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摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒 論 1 1.1 選題背景及意義 1 1.2 砂石泵的概述及發(fā)展 1 1.2.1砂石泵的工作原理 1 1.2.2砂石泵的主要零部件 2 第2章 砂石泵的總體結構設計 5 2.1砂石泵結構設計的總體方案分析 5 2.2.1螺旋離心泵葉輪結構特征 5 2.2.2砂石泵的主要性能參數 6 2.2確定泵的總體結構形式 6 2.3泵的進出口直徑的確定 8 2.3.1進口直徑 8 2.3.2泵的出口直徑Dd 9 2.4 泵轉速的確定 9 2.5確定泵的水利方案 9 2.6 本章小結 11 第3章 砂石泵的水利設計計算 12 3.1軸功率和原動機功率 12 3.2 泵軸徑和葉輪輪轂直徑的初步計算 12 3.3葉輪主要尺寸的確定方法 13 3.3.1基本公式 14 3.3.2用速度系數法計算葉輪主要尺寸的公式 14 3.3.3 葉輪磨損分析 19 3.4 壓水室設計 21 3.4.1渦形體各斷面面積內的平均速度 21 3.4.2、舌角的計算 22 3.4.3 基圓直徑 22 3.5 葉片厚度的確定 23 3.6 本章小結 24 第4章 軸向力及其平衡 25 4.1 產生軸向力的主要原因 25 4.2 軸向力的計算 25 4.3 軸向力的平衡方法 25 第5章 砂石泵主要零件的強度計算 27 5.1 引言 27 5.2 葉輪強度計算 27 5.2.1蓋板強度計算 27 5.2.2葉片厚度計算 28 5.3泵軸的強度校核 29 5.3.1 泵軸的強度計算 29 5.3.2 泵軸的剛度校核 30 5.4 鍵的校核 30 5.4.1 鍵的選擇 30 5.4.2 鍵聯接強度計算 30 5.5 本章小結 31 第6章 砂石泵主要通用零部件的選擇 32 6.1 正確選用砂石泵主要通用零件的重要性 32 6.2軸封結構的選擇 32 6.3 軸承部件的選擇 35 6.4 聯軸器的選擇 35 6.5 電動機的選擇 35 6.6 本章小結 36 結 論 37 參考文獻 38 致 謝 39 第1章 緒 論 1.1 選題背景及意義 近幾十年來，砂石泵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)生繞纏與堵塞故障，而目.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，遠不能滿足多行業(yè)的需要。 礦山分離機(簡稱螺旋泵)是一種新型雜質泵，具有極好的無堵塞、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。 我國的礦山分離機新技術產品開發(fā)起步較晚，1988年本項目LLB型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。 1.2 礦山分離機的概述及發(fā)展 1.2.1砂石泵的工作原理 泵是把原動機的機械能轉換成抽送液體能的機器。原動機通過泵軸帶動葉輪旋轉，對液體作功，使其能量整加，從吸水池經泵的過流部件輸送到要求的高處或要求的壓力的地方。 圖1.1所示是簡單的泵裝置。原動機帶動葉輪旋轉，將水從A處吸入泵內，排送到B處。泵中起主導作用的是葉輪，葉輪中的葉片強迫液體旋轉，液體在離心力的作用下向四周甩出。這種情況象轉動的雨傘，雨傘上的水滴向四周甩出去的道理一樣。泵內的液體甩出去后，新的液體在大氣壓力下進到泵內。如此連續(xù)不斷地液體在大氣壓力下進到泵內。如此連續(xù)不斷地從A處到B處供水。泵在開動前，應先灌滿水。如不灌滿水，葉輪只能帶動空氣旋轉，因空氣的單位體積的質量很小，產生的離心力甚小，無力把泵內和排水管路中的空氣排出，再泵內造成真空，水也就吸不上來。泵的底閥是為灌水用的，泵出口側的調節(jié)閥是用來調節(jié)閥是用來調節(jié)流量的。 1- 調節(jié)閥 2 – 排出短管 3 – 壓水室 4 – 葉輪 5 – 底閥 6 – 吸水室 圖1.1 泵工作的裝置簡圖 需要強調指出的是，若在離心泵啟動前沒向泵殼內灌滿被輸送的液體，由于空氣密度低，葉輪旋轉后產生的離心力小，葉輪中心區(qū)不足以形成吸入貯槽內液體的低壓，因而雖啟動離心泵也不能輸送液體。這表明離心泵無自吸能力，此現象稱為氣縛。吸入管路安裝單向底閥是為了防止啟動前灌入泵殼內的液體從殼內流出?？諝鈴奈牍艿肋M到泵殼中都會造成氣縛，實際工作中要避免發(fā)生這種情況。 1.2.2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） 1.2.3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。 1.3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。  第2章 砂石泵的總體結構設計 2.1砂石泵結構設計的總體方案分析 2.2.1螺旋離心泵葉輪結構特征 螺旋離心泵葉輪的葉片包角大，葉輪流道由單(雙)葉片形成，流道較大，加上進口導向和螺旋推進作用，使得這種泵的通過性能很好，可以輸送含大顆粒及纖維物質的液體，輸送的濃度比其它型式無堵塞泵高。固液兩相流體在這種泵中逐漸向前推進，流動方向無突然變化，因而流動平穩(wěn)，對輸送物料的破壞性小。螺旋離心泵葉輪的葉片伸到泵殼吸入口中，大大提高了泵的抗汽蝕性能，泵的吸入性能好，因而能輸送教高粘性的液體。 為便于研究和表達，結合螺旋離心泵葉輪的結構特點，在此定義葉輪的幾個主要結構參數(見圖2.1)。 (1)葉輪進口直徑Dl 葉片工作面進口邊緣處到葉輪軸心線的最大垂直距離稱為葉輪進口半徑。其值2倍即為Dl。 (2)葉輪輪毅直徑Dh 葉片工作面進口邊緣處到汗卜輪軸心線的最小垂直距離稱為葉輪輪毅半徑。此值2倍即為Dh。 (3)葉輪出口直徑DZ 葉片出口邊緣處到葉輪軸心線的最大垂直距離稱為葉輪出口半徑。此值2倍即為DZ。 (4)葉輪出口寬度b 葉一片工作面出口邊緣處，前后蓋板的軸向距離稱為葉輪出口寬度。 (5)葉片長度L 葉片工作面最大進口邊緣到葉片底面的軸向距離稱為葉片長度。 (6)葉片包角α 葉片工作面從進口邊緣到出口邊緣繞軸所轉過的角度稱為葉片包角。 (7)出口邊傾斜角αZ 葉片出口邊與葉輪軸心線的夾角稱為出口邊傾斜角。 圖2.1 螺旋離心泵幾何結構參數 2.2.2砂石泵的主要性能參數 參數要求： 出口：200mm； 入口：200mm； 流量：120m3/h； 揚程：H=15m； 轉速：1450r/min； 軸轉速：9.61kW。 介質要求：適用于城市排污、污水處理、礦山作業(yè)、造紙、食品等行業(yè)。可輸送含大顆粒及纖維物質的液體，輸送濃度高達12%（體積濃度）。特別適用于輸送污水、污漿、紙漿、廢液及其他固液、氣液兩相液體。 螺旋離心泵，以其獨特的葉輪設計，使泵具有強制進科、寬流道、無堵塞性能好、效率高、體積小、結構簡單、操作容易、流量均勻、故障少、壽命長、購置費和操作費均較低等突出優(yōu)點，使離心泵在化工生產中應用最為廣泛，為使本次設計的泵體能應用在更多的工作場合，該泵的結構采用螺旋離心式。 2.2確定泵的總體結構形式 離心泵的基本部件是高速旋轉的葉輪和固定的蝸形泵殼。具有若干個（通常為4-12個）后彎葉片的葉輪緊固于泵軸上，并隨泵軸由電機驅動作高速旋轉。葉輪是直接對泵內液體做功的部件，是離心泵的供能裝置。泵殼中央的吸入口與吸入管路相連接，吸入管路的底部裝有單向底閥。泵殼側旁的排出口與裝有調節(jié)閥門的排出管路相連接。 當離心泵啟動后，泵軸帶動葉輪一起作高速旋轉運動，迫使預先充灌在葉片間液體旋轉，在慣性離心力的作用下，液體自葉輪中心向外周作徑向運動。液體在流經葉輪的運動過程獲得了能量，靜壓能增高，流速增大。當液體離開葉輪進入泵殼后，由于殼內流道逐漸擴大而減速，部分動能轉化為靜壓能，最后沿切向流入排出管路。所以蝸形泵殼不僅是匯集由葉輪流出液體的部件，而且又是一個轉能裝置。當液體自葉輪中心甩向外周的同時，葉輪中心形成低壓區(qū)，在貯槽液面與葉輪中心總勢能差的作用下，致使液體被吸進葉輪中心。依靠葉輪的不斷運轉，液體便連續(xù)地被吸入和排出。液體在離心泵中獲得的機械能量最終表現為靜壓能的提高。(離心泵結構示意圖如圖2.2所示) 圖2.2螺旋式離心泵結構示意圖 選定泵的總體結構形式和原動機的類型。進而結合下面的計算，經分析比較后做最終確定。 在設計泵時要用泵的效率，但泵尚未設計出來，故只能參考同類產品，或借助經驗公式和曲線近似地確定泵的總效率和各種效率值，并設法再設計中達到確定的效率。 水力效率、容積效率和機械效率的估算 由文獻[1]查得 1、水力效率 (2.1) 式中：Q—泵流量（m3/s）（雙吸泵取Q/2）； n—泵轉速（r/min）； g—9.8m/s2。 2、容積效率 (2.2) 該容積效率為只考慮葉輪前密封環(huán)的泄露的值于有平衡孔、級間泄露和平衡盤泄露的情況，容積效率還要相應降低。 3、 機械效率 (2.3) (2.4) 4、 理論揚程和理論流量 (2.5) (2.6) 2.3泵的進出口直徑的確定 2.3.1進口直徑 泵進口直徑也叫泵吸入口徑，是指泵吸入法蘭處管的內徑。吸入口徑由合理的進口流速確定。泵的進口流速一般為3m/s左右。從制造經濟性考慮，大型泵的轉速取大些，以減少泵的體積，提高過流量能力。從提高抗汽蝕性能考慮，應取較大的進口直徑，以減小流速。常用的泵吸入口徑、流量和流速的關系列表。對抗汽蝕性能要求高的泵，再洗入口徑小于250mm時，可取洗入口流速Vs=1—1.8m/s，在洗入口徑大于250mm時，可取Vs=1.4—2.2 m/s。 選定進入流速后，按下式確定 由文獻[1]查得 (2.7) 取v5=1.1m/s。 把參數代入 =mm (2.8) 圓整D5=200mm。 2.3.2泵的出口直徑Dd 泵出口直徑也叫做泵的排口徑，是指泵排出法蘭處管的內徑。對于低揚程的，排出口徑可與吸入口徑相同。對于高揚程泵，為減少泵的體積和排出管路直徑，可排出口徑小于吸入口徑一般取 由文獻[1]查得 =（1—0.7） (2.9) 因為設計的是低揚程泵，所以取Dd=0.9 D5。 2.4 泵轉速的確定 (1)泵的轉速越高，泵的體積越小，重量越輕。據此應選擇盡量高的轉速； (2)轉速和轉比數有關，而比轉數和效率有關。所以，轉速應和比轉數結合起來確定； (3)確定轉速應考慮原動機的種類和傳動裝置； 通常優(yōu)先選擇電動機直接連接傳動，異步電動機的同步轉速由表查出。電動機帶負載后的轉速小于同步轉速；通常按2%左右的滑差率確定電動機的額定轉速。 由文獻[1]查得 N=Nｏ（1-S） (2.10) N=1450r/min S—滑差率 ，S取0.967，Nｏ取1500 r/min。 (4)轉速越高，過流部件的磨損加快，機組的震動，噪聲變大； (5)提高泵的轉速受到汽蝕條件的限制。 由文獻[1]查得汽蝕比轉速公式： (2.11) 2.5確定泵的水利方案 泵的相似定律建立了泵的幾何相似的共性，就是說在相似工作情況下，泵體性能參數之間存在相似的關系。也就是說，如果泵性能參數之間存在著上述關系，泵與泵是幾何相似的。但是用相似定律來判別泵是否幾何相似和運動相似、即不方便，也不直觀。 在相似定律的基礎上，可以推出對一系列幾何相似的泵，性能之間的綜合數據。如果這些泵的數據相等，則這些泵是幾何相似和運動相似的，可以用相似定律換算泵體性能之間的關系。這個綜合數據就是比轉數，也稱比轉速或簡稱比速。 由文獻[1]查得 (2.12) (2.13) QI稱為折引流量，HI稱為折引揚程。因為QI、HI是從定律中推導的，所以對一系列幾何相似的泵，在相似工況下運轉時，QI、HI分別等于相同的值。 另外，值得說明的是，QI、HI不是沒有因次的（其中HI就有因次）。雖然有因次 但不影響它們作為相似判斷的依據，因為對于幾何相似的泵，在相似工作情況下，用同一規(guī)定的單位算得的QI、HI都等于常數。 折引流量和折引揚程，雖然可以作為相似判斷依據使用，但其中包括葉輪尺寸在內，用起來還不方便。為此，將上邊兩式分別1/2，3/4次方，并相除，則消掉兩式中的尺寸參數。所得的綜合數據只包括性能參數，而且仍然是從相似定律推得的，所以，也是泵的相似準則，叫做比轉數。在我國為使之與水機的比轉數一致，將上面數據乘以常數3.65，并用n5表示。 由文獻[1]查得 (2.14) 式中：Q-m3/s(對雙吸泵取Q/2)； H-m（對多級泵取單級揚程）； n-r/mm。 有些國家標準中n5的表達式中無系數3.65，且流量，揚程的單位也各不相同。這樣，對同一相似泵n5的計算結果也不同。因此，應換算為使用相同單位下的數值。其換算關系如下所示： = 應用在本次設計中，配合相應的參數得： =126.8 取圓整。 在確定比轉速時應考慮下列因素： (1)ns=120—210的區(qū)間，泵的效率最高，ns<60泵效率顯著下降； (1)采用單吸葉輪ns過大時考慮采用雙吸式；取ns=27； (1)泵特性曲線的形狀也和ns大小有關； (1)比轉速和泵的級數有關，級數越多，ns越大。 2.6 本章小結 離心泵的基本部件是高速旋轉的葉輪和固定的蝸牛形泵殼。具有若干個（通常為4-12個）后彎葉片的葉輪緊固于泵軸上，并隨泵軸由電機驅動作高速旋轉。葉輪是直接對泵內液體做功的部件，為離心泵的供能裝置。泵殼中央的吸入口與吸入管路相連接，吸入管路的底部裝有單向底閥。泵殼側旁的排出口與裝有調節(jié)閥門的排出管路相連接。通過計算確定了此螺旋離心泵的效率。進出口直徑，以及轉速等參數。最終確定了此泵的水利方案。并且在本章節(jié)中，通過對泵的水利的計算對該泵的總體結構有初步的了解，為以后的結構設計提供有力條件。  第3章 砂石泵的水利設計計算 3.1軸功率和原動機功率 由文獻[6]查得 泵的軸功率： (3.1) 原動機效率： (3.2) 式中：K—余量系數； —傳動效率。 3.2 泵軸徑和葉輪輪轂直徑的初步計算 葉輪主要幾何參數有葉輪進口直徑Dj、葉片進口直徑Dl、葉輪輪轂直徑dh、葉片進口直徑b、葉片進口角?1、葉輪出口直徑D2、葉輪出口寬度b2、葉片出口角?2、葉片數Z、葉片包角Ф等、葉輪進口幾何參數對汽蝕性能有重要影響，葉輪出口幾何參數對性能（H，Q）具有重要影響，兩者對泵的效率均有影響。 軸徑和輪轂直徑的計算 軸徑的計算 泵軸的直徑應按其承受的外載荷和剛度及臨界轉速條件確定。因為扭矩是泵軸最主要的載荷，所以在開始設計時，可按扭矩確定泵的最小直徑。 由文獻[6]查得 按扭矩計算泵軸直徑的公式為： （m） (3.3) 式中：—扭矩（N·m）。 (3.4) 式中：—計算功率，可取 =1.2N； —材料的許用應力（Pa），取490×； d=0.04（m）； =47.88（N·m）； =7.27（kW）。 3.3葉輪主要尺寸的確定方法 性能試驗表明，葉輪參數的設計對泵的性能至關重要。如葉輪進口半增大，泵的流量會相應增加；葉輪出口半徑增大，會增大液體在葉輪出口處的圓周速度和牽連速度而提高泵的理論揚程；葉片間距增大，葉片朝出口推動液體的速度相應增加，有利于增大泵的流量；葉片厚度對泵性能亦有較大影響，葉輪厚度減小會增大泵的流量，葉輪進口處薄葉片還有利于將液體導入葉輪流道，較厚的葉片則利于提高泵的容積效率;葉輪包角對泵的性能影響比較復雜，葉廠包角增大葉輪長度也隨其增加，有利于葉片向液流平滑傳遞能量和減少泵的容積損失，但亦同時增大液流阻力損失，影響提高泵的效率；另外，葉片傾角、輪心錐體的角度、半徑和長度等參數亦對泵的性能有一定影響。故在設計葉輪時，需要綜合分析考慮各個參數，以期得到較佳泵的性能。 選用方法：速度系數法。（葉輪結構簡圖如3.1所示） 圖3.1 葉輪結構簡圖 速度系數法實際上也是一種相似設計法。它和模型算法再實質上是相同的，其差別在于模型換算是建立在一臺相似泵基礎上的設計，而速度系數法是建立在一系列相似泵基礎上的原理。利用統(tǒng)計系數計算過流不見的各部分尺寸。 3.3.1基本公式 速度系數公式的一般形式。利用速度系數確定尺寸表達式的一般形式。 由文獻[1]查得 則 (3.5) 因∝nD，則 D=- 由 D= 因∝nD,則。 系數K稱為速度（尺寸）系數，對相似泵來說這些系數相等，故這些系數分別為比轉速ns的函數。即K=f(ns)利用ns和速度系數的關系（公式、曲線、數據），求得系數K，根據上面公式可以計算出各部分尺寸。 3.3.2用速度系數法計算葉輪主要尺寸的公式 由文獻[1]查得 1. 葉輪進出口計算 (3.6) (3.7) 式中：Q—泵的流量（m3/s）對雙向流Q/2； n—泵轉速（r/min）； K0—系數，根據統(tǒng)計資料選取。 主要考慮效率時取：=3.5—4.0 兼顧效率和汽蝕時?。?4.0—4.5 主要考慮汽蝕時取：=4.5—5.5 實取200mm； 200mm； =180mm。 2.輪外徑或出口角的理論計算 設計泵時，在保證相同性能情況下，可以選用不同的參考組合，這樣就增加了速度系數的近似性。因為D2是最主要尺寸，按速度系數法算得D2之后，最好以按此算得的D2為基礎進行理論計算，理論計算是以基本方程式為基礎，從理論上講是比較嚴格的。但是計算得的D2為基礎進行理論計算。理論計算是以基本方程式為基礎，從理論上講是比較嚴格的。但計算過程中用到水力效率，有限葉片數修正系數等，也只能用經驗公式估算。所以理論計算法，實際上也是近似的。實踐證明，理論計算結果，基本上是可靠的。 下面介紹葉輪外徑D2和β2角的精確計算方法。 由基本方程式： (3.8) 由速度三角形得 (3.9) 則 (3.10) 經整理得 解u2的一元三次方程得 由u2求得D2 用上式求時，必須知道，計算要用到（=Φ2），故必須先假定的D2是建立在不正確的基礎上。這種情況下，需要用求得的D2或假定一個D2（此D2值為求得D2和前次假定D2之間），按上述步驟、重新進行計算，直到求得的D2與假定的D2相同或相近為止。這種方法稱為逐次逼近法。如果計算β2，也應該先假定β2進行這次逼近計算。有關參數的計算如下： (1)計算得 (3.11) (3.12) 式中：—葉片出口圓周厚度。再計算時可假定=0.8-0.9 = (3.13) 式中：—葉輪出口軸面截線與流線的夾角，通常取=70—90度； —葉片出口真實厚度 通常取=2—4mm。 = (3.14) (2)和吸水室結構形式有，直錐形吸水室，水沿周壁流入，無旋轉，=0。 半螺旋吸水室 (3.15) (3.16) 式中：R1—相應進口半徑； m—系數，m=0.055—0.08 ，n5大者取大值； Q—流量（m3/s）； n—轉速（r/min）。 裝反導葉時，反導葉出口的圓周分速度 式中：α6—反導葉出口安放角，一般α6=60—90度； v6—反導葉出口絕對速度，一般v6=(0.85—1.0)vj； v6—葉輪進口速度。 離心泵一般是選擇β2角，精確D2?；炝鞅靡驗槿~片出口邊是傾斜的，各流線的外徑不同，為了得到相同的揚程，D2小的流線應選用大的出口角β2。在這種情況下，可根據速度系數法算得尺寸，畫出出口邊，然后按下式計算葉片各流線的出口角。 (3.17) 葉片出口角 取40度 葉片數 取Z=2 精算葉輪外徑（第一次） 理論揚程 （3.18) 修正系數 ψ= (3.19) 取=0.66 靜矩 (3.20) 精算葉輪外徑 有限葉片數休整數 ψ (3.21) 無窮葉片數理論揚程 =（1+P）=62.1（m） (3.22) 葉片出口排擠系數 ψ2=1-=0.98 (3.23) 出口軸面速度 ==1.28(m/s) (3.24) 出口圓周速度 =25.8(m/s) (3.25) 出口直徑 =0.34（m） (3.26) 精算第二次葉片出口排擠系數 ψ2=1-=0.981 (3.27) 出口軸面速度 ==1.31(m/s) (3.28) 出口圓周速度 =25.6(m/s) (3.29) 葉輪外徑 =350m (3.30) 葉片出口排擠系數 ψ2=1-=0.981 (3.31) 出口軸面速度 ==1.31(m/s) 出口圓周速度 =25.8(m/s) (3.32) 出口速度 =7.05(m/s) (3.33) 無窮葉片數出口圓周分速度 =23.59(m/s) (3.34) 3.3.3 葉輪磨損分析 廣泛應用于礦山、冶金、煤炭、電力等部門的渣漿泵在輸送固液混合物時砂石泵的過流部件存在不同程度的磨損。嚴重時會影響生產的正常進行。因此研究砂石泵磨損規(guī)律，探討減輕磨損破壞的途徑具有重要意義之由于砂石泵內磨損的因素有很多，研究有一定的難度。目前，對砂石泵的研究主要側重于外部特性和內部流動。而對泵內磨損問題的研究則較少。磨損機理和規(guī)律尚不清楚，尤其對高速旋轉的泵輪磨損系統(tǒng)的研究尚未見報道。本文在實驗室條件下對離心式砂石泵葉輪的磨損進行了分析，并對固體顆粒在泵輪內的運動進行了數值模擬，對渣漿泵葉輪磨損問題較為系統(tǒng)地進行了研究。 葉輪幾何參數決定泵水力性能的優(yōu)劣，無疑也對泵內葉輪的磨損有重要影響。一設計合理的葉輪不僅使泵在性能上能達到較高的指標，而且使泵的運行壽命也大大延長，因而研究葉輪的幾何參數對磨損的影響是合理設計渣漿泵的一大關鍵。 在較低濃度范圍內，泵輪葉片的磨損強度與所輸送固體顆粒的濃度成正比濃度愈高單位磨損量愈小時運送漿體更經濟。 大粒徑磨粒所造成的主要磨損區(qū)靠近葉片頭部，而小粒徑磨粒所造成的主要磨損區(qū)靠近葉片壓力面出口段。 葉片進口角對磨損強度影響明顯大，出口角對磨損強度影響小。出口角過小時，磨損易在葉片的出口段集中，而出口角過大時，沿葉片壓力面易發(fā)生嚴重損。因此合理選擇葉片參數不僅有利于提高渣漿泵的水力性能，而且可提高其抗磨損性能之 泵輪葉片的磨損強度與泵轉速呈n次方關系，在渣漿泵的設計中應盡可能優(yōu)先選較低的轉速，在輸送高濃度的固體物料時更為如此。 1. 轉速與磨損的關系 葉輪轉速不僅是決定泵內流動的重要因素，對泵內的磨損也具有很大的影響。隨著轉速的增大，流場內如果流速增大，粒子獲得的動能一也越大，對泵內葉輪造成的磨損越大。根據理淪分析，磨損量與速度成立方關系，但在實際中，由于受實驗方法以及其它因素的影響.諫度的乘方指數又是不同的。一般而言，對于堅硬和脆性材料如鑄鐵、合金鋼等，值為2.5-3.3；而對于鋁來說，由于是一種軟而韌的材料，其又值則大約為5。 圖3.1磨損與轉速的關系（磨損時間120分鐘） 2、磨粒濃度與磨損的關系 磨損隨濃度的增加而增加，并遵循磨損與濃度的一次方成正比的關系. 輸送單位體積濃度固粒產生的磨損稱作單位磨損量。單位磨損量越小，泵在它的運轉期間傳送的固體量越多。一般，單位磨損量隨著中、低濃度的增加而減小，當Cv=19%時，磨損量達到最??；此后即使?jié)舛仍黾?，單位磨損量仍然為常數。低濃度實驗結果與其規(guī)律是相適應的。 損失率（%）濃度Cv（%） 圖3.2 磨損與濃度之間的關系圖 3、葉片數與磨損的關系 當葉片數增加后，單個葉片的損失減少，說明葉輪的使用壽命將會延長。 從理論上分析，葉片數增加，葉片總的表面積增加，受到顆粒碰撞的機會增多，葉輪總的磨損將有所增加；但另一方面由于流道變窄，水流的流動狀態(tài)得到更大的制約，也相應地限制了顆粒的運行軌跡，因而可以減緩顆粒對葉輪造成的磨損.綜合這兩方面的因素，至少對單個葉片來說磨損情況不會變壞。根據實驗結果，采用多葉片數可減少單個葉片的磨損量，有利于葉輪壽命的提高。 (l)在一定的體積濃度范圍內，磨損量與體積濃度成線性關系。 (2)對柔韌性材料，如鋁等，葉片的磨損量與葉輪的旋轉速度的5次方成正比。 (3)大的葉片進口角可以減少磨損。所以，選擇適當的葉片進口角是必要的，而葉片的出口角過大或過小都會產生嚴重的磨損，但是磨損的位置在這兩種情況下是不相同的。 (4)實驗中的大多數情況下，葉片的頭部是最重的磨損區(qū)域。 (5)葉片數增加，一般可延長葉輪的使用壽命。 4．葉片的保養(yǎng)與維護 由于葉片在使用過程中的磨損，以及鑄造缺陷等方面的原因，測繪中難免存在偏差，通過對20余種ISO型單級離心泵葉輪葉片的測繪，并把制造出的葉輪作性能試驗檢測，從新舊葉輪的性能對比來看，測繪制作的葉輪，有10余種達到了原有葉輪的性能指標，有3種甚至比原有性能指標稍有提高。剩余的幾個品種，在經過調整葉片進口角、出口角及前、后蓋板的曲率半徑后也基本滿足了使用要求。用測繪方法制作的葉輪，完全能夠代替從澳方進口的葉輪，可以為用戶節(jié)約大量的開支。我們認為此種測繪方法，在現有技術設備條件下，不需進行任何投資，就能較準確地測繪出葉輪葉片的形狀。 3.4 壓水室設計 壓水室的功能類似于普通離心泵，主要有收集從葉輪中流出的液體并輸送到排出口，消除液流的旋轉運動、轉換旋轉能量為液體的壓能，降低液流速度以減少壓力管路中的水力損失。由于螺旋泵的葉輪出口邊是傾斜狀且葉片結構是非軸對稱，葉輪出口處的流動十分復雜，目前尚缺乏泵的蝸殼性能分析方法，一般增大蝸殼容積能相應提高泵的通過性能。 3.4.1渦形體各斷面面積內的平均速度 由文獻[1]查得 (3.35) 式中：—速度系數，當=127時，=0.362； H—泵的揚程，H=15m。 代入上式=6.21(m/s)，取=6(m/s)。 渦形體隔舌安放角ψ=20度共分6個斷面，通過計算斷面流量為 20（m3/s） (3.36) 斷面面積按下式計算 (3.37) 式中：Ф—斷面包角（度）。 3.4.2、舌角的計算 由文獻[1]查得 舌角應與葉輪出口絕對速度的液流角一致，即 == (3.38) 式中：—中間流線出口處有限葉片數時液流的圓周分速度。 取 ==7.04(m/s) (3.39) 代入上式 ===38.7度 渦形體寬度 =（1.5—2）；=105—140(mm) (3.40) 實際繪型時=180(mm)。 3.4.3 基圓直徑 由文獻[1]查得 基圓直徑為： ==350—367.2(mm) (3.41) 取=360(mm)。 3.5 葉片厚度的確定 綜上，誘導輪與葉輪之間距離X進口直徑（葉輪）—D1 又因為越小越好，所以取為20(mm) 葉片厚度 mm 為軸面流線與水平的夾角 =20 真實厚度 mm 流面厚度 (3.42) s==4mm 圓周厚度 mm (3.43) 軸面垂直厚度 5.2mm (3.44) 徑向厚度 1.8 mm (3.45) 3.6 本章小結 葉輪安裝在泵殼內，并緊固在泵軸上，泵軸由電機直接帶動。泵殼中央有一液體吸入與排出管連接。液體經底閥和吸入管進入泵內。泵殼上的液體排出口與排出管連接。本章對泵的主要結構泵軸，葉輪進行全面的計算分析。葉輪幾何參數決定泵水力性能的優(yōu)劣，無疑也對泵內葉輪的磨損有重要影響。葉輪參數的設計對泵的性能至關重要。如葉輪進口半徑增大，泵的流量會相應增加，葉輪出口半徑增大，會增大液體在葉輪出口處的圓周速度和牽連速度而提高泵的理論揚程，葉片間距增大，葉片朝出口推動液體的速度相應增加，有利于增大泵的流量。 一設計合理的葉輪不僅使泵在性能上能達到較高的指標，而且使泵的運行壽命也大大延長，因而研究葉輪的幾何參數對磨損的影響是合理設計泵的一大關鍵。由于砂石泵的工作時承受的外在壓力比較大。因此對泵軸和葉輪的技術要求非常高。  第4章 軸向力及其平衡 泵運轉時，在其轉子上作用一個很大的與軸心線重合的力叫做軸向力。 4.1 產生軸向力的主要原因 1.液體流入葉輪吸入口及從葉輪出口流出，其速度大小及方向都不相同，液體動量的軸向矢量發(fā)生了變化，因此，由動量定理在軸上作用了一個沖力，這個作用在葉輪上的力也是軸向力的一部分。 2.泵葉輪前后蓋板承受液體壓力的面積大小不等，前后泵腔中的液體壓強分布也不相同，因此，作用于葉輪上的壓力在軸向上不能平衡，造成了一個軸向力，這個軸向力是軸向力的主要部分。 4.2 軸向力的計算 螺旋式葉輪可按半開式葉輪經驗公式來近似計算軸向力，公式如下： 式中： ——圓心在葉片入口邊上，并且與葉輪輪廓相切的圓的直徑。 d1=（D1-dh）/2=40cm k——軸向力系數，查表得 k=1.63 ——d圓心處的半徑，=（D1+D2）/4=100mm ——液體重度，=2650kg/m3 故： F1=2×3.14×0.1×0.04×1.63×15×2650 =1628N 4.3 軸向力的平衡方法 1．利用對稱性，平衡軸向力．從分析對稱形狀的雙吸葉輪可知，它相當于兩個單吸葉輪并聯工作，這種葉輪軸向力是自動平衡的．這個辦法廣泛的應用于單吸兩級懸臂泵，渦殼式多級泵以及立式多級泵上． 2．改造葉輪，以減少或平衡軸向力．用改變葉輪形狀的辦法，降低葉輪背面壓力，達到平衡或者減少軸向力的目的． 3．采用專門的平衡裝置，如平衡鼓裝置，平衡盤裝置． 4．對于單級小型軸向吸入泵軸向力不太大，一般采用徑向止推軸承來平衡軸向力，但有時考慮受徑向力作用，可采用圓錐滾子軸承來承擔． 5．采用平衡孔，使后泵腔的下部與葉輪的吸入口相連，使兩面壓力相同，但不能完全平衡軸向力．這種平衡軸向力的方法存在以下兩個缺點：（１）泵的泄露量大，因此降低了泵的效率．（２）液體流入葉輪時的速度不均勻，因而降低了葉輪的水力效率． 綜上所述，該泵的軸向力較大，如果采用均壓孔來平衡軸向力，不但水力效率降低，又會因固體顆粒滲入填料箱或串到背葉片內，從而加速了葉輪填料及軸的磨損，綜合以上兩種方式，采用單列圓錐滾子軸承平衡軸向力．因為這種軸承可以同時承受較大的軸向力和徑向力． 第5章 砂石泵主要零件的強度計算 5.1 引言 在工作過程中砂石泵零件承受各種外力作用，使零件產生變形和破壞，而零件依靠自身的尺寸和材料性能來反抗變形和破壞。一般，把零件抵抗變形的能力叫做剛度，把零件抵抗破壞的能力叫強度。設計砂石泵零件時，應使零件具有足夠的強度和剛度，以提高泵運行的可靠性和壽命，這樣就要盡量使零件的尺寸做得大些，材料用得好些；單另一方面，又希望零件小、重量輕、成本低，這是相互矛盾的要求，在設計計算時要正確處理這個矛盾，合理地確定砂石泵零件尺寸和材料，以便既滿足零件的剛度和強度要求，又物盡其用，合理使用材料。 但是，由于泵的一些零件形狀不規(guī)則，用一般材料力學的公式難以解決這些零件的強度和剛度計算問題。因此，推薦一些經驗公式和許用應力，作為設計計算時的參考。 對砂石泵的零件，特別是對過流部件來說，耐汽蝕、沖刷、化學腐蝕和電腐蝕問題也是非常重要的。有些零件的剛度和強度都滿足要求，就是因為汽蝕、沖刷、化學腐蝕和電腐蝕問題沒有處理好而降低了產品的壽命。 5.2 葉輪強度計算 5.2.1蓋板強度計算 由文獻[4]查得 蓋板中的應力主要由離心力造成的，半徑越小的地方，應力越大。 （4.1） （4.2） 式中：—材料的寬度（mm）； —許用應力， 對銅； —材料的屈服極限；（Pa） —拉伸強度；（Pa） e=2.71828； D2=0.248m； ρ=7800N·m Dx=0.2m； δ2=0.008m； u2=18.9m/s； w=18.9r/s。 材料：ZG1Cr13, KPa。 5.2.2葉片厚度計算 由文獻[4]查得 （mm） （4.3） 式中：H—單級揚程（m）； Z—葉片數； D2—葉片外徑(m)； A—系數，與比轉速和材料有關，取A=5； D2=0.248m ns=127 Z=2 H=15m S=50.248=3.4mm 實際S=4mm。 最小壁厚： 如果在一般鑄造條件下，各種灰鑄鐵的最小許可厚度。 HT250：。 高錳鋼：砂型鑄造mm。 筋的厚度：10mm。 5.2.3輪轂強度計算 由文獻[6]查得 軸向力 （4.4） 由此應力所引起的變形為 （4.5） 式中：E—彈性模數（V/cm2），對鑄鐵E=，對鑄銅E=，對銅E=； Dc—葉輪輪轂平均直徑； —由離心力引起的葉輪輪轂直徑的變形（mm）； 應小于葉輪和軸配合的最小公盈，即 <。 MPa 因 故在時葉輪蓋板是安全的。 mm < 由公差配合可知，由離心力所引起的變形小于最小的配合公盈。 5.3泵軸的強度校核 5.3.1 泵軸的強度計算 由文獻[9]查得 泵軸的當量彎矩（N·m）可按下式計算： （4.6） 式中：—計算斷面的彎矩（N·m）； M—計算斷面的扭矩（N·m）； a—考慮到彎曲應力和扭轉應力情況差異的校正系數，對離心泵的軸一般可取a=0.57-0.61。取a=0.6。 N·m （4.7） mm （4.8） 查知軸是安全的。 5.3.2 泵軸的剛度校核 由文獻[9]查得 由軸的細長比： 經計算，得 =1.35 故泵軸是可以采用的。 聯軸器的選用： d=40mm L=112mm D=130mm D1=105mm 螺栓數量n=4個 直徑M10 L0=229mm 重量m=7.29kg 轉動慣量是0.043。 5.4 鍵的校核 5.4.1 鍵的選擇 由文獻[9]查得 M=47.88 N·m （4.9） d=40mm 鍵： 一般鍵聯接 深度：軸 轂 平鍵l=50mm 5.4.2 鍵聯接強度計算 由文獻[9]查得 計算鍵的剪切應力： N·m （4.10） 可知鍵是安全的。 計算鍵的擠壓應力 N·m （4.11） 鋼的許用擠壓應力=1500-1600 N·m 所以 ，輪轂是安全的。 鍵的剪切應力可按下式計算： （4.12） 式中：M—鍵所傳遞的扭矩（N·m）； d—軸徑（mm）； b—鍵的寬度（mm）； l—鍵的長度（mm）； —鍵的許用剪切應力一般鍵為45號鋼可取=600 N·m。 擠壓應力可按下式計算： （4.13） 式中：h—鍵高（mm）； —許用擠壓應力（N·m）。 一般應按輪轂材料進行校核。因為輪轂材料的許用擠壓應力較鍵的要小，一般可取鋼的許用擠壓應力： =1500-1600 N·m。 5.5 本章小結 本章主要對砂石泵的殼體、輪轂以及泵軸了詳細的校核過程，以確保泵在實際工作中能安全運轉。軸在載荷作用下會產生彎曲變形或扭轉變形，此外軸在高速旋轉下，軸的剛度直接關系到軸的震動穩(wěn)定性，因此對軸及其附屬結構的計算校核過程就十分重要了。  第6章 砂石泵主要通用零部件的選擇 6.1 正確選用砂石泵主要通用零件的重要性 正確地設計過流部件和選用材料是保證砂石泵性能和壽命的重要條件。但是，如果砂石泵其他零件不能正常工作，就是過流部件設計得再好，材料選用得再好，也不能保證泵的性能和壽命。經驗表明，砂石泵在運行中所產生的問題大部分是材料選用問題、主要零部件的選擇問題和制造精度問題。對耐腐蝕泵運行中的事故進行分析表明，純屬泵性能方面的問題僅占總事故的10.6%，其他都屬于材料選用的問題、主要零部件的選用問題和制造精度問題。由此可見，正確地選用砂石泵主要零部件是保證泵正常運行的重要條件。 對砂石泵來說，過流部件占的數量畢竟還是比較少的。而其他零件的數量還是比較多的。隨著國民經濟的發(fā)展，泵的品種越來越多，如果不努力提高砂石泵零部件的標準化、通用化程度，就會使零部件種類越來越多，批量相對地越來越小，這就造成了生產管理上的混亂，限制了勞動生產率的提高，而且給使用和維護也帶來很大的困難。因此，不斷提高砂石泵的零部件的標準化、通用化程一直是水泵行業(yè)的一項重要工作?，F在，托架、懸梁、支架、填料環(huán)、填料壓蓋、填料套、軸承架、聯軸器、密封環(huán)、葉輪螺母等零部件均已有了行業(yè)標準或系列標準。產品的標準化、通用化程度不斷提高。由于產品標準化、通用化程度的提高，改善了工廠的生產管理，提高了勞動生產率，有力地保證了水泵行業(yè)的持續(xù)躍進。因此，在設計砂石泵時，應盡可能按國家標準選用通用標準零部件。 在泵的所有零部件中，在運轉中最容易發(fā)生問題的是軸封部件，軸承潤滑部件和冷卻部件，如果對這些部件選用不當，輕者砂石泵不能工作或使砂石泵燒毀，重者能引起嚴重的人身設備事故（如易燃、易爆、有毒液體由軸封部件中漏出，引起火災、爆炸和中毒事故）。另一方面，隨著技術的發(fā)展，高溫、高壓、高速泵所占比重逐年增大。經驗表明，泵的溫度越高、壓力越高，軸封、潤滑和冷卻問題也越顯得重要。 6.2軸封結構的選擇 砂石泵軸端密封的設計 由于泵軸轉動而泵殼固定不動，在軸和泵殼的接觸處必然有一定間隙。為避免泵內高壓液體沿間隙漏出，或防止外界空氣從相反方向進入泵內，必須設置軸封裝置。離心泵的軸封裝置有填料函和機械（端面）密封。填料函是將泵軸穿過泵殼的環(huán)隙作成密封圈，于其中裝入軟填料（如浸油或涂石墨的石棉繩等）。機械密封是由一個裝在轉軸上的動環(huán)和另一固定在泵殼上的靜環(huán)所構成。兩環(huán)的端面借彈簧力互相貼緊而作相對轉動，起到了密封的作用。機械密封適用于密封較高的場合，如輸送酸、堿、易燃、易爆及有毒的液體。 泵吸反循環(huán)排渣鉆進工藝方法。由于具有成孔效率高質量好!沉渣清理徹底等優(yōu)勢而在大口徑灌注樁基工程施工中獲得極其廣泛的應用“泵吸反循環(huán)的效果取決于砂石泵及其排渣管路氣密性能”現有的砂石泵由于結構缺陷原因在大口徑基樁孔施工特殊的。惡劣的工況條件下常出現故障而影響施工巴不僅需要頻繁修理，而且常造成長時間停鉆巴嚴重影響施工進度。甚至可能引發(fā)塌孔埋鉆等事故造成巨大損失，砂石泵工作介質為含有大量鉆渣的循環(huán)泥漿液”大量不同粒徑!不同巖性的鉆渣顆粒不可避免地會進入砂石泵密封區(qū)巴與形成密封區(qū)的零件發(fā)生磨料磨損”磨損加劇往往造成泄漏和葉輪震動巴破壞砂石泵氣密性和水力特征使砂石泵不能正常工作”因此，用于反循環(huán)排渣的砂石泵不僅需要足夠的功率。而且需要有良好的氣密可靠性!耐磨壽命和經濟。并應具有可及時發(fā)現故障快速維修的便利條件。常用泵的密封結構如下圖所示： 圖5.1填料的密封裝置和機械密封裝置 目前砂石泵的密封形式主要是如圖5.1所示，其密封區(qū)由泵體1葉輪2泵蓋及襯板5、水封套4、進水口3、填料6和填料壓蓋7構成。工作原理為通過調節(jié)壓蓋州頭壓緊填料巴使填料充滿消除水封套右端和葉輪軸伸間間隙實現密封)通過從進水口引入軸封水以清潔和冷卻內部通道。 圖5.2典型砂石泵密封結構 砂