泵軸的可靠性設(shè)計方法的探討

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）( 2012屆 )題目：泵軸的可靠性設(shè)計方法的探討分 院 機電信息分院 專業(yè)班級 09 機電一體化技術(shù)(2)班 學(xué)生姓名 邱發(fā)有 學(xué) 號 0911040225 導(dǎo)師姓名 陳茂慶 成 績 2012 年 4 月 14 日目錄摘要- 1 -一、引言- 2 -二、泵軸失效的影響因素- 3 -（一）單級離心泵結(jié)構(gòu)特點- 3 -（二）作用在泵軸上的載荷- 3 -（三）泵軸內(nèi)的應(yīng)力- 4 -（四）泵軸失效特征- 5 -（五）泵軸失效的因素及危險斷面- 5 -三、試驗情況- 6 -（一）設(shè)計工況的扭轉(zhuǎn)角及持久強度試驗- 7 -（二）零流量工況的撓度與轉(zhuǎn)角試驗- 7 -（三）試驗結(jié)果- 7 -四

2、、設(shè)計準則與強度計算方法- 7 -（一）設(shè)計準則- 7 -（二）強度計算方法- 7 -五、提高泵軸剛度的措施- 11 -(一) 改進泵軸的結(jié)構(gòu)形式，減小彎矩數(shù)值- 11 -(二) 縮短跨度或增加支撐- 11 -(三) 選擇合理的截面形狀- 12 -六、總結(jié)- 12 -參考文獻：- 13 -致謝- 14 -泵軸的可靠性設(shè)計方法的探討機電信息分院 09機電一體化(2)班 邱發(fā)有指導(dǎo)教師：陳茂慶摘要：泵軸是組成離心泵的重要零件之一，一切作回轉(zhuǎn)運動的零件都要裝在軸上才能實現(xiàn)其回轉(zhuǎn)運動，同時實現(xiàn)動力的傳遞，因此，泵軸工作時會受到重力g、徑向力pt、軸向力a、離心力pv及扭矩mn的作用。而且這些力還與轉(zhuǎn)速

3、有關(guān)。在這些力的作用下，引起軸的彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切，超過許多應(yīng)力時，泵軸失效，輕者引起軸上零件磕碰、磨損，重者使零件卡滯，甚至影響泵的正常工作。為此，提出了軸的設(shè)計方法：1.在低速時，軸應(yīng)以扭曲強度作為設(shè)計準則；2.在高速時，應(yīng)以扭矩剛度作為設(shè)計準則。并進行了理論計算與試驗驗證，其結(jié)果基本一致。關(guān)鍵詞： 泵軸 可靠性 設(shè)計方法 探討- 1 -一、 引言離心泵在現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中很早就起到了它的作用，現(xiàn)在離心泵應(yīng)用范圍廣泛。其根據(jù)主要用途又可劃分為多種離心泵，分類方法常見的有以下幾種方式：1.按葉輪吸入方式分：單吸式離心泵 雙吸式離心泵。2.按葉輪數(shù)目分：單級離心泵 多級離心泵。3.按葉輪結(jié)構(gòu)分：敞開

4、式葉輪離心泵 半開式葉輪離心泵 封閉式葉輪離心泵。4.按工作壓力分：低壓離心泵 中壓離心泵 高壓離心泵邊 立式離心泵。而單級離心泵又是其中的較基本的類型。單級離心泵主要適用于工農(nóng)業(yè)及城市、排水、消防供水等，有高效節(jié)能、安裝維修方便、運行平穩(wěn)等特點。因此本次設(shè)計將主要以單級離心抽油泵為研究對象，對泵軸的可靠性進行設(shè)計與試驗。論文的研究意義：離心泵隨著轉(zhuǎn)速的提高，工作條件變差，轉(zhuǎn)速越高，工作環(huán)境越惡劣。然而高速化又是發(fā)展的必然趨勢，因為高速化可大大提高運行效率，同時可縮小泵的體積、減輕重量，從而大大提高泵運行的經(jīng)濟性，但對泵的可靠性提出了更高的要求。要求科學(xué)合理的設(shè)計方法，準確的設(shè)計精度，否則會影

5、響到泵使用的可靠性。泵在工作過程中，泵軸受力復(fù)雜，過去對泵軸可靠性的計算和試驗不多，缺乏成熟的計算方法。此次設(shè)計通過試驗研究，分析泵軸失效的影響因素，論述了泵軸強度的計算方法，闡明了提高泵軸剛度的措施，進一步完善了可靠性計算的理論。論文的主要內(nèi)容：本文主要介紹泵軸的可靠性設(shè)計與試驗，在泵軸失效的影響因素中首先講述了單級離心抽油泵在工作過程中泵軸是如何失效以及失效的原因，接著是對泵軸可靠性試驗的具體情況進行描述，其中先對設(shè)計工況狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)角及持久強度的試驗，接著是零流量工況的撓度與轉(zhuǎn)角試驗，然后對兩種狀態(tài)下試驗結(jié)果綜合分析，對設(shè)計準則和強度計算方法進行描述。最后介紹了提高泵軸可靠性的措施。二、

6、 泵軸失效的影響因素泵軸失效是由于各種復(fù)雜載荷共同作用的結(jié)果，而各種載荷的影響程度是不同的。（一） 單級離心泵結(jié)構(gòu)特點單級離心泵包括泵體，泵蓋，帶輸出軸的電動機，在泵體內(nèi)裝設(shè)的泵軸、軸承座、葉輪、機械密封和機封壓蓋，其特征在于，它還包括位于電動機輸出軸與泵軸之間設(shè)置的對夾式聯(lián)軸器，以及安裝在軸承座上的以輔助支承泵軸的導(dǎo)軸承；所述對夾式聯(lián)軸器分別與電動機輸出軸和泵軸剛性連接，在電動機輸出軸與泵軸之間留有便于機械密封和機封壓蓋裝拆的空間距離。在維修或更換機械密封時，無須拆卸電動機及泵蓋。（二） 作用在泵軸上的載荷泵在工作中，軸受到重力g、徑向力pt、軸向力a、離心力pu及扭矩的作用。這些載荷與轉(zhuǎn)速

7、有關(guān)，其中徑向力，軸向力和扭矩還與泵運行工況有關(guān)。由統(tǒng)計和計算作出了零流量工況和設(shè)計工況在不同比轉(zhuǎn)速時，重力、徑向力和離心力的關(guān)系曲線（見圖2.1）。圖2.2給出了比轉(zhuǎn)速與扭矩和軸向力的關(guān)系曲線（圖中所給數(shù)據(jù)均以80mm口徑、用靜強度確定的泵軸為例，q=0為零流量工況，為設(shè)計工況）。圖2.1 與 的關(guān)系曲線圖2.2 與a和的關(guān)系曲線（三） 泵軸內(nèi)的應(yīng)力泵軸內(nèi)的應(yīng)力與泵軸受力有關(guān)，一般產(chǎn)生在泵軸內(nèi)的應(yīng)力有彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切等應(yīng)力。靜強度應(yīng)力用表示，疲勞強度安全系數(shù)用表示，剛度分別用撓度轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角表示。圖2.3給出了比轉(zhuǎn)速與強度和安全系數(shù)的關(guān)系曲線，圖2.4表示與撓度轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線。圖2.

8、3 與和的關(guān)系曲線圖2.4 與 和的關(guān)系曲線（四） 泵軸失效特征由圖2.3、圖2.4可知，在零流量工況或設(shè)計工況時，靜強度無論用第三或第四強度理論計算，強度富裕量都很大。但在零流量工況時，會因疲勞強度、撓度、及轉(zhuǎn)角達不到要求而失效。在設(shè)計工況時，會因扭轉(zhuǎn)角滿足不了要求而失效，如圖中虛線所示。（五） 泵軸失效的因素及危險斷面 在設(shè)計工況扭矩作用結(jié)果使扭轉(zhuǎn)角滿足不了要求，扭矩是設(shè)計工況泵軸失效的主要因素。在圖2.5中，促使泵軸點扭轉(zhuǎn)振動，引起口環(huán)磨損。在零流量工況，徑向力作用結(jié)果使軸的撓度過大，最大撓度及轉(zhuǎn)角發(fā)生在點，這將引起密封環(huán)磨損加快，所以渦形體內(nèi)產(chǎn)生的徑向力是零流量工況泵軸失效的主要因素。

9、如果泵長期在零流量工況運行，泵軸在圖2.5 點處會引起疲勞破壞。圖2.5 泵軸示意圖三、 試驗情況為檢驗泵軸持久強度和剛度對泵運行可靠性及效率的影響，用100cyz65泵（強度計算結(jié)果見表3.1）在零流量和設(shè)計兩種工況作了試驗。表3.1 100cyz-65泵兩種工況的強度、剛度計算計算項目用第三強度理論計算（mpa）用第四強度理論計算（mpa）扭轉(zhuǎn)角（rad）撓度（m）轉(zhuǎn)角疲勞強度安全系數(shù)設(shè)計工況，27.7124.440.5814.77零流量工況，212.84212.720.230.29（一） 設(shè)計工況的扭轉(zhuǎn)角及持久強度試驗1. 扭轉(zhuǎn)角試驗泵軸在級封閉試驗臺上按以下方法進行試驗。每試驗100h

10、檢測一次葉輪與口環(huán)的間隙，同時由控制臺測出其效率值，結(jié)果如圖3.1中曲線所示。圖3.1 扭轉(zhuǎn)角、撓度和轉(zhuǎn)角與口環(huán)磨損關(guān)系2. 持久強度試驗 對鋼來說，軸經(jīng)受次應(yīng)力循環(huán)后，如尚未斷裂，則可認為再增加循環(huán)次數(shù)試件也不會斷裂。持久強度試驗進行了260h運轉(zhuǎn)，一切正常。（二） 零流量工況的撓度與轉(zhuǎn)角試驗試驗方法與扭轉(zhuǎn)角的試驗方法相同，結(jié)果如圖3.1中、曲線所示。 （三）實驗結(jié)果泵在設(shè)計工況下運轉(zhuǎn)，由于扭轉(zhuǎn)角達不到剛度要求而引起振動，使口環(huán)在整個圓周上磨損。由撓度和轉(zhuǎn)角引起口環(huán)磨損的主要磨損位置是在與隔舌成處實驗結(jié)果與理論分析計算是一致的。四、 設(shè)計準則與強度計算方法（一） 設(shè)計準則泵的結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證泵流

11、量從零到最大值時都能可靠地工作。因此，要求泵軸在扭轉(zhuǎn)和徑向力作用下，撓度不應(yīng)超過密封環(huán)內(nèi)的間隙值；扭轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角不應(yīng)超過許用值。也就是說，泵軸不僅要有足夠的強度，也要有足夠的剛度。在實踐中，泵軸滿足靜強度要求時，不一定能滿足剛度要求；而在滿足剛度要求時，則一定能滿足靜強度要求。因此，僅以靜強度為依據(jù)進行設(shè)計是不合理的，必須以剛度條件為設(shè)計的準則。（二） 強度計算方法1. 扭轉(zhuǎn)角 泵軸設(shè)計應(yīng)根據(jù)扭矩作用下的剛度條件確定最小軸徑，計算公式見4.1（最大扭轉(zhuǎn)角，最大扭矩）。 由表4.1知，扭轉(zhuǎn)角與軸功率、軸徑尺寸有關(guān)，圖4.1給出了相互關(guān)系曲線。當(dāng)值取在曲線上方時，均能滿足扭轉(zhuǎn)角的剛度條件。表4.1

12、按剛度條件確定軸徑的計算公式扭轉(zhuǎn)角由 得 （n*m） (kw)n額定工況軸功率 （kw）n泵軸轉(zhuǎn)速 （r/min）g材料抗剪彈性模量，取 (pa) （）精密機器的軸 =.0250.50 一般傳動的軸 =0.51.0 精度要求不高的軸 =12.5 圖4.1 扭轉(zhuǎn)角與軸功率、軸徑臨界曲線2. 撓度和轉(zhuǎn)角的計算公式由設(shè)計工況的扭轉(zhuǎn)角確定最小軸徑和軸的形狀及尺寸后，應(yīng)對零流量工況的撓度和轉(zhuǎn)角進行校核。最大撓度和轉(zhuǎn)角的幾何意義如圖4.2所示。泵軸的撓度和轉(zhuǎn)角計算公式見表4.2圖4.2 泵軸最大撓度、轉(zhuǎn)角示意圖表4.2 泵軸撓度、轉(zhuǎn)角計算公式撓度轉(zhuǎn)角p重力、徑向力和離心力的合力，（n）e彈性模量， (pa

13、)l二軸承跨距 （m）a葉輪重心到前軸承支點的距離 （m） （）：一般用途的軸，=（0.00030.0005l）需要提高軸剛度時，=0.0002l：滑動軸承，=0.001 （rad） 向心球軸承，=0.005 （rad）向心球面軸承=0.05 （rad）圓柱滾子軸承=0.0025 （rad）圓錐滾子軸承=0.0016 （rad）3. 疲勞強度泵軸長期在零流量工況運行會引起疲勞破壞。疲勞強度計算公式見表4.3（最大彎應(yīng)力，最大剪應(yīng)力）。表4.3 泵軸疲勞強度計算公式疲勞強度安全系數(shù) 其中： （pa） 其中： （pa）不銹鋼647（mpa）40 鉻981（mpa）45號鋼 598（mpa）：4靜強

14、度 在兩向應(yīng)力狀態(tài)下，對塑性材料，試驗資料表明：按第四強度理論計算的結(jié)果基本與實驗結(jié)果相符。計算公式見表4.4（、的幾何意義如圖4.3所示，、為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力）。表4.4 用第四強度理論計算泵軸靜強度公式靜強度（pa）（pa）：不銹鋼32443140 鉻49065445號鋼299399 （mpa）圖4.3 泵軸應(yīng)力圖五、 提高泵軸剛度的措施從上述分析可知，泵軸的剛度不足是引起泵零件失效的主要原因之一。因此，提高剛度具有現(xiàn)實意義，具體措施如下：（一） 改進泵軸的結(jié)構(gòu)形式，減少玩具數(shù)值彎矩是引起泵軸彎曲變形的主要因素，所以，減小作用在軸上的彎矩值，也就提高了軸的彎曲剛度。（二） 縮短跨度或

15、增加支撐泵軸的撓度與軸兩支承間的跨度的3次方成正比。如果跨度縮短為原來的，撓度則減小為原來的，剛度提高非常顯著。在軸的跨度不能縮短的情況下，可采取增加支承的方法提高軸的剛度。（三）選擇合理的截面形狀在材料一定的情況下，泵軸選用空心圓形截面形狀，其剛度較好。 六、總結(jié)通過這次實踐，我了解了離心泵的結(jié)構(gòu)、用途及工作原理，熟悉了離心泵軸的設(shè)計步驟，鍛煉了工程設(shè)計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設(shè)計能力。此次畢業(yè)設(shè)計是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識一次實際檢驗和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。 畢業(yè)設(shè)計收獲很多，比如學(xué)會了查找相關(guān)資料相關(guān)標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的設(shè)計與制作能力，懂得了許多經(jīng)驗公式的獲得

16、是前人不懈努力的結(jié)果。同時，仍有很多課題需要后輩去努力去完善。 腳踏實地，認真嚴謹，實事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難、堅持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升，也會對我未來的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。在這次畢業(yè)設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 在此更要感謝我的導(dǎo)師和專業(yè)老師，是你們的細心指導(dǎo)和關(guān)懷，使我能夠順利的完成畢業(yè)論文。在我的學(xué)業(yè)和論文的研究工作中無不傾注著老師們辛勤的汗水和心血。老師的嚴謹治學(xué)態(tài)度、淵博的知識、無私的

17、奉獻精神使我深受啟迪。從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，也學(xué)到了做人的道理。在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。參考文獻：1 關(guān)醒凡 泵的理論與設(shè)計 機械工業(yè)出版社 1987年2月2 浙江大學(xué)等 材料力學(xué) 人民出版社 1981年4月3 顧志榮 吳永生 材料力學(xué)學(xué)習(xí)方法及解題指導(dǎo)第二版 同濟大學(xué)出版社 2003年4月 319-3334莊東漢 材料失效分析 華東理工大學(xué)出版社 2009年6月 147-2475 崔占全 孫振國 工程材料 機械工業(yè)出版社 2007年9月 217-2326徐格寧 機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械工業(yè)出版社 2009年9月 88-1267邱瀟瀟 工業(yè)設(shè)計材料與加工工藝 高等教育出版社 2009年11月 8傅衣銘 材料力學(xué) 湖南大學(xué)出版社 2007年1月 300-3109鄢國強 材料質(zhì)量檢測與分析技術(shù) 中國計量出版社 2005年5月 381-40110孫新利 工程可靠性教程 國防工業(yè)出版社 2005年1月 7-1111北京科技大學(xué) 工程力學(xué)-材料力學(xué)第4版 高等教育出版社 2008年1月 196-21612毛慧明 機械基礎(chǔ) 機械工業(yè)出版社致謝：在這次的畢業(yè)設(shè)計中，我要衷心地感謝我的指導(dǎo)老師陳