凸轮转子泵

凸轮转子泵 第1章 绪论 凸轮转子泵 1.1 国内外发展概况 1. 国内发展概况:近年来，我国在泵行业得到了迅速的发展，但是我国大多数泵制造企业规模不大，产品更新不够快，质量不够高，在许多方面和国外泵还有较大差距。目前工业泵普通产品供大于求，高水平、高质量的特殊产品供不应求，还需从国外进口，产品的水平与用户要求差距较大。产业结构和产品结构不合理的现象尤为明显，产品达到当代世界先进水平极少，大部分仅达到80年代末90年代初的水平，不能适应市场需求结构的变化。一方面产品积压严重，另一方面市场急需的产品试制太慢或短缺，冲不出传统产品的格局。与国外的动态差距并没有缩小，形势不容乐观。在泵站设计时，只能选用性能差不多的有限几种定型产品，这样不但降低了泵站效率，而且还留下很多不安全隐患。我国大多数水泵制造企业规模不大，缺乏高精度加工、检测等工艺设备。新工艺、新材料、新技术 (包括CAD、CAM等)未能得到普遍的推广和应用 2.国外发展概况:国外泵的发展速度较快，技术也更为先进。国外大型水泵生产企业制造出来的泵，一般具有转速高、体积小、重量轻等优点，其流量是我国同口径水泵流量的1.5~2倍。尤其是荷兰、日本、美国、原苏联等国家，水泵的性能指标明显优于国内。荷兰较注重科研的投入，其科研力量很强，设施较为完善，对水泵及其进出水流道均有比较系统的研究。国外尤其是工业水平较为发达的国家，他们在水泵的设计和制造方面和对水泵研究的重视程度，的确值得我们学习和借鉴，但并不是说他们在水泵设计和制造领域是尽善尽美的，也同样需要在泵的扬程和流量等重要参数上作出进一步突破，这就需要在水泵机械结构改进上投入力量。随着科学技术的发展，国内外泵行业向大型化、高速化、高强度、高压力、高可靠性、长寿命、系统控制和机、电、仪一体化等高科技方向发展，其中，寿命、可靠性及自动化已成为选择泵时的主要考虑因素。 1 第1章 绪论 1.2 凸轮泵发展趋势 凸轮转子泵是容积式泵的一种，也是出现较晚的一个类型，此泵结构简单、设计合理、体积小、重量轻、拆装维修非常方便，它即具备了离心泵的优点，又发挥了齿轮泵的优点，是目液、含固体杂前比较理想的化工、食品、医药卫生泵。具有极强的自吸能力，可输送多种液体。如含气的泡沫质的多种液体和具有较高粘度的液体。有很好的发展前景。另一方面由于该泵的转子形状较为特殊而精度要求又很高,故国内少有成功制造的厂家,众多的用户只能购买进口。转子泵的研究和应用是泵行业又一次具有突破性、实用性和开拓性的技术发明，将给工业生产和人民生活带来巨大的经济和使用价值。同时，多项新技术、新材料在特种转子泵中的应用，使其具有了现有泵类无法达到的技术水平。可以学习了解国外先进技术，更可以结合国内情况，研制适合国内市场的转子泵新类型，为泵产业提供新的“血液”。随着科学技术的发展和材料的更新，转子泵会在以后的更多行业中得到广泛应用，也会给社会和工业生产带来不可小看的新变化。 2 第2章 凸轮转子泵的工作原理和特点 2.1 凸轮转子泵的工作原理 TLB型凸轮转子泵的结构见凸轮泵装配图TLB-00。两个互成90?的凸轮转子由轴代带动转动。凸轮转子长径和定子内孔系滑动配合。定子上开有两个柱塞槽，柱塞能在槽内滚动。在重力作用下，柱塞紧压在转子表面上，保证初始密封。转子外表面曲线由两个大圆弧、两个小圆弧和四段过度曲线组成。转子转动时，柱塞一边自转一边沿转子作相对运动。油泵工作时，输出压力油，这时，柱塞就在重力和液压力的作用下，紧紧压在凸轮转子表面上，将泵的吸、压油腔隔开。浮动挡板将两个定子、两个凸轮转子隔开，形成密封容积。这样，定子、转子、柱塞、浮动挡板、泵体和泵盖就构成了径向对称分布的吸、压油腔各两个。轴带动转子转一转，就完成吸、压油各两次。 2.2 凸轮转子泵的特点 1.噪声低 TLB型凸轮转子泵，它的基本频率(基本频率=油腔数目，每秒的 转数)与其它形式的液压泵相比为最低。 TLB型凸轮转子泵，在定子的内部铣出两个柱塞槽，如图2-2所示， 从而完全消除了困油现象。泵的轴承又采用了精度较高的D级滚动轴 承，可使泵的噪音降低。凸轮转子长径和定子内孔的滑动配合，既起 密封作用，又增加了辅助支承，凸轮转子和轴不易振动。同时，转子 受力平衡，这样就减少了转子高速转动时产生的机械噪声，因此，该 泵噪声很小。 3 的速度是非得失 柱塞槽 压油腔 吸油腔 定子转子 图2-2 2.寿命长 TIB型凸轮转子泵有两个吸油腔和两个压油腔，且吸、压油腔时径向对称分布的，因此，凸轮转子承受的径向力是平衡的，轴承不承受径向负荷，寿命很长。凸轮转子直径较小，线速度不高，接触应力小，磨损小，所以凸轮转子的寿命很长。 3.流量均匀 泵的两个凸轮转子的相位角为90?，只要转子四段过渡曲线设计合理，泵的输出流量脉动可以显著减小。 4.造价低、互换性好。 5.泵的安装连接尺寸完全符合国家标准和ISO标准。 4 的速度是非得失 3.1 型号 公称排量(ml/r) 额定工作压力，E:(Mpa) 凸轮转子叶片泵 3.2 系列参数 表3-1 排量额定工作最高压力额定转速噪声泵的型号 (ml/r) 压力(Mpa) (Mpa) (r*p*m) (dBA) TLB-E400 400 16 20 1000 <70 3.3 凸轮泵的合理几何参数(图3-1) ω 1 ρ θ2'β αα ββ α αβ1' 5 2 的速度是非得失 图3—1 3.3.1 凸轮曲线 凸轮转子泵，为了流量均匀通常使凸轮大圆弧段的范围角等于凸轮小圆弧段 的范围角，令其为，过渡曲线的范围角用表示， ,,则 ,,,,, , 式中 - 凸轮的凸起数。 x 凸轮过渡曲线通常采用等加速曲线，当凸轮顺时针转动时，柱塞1相对于凸轮的 角位移为时，则凸轮曲线矢径以为变量的表达式如下(参考叶片泵的等加,,,速定子曲线方程): ,当时 0,,,2 2()Rr,2 ,,,,R2, ,当时 ,,,,2 2()Rr,2,,,,，,r()2 , 当时 ,,,,,,， ,,r 3当时 ,,,,,，,,， 2 2()Rr,2 ,,,,,，,，r[()]2, 3当时 ,,,,,，,,，22 2()Rr,2 ,,,,,,，,R[(2)]2, 当时 ,,,,,，,,，22() 6 的速度是非得失 ,,R 3.3.2 凸起数x、柱塞数z、和凸起数m 可知，一个柱塞的流量时间断的，而全部柱塞流量的叠加，也只有当凸起数x、柱塞数z、和凸起数m选择排列恰当时，才能使泵的流量脉动最小。 实验证明双凸起或四凸起必须采用交错()的双凸轮四凸起轮结构，,,， 才能使流量曲线叠加为最佳形状。 本课设计中取x=2,z=2,m=2。 3.4 凸轮泵的转子曲线 在凸轮泵中，转子曲线的形状和凸轮泵的性能(如噪声、效率、流量的均匀性等)及寿命关系很大。除加工质量外，转子曲线长短半径比、过渡曲线的形状以及各区段的范围角，都对泵的性能有影响。 3.4.1 过渡曲线确定原则 1. 使泵不产生“脱空”现象。 “脱空”即柱塞短时离开定子的现象。“脱空”会使柱塞和定子撞坏并产生噪声，甚至会破坏密封造成流量严重脉动，使泵无法工作，因此必须保证足够的转速不产生“脱空”现象。 2. 使柱塞各部分受力良好 在凸轮转子转动中，为保证柱塞与定子的良好接触，过渡曲线法线与矢径,之夹角要保证合理。同时还希望柱塞与转子的压紧力不要产生突然变化，即不发生软冲，所以曲线要避免跳点。 3. 使瞬时几何流量均匀。 3.4.2 过渡曲线及其特点 综合上面过渡曲线选择的三个原则，本次设计采用的使等加速曲线，它的优 d,点是在柱塞不“脱空”的条件下，可以得到最大的R/r值，此外因曲线使斜d, d,直线(见图3-3)，容易组合成=常数的情形，即容易实现瞬时流量均匀。(),id, ,其缺点使最大压力角偏大，在三点存在“软冲点”。 ,,,0、和,,,,2 1等加速修正的阿基米德螺线，当时，即变成等加速曲线。 ,,2 1. “圆修”阿基米德螺线 阿基米德螺线，其首、尾的连接点要产生“硬冲”，故必须进行修正。 在角范围内用阿基米德螺线设计，然后将靠模拟曲线进行适当“圆修”，, d,消除拐点。令 =c，其“圆修”前的理论方程导出如下: d, ,d,由=c和得 ,,,，rd,0d, 7 的速度是非得失 (1) ,,,，rc 由的边界条件得 ,,,,,,R Rr, (2) c,, Rr, 故,,，r, d,Rr,==c (3) d,, 2d, ,02d, 2d,d,、、的变化如图3-4所示，其中虚线段是表示“圆修”过以后的,2dd,, 修正段。 2. 解析修正的阿基米德螺线 “圆修”后的阿基米德螺线，过渡段的范围角比“圆修”前的分别向两端延 2d,'''伸了一个;为保证修正后的范围角不变，并有效的控制的值，(),,,,和max2d, 可人为的给修正段的大小即曲线方程。 2d,修正段的曲线方程，可由给定之的变化规律积分并通过边界条件 2d,当时 ,,,,,,,,,或(1) dRr,,c (4) ,,d(1),,,, 当时 ,,0 d, (5) ,,r,0d, 当时 ,,, d, (6) ,,R,0d, 得出结果如下: 2d,等加速修正曲线(=常数)方程(见图3-5) 2d, 8 的速度是非得失 2d,令=，积分并利用边界条件(4)、(5)得 c12d, Rr,2，则 ,,,R(),,,22(1),,,,当时 0,,,,, 2Rr,d, (7) ,22(1),,,d,, dRr,, (8) ,,2d(1),,,,, Rr,2r (9) ,,,，22(1),,,,当时 (1),,,,,,, 2dRr,,,() (10) ,,,c122d2(1),,,,, 积分并利用边界条件(4)、(6)得 dRr,, (11) (),,,,2d(1),,,,, Rr,2 (12) ,,,R(),,,22(1),,,, 2d,修正后的值和最大压力角为 ()max2d, 2dRr,, (13) ()c,,max122d(1),,,,, cRr,tg, (14) ,,maxrr(1),,, 1令，由式(7)至(12)得等加速曲线为 ,,2 ,当时 0,,,2 2dRr,4(), ,22d,, 9 的速度是非得失 dRr,4(), ,,2d,, 2()Rr,2 ,,,，r2, ,当时 ,,,,2 2dRr,4(), ,,22d,, dRr,4(),2 ,,(),,2d,, 2()Rr,2 ,,,,,,R()2, 2d,其中和最大压力角分别为 ()max2d, 2dRr,4(), (),max22d,, 4()Rr, ,tg,max()Rr，, 2()Rr, ,tg,maxr, 3.5 凸轮泵几何尺寸的确定 3.5.1 凸轮转子尺寸计算 由给定参数 n = 1000r/min Q= 400L/min 来确定有关尺寸: 流量 Q = 400L/min 转速 n = 1000r/min 可得 排量V = Q/n = 400ml/r 设凸轮小半径为r，大半径为R，宽为B。取r = 70mm。 据统计资料在系列设计中可取(查文献[2]146页) R ,1.06~1.15r R取，则R = 1.1r = 77mm ,1.1r 取 R=77mm 22查文献【1】15页公式 ,得 V,2,(R,r)B 10 的速度是非得失 V= 62 mm B,222,(R,r) 验算:在系列设计中，据统计资料可略取(查文献【2】149页) B,(0.45~1)r 则B / r = 0.88 (0.45~1)，故B满足条件。 , 22400.6 ml / r ,V,2,(R,r)B 这与400 ml / r 接近，合理。 故得:r = 70 mm R = 77 mm B= 62 mm 3.5.2 配油盘尺寸及油槽尺寸、柱塞直径及柱塞孔直径的确定 1. 柱塞直径 d > R – r = 77 - 70 = 7mm 为保证柱塞不脱离定子， d 取15 mm 柱塞孔直径 D > 2d = 2，15,30mm D 取36 mm 2. 为保证油的泄漏量最小，定子上的进(排)油槽， 初定:深为62mm 宽为16mm 验算:总流量 Q = 400L/min = 6.7 L/s 设计中共有四个吸排油槽，每个油槽的流量 Q q,,1.67L/S4 进、排油槽油的流速 q V,,1.5m/sA []--允许流速，推荐值:吸油区为 0.5 ~ 1.5 m/s (查文献【1】44页) v ，满足要求。 v,[v] 故进(排)油槽尺寸为: 深62mm 宽为16mm 3. 确定配油盘上配流孔的半径 由流速梯形原则: ,6,62配油槽的面积 s,62，16，10,992，10m S所以配油孔的半径=16.3 R,, 考虑设计合理及方便取R=17.5mm 4.确定配流盘进出油口直径及板厚和油槽尺寸 4S进油口半径 R,,30mm1, 直径=2=60mm DR11 因为出油口与压油管路相连，压油管路的油液流速较大，油液流速的推荐值 为2.5~6 m/s 。 v, 11 的速度是非得失 查文献【3】17-615页，得公式 , d,4.61v --液体流量，L/min 其中，, --推荐流速，取 = 5 m/s vv 400得出油口直径 D,4.61,42mm25 取 D,60mm2 因进出油口系采用管接头连接，需在出油口铰出M60长30mm的孔内螺纹。 板厚应大于进油口直径 ，取板厚为80mm D1 2s1深 h,，,30mm2r2 宽b=2R=35mm 5.确定两侧挡板的尺寸 根据相关数据得两挡板尺寸为 厚度为14mm和11mm 直径都为154mm 6. 确定凸轮范围角、(见图3-1)，进(排)油槽的布置角度 ,,, 当凸轮转过90?，泵的瞬时流量为0时，必须保证吸、压油口不能想通， 这就需要凸轮大圆弧段必须封闭两相临油口。 需满足的条件: ,L,D，35,106mm 2,R,,又 l,360 180l;,则 ,,68.5,R 取 = 70? , 所以 = 90?-70?= 20? , 需满足的条件 ,L,0.5(D，35),40mm 180l; r,,29.6,R 取 = 30? , 12