发动机冷却系水泵设计【3张CAD图纸和文档】
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发动机冷却系水泵设计摘要随着各式各样的汽车类层出不穷,什么轻快敏捷的轿车,环城的公交车以及载货跑长途的重型卡车等等。所有的车都有一个相同的特点,都必须有一个完整的冷却系统,一般采用的方法都是通过发动机带动水泵进行水循环进行冷却,我们主要应用离心泵,离心泵主要有流量,扬程,转速,比转数等基本参数。水泵的设计包括对其总体结构的设计,叶轮的设计,涡室的设计,进出口管的设计及其他零件的设计。本次设计运用三维建模软件UG,对冷却水泵的各个零部件进行建模,并完成最后的装配设计。关键词冷却系统,离心泵,设计,UGEngine cooling pump designAbstract:With the endless variety of car classes, what light and agile car, around the city by bus and heavy-duty trucks, and so laden long distances. All cars have the same characteristics.They must have a complete cooling system. Our general approach is driven by the engine cooling water pump for water circulation. Our main application centrifugal pumps, centrifugal pumps are flow, head rise, speed, and other basic parameters than the number of revolutions. Pump design includes its overall structural design, design of the impeller, the design of the vortex chamber, the design of inlet and outlet tubes and other parts of the design. Through this design, so I have a comprehensive understanding of the structure and working principle of centrifugal pumps as well as the emergence and operation of the process of using some of the problems that may arise.Key words:Cars,Cooling system,Centrifugal pumps,Design,UG - II -目 录目 录I1.绪论11.1泵的概述11.1.1水泵的作用11.1.2水泵的基本结构及工作原理11.2离心泵的基本理论知识21.2.1离心泵的主要零件21.2.2离心泵的结构形式41.2.3离心泵的主要性能参数61.2.4离心泵的汽蚀问题82.冷却水泵的总体结构设计112.1计算参数及要求和结构形式的确定112.2泵轴及其支承的设计计算122.2.1泵轴设计计算122.2.2轴承的选择143.冷却水泵水力设计计算163.1基本参数163.2叶轮参数计算163.3涡室参数计算203.4进出水管参数计算224.冷却水泵主要通用零部件的选择244.1正确选用离心泵主要通用零部件的重要性244.2轴封的选择244.2.1机械密封的优缺点254.2.2作用在密封面上的力254.2.3密封面间的液膜264.2.4机械密封的安装264.2.5机械密封的冷却和冲洗274.2.6机械密封的材料选择275.冷却水泵的三维建模295.1冷却水泵各零件的建模295.1.1叶轮的三维建模295.1.2涡室的三维建模325.1.3泵轴的三维建模385.2冷却水泵的装配416.结论43致谢44参考文献451.绪论1.1泵的概述1.1.1水泵的作用随着各式各样的汽车类层出不穷,什么轻快敏捷的轿车,环城的公交车以及载货跑长途的重型卡车等等。所有的车都有一个相同的特点,都必须有一个完整的冷却系统,因为发动机转动提供功率的同时,一定产生相当大的热量,使机体降温,当温度过高时就会影响机器的性能,必须将温度降下来,一般采用的方法都是通过发动机带动水泵进行水循环进行冷却。那么水泵的功用就是对冷却液加压,保证其在冷却循环中循环流动。1.1.2水泵的基本结构及工作原理汽车发动机广泛采用离心式水泵如下图1.1。其基本结构由水泵冷却壳体,水泵轴及轴承,水泵叶轮和水封装置等零件构成。图1.1 冷却水泵的示图发动机通过皮带轮带动水泵轴传动,水泵轴带动叶轮转动,水泵中的冷却液被叶轮带动一起旋转,并在离心力的作用下被甩向水泵壳体边缘,同时产生一定的压力,然后从出水管流出,在叶轮的中心处由于冷却液被甩出而压力下降,散热器中的冷却液在水泵进口与叶轮中心的压差作用下经水管流入叶轮,实现冷却液的往复循环。支撑水泵轴的轴承用润滑脂润滑,因此要防止冷却液泄露到润滑脂造成润滑脂乳化,同时还要防止冷却液的泄露,密封圈与轴通过过盈配合装在叶轮与轴承之间,使密封座紧紧的靠在水泵的壳体上达到密封冷却的目的。水泵壳体上还有泄水孔,位于水封之前,一旦有冷却液漏过水封,可从泄水孔泄出,以防止冷却液进入轴承破坏轴承润滑,如果发动机停止后仍有冷却液漏出,则表明水封已经损坏。水泵的驱动一般由曲轴通过V带驱动,传动带环绕在曲轴带轮和水泵带轮之间,曲轴一转水泵也就跟着转。叶轮由铸铁或塑料制造,叶轮上通常有68个径向直叶片或后弯叶片。水泵壳体由铸铁或铸铝制成,进、出水管与水泵壳体铸成一体。因为汽车发动机上的水泵是采用离心式的,所以设计时完全可以按照离心泵的设计方法来设计。1.2离心泵的基本理论知识离心泵依靠旋转叶轮对液体的作用把原动机的机械能传递给液体。由于离心泵的作用液体从叶轮进口流向出口的过程中,其速度和压力都能增加,被叶轮排出的液体经过压出室,大部分速度能转换成压力能,然后沿排出管路输送出去,这是叶轮进口处因液体的排出而形成真空或低压,吸水池中的液体在液面压力(大气压)作用下,被压入叶轮的进口,于是旋转着的叶轮就连续不断的吸入和排出液体。流量在520000m/h,扬程在82800m的范围内,使用离心泵是比较合适的。因为在此性能范围内,离心泵具有转速高,体积小,重量轻,效率高,流量大,结构简单,性能平稳,容易操作和维修等优点。国内生产实践表明,离心泵的产值是泵类产品中最高的。离心泵有其长处,但也有其不足之处。离心水泵的实际使用效率低,还有实际使用时流量随压力而变,对转速要求严格,单级扬程较低,启动前泵内要灌满液体,而且液体黏度对泵性能也有很大影响,只能用于精度近似于水的液体,对于某一定流量的离心泵,有一个相应的黏度极限,如果液体超过了这个黏度极限,泵的效率会迅速降低,甚至无法工作。1.2.1离心泵的主要零件离心泵结构形式虽然很多,但是由于作用原理相同,所以零部件的形状是相似的,其主要部件有以下几种:(1)叶轮叶轮是将来自原动机的能量传递给液体的零件,液体流经叶轮后能量增加,叶轮一般由前盖板,后盖板叶片和轮毂组成,这种叶轮叫闭式叶轮;如果叶轮没有前盖板就叫半开式叶轮,如图1.2(a)闭式叶轮 (b)半开式叶轮图1.2 叶轮(2)吸入室吸入室的作用是使液体以最小的损失均匀地进入叶轮。吸入室主要有三种结构形式:锥形管吸入室,环形吸入室和半螺旋形吸入室。(3)压出室压出室的作用是以最小的损失,将从叶轮中流过的液体收集起,均匀地引至泵的吐出口或次级叶轮,在这个过程中,还将液体的一部分动能转变成为压力能。压出室主要有以下几种类型:螺旋形涡室,环形压出室,径向导叶、流道式导叶和扭曲叶片式导叶等。离心泵的叶轮,吸入室,压出室以及泵的吐出和吸入称为泵的过流部件,过流部件形状和材质的好坏是影响泵的性能,效率和寿命的主要因素之一。(4)密封环由于叶轮旋转时将能量传递给液体,所以在离心泵中形成了高压区和低压区,为了减少高压区液体向低压区流动,在泵体和叶轮上分别安装了两个密封环,装在泵体上的叫泵体密封环,装在叶轮上的叫叶轮密封环,常用密封环如图1.3(a)普通圆柱形 (b)迷宫型 (c)锯齿形图1.3 密封环的形式(5)轴封机构在泵轴伸出泵体外,旋转的泵轴和固定的泵体之间有轴封机构。离心泵的轴封机构由两个作用:减少有压力的液体流出泵体外和防止空气进入泵体内。离心泵中常用的轴封机构有四种结构形式:有骨架的橡胶密封,填料密封,机械密封和浮动环密封等。(6)轴向力平衡机构泵在运行中由于作用在转子上的力不对称就产生了轴向力,单级泵主要采用平衡孔或者平衡管来平衡轴向力;多级泵一般用平衡鼓或平衡盘平衡轴向力。(7)皮带轮皮带轮在水泵中是一个很重要的零部件,它主要的作用是带动水泵的运转,使水泵正常的工作。在这次的设计中,我使用的是梯形皮带带动方式,梯形横截面镶嵌在V型皮带轮中,随着皮带轮的转动,V型皮带会被卡在皮带轮中,从而通过强大的摩擦来传递动力,这样设计的好处是运转起来没有噪音,而且便于更换。(8)中心轴中心轴与皮带轮的带动方式我采用的是销子,固定方式则是螺母固定,这样的带动以及固定方式减少了对皮带轮的加工,切削,有力的保证了皮带轮坚固性,也加强了皮带轮的安装稳定性,使水泵的运转更加稳定以及可靠。离心泵除了以上几种主要零部件以外,还有泵轴,轴承体,托架,支架,联轴器等主要零部件。1.2.2离心泵的结构形式离心泵的结构形式基本上可以按轴的位置分为卧式和立式两大类,再根据压出室形式,吸入方式和叶轮级数又分为:泵的结构形式很多,现将上表中最常遇到的几种结构形式简述如下:(1)单吸单级泵单吸单级泵的用途很广泛,在工农业各个部门均有采用,一般流量在5.5300m/h,扬程在81500m范围内都用这种泵。泵轴的一端在托架内用轴承支承,另一端悬出称为悬臂泵。轴承可以用机油润滑,也可以用黄油润滑,油封机构可以采用机械密封,也可以采用填料密封和浮动环密封,对于较小的泵还可以采用有骨架的橡胶密封,在叶轮上一般均有平衡孔平衡轴向力,这种泵结构简单,工作可靠,零部件少,易于加工,产量也比较大。(2)双吸单级泵双吸单级泵在工业和农业各部门使用也比较广泛,产量也比较大。双吸单级泵实际上等于将两个相同的叶轮背靠背装在一根轴上,并联的工作,所以这种泵不但流量大,而且能自动平衡轴向力。双吸单级泵一般采用半螺旋形吸水室,泵体水平中开,大泵一般采用滑动轴承,小泵采用滚动轴承。轴承装在泵的两侧,工作可靠,维修方便打开泵盖后即可将整个转子取出,我国的双吸单级泵一般流量在12020000m/h,扬程在10110m范围内。(3)涡壳式多级泵采用螺旋形压出室的泵俗称涡壳泵。把几个涡壳泵装在一根轴上,串联地工作,就叫涡壳式多级泵,这种泵一般采用半螺旋形吸入室,每个叶轮均有相应的螺旋形压出室,泵体水平中开,吸入口和吐出口都铸在泵体上,检修是非常方便,不用拆卸吸入和吐出管路,只要把上泵体取下,即可取去整个转子,将备用转子放入即可工作。另一方面,由于叶轮对称布置,自动平衡轴向力,所以一般涡壳式多级泵不需要平衡机构。缺点是:涡壳式多级泵较同性能的分段式多级泵体积大,铸造和加工的技术要求也比较高。这种泵主要用于流量较大扬程较高的城市给水,矿山排水和输油管线等,其性能范围一般流量为4501500m/h,扬程为100150m。吐出压力高的涡壳式多级泵,压力可达18MPa左右。1.2.3离心泵的主要性能参数(1)流量流量又叫做排量,扬水量,是泵在单位时间内排出液体的数量,有体积单位和重量单位两种表示法。体积流量用Q表示,单位为m/s、m/h和L/s等;重量流量用G表示,单位为t/h、kg/s等;重量流量G和体积流量Q的关系为:G=Q式中:液体重度(kg/m)(2)扬程单位重量液体通过泵后所获得的能量俗称扬程,又叫总扬程或全扬程,用H表示,其单位为米液柱(m),简称米对于高压泵,有时也近似地用泵的出口和入口的压力差(p-p)表示扬程的大小,此时扬程的表达式为:H=式中p泵的出口压力(kg/cm) p泵的入口压力(kg/cm)(3)转速离心泵的转速离心泵的转速是指泵轴每分钟的转数,用n表示,单位为r/min。功率泵的功率可分为有效功率和轴功率,有效功率系指泵在单位时间内对流体所做的功,也就是泵传递给流体的功率,用符号P表示,单位为kW。式中:为流体的密度kg/m;g为重力加速度m/s;Q为流量L/min;H为扬程m。轴功率系指原动机传递给泵轴的功率,用符号P表示,单位为kw。该轴功率可通过试验来测定。也可以在已知泵的总效率的基础上进行计算:式中:为泵的总效率。 由于在泵的内部存在各种损失,因而轴功率不可能完全传给流体,所以有效功率始终小于轴功率,即PP。 (4)比转数在离心泵的水力设计中,常常是根据给定的设计参数Q、H、n来选择模型泵,两台相似的泵,将在相似的工况下的性能参数代入公式:计算出来的数值是相同的。通常把这个数值称为离心泵的比转数,以n表示:n=n有这样的性质,对于一系列几何相似的泵,在相似的工况下n值都相等。所以,就可以用最佳工况的n值作为这一系列几何相似泵的特征数或判别数。比转数的概念最初在水轮机中应用,为了使离心泵的比转数与水轮机的比转数一致,经过单位换算后,得:显然,=3.65 n,和n在本质上没有区别,只是在数值上相差3.65倍而已。离心泵上习惯用表示比转数。1.2.4离心泵的汽蚀问题(1)离心泵中汽蚀现象的发生过程如果泵在运行中产生了噪音和震动,并伴随有流量、扬程和效率的降低,有时甚至不能工作,当检修这台泵时,常常可以发现在叶片入口边靠近前盖板处和叶片入口边附近有麻点或蜂窝状破坏。严重到整个叶片和前、后盖板都有这种情况,甚至叶片和盖板被穿透,这就是由于汽蚀所引起的破坏。在现实运行中,有很多泵都是由于汽蚀所损坏的。汽蚀又称为空蚀,它是在一定条件下由于液体和气体的相互作用引起的。泵通过旋转的叶轮对液体作功,是液体能量(包括动能和压能)增加,在相互作用过程中,液体的速度和压力是变化的。通常,离心泵叶轮入口处是压力最小的地方,如果这个地方液体的压力等于或低于在该温度下液体的汽化压力P,就会有蒸汽及溶解在液体的气体从液体中大量溢出,形成许多蒸汽与气体混合的小泡。这些小泡随液体流道高压区时,由于气泡内是汽化压力,而气泡周围压力大于汽化压力,产生了压差,在这个压差的作用下,气泡受压破裂而重新凝结,在凝结过程中,液体质点从四周向气泡中心加速运动,在凝结的一段时间,质点相互撞击,产生很大的局部压力。这些气泡如果在金属表面附近破裂而凝结,则体质点就会像无数小弹头一样,连续打击在金属表面上。压力很大,频率很高的连续打击下,金属表面逐渐因疲劳而破坏,通常把这种破坏称为剥蚀。在所产生的气泡中还杂有一些活泼气体(如氧等),借助气泡凝结时所放出来的热量,対金属起化学腐蚀作用。化学腐蚀与机械剥蚀的共同作用,就更加快了金属损坏速度,这种现象较汽蚀破坏现象。离心泵在严重汽蚀状态下运转时,发生汽蚀部位很快就会被破坏成蜂窝状或海绵状。离心泵开始发生汽蚀时,汽蚀区域较小,对泵正常工作没有明显的影响,在泵性能曲线上也没有明显反映。但当汽蚀发展到一定程度时,气泡大量产生,影响液体的正常流动,甚至造成液流间断,发生震动和噪音,同时泵的流量、扬程和效率明显下降,在泵性能曲线上也有明显表现。汽蚀不但使泵的性能下降,产生噪音和震动,而且使泵的寿命缩短,严重时使泵无法工作,所以,研究汽蚀过程的客观规律,提高离心泵抗汽蚀性能,以及研究抗汽蚀破坏的材料,是离心泵技术发展的重要研究项目之一。吸上真空度对一般中小型卧式离心泵来说泵轴心线距页面的垂直高度叫几何吸上高度,或称几何安装高度,以H表示。泵的几何吸上高度不可能无限地提高,从离心泵的工作原理可知,泵能把低处液体吸到高处,是因为液体在叶轮离心力的作用下被甩出叶轮,而在叶轮吸入处造成真空度,贮水池中的液体,在液面压力作用下经吸入管路进入泵内。因此,泵的吸上高度与泵吸入口处真空度、液面压力、吸入管路的速度、阻力及被抽液体的重度有关。(2)汽蚀余量泵的允许吸上真空度是随泵使用地点的大气压,吸入管路中的阻力和流速,以及所抽送液体的性质和温度的不同而变化的。所以使用时不太方便,需引进一个表示泵汽蚀性能的参数,这就是汽蚀余量。汽蚀余量分为装置汽蚀余量或称为必须的汽蚀余量和泵的汽蚀余量或称为有效的汽蚀余量。装置汽蚀余量的意义表示:泵吸入口处单位重量的液体所具有的超过汽化压力的富余能量。而这富裕能量包括压力能和动能,由于动能较小,所以主要是压力能。装置汽蚀余量单位以米液柱高度表示。装置汽蚀余量越大,这样使泵不容易产生汽化,水泵不会发生汽蚀。装置汽蚀余量并不能表示泵的汽蚀性能的好坏。因为装置汽蚀余量仅指液体从吸水池吸入口处所具有的超过汽化压力的能量,而泵吸入口处的液体压力并不是泵内液体压力的最低处。因为液体自泵的吸入口流到叶轮的过程中还有能量损失,压力还要降低。因而要表示泵的性能需要的是泵的汽蚀余量。(3)汽蚀比转数在设计离心泵时,除了考虑水泵的参数(扬程、流量、功率、效率、转速)以外,还要有一个能表示水泵汽蚀性能,而又与泵的设计参数有联系的综合性参数,作为比较泵汽蚀性能和选择模型泵的依据。最小汽蚀余量的大小与泵入口几何形状及液体流动情况密切相关。利用水力学中相似原理,引出一个新的参数c来表示离心泵的最小汽蚀余量与泵设计参数间的关系:式中n水泵的转速;Q离心泵流量,对双吸式水泵应以Q/2代入;泵的最小汽蚀余量。(4)提高离心泵抗汽蚀性能的措施I改进叶轮入口的几何形状A. 采用双吸叶轮B. 采用较低的叶轮入口速度C. 增大叶片入口边宽度D. 适当选择叶片数和冲角II采用抗汽蚀材料一般来说,零件表面越光,材料强度和韧性越高,硬度和化学稳定性越高,则材料抗汽蚀性能也越好。III采用诱导轮提高泵的抗汽蚀性能在离心泵叶轮前加诱导轮能提高泵的汽蚀性能,而且效果很明显。诱导轮是螺旋型的螺旋外径的螺旋角较小,内径处的螺旋角较大,以保证螺旋的导程相等。2.冷却水泵的总体结构设计2.1计算参数及要求和结构形式的确定我选择长城汽车的GW4G15型发动机冷却水泵作为模型设计计算。(1)发动机主要参数缸径D:75mm行程S:84mm排量V:1.497L最大功率N/n:78kw/6000 r/min最大扭矩M/n:138Nm/4200 r/min(2)水套散热量U对于高速、四冲程、中小缸径、非增压、自然吸气式汽油机,取:=0.27,=0.28kg/(kwh),N=78kw,=43000kJ/kg。由于该机带有机油散热器,散热量需增加5%,故:= (3)冷却液需要量Q及设计流量Q该发动机以清水作冷却液(酌加防锈剂,冬季添加酒精),故:c4.19kJ/(kgC),。此外,为保持发动机工作平稳,减小机件热负荷,延长机件寿命,取:=5.5,则=14.4(m/h)(4)水泵扬程H本机缸数多,流道狭长紧凑,而设计流量较大,为避免汽蚀,取H=10m。(5)水泵转速n根据风扇设计需要,并经适当协调,发动机最大功率时(曲轴相应转速为6000 r/min)的水泵转速确定为3000 r/min。(6)比转数n2.2泵轴及其支承的设计计算离心泵轴选用45Mn2号钢。查机械设计手册45Mn2号钢材料许用应力。 2.2.1泵轴设计计算按照要求,我们取发动机标定功率N为78kw,水泵转速为3000r/min,水泵轴带风扇,泵轴支承跨局拟定为38mm,带轮中心离临近支承的中心矩拟定为16mm泵轴材料选用40Cr。(1)泵轴强度计算I确定水泵消耗功率P因泵轴一端带有风扇,取标定功率Ne的7%为水泵消耗功率。P=7%Ne=5.46kW (2.1)II估算泵轴最小直径d (2.2)III按轴线载荷分布和支承情况计算泵轴主要截面直径按胶带传动设计计算得知:胶带对泵轴的初拉作用力为160N,工作时作用在泵轴上的胶带张力F为630N。A泵轴扭矩MB泵轴弯矩MC求合成弯矩D计算主要截面的轴径(现仅计算支承部位截面直径d)。 (2.3)根据加工、安装,轴承承受能力等相关因素,将计算值逐段圆整至标准直径。本例各截面直径为:两轴承支承部位20mm,水封过渡部位17rnrn,叶轮安装部位15mm。其中靠近带轮的支承部位为危险截面,需要进行强度校核。(2)泵轴强度的校核计算I泵轴受弯时的安全系数A应力副式中,W为抗弯截面系数,W=0.1d,见冷却水泵实用技术表6.13。查取相关系数B弯曲安全系数II泵轴受扭转时的安全系数A应力副式中W为抗扭截面系数,见冷却水泵实用技术表6.13查取相关系数B扭转安全系数III计算弯扭合成安全系数 (2.4)IV计算疲劳极限许用安全系数查冷却水泵实用技术表6.3得: 则:V校核结果泵轴支承处的轴径选取20rnrn,可以满足工作要求。2.2.2轴承的选择(1)轴承类型的选择轴承类型选择得是否恰当,直接影响到轴承的寿命。轴承所承受载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型的主要依据。类型选择时,一般情况下可作如下考虑。当轴承承受纯径向载荷时,则选用向心轴承。高速运转条件下,对于同规格、同精度等级的轴承,宜选择球轴承。冷却水泵轴承的载荷以径向为主,轴向载荷并不大。如此,选择向心球轴承或向心推力球轴承组合使用,是较为恰当的形式。本次设计拟选择向心球轴承。(2)轴承规格的选择I当量动负荷计算式中:为径向载荷,为轴向载荷,X为径向载荷系数,Y为轴向载荷系数,见冷却水泵实用技术表6.17II额定动负荷计算 (2.5)式中:为速度系数,见冷却水泵实用技术表6.14;为负荷系数,=1.01.2,无冲击时取下限;为为寿命系数,见冷却水泵实用技术表6.16;为温度系数,见冷却水泵实用技术表6.15根据条件查机械设计手册选择型号为6204的深沟球轴承。III验算工作寿命L (2.6)式中:n为轴承转速;C为额定动负荷;为寿命指数,球轴承=3.0,滚子轴承=3.33所选用轴承负荷要求。(3)滚动轴承的润滑和结构滚动轴承是否能正常工作与轴承润滑情况密切相关。一般来说,被输送液体的温度在80以下,转速在2950r/min以下的小型泵,可以用润滑脂润滑。如果转速较高,功率较大或被愉送液休的温度超过80时,一般均用润滑油润滑。本次设计采用深沟球轴承,深沟球轴承可以平衡一部分轴向力,在转数高时可用来承受纯轴向载荷,来提高轴承寿命。(4)滚动轴承安装时应当注意的问题I因为滚动体不经过内圈直接与轴相连,所以装轴承处的轴的表面质量一定要好,而且滚动体直接与轴进行摩擦,轴表面一定要进行淬火处理以提高耐磨性。II与外圈配合的轴承采用过盈配合。III轴承的寿命在很大程度上取决于润滑油的质量和安全油的位置。油位太高会引起轴承发热,一般油室的油面不高于最下部的滚珠中心附近。3.冷却水泵水力设计计算3.1基本参数流量Q为,扬程H为10m,转速n为3000(r/min),比转数n为3.2叶轮参数计算简图如下图3.1图3.1 叶轮简图(1)轴孔直径d按内燃机冷却水泵水封系列,轴孔直径应按下列尺寸选取:0.012,0.015,0.017,0.020,0.025m参考同类型冷却水泵的实际数据选取d=0.020m。(2)轮毂直径d(3)进水环面当量直径D,取K=5.5式中:K=4.25.5,上限属汽蚀要求高的,下限属运行参数要求高的。此处,应特别注意的是:普通离心泵的K值是在常温清水的条件下取得的,故冷却水泵K宜稍大。(4)进口直径 (3.1)(5)叶片进口边直径D若使叶轮进口边稍作延伸,将有利于叶片负荷的减轩,使汽蚀性能改善。(6)轴向进水速度此时液体由泵壳吸入眼处沿轴向流往叶轮进口,但尚未触及叶片。在设计工况、一下,此处无回流,故可不计进口容积效率;轮毅是否计及,则视具体结构而定。 (3.2)过低,将使进口直径过大,叶片能量交换部位相对减少,且使叶片进口边处回流增加,容积效率降低,流量、扬程均难提高; 过高,则不利于汽蚀。=1.22.5m/s上限属汽蚀要求及工作水温较低的大泵。(7)径向进水速度此时液体由轴向转至径向,并处于刚触及叶片入口边的瞬间。括号内上限属小泵。如需改善汽蚀性能,可使适当减小。对于大泵,由于其较大,为改善汽蚀,可取较小的/值。对常温清水下工作的普通离心泵以较好;对高温下工作的冷却水泵,为改善汽蚀,应使所以取: =0.85=1.179m/s(8)进口安装角的选取,应以保证叶片进门过流断面足够宽畅为原则,故小泵可适当大一些。如上述数值仍不能保证过流断面的宽畅,可加大至=6070过大的将使叶片能量交换部位相对减少,扬程不易提高。本次设计选取=70(9)叶片进口高度bm (3.3)式中:为进口容积效率。对于闭式叶轮:0.8;半开式叶轮:0.7(10)叶片数ZZ=48,上限属大泵,一般Z=6本次设计计算Z取6。(11)叶片厚度S对铸造叶片:S=0.0030.005m,上限属大泵。本次设计计算取S=0.003m(12)进口排挤系数 (3.4)(13)进口轴面速度(14)进口绝对速度进口无预旋,如图3.2,图3.2 进口角度示意图(15)进口圆周速度 (3.5)(16)进口安装角校核1液流角2冲角内燃机冷却水泵因受种种限制,要求尺寸要小,并且泵轴通常贯穿叶轮进口,因此叶片进口处通道很窄,所以取较大的角可能使叶片处较通畅,有利于提高流量,并改善抗汽蚀性能。内燃机常有3%5%的超速运转工况,故亦应较大。(17)出口圆周速度 (3.6)式中:扬程系数:=0.280.45,小型高速泵取下限。本次设计取=0.345内燃机冷却水泵多属小泵。实验表明,其水力效率及容积效率均差,扬程系数仅为0.280.45。(18)叶轮外径 (3.7)(19)出口轴面速度式中:扬程系数较小时括号内数值到上限。(20)出口安装角对于扬程系数取上限者,应增大至本次设计取(21)叶片包角增大,降低叶片负荷,有利于能量交换,故尽可能取得大些,但冷却水泵,及较大,较小,过大时,液流方向变化急剧,影响性能计算时可作初步选择,绘型时最后确定。(22)叶片出口高度 (3.8)式中:出口容积效率0.93.3涡室参数计算简图如下图3.3图3.3 涡室简图(1)涡室基圆直径式中:括号内数值上限属大泵。(2)隔舌安放角上限属高比转数泵,作图时可按实际需要修正。本次设计取(3)隔舌宽度角上限属小泵(保证一定的隔舌宽度)。本次设计取(4)隔舌直径(5)涡室宽度取叶轮盖板厚度,叶轮盖板侧隙C=0.004m(6)涡室中的流速大泵取上限,为使结构紧凑,可使取得较大些,本次设计取。(7)涡室第断面面积根据泵的特点,我是选用矩形截面,则各断面的面积分别为:而:相应的:3.4进出水管参数计算(1)水泵进水口水速如结构布置允许,使则液流在入口前处于加速状态,易于得到较均匀的速度场,对改善汽蚀性能有利。据统计目前使用的水泵偏高是不合理的。本次设计选取=3m/s(2)进水口直径 (3.10)(3)水泵出水口水速本次设计取=3m/s(4)水泵出水管直径 (3.11)4.冷却水泵主要通用零部件的选择4.1正确选用离心泵主要通用零部件的重要性正确地设计过流部件和选用材料是保证离心泵性能和寿一命的重要条件。但是,如果离心泵其他零件不能正常工作,就是过流部件设计得再好,材料选用得再好,也不能保证泵的性能和寿命。经验表明,离心泵在运行中所产生的问题大部分是材料选用问题、主要零部件的选择问题和制造精度问题。对耐腐蚀泵运行中的事故进行分析表明,纯属泵性能方面的问题仅占总事故的10.6%,其他都属于材料选用问题、主要零部件的选用问题和制造精度问题。由此可见,正确地选用离心泵主要零部件是保证泵正常运行的重要条件。对离心泵来说,过流部件占的数量毕竟还是比较少的,而其他零件的数量还是比较多的。随着国民经济的发展,泵的品种越来越多,如果不努力提高离心泵零部件的标准化、通用化程度,就会使零部件种类越来越多,批量相对地越来越小,这就造成了生产管理上的混乱,限制了劳动生产率的提高,而且给使用和维护也带来很大的困难。因此,不断提高离心泵零部件的标准化、通用化程度一直是水泵行业的一项重要工作。现在,托架、悬架、支架、填料环、填料压盖、填料套、轴承架、联轴器、密封环、叶轮螺母等零件均已有了行业标准或系列标准。产品的标准化,通用化程度不断提高。在泵的所有零部件中,在运转中最容易发生问题的是轴封部分,轴承润滑部件和冷却部件,如果对这些部件选用不当,轻者冷却泵不能工作或冷却泵烧毁,重者能引起严重的人身设备事故,另一方面,随着技术的发展,高温,高压,高速泵所占比重逐年增大,经验表明,泵的温度越高,压力越高,轴封,润滑和冷却问题也越显得重要,因此,本章着重介绍轴封部件,轴承润滑部件的选用,在选用时,应尽可能按照国家标准和行业标准选用通用标准件。4.2轴封的选择旋转的泵轴和固定的泵体间的密封简称轴封。轴封的作用主要是防止高压液休从泵中漏出和防止空气进入泵内。尽管轴封在离心泵中所占的位置并不大,但泵是否能正常运转却和轴封密切有关。如果轴封选用不当,不但在运转中需要经常维修,漏损很多被输送的液体,而且可能由于泄漏出的易姗、易爆和有毒液体引起火灾、爆炸和中毒事故,后果不堪设想。因此,必须合理选用轴封结构才能保证离心泵安全运行。离心泵中常用的轴封结构有:有骨架的橡胶密封,填料密封,机械密封和浮动环密封。机械密封的组成机械密封又称端面密封,主要零部件由下列三部分组成:(1)主要密封原件:由动环(旋转环)、静环(固定环)组成。动环和静环一般均用不同材料制成,一个硬度较低(一般用石墨或石墨加其他充填剂),一个硬度较高(可以用钢、钢堆焊硬质合金、陶瓷等)。但也可根据具体情况将两个环用同一材料制成(如碳化钨对碳化钨)。(2)辅助密封原件:由动环密封圈、静环密封圈和其他适当的垫片组成。根据不同的要求,辅助密封原件常采用O形环、V形环、楔形环或其他形状的密封环。辅助密封原件除了应具有密封能力外,还应有一定的弹性,以便能吸收对密封面有不良影响的振动,辅助密封原件常用橡胶或塑料等材料制成。(3)压紧原件和其他辅助原件:如弹簧、推环、传动座、防转销等,以及为保证动环和静环工作所必须的其他零件,都属这一类原件。4.2.1机械密封的优缺点机械密封的优点是:与填料密封相比,机械密封的密封性能好,寿命长,泄漏少,消耗功率少,在运转中可以达到几乎不漏的程度,所以广泛应用于输送高温、高压和强腐蚀性液体的离心泵。机械密封的缺点是:制造复杂,价格较贵,损坏时不易更换(因为要拆下泵的部分零件),动环、静环和其他辅助密封原件的材料不好选择。此外,安装精度对机械密封工作情况有很大影响,安装得不好则增大泄漏量和降低寿命。尽管有这些缺点,但机械密封的应用范围还是日益扩大,结构形式和材料组合不断增加。可输送各种液体,如;清水、海水,油类、酸、碱、盐溶液及其他有机溶液。要求液体不含悬浮颗粒。如液体含有悬浮顺粒,可选用双端面机械密封。4.2.2作用在密封面上的力机械密封是藉助于动环和静环的密切配合而进行密封的。动坏是可沿轴向移动的,工作时,动环受液体压力和弹簧压力的作用,紧压在静环上作相对运动。动环和静环密封面上单位面积上的作用力叫密封面比压如不考虑密封面间的液膜压力和密封环摩擦力,则可以用下式表示:式中:密封面单位面积上的弹簧压力; 密封面单位面积上的液体压力。在机械密封中,一般弹簧压力较液体压力要小的多,所以可以将弹簧压力忽略不计。由于所密封的是同一直径的轴,所以相等。即: 密封是平衡的。4.2.3密封面间的液膜机械密封工作时,在动环与静环间有一层液膜,液膜必须保持一定厚度,才能使机械密封摩擦和散热清况良好。液膜太厚,泄漏量增大;液膜太薄,动环和静环间可能有干摩擦,能导致机械密封烧毁。在其他参数不变的情况下,密封面比压增大,则液膜厚度迅速下降。密封面圆周速度增加时,液膜厚度迅速提高,但是当密封面比压和圆周速度同时提高时,液膜厚度增长速度仍显著下降。4.2.4机械密封的安装通常泵用机械密封安装方法中,动环装在泵体内,弹簧在液体中转动,动环和弹簧装在泵体的外侧。机械密封的泵,其轴向串动不允许超过0.5mm。如有轴套时,不允许轴套有轴向移动。安装机械密封的轴或轴套的径向跳动允许如下表(41)所示,安装机械密封的轴或轴套要求光洁度为1.6,装配后的端面跳动允许差为0.06mm表4.1 装配机械密封的轴或轴套的径向跳动允差轴或轴套直径16283060658085100径向跳动允许差0.060.080.100.124.2.5机械密封的冷却和冲洗由于机械密封工作条件复杂,工作时,在动环和静环密封面不断产生摩擦热,致使动环和静环间的液膜汽化,某些零件老化、发焦、变形,这些都影响使用寿命。因此,在选择密封机构时,还必须注意选择合理的冷却和冲洗方式,以带走摩擦热并防止机械密封中杂物积聚。离心泵用机械密封时,可以用泵所输送的液体来进行冷却和冲洗,也可用外来的冷却系统进行冲洗,用所输送的液体进行冷却和冲洗时,必须加过滤器,防止杂物进入机械密封。通常采用一种简单的冷却方式,由泵入口端引入输送液体,直接冲洗密封面,随后流入屏腔内,在密封腔内液体不断流动,带走由于密封摩擦产生的热量。4.2.6机械密封的材料选择材料的选择是保证机械密封安全不漏、长期运行的关键要素之一,特别是动环和静环的材料选用更为重要,现将常用的材料选用如列表4.2:表4.2 机械密封的常用材料密封元件材料密封工作条件备注动环静环密封环弹簧输送液体液体压力P(Kg/cm)液体温度t()轴转速n(r/min)3Cr13或1Cr13堆焊耐磨1碳石墨浸渍巴氏合金氯丁橡胶65Mn机油等腐蚀性液体08080300084008030003Cr13或1Cr13堆焊耐磨1碳石墨浸渍巴氏合金丁晴橡胶4Cr13清水,机油,汽油等无腐蚀性液体08080300084008030003Cr13或1Cr13堆焊耐磨1碳石墨浸渍巴氏合金丁晴橡胶4Cr13液态烃或其他有毒,有悬浮物的无腐蚀性液体080803000密封液体应选用对输送液体无影响的润滑性好汽化温度高的液体08010030008400803000840010030003Cr13碳石墨浸渍树脂聚四氟乙烯4Cr13高温机油,柴油,蜡油等物腐蚀性液体080400300084004003000Cr18Ni12Mo2Ti堆焊钴铬钨型碳石墨浸渍树脂聚四氟乙烯1Cr18Ni9Ti醋酸等有腐蚀性液体0808030000801503000840080300084001503000Cr18Ni12Mo2Ti堆焊钴铬钨型碳石墨浸渍树脂聚四氟乙烯1Cr18Ni9Ti醋酸或其他有害,有悬浮物的腐蚀性液体080803000密封液体应选用对输送液体无影响的润滑性好,汽化温度高的液体08015030008400803000840015030005.冷却水泵的三维建模5.1冷却水泵各零件的建模本次设计,我运用UG这个三维软件对冷却水泵进行建模,主要的建模零件有:叶轮,涡室,泵轴等部件。5.1.1叶轮的三维建模(1) 运用拉伸与钻孔命令拉伸出叶轮底座,如图5.1图 5.1 拉伸底座(2) 以叶轮为基准新建草图,运用草图工具绘制出叶轮外形曲线并约束,如图5.2图 5.2 叶轮草图(3) 以叶轮两直线边线为基准做两基准面,并在基准面内分别做两条直线分别为叶轮的两端高度,如图5.3图 5.3 叶轮高度(4) 以上部画好的两直线作基准做一个基准面,并在该基准面上连接叶轮两端高度直线端点,如图5.4图 5.4 叶轮高度线连接(5) 以叶轮外形曲线草图为截面,运用拉伸命令拉伸至选定项,选定项为上部做好的边界直线,做出叶片外形,如图5.5图5.5 拉伸叶片外形(6) 以拉伸好的叶片外形为基准,运用阵列特征命令完成叶片数量的阵列,如图5.6图5.6 阵列叶片(7) 通过布尔运算对以上建模求和,并对轴颈部位倒脚,如图5.7图 5.7 轴颈倒角(8) 以XOZ面为基准新建草图,做出键槽草图并约束如图5.8图 5.8 键槽草图(9) 以键槽草图为截面,运用拉伸命令拉伸出轴颈内部键槽,如图5.9图 5.9 拉伸键槽(10) 隐藏草图及基准面,完成叶轮建模,如图5.10图5.10 叶轮5.1.2涡室的三维建模(1) 以XOY面为基准新建草图,做出涡室外形草图如图5.11图 5.11 涡室截面草图(2) 以涡室外形草图为截面,运用拉伸命令拉伸草图,如图5.12图5.12 拉伸涡室截面(3) 对建立的涡室外型各边进行倒脚,如图5.13图 5.13 涡室倒角(4) 以YOZ为基准新建草图,做出泵体外形草图并约束,如图5.14图 5.14 泵体草图(5) 以进水管外形草图为截面,运用回转命令做出泵体外形,如图5.15图 5.15 回转泵体(6) 以出水口截面为基准做基准面并在其上做出出水管口径草图并约束,如图5.16图 5.16 出水口草图(7) 以出水管口径草图为基准,运用通过曲线组命令做出出水管连接管部位,如图5.17图5.17 连接出水管(8) 以(6)中建立的基准面为基准做出与其正交的的基准面,并在其上新建草图,做出出水管口径草图,如图5.18图 5.18 出水管口草图(9) 以出水管口径草图为截面,运用回转命令做出出水管口,如图5.19图 5.19 出水管口(10) 运用布尔运算对各部位求和,并以出水管连接部分端面为截面抽壳,造型涡室,如图5.20图 5.2 涡室抽壳(11) 以涡室造型另一端面为基准新建草图,做出涡室与进水管连接处草图,如图5.21图 5.21 进水管连接处草图(12) 以图5.21草图为截面,运用拉伸命令拉伸出涡室内部,如图5.22图 5.22 拉伸涡室内部(13) 以涡室内部端面为基准运用孔命令连通涡室内部与泵体内,如图5.23图 5.23 涡室内部建模(14) 在XOY面上新建草图,做出涡室连接泵盖端面草图并约束,如图5.24图 5.24 泵盖草图(15) 以涡室连接泵盖端面草图为截面拉伸出涡室端面,如图5.25图 5.25 拉伸涡室端面(16) 拉伸(11)中草图5.21做出涡室外形,如图5.26图 5.26 拉伸涡室(17) 以泵体一外边线为基准线做基准面,并在该面上新建草图,做出泄水孔草图,如图5.27图 5.27 泄水孔草图(18) 拉伸泄水孔草图,做出泄水孔,如图5.28图 5.28 泄水孔建模(19) 完成涡室的建模如,图5.29图5.29 涡室5.1.3泵轴的三维建模(1) 以XOY面为基准新建草图,做出泵轴外形草图,如图5.30图 5.30 泵轴草图(2) 以泵轴外形草图为截面,运用回转命令做出泵轴主体,如图5.31图 5.31 回转泵轴主题(3) 对泵轴端部倒斜脚,对泵轴轴肩进行倒圆角,如图5.32图 5.32 泵轴倒角(4) 以泵轴第一阶边界为基准建立基准平面,并在其上做出键槽草图,如图5.33图 5.33 键槽草图(5) 以键槽草图为截面,运用拉伸命令,做出键槽,如图5.34图 5.34 拉伸键槽草图(6) 以泵轴第三阶边线为基准做基准平面,同上步做出键槽,如图5.35图 5.35 拉伸键槽(7)以泵轴第四阶圆周面为基准做螺纹,图5.36图 5.36 制做螺纹(8)完成泵轴三维建模,如图5.37图5.37 泵轴 冷却水泵,其他零件三维建模都比较简单,这里就不一一举例了,还有几个零件在UG重用库中可以直接引用,零件的三维建模为冷却水泵的装配提供了基础,该环节非常重要。5.2冷却水泵的装配装配冷却水泵运用UG的装配模块,将先前做好的零件建模通过各种约束,装配起来,完成冷却水泵的装配。(1) 定位涡室位置在坐标原点(2) 通过对齐和接触约束来约束泵轴与涡室(3) 通过接触约束来约束泵轴和轴承(4) 通过接触约束来约束轴承和套管,如图5.38图 5.38约束轴承(5) 通过接触和对齐约束来约束套管和泵轴(6) 通过接触来约束水封和套管,如图5.39图 5.39 约束水封和套管(7) 通过接触约束来约束剑和泵轴(8) 通过接触约束来约束叶轮和键(9) 通过接触约束来约束叶轮和泵轴,如图5.40图 5.40 约束泵轴(10) 通过接触和距离约束来约束垫圈和轴端螺母,如图5.41图 5.41 约束螺母(11)通过接触约束来约束泵盖与涡室,完成冷却水泵的装配,如图5.42图5.42 冷却水泵装配图6.结论(1)因为本次设计的冷却水泵的一个最大的特点就是所有的零件间都是过盈配合,所以,该产品为一次性使用的产品,一但水泵中有一个零件失效了,整个水泵都得换,因为过盈配合的两个零件拆下,一个必定会损坏另外一个零件,所以零件的制造材料一定要选好,这在很大程度上提高了产品的使用寿命,具有较高的性价比,(2)本产品用于汽车上,属于安全系数要求很高的区域,因而要求泵工作平稳、安全、可靠。(3)发动机上的冷却泵具有反映快,性能稳定的特点,而且出于安方面的考虑,对于该泵中的滚动轴承要求也较高。I首先,在装配前要彻底清洗轴承架,清除铁屑等杂物,确保轴承的清洁。II装配的轴承的间隙必须控制好,如果温度升高,可以适当加大间隙。III工作运行过程中要保证轴承的良好润滑,以免出现问题。通过这次设计,使我全面了解了离心泵的结构和工作原理以及运行使用过程中出现和可能出现的一些问题,基本达到了本次设计的目的。致谢这几年的读书生活在真个季节即将结束,回首过去感慨良多,长关漫道真如铁,而今迈步从头越,我将面对有一次征程的开始。至此论文结束之际,我在此向在毕业设计上给我巨大帮助的老师表示诚挚的谢意,和在学习上给我无私指导教研室各位老师表示真诚的感谢。老师们治学严谨,知识渊博在设计选题,研究和撰写的工作工程中不倦的指导我,给予我极大的关怀和帮助,是我少走弯路取得了进步。王旭飞老师博学多识,平易近人,在毕业设计撰写遇到不解或者思路不清时给予我很多建议,让我思路清晰,同时对于我提出的诸多问题都耐心给予解答,使我获益匪浅,并掌握了基本的研究方法,在此表示我最崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢所有帮助我,关心我的同学和朋友们,他们对我的鞭策,鼓励和理解是我克服困难,不断进取的动力,谢谢你们!参考文献1沈阳水泵研究所,中国农业机械化科学研究所.叶片泵设计手册M.北京:机械工业出版社,1983.2吉田 隆等.汽车发动机的附属装置M.高观.北京:人民交通出版社, 1981.3周龙保.内燃机学M.北京:机械工业出版社,2012.4关醒凡.现代泵技术手册M.北京:宇航出版社,1998;5翁祖亮.冷却水泵实用技术M.上海:上海交通大学出版社,2004.6袁寿其.低比速离心泵理论与设计M.北京:机械工业出版社,2001.7吴宗泽,罗国圣.机械设计课程设计手册M.北京:高等教育出版社,2010.8KSB公司.离心泵技术词典M.王同舜,秦凤文,史站录,梁和宪.北京:中国石油出版社,1985.9赵啸冰,许洪元,王晓东等.水力机械蜗壳的研究进展J.农业机
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