最新毕业设计直动式液压往复泵设计说明书.docx
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最新毕业设计直动式液压往复泵设计说明书
毕业设计-直动式液压往复泵设计说明书
TheDesignofHydraulically-actuatedReciprocatingPumpAbstract:
Thisgraduationprojectistothehydraulically-actuatedreciprocatingpumpdesign.
The
reciprocatingpumpisdrawssupportthepiston/plungerinfluidcylinderworkcavityreciprocalmotion,causestheworkcavityvolumetohavetheperiodicvariationtoachievethetransportationliquidthegoal.
It
istheequipmenttransformsthemechanicalenergyasthefluidpressureenergy.
This
kindpumpsthecurrentcapacityisonlydecidedbytheworkcavityvolumechangevalueandintheunittimechangenumberoftimes,andintheoreticallyhasnothingtodowiththedeliverypressure.
Hydraulic
reciprocatingpumpisdrivenbyvariablepumpsandpressureliquid.
In
oildrilling,oilfieldinjectionofchemicalagentshydraulically-actuatedreciprocatingpumpplayanirreplaceablerole.
However,
theconventionalsingle-actingpistontriplexreciprocatingpumptoobulky,difficulttomaintain,andhasahighflowinequality.
It
haslessfunctiontobeusedforcurrentindustrialdevelopment.
This
designthroughcompletestotheknowndataanalysisaswellasthereferencecorrelationdata,thishydraulically-actuatedreciprocatingpumpisthethree-cylindersingle-actingpump,mainlypartiallyiscomposedbythefluidbodyandtheHydrauliccylinder.
Through
itspumptube,valveandotherpartsandcompletemachineforspecificanalysisandcalculation,hascompletedthisdesigntask.
Key
word:
Hydraulically-actuatedreciprocatingpump；Pumpvalve；Plunger；design前言往复泵是工业生产中的重要设备，已有100多年的历史。
在石油钻采领域，往复泵主要用于钻井泵，注水泵，压裂泵等。
目前在石油钻机上广泛应用的是机动往复泵，即使用柴油机或电机通过皮带，经减速器减速后带动曲柄连杆机构及活塞运动，实现吸液和排液。
由于机动往复泵设备笨重，维修难度高，国外在20世纪80年代末开始研制液压往复泵，在结构上打破了往复泵的传统模式。
其结构简单，维修方便，具有很高的经济效益。
本次毕业设计通过查阅相关资料和老师及同学的指导与帮助，完成了直动式液压往复泵泵筒、泵阀、机架等零部件及整机的设计。
本设计是以现在油田使用的三联单作用往复泵为基础，进行技术创新与改造，使其能够满足更高的性能需求。
其中最大的改造是对驱动系统的改造，采用进口液压钻井设备上的驱动系统，其使用了一种可控的多缸连续往复换向阀。
由于学识和经验不足，设计中肯定会存在很多错误与不足，恳请批评指正。
王廷晖2011年5月目录1绪论11.1
往复泵的结构和工作原理1
1.2
往复泵的特点3
1.3
往复泵的分类4
1.4
液压往复泵5
1.5
往复泵的应用于发展5
2液压往复泵总体方案设计82.1
液压往复泵的工作原理8
2.2
往复泵整体结构设计11
2.3
液压泵的选择11
2.4
液力端结构形式的选择11
2.5
动力端和液力端的链接设计13
2.6
功能原理分析13
3往复泵主要结构参数的选择与确定143.1
往复泵容积效率的选择14
3.2
柱塞平均速度的选择15
3.3
每分钟往复次数和行程长度的选定16
3.4
柱塞直径的确定16
3.5
程径比的选择17
3.6
泵动力端活塞直径确定17
3.7
吸入和排出管内径、的选取17
4
主要零部件的设计计算194.1
液缸体的设计与计算19
4.2
泵阀的设计21
4.3
螺栓的计算与选择26
4.4
密封设计29
结论31参考文献33致谢34附录：
文献调研报告35I西安石油大学本科毕业设计（论文）1绪论往复泵是泵类产品中出现最早的一种，至今已有2100多年的历史。
往复泵属于容积式泵，它是借助工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的；原动机的机械能经泵直接转化为输送液体的压力能。
目前，往复泵的产量只占整个泵类总产量很少的一部分。
但是，往复泵所具有的特点并没有被其它类型泵所代替。
有些特点仍为其它类型泵所不及，因此，它非但不会被淘汰，而且仍将作为一种不可缺少的泵类，被广泛采用。
1.1
往复泵的结构和工作原理
往复泵的结构如图所示，主要部件包括泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀及排出阀等，其中吸入阀和排出阀均为单向阀。
1泵缸2活塞3活塞杆4吸入阀5排出阀图1-1往复泵工作示意图活塞由电动的曲柄连杆机构带动，把曲柄旋转运动变为活塞的往复运动，或直接由蒸汽机驱动，使活塞做往复运动。
当活塞从左向右运动时，泵缸内形成低压，排出阀受排出管内液体的压力而关闭，吸入阀由于受液体压强的作用而打开，池内液体被吸入缸内。
当活塞从右向左运动时，由于缸内液体压力增加，吸入阀关闭，排出阀打开向外排液。
往复泵是依靠活塞的往复运动而吸入和排出液体的。
通常把活塞在缸内移动的距离称为冲程。
单动泵，活塞往复运动一次，吸、排液交替进行，各一次，输送液体不连续；双动泵，活塞两侧都装有阀室，活塞的每一次行程都在吸液和向管路排液，因而供液连续。
1.1.1
泵的理论流量
在不计泵内任何容积损失时，泵在单位时间内应排出的液体容积称为泵的理论平均流量，简称泵的理论流量。
由于不计任何容积损失，泵在单位时间内吸入和排出的体积，可用下式表示：
单作用泵：
双作用泵：
式中—泵的理论流量，m3/s；—柱塞（或活塞）的截面积，m2；（——柱塞或活塞直径，m）—行程长度，m；—曲轴转速（或柱塞的每分钟往复次数）；—联数（柱塞或活塞数）；—系数，（——活塞杆截面积）（Dr——活塞杆直径）。
1.1.2
泵的流量
单位时间内在泵出口处实际测得的液体体积（包括包含于其中的气体和固体体积并折算成泵进口状态下的体积）称为泵的实际平均流量，简称泵的流量。
流量的常用单位有m3/s、
m3/h、
1/min、1/h等。
由于泵内存在容积损失，因此，泵的流量小于泵的理论流量，相互之间的关系为：
式中—泵的流量；—泵的理论流量；—泵的流量损失。
1.1.3
泵的容积效率
泵的容积效率指泵的流量与理论流量之比。
式中—容积效率；—泵的流量；—泵的理论流量；—泵的容积损失。
1.2
往复泵的特点
往复泵和其它类型容积式泵的区别，仅在于它实现工作腔容积变化的方式和结构特点上：
往复泵是借助于活塞（柱塞）在液缸工作腔内的往复运动（或通过隔膜、波纹管等挠性元件在工作腔内的周期性弹性变形）来使工作腔容积产生周期性变化的。
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。
这些特点也正是这类类型泵借以生存、竞争和发展的依据。
1）瞬时流量是脉动的这是因为在往复泵中，液体介质的吸入和排出过程（即容积变化过程）是交替进行的，而且活塞（柱塞）在位移过程中，其速度又在不断地变化之中。
在只有一个工作腔（单缸泵）的泵中，泵的瞬时流量不仅随时间而变化，而且是不连续的；在具有多个工作腔（多缸泵）的泵中，如果工作腔的工作相位安排适当，则可减小排出集液管路中瞬时流量的脉动幅度，乃至可达到在实用上可认为是稳定流的地步。
当然，此时相应的泵的结构也就变得复杂了。
也正因为如此，往复泵的工作腔不宜设置过多。
因此，往复泵瞬时流量的脉动性也就不可避免，只不过因不同泵型其脉动程度有大有小而已。
2）平均流量（即泵的流量）是恒定的泵的流量只取决于工作腔容积的变化值及其频率。
具体地讲：
泵的流量只取决于泵的主要结构参数——（每分钟往复次数）、（活塞或柱塞行程）、（活塞或柱塞直径）、（工作腔或活塞数目），而（在理论上）与排出压力无关，且与输送介质（液体）的温度、粘度等物理、化学性质无关。
当泵的每分钟往复次数一定时，泵的流量也是恒定的。
3）泵的压力取决于管路特性往复泵的排出压力不能由泵本身限定，而是取决于泵装置的管路特性，并且与流量无关。
换句话说，不论泵装置的管路有多大的水力阻力，原则上泵都可以按其主要结构参数所决定的恒定流量予以排出。
也就是说，如果认为输送液体是不可压缩（因液体压缩率很小，通常可这样认为，但在高压或超高压下，液体的压缩性也不可忽视）的，那么，在理论上可认为往复泵的排出压力将不受任何限制，即可根据泵装置的管路特性，建立泵的任何所需的排出压力。
4）对输送的介质（液体）有较强的适应性往复泵原则上可以输送任何介质，几乎不受介质的物理性能或化学性能的限制。
当然，在实际应用中，有时也会遇到不能适应的情况。
但是，当遇到这种情况时，多半是因为液力端的材料和制造工艺以及密封技术一时不能解决的缘故。
其它类型泵就不能做到这一点。
5）有良好的自吸性能往复泵不仅有良好的吸入性能，而且还有良好的自吸性能。
因此，对多数往复泵（除高速泵外）来说，在启动前通常不需灌泵。
由上述往复泵的主要特点可以看出往复泵的主要适用范围。
1.3
往复泵的分类
（一）按泵的液力端特点分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）泵；
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）中心线所处的位置可分为：
卧式泵、立式泵、角度式（Y形、V形）泵、对置式泵和轴向平行式（无曲柄）泵等；
（二）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）泵等；
（三）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；
（四）按泵的排出压力（）分根据泵排出压力高与低可分为：
低压泵（＜10kgf/cm2）、中压泵（≥10～100
kgf/cm2）、高压泵（＞100～1000
kgf/cm2）、超高压泵（＞1000
kgf/cm2）；（五）按泵的每分钟往复次数（）分按每分钟往复次数高与低可分为：
低速泵（＜80spm）、
高速泵（＞550spm）。
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。
（六）按泵输送介质某一突出特性分根据泵设计时主要适用的介质可分为：
热油泵、酸泵、碱泵、盐泵、液氨泵、甲铵（氨基甲酸铵）泵、泥浆泵、重水泵、清水泵、高温泵、低温泵、超低温泵、高粘液泵、低粘液泵等。
（七）按泵的用途分根据泵主要的使用部门或主要用途可分为：
工业用泵、农业用泵、陆用泵、船用泵、化工用泵、原子能用泵、电站用泵、石油场用泵、液压机用泵、压裂泵、固井泵、农药喷雾用泵、注水泵、清砂泵、清渣泵、除锈泵、试压泵、消防泵、计量泵、平流泵等。
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
液压往复泵
目前在石油钻机上广泛应用的是机动往复泵，即使用柴油机或电机通过皮带，经减速器减速后，再通过曲柄连杆机构和导向块带动活塞进行往复运动，实现吸液和排液。
由于曲柄连杆机构及导向块决定活塞的运动近似与正弦曲线变化规律，因此，往复泵的瞬时流量也是按正弦曲线波动的。
为减小往复泵流量及压力的波动，通常在泵的出口安装排除空气包，这增加了设备的重量和维修难度。
基于上述原因，国外在20世纪80年代末到90年代初开始研制液压往复泵，并且功率有越来越大。
液压往复泵在性能上与机动往复泵相比有很大的提升：
1）泵的流量和压力波动小，特别是三缸单作用液压往复泵，其排量基本无波动，这对石油钻井时稳定井壁和堵漏有很大好处；2）排液形成大，均匀运动，低冲次，不会产生困扰三缸泵的水击现象，吸入性能大大优于机动往复泵，可省去灌注泵和空气包；3）由于只有在下形成两端有短暂负载变化，而且没有曲柄连杆机构引起的摆动力的作用，使得对主要受力件如拉杆、机体等的强度要求降低，整体的震动降低，零部件的受力状况大大改善，其寿命也得以延长；
4）液压往复泵可不通过更换缸套来改变其排量，从而大大提高了工作时效，这是机动泵难以做到的；5）液压往复泵易于实现长冲程、低冲次，减少了泵阀等易损件的磨损，维修工作减轻，节省了停机维修的时间和费用。
1.5
往复泵的应用与发展
综合前述可知，往复泵是一类品种多、批量小，而通用化程度较低、专业配套性很强的产品。
它常常是随着某一生产工艺的需要而产生，又随着这一生产工艺的重大改革或取消而更新或淘汰。
当这种生产工艺长期稳定时，也有基本上适应这一工艺需要的定型产品。
从上述分类可知，往复泵的应用仍然十分广泛。
下面将列举若干实际应用领域来补充说明这一情况。
例如：
用于化肥生产配套用的有铜液泵，碱液泵和氨基甲酸铵（甲铵）泵和液氨泵等；用于高压聚乙烯装置配套用的超高压催化剂注射泵等；用于提供造船或机械制造大型锻压设备上配套用的液压机用泵；用于输送石油及其副产品和电站锅炉给水备用配套的各种蒸汽直动泵；用于陆上石油钻井或海上石油开发配套用的钻井泥桨泵、压裂泵、固井泵和注水泵等；
用于铸造、轧钢方面的水力清砂、除锈泵；
用于长距离管道输送煤粉、冶金矿尾矿的油隔离泵，用于矿井排水的无曲柄泵以及用于加固井壁、防止地下水害的注桨、堵水用泵等；
用于船舶的舱底泵；用于农药喷雾机配套用的农用泵；用于水压试验或窗口爆破试验以及水力切割配套的高压泵和超高压泵。
用于城市污水清洗车配套的清洗泵，用于消防的消防泵；用于电站或船台等污水处理的各种计量泵。
总之，往复泵无论是在工业或农业、陆上和海上、国防与民用、科研与生产等各个部门，仍然是作为一种不可缺少的品种被广泛地采用着。
总括各类往复泵，它的排出压力可由常压一直到15000kgf/cm2,其流量范围为cc/h～600m3/h，输送介质的温度为-200～450℃，粘度为0.1cp～250000cp。
被输送的介质，由一般常温清水直至具有强腐蚀、易挥发、易结晶、易燃、易爆、剧毒、恶臭、磨砺性强、比重大、粘度高、有放射性或其它贵重液体等。
从今后发展的角度来看，尽管往复泵原来占据的位置有不少已被其它类型泵所取代，其产量也很少，但这并不意味着往复泵有全部被取代的趋势。
实际情况是：
在各类型泵的生存与竞争中，则是更加突出地发挥了它们各自的特长，显示其本身的优越性，从而更好地为国民经济、为四个现代化服务。
由此可知，要想求得往复泵的生存与更进一步的发展，从根本意义上来讲，就是要扬长避短，充分发挥往复泵本身的优势。
这就是说：
第一，要充分发挥往复泵配套性强、适应介质广泛的优势。
对于其它任何一类泵来讲，它所适应的介质都要受到限制。
例如，离心泵就不能适应粘度很高的液体；转子泵则通常不能适应于化工介质。
而目前随着石油化工、化学工业、医药卫生等部门生产技术的发展，使得输送介质的名目繁多、性状各异。
有些介质对其它类型泵来讲，就不能适应，但对往复泵来讲，因为它原则上不受介质的物理和化学性能的限制，可见，往复泵是大有用武之地的。
第二，要充分发挥往复泵在流量比较小而排出压力又很大情况下，它的整机效率高、运转经济性好的优势。
上述两点，往往不被使用部门所重视。
他们往往是过分地注意了往复泵体积较大、结构较复杂、瞬时流量又脉动这些缺点，而忽视了这类泵的特长，因此常常习惯于选用其它类型泵。
他们不了解这些泵正是因为对某些介质不能适应或者在压力高、流量小的范围内不可能有较高的效率这一弱点，以至有这样的情况发生———历经数年，几经周折，最后又不得不回到往复泵这一选型上来。
由此可见，在当前世界性能源危机、强调以节能原则采用省能机械的现实面前，对于使用部门来讲，如何正确地认识各类型泵的特点，如何正确地选型，是面临的新课题；对于使用部门来讲，如何正确地认识各类型泵的特点，如何正确地选型，是面临的新课题；对于从事往复泵研究、设计和生产的部门来讲，如何正确地宣传往复泵的特点，如何努力地发展新品种以满足用户的需要，是面临的新任务。
特别是当排出压力很高（高压或超高压）而流量又很小时，其它类型泵已经不仅是效率很低的问题，而是根本不能适用。
因此，往复泵主要是在高压或超高压、流量小或比较小的范围内发展新品种。
在这一领域内，往复泵是独占优势的。
第二、要充分发挥往复泵的流量恒定而且与排出压力无关的优势。
往复泵这一特长是它成为计量泵选型的基础，而计量泵这一新品种是随着现代工业朝着自动化操作，远距离自动控制这一发展形势而出现的。
由于计量泵这一新品种的出现，使得原来生产工艺由手工进行物料配比这一环节，被计量泵所代替，使物料配比实现了远距离自动控制下的连续操作，并使物料配比更加准确无误，从而为提高产品质量、降低成本、改善劳动条件。
计量泵虽然只是从本世纪五十年代才兴起的新品种，但是至今已经不仅是在石油、化工合成装置上被广泛采用，而且在水处理装置、研究院所的中间试验装置以及化学分析仪器、医药、食品加工和矿井注浆堵水方面也已被广泛采用。
当然，要求得往复泵的不断发展，不仅要注意到充分发挥它的特长或优势，而且还要不断地克服它的缺点。
为此，就必须加强技术基础的研究、不断地提高产品质量、注意采用新技术、新材料、新工艺，以及在保证产品好用、耐用的同时，要力求结构简单、操作方便、体积小、重量轻和外形美观。
38
2
液压往复泵总体方案设计2.1
液压往复泵的工作原理
1油箱2过滤器3电机4变量泵5、12
溢流阀6交流调速电机7往复换向控制转阀8节流阀9、10
压力表11蓄能器13液压缸14往复泵泵缸15往复泵吸入阀16往复泵排出阀17、20
二位二通电磁阀18冷却器图2-1液压往复泵的工作原理直动式液压往复泵的工作原理如图2-1所示，设计中采用一只转阀控制液压缸按一定顺序做往复运动，其结构如图2-2所示。
阀体1上共有8个油口，包括入阀总压油口Y0，中心线之间互成120°的分别为1、2、3号液压缸提供动力的出阀压油口Y1、Y2、Y3，中心线之间互成120°的分别供1、2、3号液压缸回油的入阀回油口H1、H2、H3、出阀总回油口H0。
阀芯3上左半部分有圆周环形槽a，它通过径向孔与阀芯中心孔y相通，这样就可以使入阀总压油口Y0始终与阀芯中心孔y相通。
还有3个与阀芯中心孔y相通的中心线互成120°的径向油口y1、y2、y3，在阀芯外表面一径向孔y1、y1、y3的中心线为对称中心铣有3个月牙形环槽c、d、e，各环槽占150°。
阀芯3上右半部分有一个阀芯中心孔h，还有3个与阀芯中心孔h相通的中心线互成120°的径向孔h1、h2、h3，在阀芯的外表面也以径向孔h1、h2、h3的中心线为低沉中心铣3个月牙形环槽g、i、j，各环槽占150°。
阀芯中心孔h直与阀体右端的回油口H0相通，阀芯左端通过联轴器6与交流电机7相连，高低压油腔之间用密封圈隔开。
1阀体2密封件3阀芯4螺钉5阀盖6联轴器7交流调速电机Y0—入阀总压油口Y1、Y2、Y3—1、2、3号缸出阀压油口
H0—出阀总回油口H1、H2、H3—1、2、3号缸出阀回油口
图2-2旋转换向阀结构原理当交流调速电机带动阀芯以一定的转速旋转时，在阀芯转动一周内，首先阀体的Y1油口与阀芯上的y1油口相通，这样，来自泵的压力油就通过阀体上的Y1油口经管线G1进入液压缸①中，这是缸Ⅰ进行排除冲程。
转过120°后，阀体上的Y3油口就通过月牙形环槽e与阀芯上的y3油口相通，来自泵的压力油就通过阀体上的Y3油口经管线G3进入液压缸③中，使缸Ⅲ进行排除冲程。
再转过120°时，阀体上的Y2油口就通过月牙形环槽d与阀芯上的y2油口相通，来自液压泵的压力油就通过阀体上的Y2油口经管线G2进入液压缸②中，使缸Ⅱ进行排出冲程。
其中每两个泵缸之间都有30°的重叠排液，回油口的顺序与压油口相同。
电机每转一转，各泵缸吸液一次，排液一次。
因此，交流调速电机7的转速就是液压往复泵的冲次。
液压往复泵工作时，首先启动电动机3，带动液压泵4转动，由于此时电磁换向阀20尚未通电（电磁换向阀20和交流调速电机6是联动的），处于打开状态，液压泵4排出的油经阀20回油箱，即液压泵处于卸载状态。
当交流调速电机6通电时，阀20的电磁铁也同时通电，阀20关闭，卸载油路关闭。
此时泵4排除的压力油分为两部分，一部分经电磁阀17和减压阀8进入储能器中，作为泵缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ吸入冲程时进入液压缸①、②、③有杆腔的用油，另一部分压力油经换向转阀7的进油口Y0进入阀中，此时阀体径向回油口Y1与阀芯径向压油口y1
相通，而阀体径向回油口H1与阀
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