螺旋離心泵的設(shè)計(jì)
螺旋離心泵的設(shè)計(jì),螺旋,離心泵,設(shè)計(jì)
目錄
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 -
1.2.3砂石泵的發(fā)展 - 2 -
第2章 砂石泵的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 3 -
2.1砂石泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體方案分析 - 3 -
2.1.1螺旋離心泵葉輪結(jié)構(gòu)特征 - 3 -
2.1.2砂石泵的主要性能參數(shù) - 4 -
2.2確定泵的總體結(jié)構(gòu)形式 - 4 -
2.3泵的進(jìn)出口直徑的確定 - 6 -
2.3.1進(jìn)口直徑 - 6 -
2.3.2泵的出口直徑Dd - 6 -
2.4 泵轉(zhuǎn)速的確定 - 6 -
2.5確定泵的水利方案 - 7 -
第3章 砂石泵的水利設(shè)計(jì)計(jì)算 - 8 -
3.1軸功率和原動(dòng)機(jī)功率 - 8 -
3.2 泵軸徑和葉輪輪轂直徑的初步計(jì)算 - 8 -
3.3葉輪主要尺寸的確定方法 - 8 -
3.3.1基本公式 - 9 -
3.3.2用速度系數(shù)法計(jì)算葉輪主要尺寸的公式 - 9 -
3.4 壓水室設(shè)計(jì) - 14 -
3.4.1渦形體各斷面面積內(nèi)的平均速度 - 14 -
3.4.2、舌角的計(jì)算 - 15 -
3.4.3 基圓直徑 - 15 -
3.5 葉片厚度的確定 - 16 -
第4章 軸向力及其平衡 - 17 -
4.1 軸向力的計(jì)算 - 18 -
第5章 砂石泵主要零件的強(qiáng)度計(jì)算 - 18 -
5.1 葉輪強(qiáng)度計(jì)算 - 19 -
5.1.1蓋板強(qiáng)度計(jì)算 - 19 -
5.1.2葉片厚度計(jì)算 - 19 -
5.1.3輪轂強(qiáng)度計(jì)算 - 20 -
5.2泵軸的強(qiáng)度校核 - 20 -
5.2.1 泵軸的強(qiáng)度計(jì)算 - 20 -
5.2.2 泵軸的剛度校核 - 21 -
5.3 鍵的校核 - 21 -
5.3.1 鍵的選擇 - 21 -
5.3.2 鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算 - 21 -
第6章 砂石泵主要通用零部件的選擇 - 22 -
6.1軸封結(jié)構(gòu)的選擇 - 23 -
6.2 軸承部件的選擇 - 23 -
6.3 聯(lián)軸器的選擇 - 24 -
6.4 電動(dòng)機(jī)的選擇 - 24 -
結(jié)束語(yǔ) - 24 -
參考文獻(xiàn) - 26 -
致謝 - 26 -
摘要
螺旋離心泵在生產(chǎn)使用中有著優(yōu)異的表現(xiàn)，廣泛運(yùn)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。本人對(duì)其進(jìn)行了探索性設(shè)計(jì)，結(jié)合了普通螺旋泵和離心泵的原理，設(shè)計(jì)出符合要求的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)過(guò)程中我對(duì)此泵結(jié)構(gòu)上可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及實(shí)際使用中面臨的問(wèn)題進(jìn)行了分析和改造，并對(duì)軸向力和徑向力的平衡問(wèn)題做了計(jì)算分析。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)過(guò)程中，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化了參數(shù)，對(duì)主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證此泵具有可靠性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：螺旋離心泵；水利計(jì)算；葉輪；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；市場(chǎng)
ABSTRACT
Helicoidal pump has excellent performance in production use.widely used in various fields of national economy. It was carried out exploratory design that combines the principles of ordinary screw and centrifugal pumps designed to meet the requirements of the product. The design process, I might appear on this pump structural problems and the problems faced by the actual use of the analysis and transformation, and the balance of axial and radial forces made a calculation and analysis. In the design of the structure process, choose the right form of structure, optimizing the parameters of the main components of strength check, to ensure that this pump has the reliability and practicality.
Key words: Helicoidal Pump；Water Conservancy Counting；Impeller；Construction Design；Market
第1章 緒論
1.1 選題背景及意義
螺旋離心泵在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍在近數(shù)十年內(nèi)不斷擴(kuò)大，已成為各類型泵中非常重要的一類。從使用情況來(lái)看，在輸送含顆粒、雜質(zhì)混合液的情況上現(xiàn)有的各類型泵盡管有著良好的表現(xiàn)，但因?yàn)槭軜?gòu)造的限制在工作中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)繞纏與淤塞問(wèn)題，并且嚴(yán)重破壞原料，故無(wú)法用于輸送長(zhǎng)纖維、大直徑和不能被損傷的物料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場(chǎng)的需求。
螺旋離心泵在堵塞、繞纏和物料的破壞上表現(xiàn)優(yōu)異，是一種新式泵。在國(guó)外，開(kāi)發(fā)離心泵的歷史有50余年，秘魯于上世紀(jì)60年代首創(chuàng)，此后日本，德國(guó)和其他國(guó)家也成功開(kāi)發(fā)了。據(jù)報(bào)道，當(dāng)前國(guó)際上已研發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)的螺旋式葉輪：?jiǎn)晤^、雙頭和帶有蓋板等，技術(shù)發(fā)展迅猛。許多生產(chǎn)部門(mén)得到廣泛應(yīng)用了普通干式泵、浸沒(méi)式泵、潛水泵等多種新型泵。
螺旋離心泵的開(kāi)發(fā)在我國(guó)起步較晚，上世紀(jì)八十年代才首次制成了LLB型螺旋離心泵。新產(chǎn)品已通過(guò)專家鑒定和眾多行業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用多年，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
1.2 砂石泵的概述及發(fā)展
1.2.1砂石泵的工作原理
圖 1為簡(jiǎn)易的泵結(jié)構(gòu)示意圖。原動(dòng)機(jī)使葉輪旋轉(zhuǎn)，讓液體由A處進(jìn)入泵體，輸送至B處。葉輪起主導(dǎo)作用，葉片迫使液體運(yùn)動(dòng)，向四周做離心運(yùn)動(dòng)。泵體中的液體排出后，由于大氣壓力，新的液體進(jìn)入泵內(nèi)，循環(huán)往復(fù)。
注意應(yīng)向泵內(nèi)注滿水后再啟動(dòng)。如不注滿水，則葉輪帶動(dòng)空氣運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力不足以將泵內(nèi)和管路中的空氣排出，泵內(nèi)形成無(wú)法運(yùn)行的真空狀態(tài)，這就是氣縛現(xiàn)象，說(shuō)明離心泵沒(méi)有自吸能力。底閥用于灌水，調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)流量。
圖 1 泵結(jié)構(gòu)示意圖
1.2.2砂石泵的主要零部件
吸水室、葉輪、壓水室為泵的三大主要過(guò)流部件。
吸水室在葉輪前方，它將液體導(dǎo)向葉輪。外型主要有：螺旋形、直錐形、彎管形。
葉輪是過(guò)流部件的核心。由蓋板及葉片構(gòu)成。以葉輪排出液體的不同運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橐罁?jù)，主要分為徑流、混流和軸流。
徑流式葉輪的液體流出方向垂直于軸線；
混流式葉輪的液體流出方向與軸線的夾角處于0°到90°之間；
軸流式葉輪的液體流出方向平行軸線。
壓水室在葉輪外側(cè)，葉輪排出的液體被它收集后運(yùn)輸?shù)脚懦龉堋?
泵的類型：
葉片式、容積式和其它類型是泵的主要類型。葉片式泵中葉輪在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，液體的能量就是由它所提供。葉片式泵主要有：1.離心式:單吸、雙吸;2.混流式;3.軸流式;4.單級(jí);5.多級(jí)。
1.2.3砂石泵的發(fā)展
螺旋離心泵具備不淤塞、損傷小等優(yōu)異性能，在生產(chǎn)中有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，推廣前景樂(lè)觀。
當(dāng)前國(guó)際對(duì)生產(chǎn)的需求量在不斷增長(zhǎng),各國(guó)都在發(fā)展多功能多用途、高可靠性和機(jī)械密封性的離心泵，并將會(huì)使用新材料、技術(shù)及工藝。
第2章 砂石泵的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1砂石泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體方案分析
2.1.1螺旋離心泵葉輪結(jié)構(gòu)特征
由于螺旋離心泵葉輪葉片包角大、流道大，加上進(jìn)口的導(dǎo)向和螺旋的推進(jìn)作用，使泵的通過(guò)性表現(xiàn)優(yōu)秀，輸送含大顆粒、纖維物質(zhì)的液體濃度高于其它類型的泵。固液混合物料的流動(dòng)方向不會(huì)突然變化，不會(huì)對(duì)物料的造成破壞。由于泵的葉片伸展至泵的吸入口，從而提高了抗汽蝕能力。由于吸入性好，所以可以輸送粘度較高的液體。
葉輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)(見(jiàn)圖2)。
1.葉輪進(jìn)口直徑Dl
進(jìn)口的邊緣與軸心線的最大垂直距離的2倍為進(jìn)口直徑Dl。
2.葉輪輪轂直徑Dh
葉片邊緣處與軸心線的最小垂直距離的2倍為輪毅直徑Dh。
3.葉輪出口直徑DZ
葉片邊緣處與軸心線的最大垂直距離的2倍為出口直徑DZ。
4.葉輪出口寬度b
葉片出口邊緣處，兩蓋板間的軸向距離為出口寬度b。
5.葉片長(zhǎng)度L
葉片工作面進(jìn)口邊緣與葉片底面的軸向距離為葉片長(zhǎng)度L。
6.葉片包角α
葉片工作面進(jìn)口邊緣與出口邊緣繞軸所轉(zhuǎn)過(guò)的角度為葉片包角α。
7.出口邊傾斜角αZ
葉片出口邊緣與葉輪軸心線的夾角為出口邊傾斜角αZ。
圖 2 螺旋離心泵幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)
2.1.2砂石泵的主要性能參數(shù)
參數(shù)要求：
出口大?。?0 cm； 入口大?。?0 cm；
流量：2 m3/min； 揚(yáng)程：H=15 m；
轉(zhuǎn)速：1450 r/min； 軸轉(zhuǎn)速：9.61 KW。
介質(zhì)要求：能夠輸送液體中包含了大顆粒及長(zhǎng)纖維的物料，輸送體積濃度達(dá)12%。
2.2確定泵的總體結(jié)構(gòu)形式
基本部件為高速旋轉(zhuǎn)的葉輪和固定的蝸形泵殼。葉輪被固定在泵軸，上有4到12個(gè)后彎葉片，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下與泵軸一起做高速旋轉(zhuǎn)。泵的吸入口和吸入管路相通，單向底閥安裝在入管路的底部。排出管路裝有調(diào)節(jié)閥并與泵殼側(cè)旁的排出口相通。螺旋離心泵主結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 螺旋離心泵結(jié)構(gòu)示意圖
首先需要確定泵的原動(dòng)機(jī)類型及整體結(jié)構(gòu)形式，然后綜合以下計(jì)算，分析比較后做最終決定。
由于泵還沒(méi)有設(shè)計(jì)出來(lái)，但設(shè)計(jì)時(shí)又要用到泵的效率，所以先參考同類產(chǎn)品，借助公式及曲線近似計(jì)算泵所需的效率值，再設(shè)法使其接近設(shè)計(jì)所要求的值。
由文獻(xiàn)[1]查得
1) 水力效率
(2.1)
泵流量Q，泵轉(zhuǎn)速為n，g取9.8 m/s2。
2)容積效率
(2.2)
實(shí)際容積效率會(huì)低于該計(jì)算值。
3) 機(jī)械效率
(2.3)
(2.4)
4)理論揚(yáng)程和理論流量
(2.5)
(2.6)
2.3泵的進(jìn)出口直徑的確定
2.3.1進(jìn)口直徑
由文獻(xiàn)[1]查得
(2.7)
取v5=1.1m/s。
把參數(shù)代入
=mm (2.8)
取D5=200mm。
2.3.2泵的出口直徑Dd
由文獻(xiàn)[1]查得
=（1—0.7） (2.9)
本次設(shè)計(jì)的是低揚(yáng)程泵，所以取Dd=0.9 D5。
2.4 泵轉(zhuǎn)速的確定
由文獻(xiàn)[1]查得
N=Nｏ（1-S） (2.10)
N=1450r/min
S：滑差率 ，取0.967，Nｏ取1500 r/min。
由文獻(xiàn)[1]查得
(2.11)
2.5確定泵的水利方案
由文獻(xiàn)[1]查得
(2.12)
(2.13)
由文獻(xiàn)[1]查得
(2.14)
在不同國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)中n5的表達(dá)式各不相同，計(jì)算所得的n5也不同。將其換算為單位相同時(shí)的數(shù)值，公式：
=
=126.8,取。
綜合考慮以下因素來(lái)確定比轉(zhuǎn)速時(shí)：
1)泵的效率最高時(shí)ns=120~210，一旦小于60則效率明顯下降；
2)若使用單吸葉輪時(shí)ns太大，則采用雙吸式，取ns=27；
3)ns大小與泵特性曲線相關(guān)；
4)泵的級(jí)數(shù)和比轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，級(jí)數(shù)越多則ns就越大。
第3章 砂石泵的水利設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1軸功率和原動(dòng)機(jī)功率
由文獻(xiàn)[6]查得
泵的軸功率：
(3.1)
原動(dòng)機(jī)效率：
(3.2)
式中：K為余量系數(shù)；為傳動(dòng)效率。
3.2 泵軸徑和葉輪輪轂直徑的初步計(jì)算
設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)其承受載荷、軸承剛度和臨界轉(zhuǎn)速來(lái)確定泵軸的直徑。泵軸最主要的載荷是扭矩，則可根據(jù)扭矩來(lái)設(shè)計(jì)泵的最小直徑。
由文獻(xiàn)[6]查得
根據(jù)扭矩計(jì)算泵軸直徑
m (3.3)
式中：為扭矩
(3.4)
式中：為計(jì)算功率，取 =1.2N；為材料的許用應(yīng)力，取=490×Pa；d=0.04 m；=47.88 N·m；=7.27 kW。
3.3葉輪主要尺寸的確定方法
泵的性能與葉輪參數(shù)的設(shè)計(jì)有關(guān)。泵的流量與葉輪進(jìn)口半徑呈正相關(guān)；葉輪出口處液體的圓周速度和牽連速度與出口半徑呈正相關(guān)，泵的理論揚(yáng)程與之也呈正相關(guān)；葉片推動(dòng)液體的速度與葉片間距呈正相關(guān)；泵性能也受到葉片厚度、傾角、輪心錐體的角度、半徑和長(zhǎng)度等參數(shù)的影響。設(shè)計(jì)葉輪時(shí)要考慮各個(gè)參數(shù)，提高所設(shè)計(jì)的泵的性能。
使用速度系數(shù)法。
圖4 葉輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.3.1基本公式
由文獻(xiàn)[1]查得
則 (3.5)
因∝nD，則 D=-
由
D=
因∝nD,則。
K是速度系數(shù)，相似泵的K相等。利用ns和速度系數(shù)的關(guān)系，可得系數(shù)K，再根據(jù)K=f(ns)來(lái)計(jì)算各部分尺寸。
3.3.2用速度系數(shù)法計(jì)算葉輪主要尺寸的公式
由文獻(xiàn)[1]查得
1)葉輪進(jìn)出口計(jì)算
(3.6)
(3.7)
式中：Q為泵的流量；n為泵轉(zhuǎn)速；K0根據(jù)資料選取。
主要考慮效率時(shí)取=3.5~4.0
兼顧效率和汽蝕時(shí)取=4.0~4.5
主要考慮汽蝕時(shí)取=4.5~5.5
實(shí)取200mm；200mm；=180mm。
2)輪外徑或出口角的理論計(jì)算
由基本方程式：
(3.8)
由速度三角形得
(3.9)
則 (3.10)
經(jīng)整理得
解u2的一元三次方程得
由u2求得D2
求，需知，計(jì)算需用到（=Φ2），所以我們必須先假定是建立在錯(cuò)誤的基礎(chǔ)上。所以用逐次逼近法：用求得的D2或設(shè)定一個(gè)D2值，根據(jù)以上過(guò)程、重新計(jì)算，當(dāng)求得的D2值與設(shè)定的D2值相等或相近時(shí)結(jié)束。計(jì)算β2時(shí)，也要先設(shè)定β2進(jìn)行逼近計(jì)算。有關(guān)參數(shù)的計(jì)算如下：
①計(jì)算
(3.11)
(3.12)
式中：為葉片出口圓周厚度。取=0.8-0.9
= (3.13)
式中：為葉輪出口軸面截線與流線的夾角，取=70°~90°；為葉片出口實(shí)際厚度 一般取=2mm~4mm。
= (3.14)
②若使用直錐形吸水室，水沿內(nèi)壁四周流入，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，=0。
半螺旋吸水室
(3.15)
(3.16)
式中：R1為進(jìn)口半徑；m=0.055~0.08 ；Q為流量；n為轉(zhuǎn)速；n5取較大值。
裝反導(dǎo)葉時(shí)，反導(dǎo)葉出口的圓周分速度
式中：α6=60°~90，是反導(dǎo)葉出口安放角；v6=(0.85~1.0)vj，是反導(dǎo)葉出口絕對(duì)速度；v6為葉輪進(jìn)口速度。
螺旋離心泵通常選角β2，精確D2。混流泵葉片出口邊是傾斜的，為了使外徑不同的各流線的揚(yáng)程相同，D2較小的流線應(yīng)采用大的出口角β2。由速度系數(shù)法計(jì)算尺寸，畫(huà)出出口邊，計(jì)算葉片各流線的出口角。
(3.17)
取40度，葉片數(shù)取Z=2
首次精算葉輪外徑
理論揚(yáng)程
（3.18)
修正系數(shù)
ψ= (3.19)
取=0.66
靜矩
(3.20)
精算葉輪外徑
有限葉片數(shù)休整數(shù)
ψ (3.21)
無(wú)窮葉片數(shù)理論揚(yáng)程
=（1+P）=62.1 m (3.22)
葉片出口排擠系數(shù)
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)
第二次精算葉片出口排擠系數(shù)
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
=350 m (3.30)
葉片出口排擠系數(shù)
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(wú)窮葉片數(shù)出口圓周分速度
=23.59 m/s (3.34)
3.4 壓水室設(shè)計(jì)
3.4.1渦形體各斷面面積內(nèi)的平均速度
由文獻(xiàn)[1]查得
(3.35)
式中：是速度系數(shù)，若=127時(shí)，則=0.362；H=15m，為泵的揚(yáng)程。
代入上式=6.21m/s，取=6m/s。
渦形體隔舌安放角ψ=20°，分為六個(gè)斷面，計(jì)算斷面流量
20 m3/s (3.36)
斷面面積
(3.37)
式 中 ：Ф 是 斷 面 包 角 。
3.4.2、舌角的計(jì)算
由文獻(xiàn)[1]查得
舌角應(yīng)與葉輪出口絕對(duì)速度的液流角一致，即
== (3.38)
式 中 ： 為 有 限 葉 片 數(shù) 時(shí) 中 間 流 線 出 口 處 液 流 圓 周 的 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)
繪型時(shí)實(shí)際=180mm。
3.4.3 基圓直徑
由文獻(xiàn)[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
根據(jù)之前計(jì)算結(jié)果，誘導(dǎo)輪和葉輪距離X進(jìn)口直徑為D1
由于越小越好，則取為20mm
葉片厚度
mm
為軸面流線與水平的夾角
=20
實(shí)際厚度mm
流面厚度=4mm (3.42)
圓周厚度
mm (3.43)
軸面垂直厚度
5.2 mm (3.44)
徑向厚度
1.8 mm (3.45)
第4章 軸向力及其平衡
4.1 軸向力的計(jì)算
根據(jù)半開(kāi)式葉輪的經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算軸向力
式 中 ： 是 圓 心 在 葉 片 進(jìn) 口 邊 上 與 葉 輪 輪 廓 相 切 的 圓 的 直 徑 。
d1=（D1-dh）/2=40cm；k為軸向力系數(shù)，查表得 k=1.63；為d圓心處的半徑，=（D1+D2）/4=100mm；為液體重度，=2650kg/m3
故：
第5章 砂石泵主要零件的強(qiáng)度計(jì)算
5.1 葉輪強(qiáng)度計(jì)算
5.1.1蓋板強(qiáng)度計(jì)算
由文獻(xiàn)[4]查得
蓋板的應(yīng)力大部分是由離心力造成的，應(yīng)力越大的地方半徑越小。
（4.1）
（4.2）
式中：為材料的寬度；為許用應(yīng)力， 銅的；為材料的屈服極限；為拉伸強(qiáng)度；e=2.71828；D2=0.248m；ρ=7800N·m；Dx=0.2mδ2=0.008m；u2=18.9m/s；w=18.9r/s。
材料選取ZG1Cr13,KPa。
5.1.2葉片厚度計(jì)算
由文獻(xiàn)[4]查得
（4.3）
式中：H為單級(jí)揚(yáng)程；Z為葉片數(shù)；D2為葉片外徑；A是系數(shù)，取A=5；D2=0.248m；ns=127；Z=2；H=15m
S=50.248=3.4mm
實(shí)際S=4mm。
最小壁厚：
一般鑄造條件下灰鑄鐵最小許可厚度
HT250：。
高 錳 鋼 ： 砂 型 鑄 造 m m 。 筋 的 厚 度 ： 1 0 m m 。
5.1.3輪轂強(qiáng)度計(jì)算
由文獻(xiàn)[6]查得
軸向力
（4.4）
由此應(yīng)力所引起的變形為
（4.5）
式中：E為彈性模數(shù)，鑄鐵E=，鑄銅E=，銅E=；
Dc為輪轂平均直徑；為由離心力引起的輪轂直徑的變形；應(yīng)小于葉輪和軸配合的最小公盈，即<。
MPa
因 故在時(shí)葉輪蓋板是安全的。
mm
<
根據(jù)公差配合，可知因離心力引起的變形小于最小配合公盈。
5.2泵軸的強(qiáng)度校核
5.2.1 泵軸的強(qiáng)度計(jì)算
由文獻(xiàn)[9]查得
軸的當(dāng)量彎矩
（4.6）
式中：為計(jì)算斷面的彎矩；a為系數(shù)，通常取a=0.57~0.61。故取a=0.6。
N·m （4.7）
mm （4.8）
查得軸是安全的。
5.2.2 泵軸的剛度校核
由文獻(xiàn)[9]查得
由軸的細(xì)長(zhǎng)比：
經(jīng)計(jì)算，得：=1.35
故泵軸是可以采用的。
聯(lián)軸器的選用：d=40mm，L=112mm，D=130mm，D1=105mm
螺栓個(gè)數(shù)n=4，直徑M10，L0=229mm，重量m=7.29kg，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是0.043。
5.3 鍵的校核
5.3.1 鍵的選擇
由文獻(xiàn)[9]查得
M=47.88 N·m （4.9）
d=40mm
鍵：，一般鍵聯(lián)接
深度：軸，轂，平鍵l=50mm
5.3.2 鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算
由文獻(xiàn)[9]查得
計(jì)算鍵的剪切應(yīng)力：
N·m （4.10）
可知鍵是安全的。
計(jì)算鍵的擠壓應(yīng)力
N·m （4.11）
鋼的許用擠壓應(yīng)力=1500~1600 N·m
由于 ，輪轂是安全的。
鍵的剪切應(yīng)力可按下式計(jì)算：
（4.12）
式中：M為鍵所傳遞的扭矩；d為軸徑；b為鍵的寬度；l為鍵的長(zhǎng)度；為鍵的許用剪切應(yīng)力，45號(hào)鋼的鍵取=600 N·m。
擠壓應(yīng)力
（4.13）
式中：h為鍵高；為許用擠壓應(yīng)力。
通常需根據(jù)輪轂材料進(jìn)行校核。鍵的材料的許用擠壓應(yīng)力比輪轂的大，故取鋼的許用擠壓應(yīng)力：=1500-1600 N·m。
第6章 砂石泵主要通用零部件的選擇
6.1軸封結(jié)構(gòu)的選擇
此 次 設(shè) 計(jì) 的 填 料 密 封 的 結(jié) 構(gòu) 尺 寸 為 ：
填料寬度S
=1.6=10mm （5.1）
d為軸式軸套直徑
填料高度H
當(dāng)液體壓力MPa時(shí)
H=(5-7)S=60mm （5.2）
填料壓蓋高度h
h=(2-3)S=25mm （5.3）
填料壓蓋長(zhǎng)度b
b=(0.5-1)S=8 mm （5.4）
填料壓蓋螺栓長(zhǎng)度L
需 保 證 填 料 函 體 內(nèi) 裝 滿 填 料 時(shí) ， 不 必 加 壓 就 能 擰 上 螺 母 。
填料壓蓋螺栓直徑d，取M6
填料壓蓋厚度
=9 mm （5.5）
取=7mm
為 填 料 壓 蓋 螺 栓 直 徑 。
6.2 軸承部件的選擇
選擇61309/P6型號(hào)的深溝球軸承（GB276-64）。
尺寸：軸徑d = 45mm，D =100mm，B = 25mm
安裝尺寸：D1 =54 mm，D3=90mm
重量：0.83kg
選擇11109/P6型號(hào)的雙列向心球面球軸承（GB281-64）
尺寸：軸徑 d = 45mm，D =100mm，B = 36mm
安裝尺寸：D1=55mm，D3=90mm
重量：1.25kg
6.3 聯(lián)軸器的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，由于直徑等于40mm，故選擇彈性套柱銷聯(lián)軸器（GB4323-84）,Tl6型號(hào)，L=112mm，D=160mm，A=45mm。
重量：10.36kg
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.026kg·m2
6.4 電動(dòng)機(jī)的選擇
查手冊(cè)電動(dòng)機(jī)選取Y系列封閉式三相異步電動(dòng)機(jī)。
電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)：
型號(hào)：Y132M-4；功率：7.5kW；額定電流：15.4A；額定電壓：380V；轉(zhuǎn)速：1440r/min；效率：87%；功率因數(shù)：0.85。
結(jié)束語(yǔ)
本次所設(shè)計(jì)的螺旋離心泵，在當(dāng)今國(guó)際上具有廣泛的應(yīng)用范圍，且開(kāi)發(fā)前景十分樂(lè)觀。在實(shí)際生產(chǎn)中，它解放了生產(chǎn)力、創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，為工業(yè)、生產(chǎn)業(yè)、礦業(yè)等許多行業(yè)的進(jìn)步起到了巨大的推進(jìn)作用。
設(shè)計(jì)就要有創(chuàng)新、有可行性。本次螺旋離心泵的設(shè)計(jì)是為了能更廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，在控制成本的情況下創(chuàng)造盡可能多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。結(jié)合了普通螺旋泵和離心泵的技術(shù)原理，大量閱讀資料后通過(guò)反復(fù)的計(jì)算、驗(yàn)算，證明了該泵的可靠性和實(shí)用性，以及在輸送物料上不可比擬的優(yōu)異性。
在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我充分利用了四年來(lái)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，并在查閱大量文獻(xiàn)中了解掌握了許多新的知識(shí)。這些都幫助我順利地完成了此次的課題。在設(shè)計(jì)中，綜合考慮了成本問(wèn)題，如何使經(jīng)濟(jì)效益最大化問(wèn)題，如何使產(chǎn)品安全可靠、質(zhì)量過(guò)硬等多方面的問(wèn)題，改進(jìn)了大量參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使此次的設(shè)計(jì)得到了優(yōu)化。
經(jīng)過(guò)精心、細(xì)心、耐心地設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品，相信它能夠在實(shí)踐生產(chǎn)中，發(fā)揮它的作用。
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[13]機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].冶金工業(yè)出版社，2002.
致謝
到今天為止，此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于順利完成了，首先我要感謝金山學(xué)院對(duì)我的培養(yǎng)，在我遇到困難時(shí)，是金山學(xué)院的精神鼓舞著我，讓我充滿榮譽(yù)感和使命感。
在這大半年的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我最要感謝我的導(dǎo)師——林高飛副教授，是他不辭辛苦、不求回報(bào)、毫不保留地指導(dǎo)我。從最初的選題到畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成，林老師都以他嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和積極的生活態(tài)度感染并激勵(lì)著我，讓我不懼困難的挑戰(zhàn)，克服了一個(gè)又一個(gè)的技術(shù)難題，最終完成了螺旋離心泵的設(shè)計(jì)。
而我周圍的同學(xué)們也給予了我莫大的幫助，他們?cè)谖矣龅嚼щy時(shí)，為我提供想法和建議，經(jīng)常使我有了新思路。在此我要衷心的感謝一直以來(lái)幫助我的那些同學(xué)。
- 26 -
黑龍江科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（或論文）說(shuō)明書(shū)
附錄1
離心泵的故障分析
摘要
離心泵故障按其產(chǎn)生的原因可以分成泵本身的機(jī)械故障、泵和管道組成的工藝系統(tǒng)存在的缺陷導(dǎo)致的泵出現(xiàn)異常振動(dòng)、噪聲等故障。后類故障原因比較隱蔽，不易查明。通過(guò)工作中遇到的幾個(gè)實(shí)例，對(duì)工藝和管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題導(dǎo)致的離心泵故障進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。
Abstract:Leadership water pump break down to press its output reason and can be divided into the mechanical trouble of oneself pump and pump to appear with the pump that blemish cause that the craft system that piping constitute exsits abnormality vibration, voice etc. break down. The empress type breaks down the reason more concealment, find out not easily.Passes a few and solid example met in the work, to craft with take care of the road system the design the problem cause of leadership water pump break down proceeded the analysis, and put forward the homologous counterplan.
關(guān)鍵詞：離心泵 機(jī)械故障 分析 真空度
Keywords: Leadership water pump Mechanical trouble Analysis
1離心泵吸入管路進(jìn)氣
由于氣體密度遠(yuǎn)小于液體，氣體通過(guò)葉輪流道時(shí)，所能得到的壓頭遠(yuǎn)小于液體通過(guò)葉輪流道時(shí)所得到的壓頭。在葉輪流道中的不同位置，壓力分布不同，當(dāng)液體中混有氣體時(shí)，氣泡在這種不均勻的壓力作用下，先膨脹后壓縮，產(chǎn)生了類似汽蝕的沖擊，最后有可能會(huì)被壓潰或破滅。葉輪受到激振力作用會(huì)劇烈振動(dòng)并發(fā)出噪聲泵出口壓在密閉系統(tǒng)中與液體一起循環(huán)流動(dòng)，無(wú)法排出系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中夾帶的氣體的量比較多，泵就會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)。密閉系統(tǒng)中氣體來(lái)源主要有兩個(gè)方面:
(l)系統(tǒng)本身設(shè)計(jì)不合理存在難以排氣的死角，每次向系統(tǒng)中注入液體時(shí)這些死角區(qū)域殘留有大量空氣，而在循環(huán)時(shí)這些空氣有可能被帶入泵中。
(2)系統(tǒng)工作液體在長(zhǎng)期工藝循環(huán)中產(chǎn)生不凝性氣體由于系統(tǒng)缺少氣液分離、排放措施不凝性氣體在系統(tǒng)中積聚。如加熱系統(tǒng)中的熱媒等有機(jī)物在長(zhǎng)期循環(huán)使用中會(huì)因氧化等原因產(chǎn)生氣態(tài)物質(zhì)。
在密閉系統(tǒng)中出現(xiàn)上述兩種情況時(shí)，首先要盡快想辦法排放系統(tǒng)中的氣體，其次要準(zhǔn)確判斷氣體的來(lái)源杜絕氣體在系統(tǒng)中的存在;不能杜絕的，要在系統(tǒng)中增加氣液分離裝置并定期進(jìn)行排放。顯然對(duì)于密閉循環(huán)系統(tǒng)，在系統(tǒng)的合適部位裝設(shè)氣體收集(存系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)低點(diǎn)、和(或、排放裝置(如系統(tǒng)管路的最高點(diǎn))加強(qiáng)巡檢對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期排氣是必不可少的
某干燥轉(zhuǎn)鼓熱媒加熱系統(tǒng)(如圖l)中的1臺(tái)B41 5 H M 0506衛(wèi)型屏蔽泵在試車中發(fā)現(xiàn)泵體振動(dòng)嚴(yán)重噪聲大出口壓力劇烈波動(dòng)。排除泵本身有機(jī)械和電氣故障后對(duì)整個(gè)熱媒系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)中的錦輪轉(zhuǎn)鼓(設(shè)備l)無(wú)排氣口系統(tǒng)充注熱媒時(shí)，轉(zhuǎn)鼓加熱夾套中的空氣排不出來(lái)。開(kāi)車時(shí)，空氣被吸入屏蔽泵中造成故障。于是在錦輪轉(zhuǎn)鼓上加裝排氣閥，在系統(tǒng)補(bǔ)加熱媒時(shí)進(jìn)行高位排氣再起動(dòng)屏蔽泵泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常。
。
對(duì)于開(kāi)放式循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)中產(chǎn)生的氣體可以直接排入大氣氣體在系統(tǒng)中不會(huì)積聚。所以進(jìn)入泵中的氣體主要是由泵的進(jìn)口管路從外界吸入的。因此發(fā)生這類故障時(shí)應(yīng)著重對(duì)吸入管路進(jìn)行檢查。
如某冷凍水循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，如圖2所示其中的循環(huán)泵(型號(hào)151 50一125一400，揚(yáng)程為45m，流量為190m3/h)是1臺(tái)單級(jí)單吸離心泵。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)泵剛起動(dòng)時(shí)并無(wú)異常起動(dòng)約Zmin后開(kāi)始出現(xiàn)周期性振動(dòng)，出口壓力表指針大輻擺動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)系統(tǒng)管架也隨之晃動(dòng)。經(jīng)多次試驗(yàn)，均重復(fù)出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。經(jīng)檢查該泵運(yùn)轉(zhuǎn)部件沒(méi)有問(wèn)題。而且該泵供水的冷凍水箱液位高于泵體，吸入管路上水力損失很小，泵不會(huì)發(fā)生氣蝕。排除諸因素后，考慮可能是泵運(yùn)行中吸入了氣體，遂對(duì)泵吸入管路進(jìn)行重點(diǎn)檢查，檢查冷凍水箱時(shí)發(fā)現(xiàn)水箱DN250的回水管管口正好位于泵吸入管管口上方，離水箱液面0.3m，離吸入管管口lm。高速?zèng)_入池中的回水從液面夾帶大量空氣直沖泵
吸入口，使泵吸入大量空氣，造成泵體振動(dòng)。為此采取將泵吸入管向池內(nèi)延伸1 .sm，避開(kāi)水池回水口，結(jié)果消除了故障。
2離心泵出口管路存在的氣堵
在循環(huán)管路系統(tǒng)中，管路的較高處或較大的工藝閥門(mén)上部易產(chǎn)生氣體的聚集。離心泵運(yùn)行時(shí)在這些部位會(huì)形成氣囊，液體流經(jīng)這些區(qū)域時(shí)流動(dòng)阻力增大，局部壓力升高，壓縮氣體，氣體體積減小，又使局部壓力下降，周而復(fù)始，造成液體壓力劇烈波動(dòng)形成系統(tǒng)管路水擊導(dǎo)致泵體振動(dòng)。
這類故障多出現(xiàn)于系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行，系統(tǒng)排氣不充分的時(shí)候。合理地設(shè)計(jì)系統(tǒng)管路可以減少產(chǎn)生氣堵。
3工藝參數(shù)變化與泵的汽蝕
常見(jiàn)的引起泵汽蝕的因素主要有泵的安裝福度不合理、吸入管路的阻力損失太大或泵選型可適當(dāng)、工作點(diǎn)不合理等。但在復(fù)雜的工藝系統(tǒng)中一臺(tái)原本選型正確、工作穩(wěn)定的離心泵也會(huì)因跳工藝參數(shù)的極端變化發(fā)生汽蝕。
3·1吸入壓力變化引發(fā)汽蝕
從泵的吸入液面到葉輪流道低壓區(qū)列伯努利方程，可以看到當(dāng)吸入液面上的壓力減小時(shí)，葉輪入口的壓力就降低，反之則上升。也就是說(shuō)泵的抗汽蝕能力隨液面壓力增大而提高，隨液面壓力減小而降低。
由表1可以看出cq跨臨界循環(huán)系統(tǒng)在制冷系數(shù)、制熱系數(shù)均偏低的前提下，cq空調(diào)+熱水禍合系統(tǒng)方案與傳統(tǒng)工質(zhì)空調(diào)系統(tǒng)+電熱水器方案相比全年總耗電量減少了32.1%全年綜合性能系數(shù)提高了47 .4%。
4結(jié)論
(l)cq跨臨界循環(huán)空調(diào)+熱水禍合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，而且能夠滿足制冷、制冷+熱水、熱水、制熱、制熱+熱水5種工況需求，可以有效提高系統(tǒng)利用率;
(2)該禍合系統(tǒng)可以回收和利用cq跨臨界循環(huán)的排氣熱量，系統(tǒng)總體性能較高，在能源利用、環(huán)境安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面都具有優(yōu)勢(shì)和潛力，具有廣闊的應(yīng)用前景。
附錄2
數(shù)控技術(shù)
先進(jìn)制造技術(shù)中的一個(gè)最基本的概念是數(shù)字控制（NC）。在數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)之前，所有的機(jī)床都是人工操縱和控制的。在與人工控制的機(jī)床有關(guān)的很多局限性中，操作者的技能大概是最突出的問(wèn)題。采用人工控制時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量直接與操作者的技能有直接的關(guān)系。數(shù)字控制代表了從人工控制機(jī)床做出來(lái)的第一步。
數(shù)字控制技術(shù)意味著采用預(yù)先錄制的、存儲(chǔ)的符號(hào)指令，控制機(jī)床和其他制造系統(tǒng)。一個(gè)數(shù)控技師的工作不是去操縱機(jī)床，而是編寫(xiě)能夠發(fā)出機(jī)床操縱指令的程序。對(duì)于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，其上必須有一個(gè)被稱為閱讀機(jī)的界面裝置，用來(lái)接受和解譯編程指令。
發(fā)展數(shù)控技術(shù)是為了克服人類操作者的局限性，而且它確實(shí)完成了這項(xiàng)工作。數(shù)字控制的機(jī)器比人工操縱的機(jī)器的精度更高、生產(chǎn)零件的一致性更好、生產(chǎn)速度更快、而且長(zhǎng)期的工藝裝備成本更低。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致制造工藝中其他幾項(xiàng)新發(fā)明的產(chǎn)生。
●電火花加工技術(shù)
●激光切割
●電子束焊接
數(shù)字控制還使得機(jī)床比他們采用人工操縱的前輩們的用途更為廣泛。一臺(tái)數(shù)控機(jī)床可以自動(dòng)產(chǎn)生很多種類的零件，每個(gè)零件都可以有不同和復(fù)雜的加工過(guò)程。數(shù)控可使生產(chǎn)廠家承擔(dān)那些對(duì)于采用人工控制的機(jī)床和工藝來(lái)說(shuō)，在經(jīng)濟(jì)上是不 劃算的產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)。
與許多先進(jìn)技術(shù)一樣，數(shù)控誕生于麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室中。數(shù)控這個(gè)概念是20世紀(jì)50年代初在美國(guó)空軍的資助下提出來(lái)的。在其最初階段，數(shù)控機(jī)床可以經(jīng)濟(jì)和有效地進(jìn)行直線切割。
然而，曲線軌跡成為機(jī)床加工的一個(gè)問(wèn)題，在編程時(shí)應(yīng)采用一系列的水平與豎直的臺(tái)階來(lái)生成曲線。構(gòu)成臺(tái)階的每個(gè)線段越短，曲線就越光滑。臺(tái)階中的每個(gè)線段都必須經(jīng)過(guò)計(jì)算。
在這個(gè)問(wèn)題促使下，與1959年誕生了自動(dòng)編程工具（ATP）語(yǔ)言。這是個(gè)專門(mén)適用于數(shù)控的編程語(yǔ)言，使用類似于英語(yǔ)的語(yǔ)句來(lái)定義零件的幾何形狀，描述切削刀具的形狀和規(guī)定必要的運(yùn)動(dòng)。ATP語(yǔ)言的研究和發(fā)展是在數(shù)控技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展過(guò)程中 的一大進(jìn)步。最初的數(shù)控系統(tǒng)與今天應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)是有很大差別的。在那時(shí)的機(jī)床中，只有硬線邏輯電路。指令程序?qū)懺诖┛准垘希ê髞?lái)它被塑料紙帶所取代），采用帶閱讀機(jī)將寫(xiě)在紙帶或磁帶上的指令給機(jī)器翻譯出來(lái)。所有這些共同構(gòu)成了機(jī)床數(shù)字控制方面的巨大進(jìn)步。然而，在數(shù)控發(fā)展的這個(gè)階段還存在著許多問(wèn)題。
一個(gè)主要問(wèn)題是穿孔紙帶的易損壞性。在機(jī)械加工過(guò)程中，載有編程指令信息的紙帶斷裂和被撕壞是常見(jiàn)的事情。在機(jī)床上每加工一個(gè)零件，都需要將載有指令的紙帶放入閱讀機(jī)中重新運(yùn)行一次。因此，這個(gè)問(wèn)題變得很嚴(yán)重。如果需要制造100個(gè)某種零件，則應(yīng)該將紙帶分別通過(guò)閱讀機(jī)100次。、易損壞的紙帶顯然不能承受嚴(yán)酷的車間環(huán)境和這種重復(fù)使用。
這就導(dǎo)致了一種專門(mén)的塑料磁帶的研制。在紙帶上通過(guò)采用一系列的小孔來(lái)載有編程指令，而在塑料帶上通過(guò)采用一系列的磁點(diǎn)來(lái)載有編程指令。塑料帶強(qiáng)度比紙帶強(qiáng)度要高很多，這就可以解決常見(jiàn)的撕壞和斷裂問(wèn)題。然而，它仍然存在著兩個(gè)問(wèn)題。
其中最重要的一個(gè)問(wèn)題就是，對(duì)輸入帶中的指令進(jìn)行修改是非常困難的，或者是根本不可能的。即使對(duì)指令程序進(jìn)行最微小的調(diào)整，也必須中斷加工，制作一條新帶。而且?guī)ㄟ^(guò)閱讀機(jī)的次數(shù)還必須與需要加工的零件個(gè)數(shù)相同。幸運(yùn)的是，計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用很快解決了數(shù)控技術(shù)中與穿孔紙帶有關(guān)的問(wèn)題。
在形成直接數(shù)字控制（DNC）這個(gè)概念之后，可以不再采用紙帶或塑料帶作為編程指令的載體，這樣就解決了與之有關(guān)的問(wèn)題。在直接數(shù)字控制中，幾臺(tái)機(jī)床通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路連接到一臺(tái)主計(jì)算機(jī)上。操縱這些機(jī)床所需要的程序都存儲(chǔ)在這臺(tái)主計(jì)算機(jī)中。當(dāng)需要時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線路提供給每臺(tái)機(jī)床。直接數(shù)字控制是在穿孔紙帶和塑料帶基礎(chǔ)上的一大進(jìn)步。然而，它也有著與其他依賴于主計(jì)算機(jī)的技術(shù)一樣的局限性。當(dāng)主計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，由其控制的所有機(jī)床都將停止工作。這個(gè)問(wèn)題促使了計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的產(chǎn)生。
微處理器的發(fā)展為可編程邏輯控制器和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展做好了準(zhǔn)備。這兩種技術(shù)為計(jì)算機(jī)數(shù)控的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。采用CNC技術(shù)后，每臺(tái)機(jī)床上都有一個(gè)可編程邏輯控制器或者微機(jī)對(duì)其進(jìn)行數(shù)字控制。這可以使得程序被輸入和存儲(chǔ)在每臺(tái)機(jī)器內(nèi)部。它還可以在機(jī)床以外編制程序，并且將其下載到每臺(tái)機(jī)床中。計(jì)算機(jī)數(shù)控解決了主計(jì)算機(jī)發(fā)生故障所帶來(lái)的問(wèn)題，但是它產(chǎn)生了另一個(gè)被稱為數(shù)據(jù)管理的問(wèn)題。同一個(gè)程序可能要分別裝入十個(gè)相互之間沒(méi)有通信聯(lián)系的微機(jī)中。這個(gè)問(wèn)題正在解決之中，它是通過(guò)采用局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)微機(jī)連接起來(lái)，以利于更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。
數(shù)控是可編程自動(dòng)化技術(shù)的一種形式，通過(guò)數(shù)字、字母和其它符號(hào)來(lái)控制加工設(shè)備。數(shù)字。字母和符號(hào)用適當(dāng) 格式編碼為一個(gè)特定工件定義指令程序。當(dāng)工件改變時(shí)，指令程序就改變。這種改變程序的能力使
數(shù)控適合于中，小批量生產(chǎn)，寫(xiě)一段新程序遠(yuǎn)比對(duì)加工設(shè)備做大的改動(dòng)容易得多。
控機(jī)床有兩種基本形式：點(diǎn)控制和連續(xù)控制。點(diǎn)控制機(jī)床采用異步電動(dòng)機(jī)，因此，主軸的定只能通過(guò)完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)或一個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種機(jī)床主要用于直線切削或鉆孔、鏜孔等場(chǎng)合。圖20-1表明了
一個(gè)點(diǎn)位控制運(yùn)動(dòng)從X、Y、Z坐標(biāo)2,0,0(點(diǎn)a)到0,1,3(點(diǎn)d)的典型順序。在本倒中，三個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)同時(shí)式作，當(dāng)?shù)竭_(dá)各自軸的適當(dāng)位置時(shí)，就分別停機(jī)。運(yùn)動(dòng)從坐標(biāo)2,0,0(點(diǎn)a)開(kāi)始，三個(gè)電動(dòng)機(jī)一起動(dòng)作，將主軸帶
到1,1,1(點(diǎn)b)符近，此時(shí)y軸電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。主軸續(xù)運(yùn)動(dòng)到0,1,2(點(diǎn)c)此時(shí)軸x電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。最后，主軸在軸電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到0,1,3(點(diǎn)d),完成運(yùn)動(dòng).點(diǎn)控制的數(shù)控機(jī)床是最簡(jiǎn)單、最便宜的。
圖20-2對(duì)點(diǎn)位控制運(yùn)動(dòng)和連續(xù)控制運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了比較。在連續(xù)控制時(shí)，三個(gè)電動(dòng)機(jī)按一定的速度比倒連續(xù)
運(yùn)轉(zhuǎn)，形成從A到D的一條直線。連續(xù)控制的數(shù)控機(jī)床通常由計(jì)算機(jī)控制。
數(shù)控系統(tǒng)由下列組件組成：數(shù)據(jù)輸入裝置，帶控制單元的磁帶閱讀機(jī)，反饋裝置和切削機(jī)床或其它形式
的數(shù)控設(shè)備。
數(shù)據(jù)輸入裝置，也稱“人機(jī)聯(lián)系裝置”，可用人工或全自動(dòng)主法向機(jī)床提供數(shù)據(jù)，人工方法作為輸入數(shù)據(jù)唯一方法時(shí)，只限于少量輸入，人工輸入裝置有鍵盤(pán)、撥號(hào)盤(pán)，按鈕，開(kāi)關(guān)或撥輪選擇開(kāi)關(guān)，這些都位于機(jī)床附近的一個(gè)控制臺(tái)上。撥號(hào)盤(pán)通常到一個(gè)同步解析器或電位訂的模擬裝置上。在大多數(shù)情況下，按鈕、開(kāi)關(guān)、和其他類似的旋鈕是數(shù)據(jù)輸入元件。人工輸入需要操作者控制每個(gè)操作，這是一個(gè)既慢又單調(diào)的過(guò)程， 除了簡(jiǎn)單加工場(chǎng)合或特殊情況，已很少使用。
幾乎所有情況下，信息都是通過(guò)卡片、穿孔紙帶或磁帶自動(dòng)提供給控制單元。在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中，八信道空孔紙帶是最常用的數(shù)據(jù)輸入形式，紙帶上的編碼指令由一系列稱為程序塊的空孔組成。每一個(gè)程序塊代表一種加工功能、一種操作或兩者的組合。紙帶上的整個(gè)數(shù)控程序由這些連續(xù)數(shù)據(jù)單元連接而成，帶有程序的長(zhǎng)帶子像電影膠片一樣繞在盤(pán)子上，相對(duì)較短的帶子上的程序可通過(guò)將紙帶兩端連接形成一個(gè)循環(huán)而連續(xù)不斷地重復(fù)使用。帶子一旦安裝好，就可反復(fù)使用而無(wú)需進(jìn)一步處理。此時(shí)，操作者只是簡(jiǎn)單地上、下工件。穿孔紙是在帶有特制穿孔符件的打字機(jī)或直接連到計(jì)算機(jī)上的紙帶穿孔裝置上做成的。紙帶制造很少不出錯(cuò)，錯(cuò)誤可能由編程、卡片穿孔或編碼、紙帶穿孔時(shí)的物理?yè)p害等開(kāi)成。通常，必須要試走幾次來(lái)排除錯(cuò)誤，才能得到一個(gè)可用的工作紙帶。
雖然紙帶上的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)給的，但實(shí)際編程卻是手工完成的，在編碼紙帶做前，編程者經(jīng)常要和一個(gè)計(jì)劃人員或工藝工程師一起工作，選擇合適的數(shù)控機(jī)床，決定加工材料，計(jì)算切削速度和進(jìn)給速度，決定所需刀具類型，仔細(xì)閱讀零件圖上尺寸，定下合適的程序開(kāi)始的零參考點(diǎn)，然后定出程序清單，其上記載有描述加工順序的編碼數(shù)控指令，機(jī)床按順序加工工件到圖樣要求。
控制單元接受和儲(chǔ)存編碼數(shù)據(jù)，直到形成一個(gè)完整的信息程序塊，然后解釋數(shù)控指令，并引導(dǎo)機(jī)床得到所需運(yùn)動(dòng)。
為更好理解控制單元的作用，可將它與撥號(hào)電話進(jìn)行比較，即每撥一個(gè)數(shù)字，就儲(chǔ)存一個(gè)，當(dāng)整個(gè)數(shù)字撥好后，電話就被激活，也就完成了呼叫。
裝在控制單元里的紙帶閱讀機(jī)，通過(guò)其內(nèi)的硅光二極管，檢測(cè)到穿過(guò)移動(dòng)紙帶上的孔漏過(guò)的光線，將光束轉(zhuǎn)變成電能，并通過(guò)放大來(lái)進(jìn)一步加強(qiáng)，然后將信號(hào)送到控制單元里的寄存器，由它將動(dòng)作信號(hào)傳到機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置。
有些光電裝置能以高達(dá)每秒1000個(gè)字節(jié)的速度閱讀，這對(duì)保持機(jī)床連續(xù)動(dòng)作是必須的，否則，在輪廓加工時(shí)，刀具可能在工件上產(chǎn)生劃痕。閱讀裝置必須要能以比控制系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)更快的速度來(lái)閱讀數(shù)據(jù)程序塊。
反饋裝置是用在一些控設(shè)備上的安全裝置，它可連續(xù)補(bǔ)償控制位置與機(jī)床運(yùn)動(dòng)滑臺(tái)的實(shí)際位置之間的誤差。裝有這種直接反饋檢查裝置的數(shù)控機(jī)床有一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)裝置。位置控制通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際工作時(shí)，記錄下滑臺(tái)的位置，并將這些信息送回控制單元。接受到的信號(hào)與紙帶輸入的信號(hào)相比較，它們之間的任何偏差都可得到糾正。
在另一個(gè)稱為開(kāi)環(huán)的系統(tǒng)中，機(jī)床僅由響應(yīng)控制器命令的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定位，工作的精度幾乎完全取決于絲杠的精度和機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度。在這個(gè)系統(tǒng)中，沒(méi)有信息反饋到控制單元的自矯正過(guò)程。出現(xiàn)誤動(dòng)作時(shí)，控制單元繼續(xù)發(fā)出電脈沖。比如，一臺(tái)數(shù)控銑床的工作突然過(guò)載，阻力矩超過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)矩時(shí)，將沒(méi)有響應(yīng)信號(hào)送回到控制器。因?yàn)?，步進(jìn)電機(jī)對(duì)載荷變化不敏感，所以許多數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許電機(jī)停轉(zhuǎn)。然而，盡管有可能損壞機(jī)床結(jié)構(gòu)或機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，也有使用帶有特高轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電機(jī)的其他系統(tǒng)，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)有足夠能力應(yīng)付系統(tǒng)中任何偶然事故。
最初的數(shù)控系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。在開(kāi)、閉兩種系統(tǒng)中，閉環(huán)更精確，一般說(shuō)來(lái)更昂貴。起初，因?yàn)樵葌鹘y(tǒng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率限制，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)幾乎全部用于輕場(chǎng)合，最近出的電液步進(jìn)電動(dòng)機(jī)已越來(lái)越多地用于較重的加工領(lǐng)域。
Numerical Control
One of the most fundamental concepts in the area of advanced manufacturing technologies is numerical controlled (NC).Prior to the advent of NC; all machine tools were manually operated and controlled. Among the many limitation of operator skills. With manual control, the quality of the product is directly related to and limited to the skills of the operator. Numerical control represents the first major stop away from human control of machine tools.
Numerical control means the control means the control of machine tools and other manufacturing systems through the use of prerecorded, written symbolic instructions. Rather than operational instructions to the machine tool. For a machine tool to be numerically controlled, it must be interfaced with a device error accepting and decoding the programmed instructions, known as a reader.
Numerical control was developed to overcome the limitation of human operators, and it has done so Numerical control machines are more accurate the manually operated machines, they can produce parts more uniformly, they are faster, and the long-run tooling costs are lower. The development of NC led to the development of several other innovations in manufacturing technology:
1. Electrical discharge machining
2. Laser cutting.
3. Electrin beam welding.
Numerical control has also made machine tools more versatile than their manually operated predecessors. An NC machine tool can automatically produce a wide variety of parts, each involving an assortment of widely varied and complex machining processes. Numerical control has allowed manufacturers to undertake the production of products that would not have been feasible from an economic perspective using manually controlled machine tools and processes.
Like so many advanced technologies, NC was born in the laboratories of the Massachusetts Institute of Technology. The concept of NC was developed in the early 1950s with funding provided by the U.S. Air Force. In its earliest stages, NC machines were able to make straight cuts efficiently and effectively.
However, curved paths were a problem because the machine tool had to be programmed to undertake a series of horizontal and vertical steps to produce a curve. The shorter is the straight lines making up the steps, the smoother is the curve. Each line segment in the steps had to be calculated.
This problem led to the development in 1959 of the Automatically Programmed Tools (APT) language. This is a special programming language for NC that uses statements similar to English language to define the part geometry , describe the cutting tool configuration, and specify the necessary motions . The development of the APT language was a major step forward in the further development of NC technology. The original NC systems were vastly different from those used today. The machines had hardwired logic circuits. The instructional programs were written on punched paper, which was later to be replaced by magnetic plastic tape. A tape reader was used to interpret the instructions written on the tape for the machine. Together, all of this represented a giant step forward in the control of machine tools. However, there were a number of problems with NC at this point in its development.
A major problem was the fragility of the punched paper tape medium. It was common for the paper tape containing the programmed instructions to break or tear during a machining process. This problem was exacerbated by the fact that each successive time a part was produced on a machine tool, the paper tape carrying the programmed instructions had to be rerun through the reader , If it was necessary to produce 100 copies of a given part , it was also necessary to run the paper tape through the reader 100 separate times. Fragile paper tapes simply could not withstand the rigors of a shop floor environment and this kind of repeated use.
This led to the development of a special magnetic plastic tape. Whereas the paper tape carried the programmed instructions as a series of holes punched in the tape, the plastic tape carried the instructions as a series of magnetic dots. The plastic tape was much stronger than the paper tape, which solved the problem of frequent tearing and breakage. However, it still left two other problems.
The most important of these was that it was difficult or impossible to change the instructions entered on the tape. To make even the most minor adjustments in a program of instructions, it was necessary to interrupt machining operations and make a new tape, It was also still necessary to run the tape through the reader as may times as there were parts to be produced, Fortunately, computer technology became a reality and soon solved the problems of NC associated with punched paper and plastic tape.
Te development of a concept known as direct numerical control (DNC) solved the paper and plastic tape problems associated with numerical control by simply eliminating tape as the medium for carrying the programmed instructions. In direct numerical control, machine tools are tide, via a data transmission link, to a host computer. Programs for operating the machine tools are stored in the host computer and fed to the machine tool as needed via the data transmission linkage. Direct numerical control represented a major step forward over punched tape and plastic tape. However, it is subject to the same limitations as all technologies that depend on a host computer. When the host computer goes down, the machine tools also experience downtime. This problem led to the development of computer numerical control.
The development of the microprocessor allowed for the development of programmable logic controllers (PLCs) and microcomputers. These two technologies allowed for the development of computer numerical control (CNC). With CNC, each machine tool has a PLC or a microcomputer that serves the same purpose. This allows programs to be input and stored at each individual machine tool. It also allows programs to be developed off-line and downloaded at the individual machine tool. CNC solved the problems associated with downtime of the host computer, but it introduced another problem known as data management .The same program might be loaded in ten different microcomputers with no communication among them. This problem is in the process of being solved by local area networks that connect microcomputers for better data management.
Numerical control (n/c) is a form of programmable automation in which the processing equipment is controlled by means of numbers, letters, and other symbols. The numbers, letters, and symbols are coded in an appropriate format to define a program of instructions for a particular workpants or job .When the job changes, the program of instructions is changed .The capability to change the program is what makes N/C suitable for low-and medium-volume production. It is much easier to write programs than to make major alterations of the processing equipment.
There are two basic types of numerically controlled machine tools: point-to-point and continuous-path (also called contouring). Point-to-point machines use unsynchronized motors, with the result that the position of the machining head can be assured only upon completion of a moment, or while only one motor is running. Machines of this type are principally used for straight-line cuts or for drilling or boring.fig.20-1 illustrates a typical sequence of a point-to-point movement from xyz coordinates 2,0,0(point A)to 0,1,3(point D).In this example, all three servomotors would begin operating and then each would shut off as it reached the proper station for this axis. the action would start at coordinate 2,0,o(point A).The three motors operating together would carry the machining head to the vicinity of 1,1,1(point B),where the y motor would stop. The head would then continue to 0, 1, and 2(point C), where the x motor would stop. Finally, the head would complete its movement to 0,1,3(point D) under the action of motor Z. Machine tools with point-to-point system controls are the simplest and least expensive.
A comparison of continuous-path motion to point-to-point motion is illustrated in Fig.20-2.In this example, the motors would run continuously at proportional speeds. A straight line would be generated from A to D .Machine tools equipped with continuous-path capabilities are normally operated by computers.
The N/C system consists of the following components: data input, the tape reader with the control unit, feedback devices, and the metal-cutting machine tool or other type of N/C equipment.
Data input, also called "man-to-control link", may be provided to the machine tool manually or entirely by automatic means. Manual methods when used as the sole source of input data are restricted to a relatively small number of inputs. Examples of manually overstated devices are keyboard dials, pushbuttons, switches, or thumbwheel selectors. These are located on a comps; e mere tie , caromed. Dials are analog devices usually connected to a synchronic-type resolved or potentiometer. In most cases, pushbuttons, switches, and other similar controls for each operation. It is a slow and tedious process and is seldom justified except in elementary machining applications or in special cases.
In practically all cases, information is automatically supplied to the control unit and the machine tool by cards, punched tapes, or by magnetic tape. Eight-channel punched paper tape is the most commonly used form of data input for conventional N/C systems .The coded instructions on the tape consist of sections of punched holes called blocks .Each block represents a machine function, a machining operation, or a combination of the two .The entire N/C program on a tape is made up of an accumulation of these successive data blocks. Programs resulting in long tapes are wound on reels like motion-picture film. Programs on relatively short tapes may be continuously repeated by joining the two ends of the tape to form a loop .Once installed, the tape is used again and again without further handling. In this case, the operator simply loads and unloads the parts. Punched tapes are prepared on typewriters with special tape-punching attachments or in tape punching units connected directly to a computer system. Tape production is rarely error-free, Errors may be initially caused by the part programmer, in card punching or compilation, or as a result of physical damage to the tape during handling, etc. Several trial runs are often necessary to remove all errors and produce an acceptable working tape.
While the data on the tape is fed automatically, the actual programming steps are done manually. Before the coded tape may be prepared, the programmer, often working with a planner or a process engineer, must select the appropriate N/C machine tool, determine the kind of material to be machined, calculate the speeds and feeds, and decide upon the type of tooling needed. The dimensions on the part print are closely examined to determine a suitable zero reference point from which to start the program. Aerogram manuscript is then written which gives coded numerical instructions describing the sequence of operations that the machine tool is required to follow to cut the part to the drawing specifications.
The control unit receives and stores all coded data until a complete block of information has been accumulated. It then interprets the coded instruction and directs the machine tool through the required motions.
The function of the control unit may be better understood by comparing it to the action of a dial telephone, where, as each digit is dialed, it is stored. When the entire number has been dialed, the equipment becomes activated and the call is completed.
Silicon photo diodes, located in the tape reader head on the control unit, detect light as it passes through the holes in the moving tape. The light beams are converted to electrical energy, which is amplified to further strengthen the signal .The signals are then sent to registers in the control unit, where actuation signals are relayed to the machine tool drives.
Some photoelectric devices are capable of reading at rates up to 1000 characters per second. High reading rates are necessary to maintain continuous machine-tool motion; other-wise dwell marks may be generated by the cutter on the part during contouring operations .the reading device must be capable of reading data blocks at a rate faster than the control system can process the data.
A feedback device is a safeguard used on some N/C installations to constantly compensate for errors between the command position and the actual location of the moving slides of the marching tool. An N/C machine equipped with this kind of a direct feedback checking device has what is known as a closed-loop system. Positioning control is accomplished by a sensor which, during the actual operation, records the position of the slides and relays this information back to the control unit. Signals thus
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