螺旋離心式砂石泵設計（螺旋離心泵）
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畢業(yè)設計開題報告
設 計 題 目: 礦山分離結構的設計
院 系 名 稱: 機電工程學院
專 業(yè) 班 級: 機械設計制造及其自動化08-12
學 生 姓 名:
導 師 姓 名:
開 題 時 間:
指導委員會審查意見：
簽字： 年 月 日
1 研究目的和意義
近幾十年來，礦山分離機的結構設計在國民經濟各部門生產中的應用范圍日益擴大，如用于抽送污水、糞便、泥漿和各類纖維雜質漿料，雜質泵已成為泵應用中非常重要的領域。目前國內的雜質泵產品主要有污水泵、泥漿泵、紙漿泵和旋流泵，綜觀應用情況，現有各種雜質泵雖然具有抽送含顆粒、雜質混合液的較好性能，但由于受泵型結構所限，泵在工作中會時常發(fā)生繞纏與堵塞障礙，而且對物料破壞嚴重，更無法用于抽送長纖維、大粒徑固體物和要求不損傷的物料，元不能滿足多行業(yè)的需要。
礦山分離機（簡稱螺旋泵）是一種新型雜質泵，具有加好的無堵塞、無繞纏與損傷少的性能。該新產品的開發(fā)在國外已有近30年歷史，60年代由秘魯率先推出，爾后日本、西德等國亦相繼研制成功。據報道，目前國外的螺旋泵技術產品發(fā)展很快，現已研制有單頭、雙頭和帶有蓋板等不同結構的螺旋式葉輪，并且制成普通干式泵、浸沒式泵、潛水泵多種系列產品，在許多生產部門得到廣泛應用。
我國的螺旋泵新技術產品開發(fā)起步較晚，1988年螺旋式離心泵的研制成功尚屬國內首次。新產品已通過專家鑒定，并在多行業(yè)進行了幾年的生產應用推廣，取得了顯著的生產效果與經濟效益。
2 課題研究現狀及分析
2.1國內外發(fā)展情況
20世紀60年代初，為了解決秘魯沿岸魚類加工廠活魚保鮮輸送問題，瑞士工程師Martin St}lale發(fā)明了帶有螺旋型葉輪的泵，由于該泵融合了螺旋泵和離心泵兩者的優(yōu)點，所以被稱為螺旋離心泵。此泵先后獲得秘魯、美國和西德等國的專利，隨之馬丁先生又建立了瑞士海斯特股份有限公司并任集團總裁。此后，馬丁先生便致力于螺旋離心泵的進一步開發(fā)研究，在泵送活魚的應用基礎上，將其由原來的魚泵發(fā)展為多品種、多系列螺旋離心泵，并不斷擴大其應用領域，目前，該系列產品已成為復雜介質泵送領域的重要輸送設備。德國Hidrostal Gmbh和KSB公司也已經開發(fā)出該泵的系列產品。英國Sigmund、日本荏原、久保田、太平洋機工、石川島播磨重工業(yè)等公司都相繼開發(fā)出這種泵的系列產品。由于螺旋離心泵用途與結構的特殊，直到20世紀80年代才見到國外公開發(fā)表的研究成果，目前國外已有成熟的產品，德國、美國、日本和英國的公司已相繼開發(fā)出這種泵的系列產品。但其中關于他們的文章大多都是產品介紹，而有關泵的研究和設計方面的文章很少見。
國內對螺旋離心泵的設計研究起始于20世紀80年代末期，朱榮生、關醒凡根據多年的研究成果提出了一套確定螺旋離心泵葉輪幾何參數的經驗公式，并且用運包角變換法對葉輪進行了繪形，以此用于產品開發(fā)；陳紅勛、朱榮生L20認為與普通離心泵一樣，螺旋離心泵的設計關鍵主要在葉輪，而葉輪設計的關鍵則是要找出葉輪結構參數與螺旋離心泵性能參數之間的定量關系，這種定量關系的建立需要從理論與實踐兩方面人手，他們以兩種不同方法對葉輪的結構參數進行了定義，并在此基礎上提出這些結構參數的確定方法；介紹了螺旋不堵塞泵的葉輪、泵體的設計方法，并通過實例對設計方法進行了驗證；劉自貴等介紹了國外螺旋離心泵的科研概況以及他們所作的變速運行結果，提出了較為實用的設計方法；趙天成悼等介紹了在兩相流泵設計中兩相流動的最低極限速度的選擇與確定原則，討論了固體顆粒對葉輪泵殼內流動特性的影響，提出了兩相流泵最經濟輸送范圍下所具有的最佳重量濃度；何希杰、勞學蘇提出了螺旋離心泵葉輪葉片工作面和負壓面空間曲面方程和具體的水力設計方法，對于螺旋離心泵的研究和設計具有實際意義。李仁年副等人從理論上分析了螺旋離心泵各種性能之間的關系，提出在設計螺旋離心泵時應綜合考慮各種因素，以滿足不同應用的要求。我國的螺旋泵新技術產品開發(fā)起步較晚，1988年LLB螺旋離心泵的研制成功尚屬國內首次，新產品通過專家鑒定，并在多行業(yè)進行了幾年的生產應用推廣，取得了顯著的生產效果與經濟效益。1989年為湖南、廣西兩個造紙廠提供LLBl50．150型泵3臺，用于粗、細紙漿的輸送。1992年為廣東普寧海藻工業(yè)公司和青島黃海海藻工業(yè)公司分別提供LLBl50-100型泵17臺和13臺，用于浸泡海帶、麒麟菜及其消化膠液的輸送。在連續(xù)幾年的生產應用中，兩種泵均性能穩(wěn)定，工作可靠，未曾發(fā)生纏繞與堵塞故障，并且與原用泵相比，輸送效率高、耗能低，在節(jié)電(30％一50％)、減輕勞動強度、降低成本和提高生產功效等方面取得了良好的生產效果。
3 研究/設計的目標
在總體設計給定的設計條件下，完成一種螺旋離心式砂石泵。使其達到①無堵塞性能好；②無損性能好；③效率高，且高效區(qū)寬廣；④功率曲線平坦；⑤良好的調節(jié)性能；⑥泵的吸人性能好；⑦具有優(yōu)良的抗汽蝕性能；⑧腐蝕小，過流部件壽命長；⑨理想的噪聲特性。
4 基本內容、擬解決的主要問題
1、砂石泵總體設計；
2、砂石泵水利設計與計算；
3、砂石泵主要零部件設計；
4、砂石泵通用零件選擇；
主要參數：
出口：200mm；
入口：200mm；
流量：120m3/h；
揚程：H=15m；
轉速：1450r/min；
軸轉速：9.61KW。
4.1它的工作原理：
流體在高速旋轉的葉輪作用下被吸入泵腔，葉輪由螺旋段和離心段兩部分組成，螺旋部分提供一個正向的位移推力，此力在軸向的延伸處形成一種彎轉的分力，使人口處的水流沿著葉輪的切線方向而不是與葉輪成直角作用下被吸人泵腔，葉輪由螺旋段和離心段兩部分組成，螺旋部分提供一個正向的位向而不是與葉輪成直角或某一角度進入泵體。螺旋部分的軸向推力使水流平穩(wěn)前進，直至離心部分，再由離心部分推送水流從出口排出。
4.2砂石泵的主要零部件：
泵的主要過流部件有吸水室、葉輪和壓水室。
泵吸水室位于葉輪前面，其作用是把液體引向葉輪。有直錐形、彎管形和螺旋形三種形式。
壓水室位于葉輪外圍，其作用是收集從葉輪流出的液體，送入排出管。壓水室主要有螺旋形壓水室（渦殼）、導葉和空間導葉三種形式。
葉輪是泵最重要的工作元件，是過流部件的心臟。葉輪由蓋板和中間的葉片組成。根據液體從葉輪流出的方向不同，葉輪分為徑流式、混流式和軸流式三種型式。
徑流式葉輪—液體流出葉輪的方向垂直于軸線，即沿半徑方向流出；
混流式（包括斜流式）葉輪—液體流出葉輪的方式傾斜于軸線；
軸流式葉輪—液體流出葉輪的方向平行于軸線，即沿軸線方向流出。
泵的類型：
泵可以分為葉片式泵（動力式泵）、容積式泵和其它類型泵三大類。所謂葉片式泵，是依靠葉輪在殼體中旋轉，通過流體動力參數的變化把能量傳給液體的機械。葉片式泵的簡單分類如下：
(1)離心式（裝徑流式葉輪）
1)單吸（葉輪一面進水）
2)雙吸（葉輪兩面進水）
(2)混流式（裝混流式葉輪）
(3)軸流式（裝軸流式葉輪）
(4)單級（裝一個葉輪）
(5)多級（裝多個葉輪）
4.3砂石泵的發(fā)展：
砂石泵具有輸送各類雜質、漿料和固體物料無堵塞、不損傷等良好功能，故在一些生產部門擁有廣泛的推廣應用前景和顯著的經濟效益。
由于砂石泵具有很多優(yōu)點,因此,今后我國的需求量將持續(xù)增長,并有以下主要發(fā)展趨勢。
1、發(fā)展多功能多用途砂石泵
我國砂石泵的形式和外國著名的砂石泵生產廠的產品相比還不夠多,如帶有切割裝置的泵、多級泵、抽送腐蝕性介質的砂石泵等生產的還很少,然而其市場的需求量又很大,因此,具有很好的發(fā)展前途。
2、開發(fā)高可靠性機械密封
機械密封是砂石泵的關鍵部分,采用兩道單端面機械密封,這樣介質的壓力可以作用到端面,泄漏方向為內流型,這些都是有利的,但結構稍復雜。在油室內裝雙端面機械密封,兩側的端面應采用不同的結構型式,使介質的壓力能作用到下側的端面上,否則只靠彈簧力,密封端面的反推力易使端面打開。因此,還應進一步在結構和材料方面進行研究,提高其可靠性和壽命。
3、新材料新技術新工藝等將逐步應用
普通泵已使用不銹鋼、氟塑料(F46)、襯塑、襯膠、噴涂陶瓷等,所有這些材料應當盡快應用到砂石泵上,擴大砂石泵的應用領域。而計算機輔助設計、輔助制造和輔助測試等新技術、新工藝的應用也勢在必行。事實證明,新技術、新材料、新工藝的應用,不但解放勞動生產力,而且還可以保證產品質量穩(wěn)定可靠。
4、注意砂石泵的外觀質量并逐步打入國際市場
我國的砂石泵在國際市場上有著明顯的價格競爭優(yōu)勢,但是必須要注意提高砂石泵的可靠性和壽命,尤其要改善砂石泵的外觀質量,要給用戶一種美的感覺,以使國產的砂石泵早日更多地打入國際市場。
4.4砂石泵研究設想：
砂石泵是一種通用機械，應用范圍廣泛。因此在本次結構設計中最多考慮到的因素就是經濟實用性和性能穩(wěn)定性。只有投入低，效益高的產品才能被市場認同。在設計過程中盡可能采用低成本原材料，同時優(yōu)化結構設計并保證其性能能夠滿足工作需求。設計就要有創(chuàng)新、有可行性。本次螺旋式砂石泵的結構是設計就是為了使砂石泵廣泛應用于實際生產中，并在保證低成本的同時有更多的效益。本章對砂石泵的經濟效益，社會效益，使用壽命以及泵本身的節(jié)能底噪性進行試驗性分析，表明該泵有實際應用性。本次泵體在設計上更多的考慮的實際生產，使該泵在高效節(jié)能，經濟效益，社會效益等感方面有更多優(yōu)勢。
5 設計方案
設計上以國際標準的IS泵為基型，此次設計的螺旋離心式沙石泵，在設計結構上采用單級單吸懸臂臥式結構，其主要結構是裝有背葉片的具有特殊的三維螺旋葉片的葉輪，葉片型線為空間對數螺旋線，采用液固兩相流理論進行水力設計。
由于該泵是通過其特殊的三維螺旋葉片將螺旋的容積推進作用和葉片的離心作用有機的結合，使介質獲得能量。所以它兼有容積泵和葉片泵的特點，是二者相互結合的產物。較一般的普通雜質泵和旋流泵相比，具有以下特點：（1）無堵塞性能好；（2）無損性能好；（3）效率高，與其他同類雜質泵相比效率高5%以上；（4）泵的吸入性能好?？沙樗秃瑲饨橘|，含氣量在15%以下時，泵的性能，震動基本不發(fā)生變化。（5）具有優(yōu)良的抗汽蝕性能。其他參數相同的條件下，螺旋離心式沙石泵的汽蝕性最好，即NPSHr最小。
該螺旋離心式沙石泵在結構上主要有三大部分組成，分別為泵頭部分，軸封部分以及傳動部分，分別敘述其結構特點。
1、泵頭部分
泵頭部分由泵體和泵蓋組成。前，后蓋板的直徑大于葉輪直徑，葉輪可由前或后拆卸，葉輪為螺旋離心葉輪，葉輪的后蓋板帶有背葉片以減少泄露，提高泵的壽命及效率。
2、軸封部分
本次設計的軸封采用填料軸封，填料軸封結構簡單，維修方便，但需使用軸封水，還需配備供應軸封水的泵。
3、傳動部分
傳動部分包括托架和軸承組件，軸承根據傳動的功率不同選擇單列向心圓錐滾子軸承，能夠承受泵的最大軸向及徑向載荷，軸承采用干油潤滑，軸承體兩端有密封端蓋，并且有兩道密封圈，能有效的防止污物進入軸承，保證軸承安全運行，具有較高的使用壽命。
6 技術路線
1、根據搜查到的技術資料，擬定總體設計方案，從而使泵體在設計上更多的考慮的實際生產，使該泵在高效節(jié)能，經濟效益，社會效益等感方面有更多優(yōu)勢；
2、根據結構優(yōu)化設計，擬定多種設計方案，從而確定出本次設計的最終設計方案；
3、要確定泵的總體結構形式、確定泵的轉速、確定泵的水利方案并進行葉輪磨損分析和砂石泵主要零件的強度計算等等；
7 進度安排
2月27日—3月19日：調研及收集相關資料；撰寫開題報告；
3月19日—4月02日：砂石泵總體設計；
4月02日—4月23日：砂石泵水利設計與計算；
4月23日—5月14日：砂石泵主要零部件設計；
5月14日—6月04日：砂石泵通用零件選擇；
6月04日—6月15日：整理資料，準備畢業(yè)答辯
8 參考文獻
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