363 双吸渣浆泵的设计及机械密封设计

双吸渣浆泵设计及机械密封设计

摘要：泵是应用非常广泛的通用机械，可以说是液体流动之处，几乎都有泵在工作。而且， 随着科学技术的发展，泵的应用领域正在迅速扩大，根据国家统计，泵的耗电量都约占全国总发电 量的 1/5,可见泵是当然的耗能大户。因而,提高泵技术水平对节约能耗具有重要意义。离心式渣浆 泵广泛应用于煤炭、矿山、冶金、电力、水利、交通等部门，主要进行静矿、尾矿、灰渣、泥沙等 固体物料的水力输送，但其过流部件的磨损相当严重，其主要破坏形式为过流部件洞穿和变形，过 流部件的严重磨损，恶化了泵内流动特性及外特性，缩短了泵的实际使用寿命，使生产效率降低， 加大耗能和设备的投资，进而影响生产的发展。因此所设计的渣浆泵中采用多叶片数来减少单个叶 片的磨损，适当的增加过流部件的厚度并采用高硬度的耐磨材料来来减小磨损，将叶轮入口的后盖 板设计为凸出的、由光滑圆弧组成的轮毂头。采用机械端面密封使密封面紧密贴合，防止介质泄漏， 自动补偿密封面磨损。本设计详细介绍了渣浆泵的总体结构、工作原理、结构设计和机械密封设计。

关键词:渣浆泵 机械密封 密封圈

Double suction slurry pump design and mechanical seal design

Abstract:Pump is the most widely used general machinery,it can be said that any liquid flows,almost all of the pumps work,With the development of science and technology, pumping application areas are expanding rapidly,According to national statistics.Pump power consumption accounted for a fifth of the country,we can see that the pump is only natural consumption market.Pump technology will increase the level of energy conservation has a very important significance. The slurry pump is the extensive applying in the coal, mineral mountain, metallurgy, electrical, water conservancy, transportation and so on. It is main to proceed the water power of the static mineral, tail mineral, ash grain, sediment solid material transportation. But its very serious over the abrasion that flow the parts. Its main breakage form is over flow the parts penetrate with transformation. Over serious abrasion that flow the parts， it is worsening the pump inside flows characteristic and outside characteristics, shorting the actual service life of the pump and making production efficiency lower, enlarging consumes the investment of the equipments, and then affecting the development of the production. It adopt many leaf's number to reduce the single abrasion of leaf's slice for this designing slurry pump, also increased combines over the thickness that flow the parts the high degree of hardness in adoption bears to whet the material to come to let up the wear and tear, and empressed an entrance covers plank design as to bulge and smooth hubcap head . This design was detailed to introduce the total construction that slurry pump, the work principle designs with the construction and the mechanical seal.

Key words: Slurry pump, Mechanical seal,Ring

第一章 概论

第一节 渣浆泵的用途和类型

1、渣浆泵的用途

渣浆泵可广泛用于矿山，电力、冶金、煤炭、环保等行业输送含有磨蚀性固体颗粒 的浆体。如冶金选 渣浆泵矿厂矿浆输送，火电厂水力除灰、洗煤厂煤浆及重介输送， 疏浚河道，河流清淤等。在化工产业，也可输送一些含有结晶的腐蚀性浆体。

目前，渣浆泵的应用范围中，80%左右都是用在矿山行业选矿厂。由于矿石初选工 况较为恶劣，因此在这一工段，渣浆泵的使用寿命普遍较低。当然，不同的矿石，磨蚀 性也不一样。

在洗煤行业，由于工况不同，较大煤块，煤矸石容易堵塞，对于渣浆泵的设计要求 很高。淮北矿务局下属某洗煤厂 05 年采用经特殊设计的、替代原来从澳大利亚进口的 渣浆泵，至今运转正常，输送较大煤块、煤矸石无堵塞，使用磨损寿命超过了国外进口 泵。

在海水选砂领域，渣浆泵应用也开始逐渐被客户认可。但是在海水里选砂，河道里 挖沙，渣浆泵更容易被称为砂泵，挖泥泵。尽管叫法不一，但是从结构特点和泵的性能 原理上来讲，都可以通称为渣浆泵。因此在这海水选砂中我们经常称为砂泵，在河道清 淤里面习惯上叫挖泥泵。

渣浆泵的用途虽然广泛，但是正确的应用是十分重要的。渣浆泵由于其名称本身的 局限性使得一些非本行业的人对此产生误解，事实上，泥浆泵，杂质泵，挖泥泵，清淤 泵，等都在渣浆泵的应用范围。在渣浆泵的应用过程中，一定要注意合理的设计，正确 的计算，合适的选型，这几点非常重要。

2、渣浆泵类型

渣浆泵从物理学原理上讲属于离心泵的一种，从概念上讲指通过借助离心力（泵的 叶轮的旋转）的作用使固、液混合介质能量增加的一种机械，将电能转换成介质的动能 和势能的设备。渣浆泵的名称是从输送介质的角度来划分的一种离心泵。另外渣浆泵从 不同角度还可以具体划分不同类型：

（1） 从叶轮数目划分：单级渣浆泵和多级渣浆泵

（2） 从泵轴与水平面位置划分：卧式渣浆泵和立式渣浆泵

（3） 从叶轮吸入进水的方式划分：单吸渣浆泵和双吸渣浆泵

（4 ）从泵壳的结构方式：水平中开式和垂直结合式

本毕业设计选择双吸类型的渣浆泵。

第二节 渣浆泵的密封

渣浆泵的密封有三种形式：填料密封，付叶轮密封，机械密封。三种密封形式各有 优劣势。

首先填料密封，是最普通的一种密封，是通过注入轴封水的形式，不断在填料里面 注入一定压力水，一防止泵体浆体外泄：对于不适于用付叶轮轴封的多级串联泵，采用 填料轴封。填料轴封结构简单，维修方便，价格便宜。

其次付叶轮密封，是通过一个反向离心力的叶轮作用力，防止浆体外泄。在泵进口 正压力值不大于泵出口压力值 10%时的单级泵或多级串联泵的第一级泵可以采用付叶轮 轴封，付叶轮轴封具有不需轴封水，不稀释浆体，密封效果好等优点。因此在浆体中不 允许稀释的情况下，可考虑此种密封。

再次，机械密封，一般是对密封要求比较高的情况使用。特别是一些化工，食品领 域，不仅要求密封，而且最主要是不允许加入额外成分进入泵体。缺点就是，成本高， 维修困难等。

本毕业设计选择机械密封作为渣浆泵的密封形式。

本设计选定的基本参数：流量Q=162m 3 /h； 扬程H=78m； 转速n=2900r/min； 比转 =60。

数n

s

第二章 渣浆泵基本原理

第一节 泵的工作原理

泵是把原动机的机械能转换成液体能量的机器。泵用来增加液体的位能、压能、动 能。原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体做功，使其能量增加，从而使需要数量的液 体，由吸水池经泵的过流部件输送到要求的高度或要求压力的地方。

如下图1-1所示,是简单的离心泵装置。 原动机带动叶轮旋转， 将水从A处吸入泵内， 排送到B处。泵中起主导作用的是叶轮,叶轮中的叶片强迫液体旋转,液体在离心力作用 下向四周甩出。这种情况和转动的雨伞上的水滴向四周甩出去的道理一样。泵内的液体 甩出去后，新的液体在大气压力下进入泵内,如此连续不断地从 A 处向 B 处供水。泵在 开动前，应先灌满水。如不灌满水，叶轮只能带动空气旋转,因空气的单位体积的质量 很小，产生的离心力甚小，无力把泵内和排水管路中的空气排出，不能在泵内造成一定 的真空，水也就吸不上来。泵的底阀是为灌水用的，泵出口侧的调节阀是用来调节流量 的。

第二节 机械密封基本原理

机械密封是由两块密封元件（静环和动环）垂直于轴的光滑而平直的表面相互 贴合，并做相对转动而构成的密封装置，如图 2-1 所示。它是靠弹性构件（如弹簧 6）和密封介质的压力在旋转的动环和静环的接触面（端面）上产生适当的压紧力， 使这两个端面紧密贴合，故又称端面密封。

构成机械密封的基本元件有：端面密封副（静环 1 和动环 2）、弹性元件（如弹 簧 4）、辅助密封（如 O 型圈 8、9 和 10）、传动件（如传动销 3 和传动螺钉 7）、防 转件（如防转销11）和紧固件（如弹簧座5、推环13、压盖12、紧定螺钉6与轴套 14） ，其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为泄漏点。

图 2-2 机械密封原理图

第三章 渣浆泵的结构设计

第一节 泵汽蚀余量的计算

汽蚀余量对于泵的设计、试验和使用都是十分重要的汽蚀基本参数。设计泵时根据 对汽蚀性能的要求设计泵,如果用户给定了具体的使用条件,则设计泵的汽蚀余量 r NPSH 必须小于按使用条件确定的装置汽蚀余量 a NPSH 。欲提高泵的汽蚀性能,应尽量 减小 r NPSH 。泵试验时,通过汽蚀试验验证 r NPSH ,这是确定 r NPSH 唯一可靠的方法。 它一方面可以验证泵是否达到设计的 r NPSH 值。 另一方面,考虑一个安全余量,得到许用 汽蚀余量[NPSH ],作为用户确定几何安装高度的依据.可见,正确地理解和确定汽蚀余 量是十分重要的。

为了深入理解汽蚀的概念,应区分以下几种汽蚀余量：

1、 a NPSH ——装置汽蚀余量又叫有效的汽蚀余量。是由吸入装置提供的, a NPSH 越大

泵越不容易发生汽蚀。

2、 r NPSH ——泵汽蚀余量又叫必需的汽蚀余量,是规定泵要达到的汽蚀性能参数,

r NPSH 越小,泵的抗汽蚀性能越好。

3、 t NPSH ——试验汽蚀余量,是汽蚀试验时算出的值, 试验汽蚀余量有任意多个,但对

应泵性能下降一定值的试验汽蚀余量只有一个,称为临界汽蚀余量,用 c NPSH 表示。

4、[ ] NPSH ——许用汽蚀余量,这是确定泵使用条件(如安装高度)用的汽蚀余量,它应大

于临界汽蚀余量 , 以保证泵运行时不发生汽蚀 , 通常取 [ ] NPSH =(

) c NPSH 5 . 1 ~ 1 . 1 或[ ] NPSH = c NPSH +k, k 是安全值。 这些汽蚀余量有如下关系:

[ ] a

r c NPSH NPSH NPSH NPSH ￡ ￡ ￡ 泵汽蚀余量的计算:

H

NPSH r

=

s T

H

NPSH r s = 式中: s ——托马汽蚀系数；

H ——泵最高效率点下的泵单级扬程；

r NPSH ——最高效率点下的泵汽蚀余量。

根据【《现代泵技术手册》关醒凡编著，宇航出版社。】 查图4-7 取s =0.035，所以 73 . 2 78 035 . 0 = ′ = = H NPSH r s 。

第二节 泵的基本参数的确定

1、 确定泵的进口直径

泵进口直径也叫泵吸入口径,是指泵吸入法兰处管的内径。 吸入口径由合理的进口流 速确定。泵的进口流速一般为 3m/s 左右，从制造经济行考虑，大型泵的流速取大些， 以减小泵体积，提高过流能力。从提高抗汽蚀性能考虑，应取较大的进口直径，以减小 流速。常用的泵吸入口径，流量和流速的关系如图所示。对抗汽蚀性能要求高的泵，在 吸入口径小于 250mm 时，可取吸入口径流速 s m V s / 8 . 1 ~ 0 . 1 = ，在吸入口径大于 250mm 时，可取 s m V s / 2 . 2 ~ 4 . 1 = 。选定吸入流速后，按下式确定 s D ,在该设计中，双吸离心 式渣浆泵：

s

s V Q

D p 4 =

吸入口径（mm） 40 50 65 80 100 150 200 250

单级泵 流速 （m/s） 1.375 1.77 2.1 2.76 3.53 2.83 2.65 2.83 流量 （m 3 /h）

6.25

12.5 25

50

100

180

300

500

注：此表取自【《现代泵技术手册》关醒凡编著，宇航出版社。】 取吸入口流速 s m

V s / 3 = ，代入公式得： m V Q D s

s 1382 . 0 3 3600 162

4 4 = ′ ′ ′ = =

p p 取泵的吸入口径为150mm。 2、确定泵的出口直径

泵出口直径也叫泵排出口径，是指泵排出法兰处管的的内径。对于低扬程泵，排出口径 可与吸入口径相同；对于高扬程泵，为减小泵的体积和排出管路直径，可取排出口径小 于吸入口径，一般取

s

d D D ) 7 . 0 ~ 1 ( = 式中： d D ——泵的排出口径

s D ——泵的吸入口径

根据该泵的特性，由于该泵的流量大，考虑排水管路的经济性

mm mm D D S d 105 150 7 . 0 7 . 0 = ′ = = 取 mm D d 100 = 。 3、泵转速的确定

确定泵转速应考虑以下因素：

（1）泵的转速越高，泵的体积越小，重量越轻，据此应选择尽量高的转速；

（2）转速和比转数有关，而比转数和效率有关，所以转速应该和比转数结合起来确定； （3）确定转速应考虑原动机的种类（电动机、内燃机、汽轮机等）和传动装置（皮带 传动、齿轮传动、液力偶合器传动等）；

（4）转速增高，过流部件的磨损加快，机组的振动、噪声变大； （5）提高泵的转速受到汽蚀条件的限制，从汽蚀比转数公式

4

3 2

62 . 5 r

NPSH Q n C =

式中： n ——泵的转速（r/min）

Q ——泵流量（m 3 /s）双吸泵取

2

Q 可知：转速n 和汽蚀基本参数 r NPSH 及C 有确定的关系，如得不到满足，将发生汽 蚀。对既定得泵汽蚀比转数C 值为定值，转速增加，流量增加，则 r NPSH 增加，当该值 大于装置汽蚀余量 a NPSH 时，泵将发生汽蚀。 选 1500 = C , 73 . 2 = r NPSH ， s m Q / 045 . 0 3 = 则 min

/ 3779 0225

. 0 62 . 5 73

. 2 1500 2

62

. 5 4

3 4

3 r Q

NPSH C n r = ′ ′ =

× =

根据汽蚀要求，泵的转速应小于 min / 3779r ，而实际转速为 min / 2900r 4、估算泵的效率 （1）水力效率 h

h 水力效率 h h 按下式计算

% 86 86 . 0 2

3600 2900 162 lg 0835 . 0 1 lg 0835 . 0 1 3 3

= ? ′ ′ + = + = n Q h h ，式中：Q ——泵流 量（m 3

/s ）双吸泵取

2

Q n ——泵的转速（r/min ）

（2）容积效率 v h 容积效率 v h 可按下式计算

3 2

68 . 0 1 1 - + =

s

v n

h 该容积效率为只考虑叶轮前密封环的泄漏的值,对于有平衡孔、 级间泄漏和平衡盘泄漏的 情况,容积效率还要相应降低。

则 % 96 96 . 0 60 68 . 0 1 1 68 . 0 1 1 3 2

3 2 = ? ′ + = + = - - s v n h （3）机械效率 m

h % 87 87 . 0 100 60 1

07 . 0 1 100 1

07

. 0 1 6 7 6 7 = ? ÷

? ? ? è ? - = ÷ ? ? ? è ? - = s m n h 泵的总效率

%

72 % 87 % 96 % 86 ? ′ ′ = × × = m v h h h h h 泵的理论扬程 m H

H h

t 7 . 90 86

. 0 78

= =

=

h 泵的理论流量 h m Q

Q V

t / 75 . 168 96

. 0 162

3 = =

=

h 5、轴功率和原动机功率 泵的轴功率： Kw Kw gQH P 775 . 47 3600

72 . 0 1000 78 162 8 . 9 1000 1000 = ′ ′ ′ ′ ′ = =

h r 原动机功率： Kw Kw P K P t

g 553 . 52 775 . 47 0

. 1 1

. 1 ? ′ =

=

h 式中: K ——余量系数 查【《现代泵技术手册》关醒凡编著】 表7-10

取K =1.1(原动机为电动机)

t h ——传动效率 查【《现代泵技术手册》关醒凡编著】 表7-11

取 0 . 1 = t h (直联)

所以选择 55Kw 的电动机可满足要求,查【《机械零件手册》吴宗泽主编】选择电动机的 型号为Y250M-2。

第四章 渣浆泵轴的设计

直联式双吸渣浆泵是将轴设计为空心轴和电机轴相联,泵无需底座，所以直接用电动 机支起泵来工作的，当电机轴和空心轴联成一体时，可看作是刚性连接，这时按一根轴 来计算，但在其受力分析时，我们找不到电机的原始材料，为了保证这根轴符合要求， 我们最后按外伸梁和悬臂梁两种方法分析计算，只有这样才能保证计算的准确度。

第一节 轴按外伸梁设计

1、扭矩的计算

m

N n P n P M c n × = ′ ′ = ′ = = 1 . 211 2970

55 2 . 1 9550 2 . 1 9550 9550 式中: n M ——扭矩( m N × )

c P ——计算功率 取 P P c 2 . 1

= 2、根据扭矩计算泵轴直径的初步计算

[ ] m M d n 0276 . 0 10

500 2 . 0 1 . 211 2 . 0 3 5 3

= ′ ′ = = t 式中: [ ] t ——材料的许用切应力(Pa ) 查【《现代泵技术手册》关醒凡编著】 表 7-12 取[ ] Pa

5 10 500′ = t [ ] t 值的大小决定轴的粗细，轴细可以节省材料，提高叶轮水力和汽蚀性能；轴粗能

增强泵的刚度,提高运行可靠性。故泵轴的最小轴径取 mm d 30

1 = ，泵轴的最大尺寸取 mm 90 。

3、 画出轴的结构草图 如图所示(由已知图纸改进)

30 27

?27

?30 148

80 100

?90

?45

?55

图 4-1 轴结构草图

叶轮的左边用螺母锁紧,右边用轴套定位,轴套内径取 45mm，外径取 60mm，轴经过处圆 角统一取R=2mm(特殊要求除外)。 4、轴的强度计算

（1）叶轮所受径向力的计算

3 2 2 10 81 . 9 ′ = B HD K F r (N ) 式中: H ——泵扬程 m

H 78 = 2 D ——叶轮外径 m mm D 306 . 0 306 2 = = 2 B ——包括盖板的叶轮出口宽度(m )

m B 032 . 0 022 . 0 005 . 0

2 2 = + ′ = r K ——试验系数

查【《现代泵技术手册》关醒凡编著】

图17-30取 02

. 0 = r K 则 N B HD K F r 3 2

2 10 81 . 9 ′ = N N 150 10 0032 306 . 0 78 02 . 0 81 . 9 3

= ′ ′ ′ ′ ′ = （2）叶轮所受径向不平衡离心力的计算

R n G R n G F c

c c 2 9 2 9 10 98 . 10 10 8 . 9 12 . 1 - - ′ = ′ ′ = (N) 式中: c G ——最大半径处的残余不平衡质量(g) 取 g G c 3

= R ——叶轮的最大半径(mm ) mm R 153

= 则 N N R n G F c c 38 . 42 153 2900 3 10 98 . 10 10 98 . 10 2 9 2 9 = ′ ′ ′ ′ = ′ = - - （3）水平总的受力: N N F F F c R 38 . 192 38 . 42

150 '

3

= + = + = 垂直总的受力: N N F F F C R 38 . 192 38 . 42

150 3

= + = + = （4）计算水平面支承反力

( ) N

F F F Q

R R 4 . 636 598

706

299 38 . 192 881 598

299 598 283 '

3 '

1

= ′ + ′ =

+ + =

N

F F F R Q R 262 598

38

. 192 283 10 1 . 211 598

283 299 3 '

3

' 2

= ′ - ′ = - =

（5）计算垂直面支承反力

( ) N

F F R R 4 . 283 598

38 . 192 881 598

598 283 3 1 = ′ = + =

N F F R R 91 598

38 . 192 283 598 283 3

2 = ′ = =

（6）计算水平面C 和 D 处的弯矩(考虑到 C 和 D 处可能是危险截面)

mm N mm N F M R CH × = × ′ = ′ = 2 . 180101 283 4 . 636

283 '

1 ( ) [

] mm N mm N mm N F M R DH × = × ′ = × - - - ′ = 117734 185 4 . 636 5 45 148 283 '

1 （7）计算垂直面C 处和 D 处的弯矩

mm N mm N F M R CV × = × ′ = ′ = 2 . 80202 283 4 . 283 283 1 mm N mm N F M R DV × = × ′ = ′ = 52429 185 4 . 283 185 1 （8）计算合成弯矩

C 点合成弯矩：

mm

N mm N M M M CV CH C × = × + = + = 197152 2 . 80202 2 . 180101 2 2 2

2 D 点合成弯矩：

mm

N mm N M M M DV DH D × = × + = + = 128880 52429 117734 2 2 2 2 （9）计算C 和 D 处当量弯矩

查【《机械设计》吴宗泽主编】表2-7 由插入法得

[ ] 3 . 213

1 = + b s [ ] 3 . 101 0 = b s [ ] 59

1 = - b s [ ] [ ]

6

. 0 0 1 ? =

- b b s s a ( ) ( ) mm N mm N T M M C C × = × ′ + = + = 234332 211100 6 . 0 197152 2

2

2

2 ' a ( ) ( ) mm N mm N T M M D

D × = × ′ + = + = 180701 211100 6 . 0 128880 2

2

2

2 ' a （10）校核轴的强度

根据弯矩大小及轴的直径选定 C 和 D 两截面进行强度校核，由【《机械设计》吴宗

泽主编】表2-5，当45钢 MPa b 640 = s ，按表2-7用插值法得[ ] MPa b 59

1 = - s C 截面当量弯曲应力：

( ) [ ] b C C C

MPa mm mm N d M W M 1 3

3 3 ' ' '

30 95 . 0 45 1 . 0 234332 1 . 0 - < = ′ ′ × = = = s s （因C 截面有键槽，考虑对轴强度削弱影响，故d 乘以0.95）

D 截面当量弯曲应力：

[ ] b D D D

MPa mm mm N d M W M 1 3

3 3 ' ' '

20 45 1 . 0 180701 1 . 0 - < = ′ × = = = s s 因此，C 和D 两截面均安全。 （11）校核轴径

①在叶轮中心截面处： mm N M M C × = = 234332

'

1 ②在电动机第一轴承处：

( ) ( ) mm

N T M M × = ′ + = + = 266372 211100 6 . 0 234332 2

2 2

2

1 2 a ③在电动机中间截面处：

( ) ( ) mm

N T M M × = ′ + = + = 294952 211100 6 . 0 266372 2

2 2

2 2

3 a [ ] mm

mm M d b 45 34 59 1 . 0 234332

1 . 0 3 3

1 1 1 < = ′ = = - s [ ] mm mm M d b 55 6 . 35 59 1 . 0 266372

1 . 0 3 3

1 2 2 < = ′ = = - s [ ]

mm mm M d b 55 8 . 36 59 1 . 0 294952

1 . 0 3 3

1 3 3 < = ′ = = - s 轴的截面形状是影响轴刚度的重要因素，当将实心轴改为外径为原直径的2倍的空 心轴，并使空心轴的质量为原实心轴质量的

2 倍时，轴的强度提高到实心轴强度的 6.5 倍，刚度提高到实心轴刚度的13倍，所以该空心轴符合要求。

图 4-2 轴结构图

30 27

?27

?30 148

80 100

?45

?55

?90

F R 3

F R 3

F R 1

F R 1

M n

F R 2 F R 2

F R 3

F R 3

F R 1

F R 2

F Q

轴 受 力 简 图

水 平 面 受 力

F R 1

F R 2

垂 直 面 受 力

图 4-3

轴受力分析图

水 平 面 弯 矩 图

垂 直 面 弯 矩 图

180101

211100

80202.2

图 4-4 轴弯矩图

第二节 轴按悬臂梁设计

1、扭矩的计算

m

N n P n P M c n × = ′ ′ = ′ = = 1 . 211 2970

55

2 . 1 9550 2 . 1 9550 9550 式中: n M ——扭矩( m N × )

c P ——计算功率 取 P P c 2 . 1 = 2、根据扭矩计算泵轴直径的初步计算

[ ] m M d n 0276 . 0 10 500 2 . 0 1 . 211 2 . 0 3 5

3

= ′ ′ = = t 式中: [ ] t ——材料的许用切应力(Pa ) 查【《现代泵技术手册》关醒凡编著】 表7-12

取[ ] Pa

5 10 500′ = t [ ] t 值的大小决定轴的粗细,轴细可以节省材料,提高叶轮水力和汽蚀性能;轴粗能增

强泵的刚度,提高运行可靠性.故泵轴的最小轴径取 mm d 30 1 = ,泵轴的最大尺寸 mm 90 。 3、画出轴的结构草图 如图所示(由已知图纸改进)

合 成 弯 矩 图

转 矩 T 图

当 量 弯 矩 图

197152

211100

197152

211100

30 27

?27

?30

148

80 100

?90

?45

?55

图 4-5 轴结构改进图

叶轮的左边用螺母锁紧,右边用轴套定位，轴套内径取45mm，外径取60mm，轴经过 处圆角统一取R=2mm(特殊要求除外)。 4、轴的强度计算

（1）叶轮所受径向力的计算

3 2 2 10 81 . 9 ′ = B HD K F r (N ) 式中: H ——泵扬程

m

H 78 = 2 D ——叶轮外径 m mm D 306 . 0 306 2 = = 2 B ——包括盖板的叶轮出口宽度(m )

m B 032 . 0 022 . 0 005 . 0

2 2 = + ′ = r K ——试验系数 查【《现代泵技术手册》关醒凡编著】 图17-30取 02 . 0 = r K 则 N B HD K F r

3 2 2 10 81 . 9 ′ = N N 150 10 0032 306 . 0 78 02 . 0 81 . 9 3 = ′ ′ ′ ′ ′ = （2）叶轮所受径向不平衡离心力的计算

R n G R n G F c c c 2 9 2 9 10 98 . 10 10 8 . 9 12 . 1 - - ′ = ′ ′ = (N)

式中: c G ——最大半径处的残余不平衡质量(g)取 g G c 3

= R ——叶轮的最大半径(mm ) mm R 153

= 则 N N R n G F c c 38 . 42 153 2900 3 10 98 . 10 10 98 . 10 2 9 2

9 = ′ ′ ′ ′ = ′ = - - （3）水平总的受力: N N F F F c R 38 . 192 38 . 42

150 ' 3

= + = + = 垂直总的受力: N N F F F C R 38 . 192 38 . 42

150 3

= + = + = （4）计算水平面支承反力：

N N F F F Q R R 38 . 898 706 38 . 192 '

3 ' 1 = + =

+ = 计算垂直面支承反力： N F F R R 38 . 192 3 1 = = （5）计算水平面弯矩：

mm N mm N F M R DH × = × ′ = = 54 . 54443 38 . 192 283

283 ' 3

计算垂直面弯矩：

mm N mm N F M R DV × = × ′ = = 54 . 54443 38 . 192 283 283 3 （6）计算合成弯矩：

mm N mm N M M M DV DH × = × ′ = + = 8 . 76994 54 . 54443

2 2 2

2 （7）计算当量弯矩

查【《机械设计》吴宗泽主编】表2-7 由插入法得

[ ] 3 . 213

1 = + b s [ ] 3 . 101 0 = b s [ ] 59

1 = - b s [ ] [ ]

6

. 0 0 1 ? =

- b b s s a 叶轮中线截面处：

(

) mm N mm N T M C × = × ′ = = 126660 211100 6 . 0 2

'

a 电动机第一轴承处：

(

) ( ) mm N mm N T M M D × = × ′ + = + = 148226 211100 6 . 0 8 . 76994 2

2 2

2

' a （8）校核轴径

①叶轮中线截面处： [ ] mm mm M d b

C 45 8 . 27 59 1 . 0 126660 1 . 0 3 3 1 '

1

< = ′ = = - s ②电动机第一轴承处：

[ ] mm

mm M d b

D

55 3 . 29 59 1 . 0 148226 1 . 0 3 3 1 '

2 < = ′ = = - s 轴的截面形状是影响轴刚度的重要因素，当将实心轴改为外径为原直径的2倍的空 心轴，并使空心轴的质量为原实心轴质量的 2 倍时，轴的强度提高到实心轴强度的 6.5 倍，刚度提高到实心轴刚度的13倍，所以该空心轴符合要求。

垂直面弯矩图

合成弯矩图

54443.54

76994.8

211100

148226

126660

转矩T图

当量弯矩图

图 4-6 轴受力与力矩图

轴受力简图

水平面受力

垂直面受力

F R3

F R3

F R1

F R1

F R3

F R3

F R1

F R1

F Q

30 27

?27

?30 148

80 100

?90

?45

?55

第五章 叶轮结构设计及尺寸计算

第一节 结构设计

1、叶轮材料的确定

叶轮是渣浆泵传递能量的主要部件，通过它把电能转换为液体的压力能和动能，因 此，要求叶轮具有足够的机械强度和完好的叶片形状，在材料上，除了考虑介质腐蚀， 磨损外，由于它是旋转部件，故还应考虑离心力作用下的强度。

通常，用于叶轮的材料有铸铁，青铜铸件，不锈钢，铬钢等。当叶轮圆周速度超过 30m/s，考虑铸铁强度不能承受这样大的离心力的作用，则需改用青铜作材料，由于本 设计泵属于中小型泵，其圆周速度远小于 30m/s，在考虑到渣浆泵工作过程中浆体的有 较强的磨蚀和腐蚀性能，同时考虑到泵的效率和抗汽蚀性能的要求，故选高铬铸铁，具 有效率高，节能、使用寿命长、质量轻、结构合理、运行可靠、振动小、噪声低、维修 方便等显著特点，减振性好，可以减轻由于浆体冲击造成的振动，而 Cr26 又是在高铬 铸铁中这些性能更为突出的，所以，本设计中叶轮的材料选用 Cr26 作为原材料，热处 理采用表面淬火及去应力退火，许用应力为[&]25-35MP

a

2、叶轮结构型式的确定

本设计选用闭式叶轮。闭式叶轮由前盖板，后盖板，叶片和轮毂组成。

D 或叶片

叶轮主要尺寸的确定有三种方法：相似换算法、速度系数法、叶轮外径 2

b 的理论计算。

出口角

2

叶轮采用速度系数法设计，速度系数法是建立在一系列相似泵基础上的设计，利用 统计系数计算过流部件的个部分尺寸。

图 5-1 叶轮结构图