(zhuǎn)速）。臨界旋轉(zhuǎn)頻率等于軸的自由振動的頻率。 對于剛性軸： 對于柔性軸： 泵軸一般設(shè)計成鋼性軸。因此工作的重點應(yīng)放在利用泵軸的計算簡圖確定這兩個頻率上。 式中：C-----軸的剛度系數(shù)，也是引起單位撓度的力； m-----零件的質(zhì)量； ----固有振動頻率； ---軸旋轉(zhuǎn)角速度（臨界旋轉(zhuǎn)頻率）。 =Np而Np=980rpm=980/60=16.3r/s 所以，=102.3r/s，具有一個集中質(zhì)量軸的臨界旋轉(zhuǎn)頻率 式中：E——彈性模量 取中間值 E=210GPa，D=d=80mm C——葉輪到第一個軸承的距離C=300mm L——葉輪到第二個軸承的距離L=880mm M——葉輪的質(zhì)量m=28.28kg 所以=401r/s 對于鋼性周≤0.7，0.7=0.7401=280.7r/s 所以選擇的軸是滿足要求的，能夠穩(wěn)定工作。 5.5軸封機構(gòu)的設(shè)計 5.5.1軸封機構(gòu)的作用及方式 軸封機構(gòu)的作用是為了防止泵內(nèi)的液體流出和泵外的氣體進入泥漿泵中。軸封在泥漿泵中起著重要的作用。如果泵內(nèi)運輸?shù)臑橐兹家妆任ｋU液體，軸封可以防止其泄漏保證工作安全。同時它也阻止了外部空氣進入泵體內(nèi)部，這樣就不會影響泵的工作壓力，保證了泥漿泵的工作效率?！? 5.5.2軸封機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計 對于泥漿泵來說，最常用的軸封類型為填料密封。填料函的構(gòu)成有：填料，填料筒，填料壓蓋，水封環(huán)，水封管組成。填料函可以確保讓泵殼與泵軸之間沒有縫隙，這樣使泥漿泵內(nèi)的液體不會泄漏在泵外，外面的物質(zhì)也不會進入泵內(nèi)，這樣防止了外面的物質(zhì)侵蝕泥漿泵影響泥漿泵作業(yè)，也同時始保證了泵內(nèi)的氣壓。由于泥漿泵作業(yè)時泵軸會以一定速度持續(xù)旋轉(zhuǎn)，泵軸與填料會不斷摩擦產(chǎn)生較大的熱量，所以可以通過水封管向水封圈里加水，從而帶走填料的熱量使其溫度降低從而進行冷卻使泥漿泵可以正常運行。填料密封的合理泄露是：液體從填料函中滲漏出來，成滴狀，每分鐘為60滴左右。對有毒，腐蝕及貴重液體，由于要求泄露量較小甚至不準漏出，所以不能采用填料密封。填料材料一般為石墨浸濕石棉。本次設(shè)計的填料機構(gòu)及尺寸如圖5.10（a）和 (b)所示。 圖5.9（a） 軸封體 圖5.9(b) 軸封體 5.6密封環(huán)的設(shè)計 5.6.1密封環(huán)的用途 密封環(huán)是防止葉輪進漿口口與泵殼間之間的縫隙過大會造成泵內(nèi)高壓區(qū)的漿液通過此縫隙流向低壓區(qū)，使泥漿泵的工作效率降 低。如果間隙過小會導致葉輪與泵殼產(chǎn)生摩擦而不斷磨損。密封的間隙應(yīng)該保持在1mm左右為宜。 5.6.2密封環(huán)的材料 軟橡膠材質(zhì)的密封性能較好，本次設(shè)計采用軟橡膠作為密封環(huán)的材料。 5.6.3密封環(huán)的結(jié)構(gòu) 常用密封環(huán)的構(gòu)造有普通圓柱形（a），迷宮形(b)和鋸齒形(c)，如圖5.11所示， 圖5.10 密封環(huán)結(jié)構(gòu) 本次設(shè)計選用普通的圓柱形密封環(huán)。圓柱形橡膠密封環(huán)有以下優(yōu)點： （1）圓柱形橡膠密封環(huán)密封效果好，工作壽命較長，其使用壽命比常規(guī)橡膠密封制品高出5倍以上 （2）圓柱形橡膠密封環(huán)摩擦阻力小，動摩擦力與靜摩擦力大小相同，可抵消速度慢、壓力小情況下的運動液體的“爬行”現(xiàn)象。 （3）圓柱形橡膠密封環(huán)有高耐磨性能，密封環(huán)磨損后具有自動補償功能。 （4）圓柱形橡膠密封環(huán)有很強的自潤滑能力，故可作無油潤滑密封。 （5）圓柱形橡膠密封環(huán)構(gòu)造簡單，安裝簡便。 5.7軸承部件的設(shè)計 5.7.1軸承型號的選擇 軸承是將軸固定到泵座上的部件，它主要承受徑向和軸向載荷。按照軸承構(gòu)造與抗摩擦阻力的不同，可以劃分為滑動軸承與滾動軸承兩類。滾動軸承比滑動軸承阻力更小，對中性能也很好，載荷能力沒有滑動軸承好，總的來說滾動軸承要比滑動軸承的性能更為優(yōu)秀。所以此次設(shè)計選擇雙列調(diào)心滾子軸承22316和單列向心推力球軸承46315。滾動軸承的優(yōu)點是：摩擦力較小，啟動所需力矩小，旋轉(zhuǎn)精度很高，由于滾動軸承已經(jīng)標準化所以選用方便。而雙列向心球面滾子軸承有兩列球面滾子，由于滾道表面是以軸承為中心的球面，有自動調(diào)心的功能，所以當細受力彎曲或傾斜時仍能正常工作，但其內(nèi)圈和外因的相對傾斜度不得超過0.5-3。而且它具有因而多用在長軸和受負荷而有較大彎曲的多支承軸上。 單列向心推力球軸承一般可以承受較大的軸向載荷。其所受軸向載荷越大，其旋轉(zhuǎn)性能越高。 對于軸承的安裝，軸承的外圈與軸承座進行過渡配合，內(nèi)圈與泵軸是過盈配合。 5.7.2軸承的潤滑 軸承潤滑可以減少軸承在轉(zhuǎn)動中的摩擦阻力，同時也減輕了軸承在工作中的磨損，有效降低了工作溫度，從而延長了軸承的工作壽命和提高工作效率。 對于轉(zhuǎn)速較低的低速泵來說，對軸承一般采用脂潤滑，泵軸轉(zhuǎn)速較高使用潤滑油潤滑。本次設(shè)計的泥漿泵轉(zhuǎn)速較低所以采用脂潤滑。脂潤滑適合承受比較大的載荷。在使用脂潤滑的時候要注意其用量最大不能超過軸承體積的三分之二，否則會影響散熱。 5.7.3軸承的密封 軸承的密封是為了能更好的鎖住潤滑劑使其不會泄漏影響軸承潤滑效果，同時也阻止外部氣體雜質(zhì)侵蝕軸承。對于用脂潤滑的軸承，一般采用氈圈密封。 5.7.4軸承的壽命校核 軸承的壽命校核要計算軸承的基本額定壽命和基本額定動載荷。一個種類型號的軸承有且只有一個基本額定動載荷。 調(diào)心滾子軸承22316的技術(shù)參數(shù)為： 基本額定動載荷 基本額定靜載荷 極限轉(zhuǎn)速 [n]=3200r/min 軸承內(nèi)徑 d=80mm 軸承外徑 D=170mm 軸承壽命的計算公式: 式中：[n]—軸承工作轉(zhuǎn)速，r/min —軸承基本額定動載荷，查機械手冊，,基本額定靜載荷（GB/T 288-1994） —軸承工作時當量動載荷，N —軸承壽命，小時 —壽命指數(shù)，滾動軸承為 調(diào)心滾子軸承當量動載荷P的求解過程： （1）軸承承受的徑向載荷R，受力圖如圖5-11所示 圖5.11 軸承受力圖 由軸承受力圖有：① 已知，于是得到，。 （2）動載荷，為載荷系數(shù)，泥漿泵取1.0，又因為調(diào)心滾子軸承承受的軸向載荷基本為0，所以取，。 計算得： 所選的軸承符合設(shè)計的要求。 6. 泥漿泵的使用與維護 礦用泥漿泵用于各種采礦鉆井和土木建筑的作業(yè)上，主要將礦液或漿液輸送至鉆井的鉆頭處，用來清潔冷卻和潤滑鉆頭，并起著將鉆屑等沙石從鉆井帶出地表的作用。其工作環(huán)境較為惡劣，所以注意泥漿泵的使用與維護對于延長其使用壽命是十分必要的。 6.1 泥漿泵的安裝 礦用泥漿泵的主體結(jié)構(gòu)全部安裝在泵座上，電動機接聯(lián)軸器帶動泵軸轉(zhuǎn)動，從而帶動葉輪旋轉(zhuǎn)對礦液可進行輸送。所以只要將泥漿泵安放在較為平整的地面上接通電源即可開始作業(yè)。 6.2 泥漿泵的維護 （1）礦用泥漿泵工礦較為糟糕，長期暴露在有大量塵土與粉塵的環(huán)境之中，所以要經(jīng)常將泥漿泵各部件拆卸下來進行清洗保證泥漿泵內(nèi)部的清潔 ，大概每過一個月就要進行徹底清洗。 （2）要定期檢查礦用泥漿泵各部位螺栓的松緊，要對松動的螺栓及時擰緊防止脫落發(fā)生機器故障。要先擰緊螺栓才能打開機器進行工作。 （3）對于軸封要定期維護，隨著泵的的工作，填料的緊度和材料都會發(fā)生變化。填料過緊將會造成功率過大以及發(fā)熱，過松會泄漏液體降低工作效率以及影響工作安全。 （4）葉輪是泥漿泵重要組成部分也要定期維護。為了保證葉輪的正常轉(zhuǎn)動，防止葉輪發(fā)生刮擦，葉輪要與前后護板保證一定的間隙，大概1mm左右即可。同時在泥漿泵工作前要先手動轉(zhuǎn)動泵軸檢查葉輪轉(zhuǎn)動情況，并手動進行調(diào)節(jié)。 （5）在機器不工作時要用清水去沖洗泵體內(nèi)部，使其將泵內(nèi)殘余的礦砂排除，防止堵塞泵內(nèi)管道和腐蝕泵體。 6.3 泥漿泵的正確使用 （1） 在啟動泥漿泵前要，先手動轉(zhuǎn)動泵軸查看是否轉(zhuǎn)動順暢，若有轉(zhuǎn)動卡頓和發(fā)澀要進一步進行檢查。 （2） 在連接電動機時要注意連接處正反轉(zhuǎn)箭頭，泥漿泵要正確連接電動機防止發(fā)生轉(zhuǎn)動方向錯誤從而損壞泥漿泵。 （3） 電動機的轉(zhuǎn)軸要與泵軸盡量在一條直線上，防止不對中產(chǎn)生劇烈的振動從而損壞軸。同時也要調(diào)整槽輪要與皮帶位置垂直保證平穩(wěn)的傳動。 （4）在泥漿泵工作時要時刻檢查泥漿泵的各元件溫度，當溫度過高時要及時切斷電源進行檢查。 （5）定期檢查泥漿泵的潤滑情況和密封情況，包括滾動軸承的潤滑和軸封填料密封的情況。 6.4 泥漿泵的潤滑 （1）打開泵體外部的加油螺塞，向泵體內(nèi)加入潤滑油，達到油標線為止。 （2）要注意油標尺的位置。當油位較低時要注意及時添加潤滑油保證潤滑。 （3）當泥漿泵連續(xù)作業(yè)時，要及時檢查潤滑油的衛(wèi)生情況，當潤滑油變不凈，變質(zhì)時其潤滑性能大大下降要及時更換新的潤滑油。 （4）對于軸承的潤滑來說要定期檢查軸承的溫度與潤滑脂情況來涂抹潤滑脂。 6.5 其他注意事項 （1）要注意定期檢修和對泵的保養(yǎng)； （2）安全保護罩不要隨便拿下來，防止發(fā)生危險； （3）時刻查看壓力表數(shù)值，要保持正常狀態(tài)； （4）注意檢查安全閥的情況，如若出現(xiàn)問題及時檢修； （5）電動機型號一定要與泵的要求相匹配，且必須有安全標識 7. 礦用泥漿泵的可行性分析 本次設(shè)計的礦用泥漿泵結(jié)構(gòu)較為簡單，有些零部件有自己的設(shè)計和技術(shù)要求，例如泵體、進水室、葉輪和支架等，這些零部件有較為復雜的曲面將采用鑄造的方法進行鑄造加工。大多數(shù)零件例如螺栓螺母、各種墊圈與墊片都將采用標準件。對于泵軸和搖臂軸將采用棒料用車床來進行加工?？偟膩碚f其一些零件需要專門的工廠進行制造加工，但是大多數(shù)零件都可以用市場上已經(jīng)標準化大的零件，其制造難度不高且泥漿泵的主體材料為鑄鐵成本較為低廉可控，所以此次設(shè)計的礦用泥漿泵在成本和可制造性上面都是可行的。 隨著國家采礦業(yè)逐漸發(fā)達，礦用泥漿泵的市場也漸漸擴大開來，越來越多的投資者都進入其中的領(lǐng)域，且國家也鼓勵和支持新型泵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這使得礦用泥漿泵的技術(shù)越來越成熟。 結(jié) 論 本次設(shè)計的礦用泥漿泵為5PS離心式閉式葉輪砂泵，該泥漿泵適用于礦山、電氣運輸、土木建筑等行業(yè)，可以輸送帶有一定濃度的礦砂等雜質(zhì)的液體。此次設(shè)計的泥漿泵有確定的技術(shù)規(guī)格，大部分材料為鑄鐵還有一些材料為合金材質(zhì)，泵體、進水室等部分將采用砂型鑄造方法，泵軸用45號鋼棒料車削加工，還有大多數(shù)零配件采夠為標準件。電動機機與聯(lián)軸器等外部配件也有確定的規(guī)格標準按需求進行選擇裝配即可。 此次設(shè)計的泥漿泵對軸的強度與剛度還有軸承的壽命進行了設(shè)計與校核，對葉輪和軸封有著詳細的設(shè)計，均符合產(chǎn)品的要求。5PS礦用砂泵結(jié)構(gòu)簡單，安裝也很方便，能夠適應(yīng)各種糟糕的工況。礦用泥漿泵的不斷發(fā)展與推陳出新逐漸使其能夠以較低的成本實現(xiàn)其高可靠性與安全性、高效率的工作，同時為了順應(yīng)當今社會發(fā)展的主題，也逐步向低能耗和環(huán)境保護方面邁出重要一步。 礦用泥漿泵也有著潛在的提升價值?，F(xiàn)在社會對礦井的探查與開采也已經(jīng)十分重視，而在采礦的過程中礦用泥漿泵是不可或缺的設(shè)備，所以不斷優(yōu)化和改良礦用泥漿泵有很大的社會市場前景。 參 考 文 獻 [1]濮良貴.機械設(shè)計[M].高等教育出版社，2013 [2]劉延慶.液壓與氣壓傳動[M].機械工業(yè)出版社，2015 [3]孫恒.機械原理[M].高等教育出版社，2013 [4]賈振元,王福吉.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].科學出版社，2011 [5]嚴培德.國內(nèi)外幾種泥漿泵簡介[J].國外化工裝備技術(shù)，1982(1):43-52 [6]王嵐.工程機械用高壓泥漿泵活塞的研制[J].制品，2010(6):48-50 [7]張建明.輕便型泥漿泵的運動分析極其結(jié)構(gòu)改進[J].革新改造，2008(2):29 [8]王紅閣，楊師斌.泥漿泵活塞的失效分析及改進措施[J]，煤礦機械，2008,29(5):155-157 [9]張利平.液壓泵及液壓馬達原理、使用與維護[M].化學工業(yè)出版社，2009 [10]焦清朝.國內(nèi)外輕便泥漿泵的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].石油礦場機械，2004,33(8):28-31 [11]王存洋.劉銀.液壓缸驅(qū)動是液壓泥漿泵的研究與氣動[J].鑿巖機械氣動工具，2007（2）：26-29 [12]泥漿泵設(shè)計編寫組.泥漿泵設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社,2013 [13]王雄波.一類礦用泥漿泵的優(yōu)化設(shè)計研究[J].設(shè)計與計算，2013(11)：37-40 [14]朱永有，葉永彪.泥漿泵運動學、動力學分析[J].通用機械，2005(5):65-67 [15]楊桂祥.泥漿泵變速傳動機構(gòu)的研究[J].石油礦床機械，2003,32(4):87-88 [16]文金龍.六缸泥漿泵技術(shù)研究[J].甘肅科技，2010,26(17):66-68 [17]E.Cayeux.Safe Mud Pump Management while Conditioning Mud: On the Adverse Effects of Complex Heat Transfer and Barite Sag when EstablishingCirculation[J].IFAC Proceedings,2012,45(8):231-238 [18]N.Wayne.Mud Pumps Give Life to a Jobsite[J].National Driller, 2015, 36(8):100-103 致 謝 經(jīng)過本次畢業(yè)設(shè)計讓我接觸到了很多專業(yè)知識，也將之前所學的課程應(yīng)用到此次設(shè)計中來。讓我對機械設(shè)計、機械原理和液壓傳動等課程又有著進一步的理解，同時讓我也明白作為機械專業(yè)的學生，要會查閱機械設(shè)計等相關(guān)手冊。同時此次設(shè)計也更加讓我明白理論要與實際相互結(jié)合，自己做的設(shè)計要有可行性和可靠性分析才能真正實現(xiàn)自己所要設(shè)計的功能。在做設(shè)計力求創(chuàng)新的同時也要考慮到對社會發(fā)展的貢獻和對環(huán)境的保護與資源可持續(xù)利用。 能夠完成此次設(shè)計離不開指導老師的悉心指導和熱情幫助，解決了我在設(shè)計中的疑惑與問題，讓我明白一個學習機械的學生應(yīng)該具有的專業(yè)素質(zhì)，在此由衷感謝本次設(shè)計的指導老師辛士珍老師,同時也對設(shè)計過程中幫助我的老師和同學表示深深地感謝！ -28-