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1、五柱塞往复泵结构设计本科生毕业设计论文 1绪论往复泵是一种发展较早的动力机械之一，往复泵包括活塞泵和柱塞泵它适用于输送流量较小、压力较高的各种介质如低粘度、腐蚀性、易燃、易爆、剧毒等各种液体具有较高的效率和良好的运行性能因此，直到目前仍广泛用于国民经济的各个领域中。特别往复泵在石油化工领域的应用非常广泛。按照用途的不用，石油工程中用的往复泵往往被冠以相应的名称，如：往复泵、固井泵、压裂泵、注水泵、抽油泵、钻井泵等。在我国的国民生产和生活中，泵作为一种输送液体的“心脏”，倍受各行各业的重视。在石油领域中，往复泵的使用面广、用量大，其耗电量占化工厂及油田用电的50%以上。研制开发使用性能良好的往复
2、泵将带来广阔的社会效益和经济效益。近年来，国内外在往复泵的理论和实验研究、设计制造和选择使用方面，做了许多工作。特别是三缸和多缸单作用往复泵在石油工业中推广使用，大大提高了工作效益。石油工业的发展对往复泵提出了更高的要求，主要是泵的压力越来越高，功率越来越大、而制造和维修成本要低，体积和质量不能过大。由于石油工程用往复泵的工作条件十分恶劣。提高其易损件(主要是泵阀、活塞缸套、柱塞密封等)的工作寿命，就成为往复泵设计、制造和使用中迫切需要解决的问题。因此直线电机驱动的多缸往复泵的开发与研究显得尤为重要。柱塞泵是一种供油装置，常用于机器的润滑系统中，属于往复式容积泵，它是借助于活塞在液压工作腔内的
3、往复运动使工作腔容积产生周期性变化来达到输送目的，动力的机械能经过柱塞泵转化为被输送液体的压力能。它主要是有泵体、阀体和柱塞组成。其工作腔借助动、密封装置与外界隔开，通过阀体与外管路沟通与闭合。从输送介质来看，最早泵的输送对象为单一的水及其它可流动的液体、气体或浆体到现在可输送固液混合物、气液混合物、固液气混合物，直至输送活的物体，如土豆、鱼等等。不同的输送对象对于泵的内部结构要求均不同。 除了输送对象对泵的结构有不同要求外，泵的安装形式、管道布置形式、维护维修等方面对泵的内在或外在的结构也提出了新要求。同时，各个生产厂商在结构的设计上又加入了各自企业的理念，更加提高了泵结构的多元化程度。基于
4、可持续发展和环保的总体背景，泵的运行环境对泵的设计又提出了众多的要求，如泄漏减少、噪声振动降低、可调性增加、寿命延长等等均对泵的设计提出了不同的侧重点或几个着重点并行均需考虑，也必然形成泵的多元化形式。1.1往复泵的特点往复泵和其他类型容积式泵的区别，仅在于它实现工作腔溶剂变化的方式和特点上：往复泵是借助于柱塞在液缸工作腔内的往复运动来时工作腔容积产生周期性变化。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腔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。这些特点也是这类类型泵借以生存，竞争和发展的依
5、据。往复泵结构图有以下特点，首先瞬时流量是脉动的。其次平均流量是恒定的。再次泵的压力取决于管路特性。最后对输入的介质有较强的适应性，且有良好的自吸性能。随着泵内排出量压力增大，泵内泄漏损失加大，泵的实际流量只略有下降;适用于较宽压力、高粘度、较窄的流量范围；随着排出压力增大，轴功率增大泵效率提高；柱塞往复次数底，有脉冲，平均流量恒定，吸入能力好；有摩擦件相对运动；泵效率高，配用功率较小，节约能源。1.2 结构上存在的问题现场使用中，国内外传统的多缸单作用往复式钻井泵的结构及强度存在的主要问题：(1) 钻井泵质量大,难以适应现代轻便钻机的要求,制约钻机的移运性；(2) 冲程短,冲次高。钻井泵在不
6、适合的冲次范围内工作,致使液力端寿命短；(3) 泵压低,不能完全满足钻井工艺的需要；(4) 结构复杂,系统效率低，制造加工难度大；(5) 缸套寿命短,难以满足钻机高效率要求；(6) 泵各零件静强度均满足要求，零部件破坏的主要原因为动载荷疲劳损坏；(7) 排量变化时需要更换零件太多；(8) 柱塞寿命短，且难更换；(9) 泵头设计不合理，导致应力集中，易损坏；1.3往复泵的分类1.3.1 按泵的液力端特点（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）等；（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
7、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）中心线所处的为止可分为：卧式泵，立式泵，角度泵，对置式泵和轴向平行式泵等；1.3.2按传动端的结构特点分根据传动端把原动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）等1.3.3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）泵和手动（人力驱动）泵；1.3.4按泵的排除压力分根据泵的排出压力高与低可分为：低压泵（），中压泵（）,高压泵（），超高压泵（）；1.3.5按泵的每分钟往复次数
8、分按每分钟往复次数高与低可分为：低速泵（n500spm）介于两者之间的，对一般性往复泵来讲，通常是正常选择范围，因此，没有划分。由上述分类可知，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，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，这种组合方式是多种多样的。1.4往复泵整体结构设计从应用的实际出发，液压往复泵应满足工艺对排量，压力的要求，同时要达到便于搬运，安装，检查，保养和维修。这样整体结构设计就要求外形尺寸与现在使用的往复泵相当，所以整体结构上还是采用卧式结构。采用电机直接驱动
9、液压泵，因为这样实现远距离全自动操作。液压往复泵由液压控制系统，泵体系统和箱体组成。要求液压系统为往复泵泵体提供以下条件；工作压力12mpa，输入功率5km,泵的转速200r/min,流量23l/min.1.5 液力端结构选型液力端是指活塞(柱塞)从处于电机脱开处到泵的进、出口法兰处的部件，一般由液缸体、活塞和缸套或柱塞及其密封(填料函)，吸入阀和排出阀组件、缸盖和阀箱、阀相关、吸入和排出集合管等组成。液力端是介质的过流部分，液力端结构型式的选择应遵循如下的原则：（1)过流性能好，水力损失小。（2)过流部分应利于气体排出，不允许有气体滞留的死区。（3)吸入阀和排出阀一般为垂直布置，利于阀板的启
10、闭和密封。（4)余隙容积应尽可能的小。（5)易损件寿命长，拆装方便。（6)加工艺性好。 卧式单作用柱塞泵按吸入阀、排出阀的布置型式，通过特性和结构特征可分为：直通式液力端、直角式液力端和阶梯式液力端。首先是直通式液力端。直通式液力端的吸入阀和排出阀的中心轴线均在同一轴线上， 直通式液力端的特点是：过流性能好，余隙容积较小，结构紧凑、尺寸小、装拆方便。直通式液力端按液缸体结构可分为：四通体直通式波力端，三通体直通式液力端。其次是直角式液力端。直角式液力端的吸入阀轴线与排出阀轴线垂直，它的吸入阀和排出阀可以分别拆装和更换，使用和维护较为方便。相对于直通式和阶梯式液力端来说，直角式液力端的余隙容积最
11、小，有利于提高泵的容积效率。直角式液力端的结构紧凑，尺寸小，柱塞可方便地从吸入阀处拆装，但处于水平布置的阀的阀板运动导向必须良好，否则阀板运动容易受阻或关闭不良。还有阶梯式液力端，阶梯式液力端的吸入阀和价排出阀轴线互相平行，阶梯式液力端中在装拆和更换吸入阀和排出阀时，不必拆装管路，这对于要求经常更换泵阀的场合是很重要的。这种液力端的余隙容积大，当排出压力高或输送介质的含气过多时，容积效率更低。综合考虑，本实验装置采用直通式液力端。1.6传动端结构形式的选择往复泵上传动动力的部件叫传动端。对机动泵，传动端是指从十字头起一直到煮粥伸出端为止的部件。如果是泵内减速的，则传动端内包括减速机构：如果是泵
12、外减速的，则传动端内不包括减速机构，减速机独立。机动泵的传动端主要由机体，曲轴连杆，曲柄，十字头级润滑，冷却等辅助设备组成。在选择和设计传动端时候，通常应遵循下述基本原则：（1）传动端主要零，部件必须满足该泵最大活塞（柱塞）力下的强度和刚度的要求。（2）传动端各运动副，必须是润滑可靠，满足比压和pv允许值，润滑油温升也应限制在设计要求内。必要时，应有冷却设施。（3）在结构和尺寸要求允许的范围内，应力求减少连比杆r/l，这样不仅可减少十字头处的压力，而且可减少惯性水头的影响，从而可改善泵阀工作条件和泵的吸入性能。（4）要求合理现则液压缸中心线夹角，曲柄间错角，力求使机械的惯性力和惯性力矩得到平衡
13、，减轻对基础的挠力载荷。（5）传动端，尤其是立式泵传动端，应考虑重心的稳定性。传动端顶部应设有运转时排气，停车时封闭的排气装置，底部应设有排放润滑油的油堵。（6）拆，装，检修方便，大型泵的传动端还应考虑到传动端各零，部件的起吊方式和措施。（7）易损件及运动副应工作可靠，寿命长，更换较方便。（8）加工，制造工艺性好。和液力端一样，传动端的结构形式选择夜了按几种典型泵型和典型传动端结构予以说明。卧式五联单作用机动泵传动端是往复泵常用形式之一。该泵传动端虽然在具体结构上有种种差异，但按照基本结构形式，在目前可分为两种类型：两支点五拐曲柄连杆机构和四支点五拐曲柄连杆机构。前者主要用于中小型石油化用泵，
14、后者用于大型石油矿场用泵。考虑到泵的用途在此选择两支点五拐曲柄连杆机构传动端。2 往复泵主要结构参数的选择与确定在进行往复泵设计时，泵的基本性能参数-排除压力P和流量Q是由用户提供的。要确定Q，必须确定等与结构有关的参数。此外，在绘制总体方案图时，还需要吸入管和排出管的内径,他们也与Q有关。以上这些参数统称之谓泵的结构参数。但是是在确定Q后确定的，如果在总体设计时预先选定了泵型和总体结构形式，那么，即为已知，可预先选取。因此，决定Q的主要结构参数就是。由往复泵的设计实践经验得知，为了确定组合的最佳方案，一般应选择合适的入手，而后再确定，进而比较，由此而逐步确定组合的最佳方案。2.1往复泵容积效
15、率的选择往复泵的容积效率一般选取原则如下：当泵排除压力高，流量小，每分钟往复次数高，液力端余隙容积大，制造精度低且输送高温，高粘度，含固体颗粒时，取较低值，反之取较高值。当输送常温清水时，0.800.98; 当输送石油产品，热水，液化泾等介质时，取0.600.80.故取0.7.2.2柱塞平均速度Um的选择 Um 的大小直接影响泵各运动副零，部件的摩擦和磨损，特别是对活塞及其密封这一对运动副的影响尤为显著。较大的活塞速度Um会加速摩擦副的磨损，引起泄露加快，流量下降。另外Um的过大还会使吸入管路内的惯性水头增加，使吸入性能变坏。Um过小，会使液力端的尺寸增加。石油化工用泵一般介质，柱塞速度一般Um1.1m/s。由统计可知，Um大小与折合成单联单作用泵的有效功率Nez有关。 （可以忽略不计）；式中Um活塞平均速度，m/s；折合成单联单作用泵的有效功率，kw；Kt统计系数；Z-联数，因为是五柱塞所以为5。带入数据可得；=0.920kw,据查表2-5可选取0.5， = 0.480 m/s，所以=0.480 m/s。2.3 行程长度S的选取以及柱塞直径的确定 已知往复泵的转速为200r/min,根据得S=0.072米。根据表22.1-13液压缸活塞行程第三系
