畢業(yè)論文雙吸式二螺桿泵的結構設計

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1、 本科畢業(yè)論文 雙吸式二螺桿泵的結構設計 STRUCTURAL DESIGN OF THE DOUBLE SUCTION OF THE TWO-SCREW PUMP 學院〔部〕：機械工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 2012年 5月 28 日 雙吸式二螺桿泵的結構設計 摘要 雙吸式螺桿泵在最近幾年里有著突飛猛進的開展，現(xiàn)在已經應用于很多領域而且取得了很好的成果。雙吸式二螺桿泵的應用范圍和領域在將來一定會越來越大的，對其技術的要求也越來越高了。因此本文主要介紹了雙吸式二

2、螺桿泵的結構設計步驟，以及其中各個零部件的選擇。 首先，我們要知道和了解雙吸式螺桿泵的工作原理。雙吸式二螺桿泵是主動螺桿在轉動時帶動從螺桿在襯套中轉動，依靠形成的密封腔的容積變化來輸送流體的。其次，螺桿是一個螺桿泵最重要的局部，因此我們首先設計的便是雙吸式二螺桿泵的主從動螺桿的結構。雙吸式二螺桿泵的設計過程中螺桿的設計有著舉足輕重的作用，螺桿的結構設計主要與所給定的流量和壓力以及所輸送的介質這些數(shù)據(jù)來確定的。在次，螺桿泵的密封是很重要的。螺桿泵是一個壓力泵，只有它的密封系統(tǒng)做好了才能產生足夠的壓力來輸送介質。因此在設計的過程中襯套與螺桿的密封、襯套與殼體的密封、螺桿與端蓋的密封都是我們要考慮

3、的。最后，我們就是要選擇一些雙吸式二螺桿泵用的附件，像螺釘、軸承、平安閥、墊圈等。 文章中重點介紹了雙吸式二螺桿泵的螺桿的設計計算和襯套殼體的密封性設計，另外對于雙吸式二螺桿泵的附件的選擇也做了很多的介紹。 關鍵詞：雙吸式二螺桿泵，結構設計，密封系統(tǒng)，設計步驟 STRUCTURAL DESIGN OF THE DOUBLE SUCTION OF THE TWO-SCREW PUMP ABSTRACT Double suction of the two-screw pump has a rapid development in r

4、ecent years, and it is now used in many areas and have a good achievement. Range of applications and fields of the double suction of the two-screw pump in the future will become increasingly large, and its technical requirements have become higher. So this paper describes the structural design ste

5、ps of the double suction of the two-screw pump and the choice of the various components. First, we need to know and understand how the double suction of the two-screw pump works. Double suction of the two-screw pump is active screw driven in rotation from the screw rotation in the bushing, it relie

6、s on the formation of the sealed chamber of volume change transmission fluid. Second, The screw is the most important part of a screw pump, so we first design the active screw and driven screw structure of the double suction of the two-screw pump. Screw design has a very important role in the design

7、 process of the double suction of the two-screw pump, the data to determine of the structural design of the screw with the flow and pressure as well as the transmission medium. Third, the seal of screw pump is very important. Screw pump is a pressure pump, a good sealing system in order to generate

8、enough pressure to the transmission medium. We should consider of the bushing and screw seal, bushing and casing seal, screw and end cap seal when we design the double suction of the two-screw pump .Last, we have to choose the double suction of the two-screw pump with accessories, such as screws, be

9、arings, safety valves, gaskets, etc. The article highlights the double suction of the two-screw pump design calculations and sealing of the bushing shell design, in addition the article do a lot of introduction to the choice of attachment of the double suction of the two-screw pump. KEYWORDS：doubl

10、e suction of the two-screw pump，structural design，sealing system，design step 1緒論 螺桿泵的使用領域及其分類 螺桿泵的使用領域 常見的泵可以分為容積式泵和動力式泵兩大類。容積式泵包括往復泵、轉子泵和齒輪泵等，離心泵和軸流泵等那么屬于動力式泵。本文所研究的雙吸式雙螺桿泵屬于容積式泵。螺桿泵的適用范圍很廣，被廣泛應用于石油、化工、航運、電力、機械液壓系統(tǒng)、食品、冶金、輕工、造紙、軍工、醫(yī)藥、船舶、機床、采礦、環(huán)保和污水處理等各種工業(yè)部門當中，發(fā)揮了巨

11、大作用，具有很高的使用價值。 螺桿泵特點是：流量平穩(wěn)，壓力脈動小，自吸能力強即很小的NPSHr值，噪聲低，效率高，使用壽命長，工作可靠，運行本錢低。此外螺桿泵還具有結構簡單，零件少，易損件少、體積緊湊，重量輕等一系列特點。而螺桿泵在工作時一最為突出的優(yōu)點是輸送介質時不會形成渦流、無剪切、無乳化作用、可輸送粘度范圍寬廣的各種介質，對輸送介質不敏感，既可以輸送各種粘度的潤滑性或腐蝕性介質，也可以輸送各種粘度的非牛頓液體，特別是有的雙螺桿泵還可以輸送氣液混合物，這對油田輸送成分復雜的原油具有重要意義。一般來說，螺桿泵可以輸送多種混合介質，正是由于螺桿泵具有以上特點，各個行業(yè)紛紛投入到此研究當中。

12、 無論是什么類型的螺桿泵，其工作原理都是利用螺桿泵的轉子與轉子之間以及轉子 與定子之間形成的密封腔，在泵運轉時使密封腔連續(xù)不斷地由入口向出口移動，從而排 出流體。如果螺桿泵內兩個相鄰密封腔之間沒有理論泄漏通道，那么被稱為嚴格密封型螺 桿泵。反之，那么為非嚴格密封型螺桿泵。 螺桿泵的分類 螺桿泵的種類繁多，通常有三種分類方法： 1)按螺桿泵轉子的數(shù)目進行分類 這種類型的螺桿泵有單螺桿泵、雙螺桿泵、三螺桿泵和五螺桿泵。 單螺桿泵是1932年由法國工程師Moineau創(chuàng)造，并由德國PCM泵公司制成產品41。 它是一種內嚙合偏心回轉的容積泵，泵的主要構件是一根單頭螺旋

13、的轉子和一個通常用 彈性材料制造的定子，當轉予在定子型腔內繞定子的軸線作行星回轉時，轉定予之間形 成的密閉腔就沿轉子螺線產生位移，因此就將介質連續(xù)地，均速地、而且容積恒定地從 吸入口送到壓出端?；谶@種特性，單螺桿泵特另Ⅱ適合于輸送高粘度介質。 1890年，美國麻省的Warren公司創(chuàng)造了全球第一臺雙螺桿泵，荷蘭的Houttuin公 司于1929年創(chuàng)造了歐洲第一臺雙螺桿泵“1。雙螺桿泵分為密封型和非密封型兩種。非密封型螺桿泵能輸送污液和非潤滑性液體，甚至液氣比為1：4的液體以及輸送粘度高或粘度有變化的情況。它具有很好的吸入性能，運轉中如發(fā)生吸入大量空氣而產生短時間脫流，仍能迅速恢復正

14、常。密封型雙螺桿泵雖然起步較晚，在效率方面略遜于IMO泵，但由于在可靠性方面超過它，故在艦船上得到廣泛應用，主要用于輸送油類和燃料“1。 三螺桿泵屬于回轉漸進式容積泵，是1931年由瑞典IMO公司創(chuàng)造并制造的。它通常是指擺線嚙合的IMO泵，即密封型螺桿泵。理論上由于螺桿螺旋和螺桿襯套形成的密封容積能把吸入腔和壓出腔完全隔開，因此在各類螺桿泵中它的容積效率最高〞1。該泵適于輸送高壓、清潔、潤滑性的液體，可輸送的介質粘度范圍大，吸上能力高，結構緊湊，它大量用于液壓系統(tǒng)。由于它輸送液體脈動小，噪聲低，以及壓力建立慢等重要特性，使得人們在今天常優(yōu)先于其它容積泵而選用它。其噪聲低，可靠性好及結構緊湊，

15、使它在潛艇中得到廣泛的應用。但其缺點是對液體中的污染物極為敏感，不能輸送含污及磨料的液體，也不適于輸送非潤滑性的介質。三螺桿泵主要是由固定在泵體中的襯套以及安插在襯套中的主動螺桿和與其嚙合的兩根從動螺桿所組成。三根互相嚙合的螺桿，在襯套內按每個導程形成為一個密封腔，造成吸排口之間的密封。泵工作時，由于兩從動螺桿與主動螺桿左右對稱嚙合，故作用在主動螺桿上的徑向力完全平衡，主動螺桿不承受彎曲負荷。從動螺桿所受徑向力沿其整個長度都由襯套來支承，因此，不需要在外端另設軸承，根本上也不承受彎曲負荷。在運行中，螺桿外圓外表和襯套內壁之『自J形成的一層油膜，可防止金屬之間的直接接觸，使螺桿齒面的磨損大大減少

16、。 五螺桿泵的整體結構類似于三螺桿泵，在同樣流量的情況下，吸入能力比雙螺桿泵 高。但比雙螺桿泵制造工藝復雜，本錢也高。 2〕按螺桿和襯套形成的容積腔密封程度分類 這種類型的螺桿泵有密封型螺桿泵和非密封型螺桿泵。實際上即使是密封型螺桿泵 在理論上也不是完全密封的，因為需要考慮到正常運行所必須的|’日J隙，流體通過這些間隙從壓出腔漏回到吸入腔。理論上完全密封的條件為。 (1)相瓦嚙合的螺桿，其形成齒輪的齒剖面服從齒輪嚙合的規(guī)那么(把螺桿看成是無窮 多個無限薄的形狀相同的形成齒輪的集合體，這些形成齒輪一個對另一個扭轉無限小的 角度并固連在～起)。形成齒輪的嚙合線應是封閉的，并和螺桿的

17、相互接觸線在橫截面上的投影相重合； (2)螺桿頭數(shù)應使嚙合螺桿所溝通的凹槽形成密閉的容積； (3)螺桿襯套的長度應大于凹槽密閉容積的長度； (4)螺桿以最小的允許間隙安裝在螺桿襯套內。 3)根據(jù)螺桿泵相應軸的情況進行分類 這種類型的螺桿泵包括內軸式螺桿泵和外軸式螺桿泵兩類。 內軸式螺桿泵對于內軸式雙螺桿泵和五螺桿泵而言，軸承按壓力差額上油，接近無 磨損滑動軸承，轉軸液壓傳動給驅動軸側面，獨特的驅動部件線接觸設計，即無滑動速 度?？捎糜诟g性介質如重熱油，承受壓力至最大1．6MPa。對于內軸式三螺桿泵，為 產生流體力學油膜，需要聯(lián)通轉腔的狹窄間隙?？捎糜诟g性介質如重熱油，可承

18、受壓 力至最大16MPa，有時會更高。 外軸式螺桿泵典型的是外軸式四螺桿泵，其雙流路要求兩個傳動軸的4軸卷設計。能量傳遞從驅動軸經外部油腔中轉動的齒輪至傳動軸。盡管軸側面無接觸運轉，但結構上要求4個軸封。 雙吸式二螺桿泵的介紹 根本結 雙吸式二螺桿泵按其結構和使用特點分兩大類：一是由主桿直接帶動從桿，其工作原理、型線結構及適用范圍類似三螺桿泵；二是外支承型，從動螺桿由主動螺桿借助同步齒輪傳動到達工作型面間無接觸運行。 圖1-1雙吸式螺桿泵根本結構圖 按照軸承的位置，雙吸式二螺桿泵又可分為內置軸承和外置軸承兩種形式。在內置軸承的結構型式中軸承由輸送物進行潤滑。外置軸承結構的雙螺

19、桿泵工作腔同軸承是分開的。由于這種泵的結構和螺桿間存在的側間隙，它可以輸送非潤滑性介質。此外，調整同步齒輪使得螺桿不接觸，同時將輸出扭矩的一半傳給從動螺桿。其典型的結構如圖1—1所示，正如所有螺桿泵一樣，外置軸承式雙螺桿泵也有自吸能力，而且多數(shù)泵輸送元件本身都是雙吸對稱布置，可消除軸向力，也有很大的吸高。泵的這些特性使它在油田化工和船舶工業(yè)中得到了廣泛的應用。外置軸承式雙吸式二螺桿泵可根據(jù)各種使用情況分別采用普通鑄鐵、不銹鋼等不同材料制造，輸送溫度可達2500C。采用獨立潤滑的外置軸承，允許輸送各種非潤滑性介質。臥式、立式、帶加熱套等各種結構型式齊全，可以輸送各種清潔的不含固體顆粒的低粘度或高

20、粘度介質，選用正確的材質，甚至可以輸送許多腐蝕性介質。 電動潛油全金屬雙螺桿泵屬于采油螺桿泵，因具有較高的系統(tǒng)效率而日益受到重視。 雙吸式二螺桿泵工作原理 雙吸式二螺桿泵是外嚙合的螺桿泵，它利用相互嚙合，互不接觸的兩根螺桿來抽送液體。在泵的工作過程中，主動螺桿與從動螺桿及與泵體之間形成密封腔，隨著主動螺桿的旋轉，帶動從動螺桿運動，液體隨著密封腔一起作軸向運動，平穩(wěn)而又連續(xù)地輸送到泵的出口處。由于泵工作過程中密封腔容積不變，所以泵供給液體時不會產生脈動。采用兩段螺紋對稱的設計，使軸向力相互平衡是機器不會產生太大的軸向力，所以泵在一定時間范圍內干轉沒有傷害。進出口采用特殊設計，工作時

21、介質軸向速度相對減小 ，泵的吸上能力很強。雙螺桿泵作為一種容積式泵，泵內吸入室應與排出室嚴密地隔開。因此，泵體與螺桿外圓外表及螺桿與螺桿間隙應盡可能小些。同時螺桿與泵體、螺桿與螺桿間又相互形成密封腔，保證密閉，否那么就可能有液體從間隙中倒流回去。 由雙吸式二螺桿泵的原理知道，對于外置軸承的雙螺桿泵，通過軸承定位，兩根螺桿在泵體內互不接觸，齒側之問保持恒定的間隙，螺桿外圓與襯套內圓面也保持恒定間隙不變。這種結構的優(yōu)點大大拓寬了雙螺桿泵的使用范圍，即除了輸送潤滑性良好的介質外，還可輸送大量的非潤滑性介質，各種粘度的介質以及具有腐蝕性(酸、堿等性質)，磨蝕性的液體。還可輸送氣體和液體的混合物，即

22、氣液混輸，這也是雙螺桿泵非常獨特的優(yōu)點之一。 1雙吸式二螺桿泵的密封條件 雙吸式二螺桿泵是一種容積泵，容積效率是評判泵類特性的主要指標，而螺桿泵密封性能的優(yōu)劣又是評判其容積效率的依據(jù)。在螺桿泵行業(yè)中，分析螺桿泵密封性能的依據(jù)是螺桿泵的四類密封條件： 1)相互嚙合的螺桿齒形應遵循密封意義上的嚙合規(guī)律； 2)螺桿螺紋的頭數(shù)和螺桿的根數(shù)應該使螺桿在工作區(qū)范圍內形成互不相通的密封 腔； 3)村套的長度應該大于密封腔的長度； 4)螺桿與螺桿，螺桿與泵體應具有允許的最小間隙。 符合上述條件的為嚴格密封型螺桿泵。其中密封的完善程度取決于第一、二類密封 條件。螺桿泵的核心技術是螺桿齒

23、形，不同的齒形不僅直接決定著螺桿泵的工作壓力、 額定流量、容積效率、振動、噪聲和自吸高度等技術性能指標的差異，還決定著螺桿加 工工藝直至產品本錢。對于各種類型的螺桿泵而言，其螺桿齒形能否到達嚴格密封是判 斷該螺桿泵性能指標的一個非常重要的前提因素，這也是第一類密封條件的重要性。 滿足了第一類密封條件后，判斷螺桿泵密封性能的又一個前提依據(jù)是螺桿泵的第二 類密封性。在螺桿泵行業(yè)傳統(tǒng)理論中，經常引用俗稱為孟氏定律的公式來評判螺桿泵的 第二類密封性能： 主螺桿為凸桿時： Z=K(Z1一1) (1一1) 主螺桿為凹桿時： Z=K(Z2一1) (1—2) 式中z1，z2分別為螺桿泵凸、凹

24、螺桿的頭數(shù)，K為螺桿泵從動螺桿的桿數(shù)。單頭或雙頭的雙螺桿泵一直以來都被認為是非嚴格密封的雙螺桿泵，故原有的國內外資料中都未見有嚴格密封的雙螺桿泵，這就是傳統(tǒng)雙螺桿泵工作壓力普遍不高的原因。由于孟氏定律的緣故，現(xiàn)有雙螺桿泵的應用將受到限制。因此如何解決雙螺桿泵的嚴格密封問題，就成為螺桿泵開展的重要研究課題。華南理工大學工控系螺桿機械研究室的楊凱等經研究發(fā)現(xiàn)孟氏定律是以擺線齒形為根底推導的，具有適用范圍的局限性。也就是說，孟氏定律可以評判傳統(tǒng)擺線齒形螺桿泵的第二類密封性，但是對于其他的螺桿齒形，孟氏定律不一定適用。不同齒形的第二類密封性狀況是不同的，對于都能滿足第二類密封性的不同齒形來說，它們的頭

25、數(shù)、桿數(shù)的關系式也會不同，也就是說，不同齒形螺桿泵的二類密封性可以有不同表達式的定律。研究發(fā)現(xiàn)，一些不同的齒形已經突破了孟氏定律的限制，能夠形成嚴格密封特性而又具有實際的應用能力。 工作時的冷卻要求與第四類密封性密切相關。由于雙吸式二螺桿泵需要在密封條件下才能正常工作，因此在工作時對螺桿泵的工作溫度有一定的要求，以保證螺桿與螺桿之間以及螺桿和泵體之問有適宜的間隙值。假設溫度過高，由于熱脹冷縮的原理將會使螺桿泵中螺桿和泵套之間的配合變?yōu)檫^盈配合，從而加居I摩擦，增大工作噪音，減少螺桿泵的使用壽命，并大大降低工作效率。這些后果是我們不愿意看到的，因此需要在關鍵部位進行冷卻，以保證螺桿泵有良好的工

26、作狀態(tài)及較高的工作效率。為了解決這個問題，我們研究了多種機械結構及實際應用情況，認為其中較好的一種方法是在泵體內采用潤滑螺桿做動力源對潤滑油進行循環(huán)以到達冷卻的目的。 1.3 課題的來源及意義 雙吸式二螺桿泵作為一種機械采油設備，具有其它液體運送設備所不能替代的優(yōu)越性，二螺桿泵工作原理不像抽油機，它是利用兩根螺桿的旋轉運動實現(xiàn)抽油或其他液體物質的。通過多年的應用實踐證明它投資少、能耗低、適應性強，這些特點正被用戶逐漸接受。而且雙吸式二螺桿泵是一個螺桿兩段螺紋在運轉時可以自身平衡軸向力比其他螺桿泵有著很大的優(yōu)越性，另外隨著大慶油田開發(fā)的逐步深入，油田開發(fā)的難度不斷增加，舉升設備的重要

27、性也日益突出，雙吸式二螺桿泵以其優(yōu)越的性能在油田生產中的作用越來越顯著。 雙吸式二螺桿泵在國內尚屬較新型的產品，尤其是井下采油用金屬雙螺桿泵還屬于空白，對其獨特特性的認識正日漸深化，經螺桿泵開發(fā)機構、生產廠和使用部門的密切合作，新的應用領域不斷開拓，在替代原來的傳統(tǒng)技術方面已取得良好的使用效果和節(jié)能節(jié)材收益。 另外雙吸式二螺桿泵具有一定的相對優(yōu)勢，相對于單吸式的二螺桿泵雙吸式二螺桿泵更能自己平衡螺桿的軸向力雙吸式可以產生更大的流量。雙吸式二螺桿泵在市場上有多的應用空間。 1.4 國內外的研究現(xiàn)狀 現(xiàn)在，美國科爾法泵業(yè)集團公司是世界最大的螺桿泵制造商，旗下?lián)碛蠥llweiler

28、、IMO等5家子公司均為世界知名品牌，銷售效勞網(wǎng)絡普及全球80多個國家。Allweiler公司三螺桿泵市場的占有率是世界上第一，雙螺桿泵根本上是世界排名第二，單螺桿是第四。在螺桿泵方面，德國的耐馳主要是做單螺桿泵產品，且規(guī)模很大。 國外油氣混輸多相泵的研制是從上世紀70年代開始起步，并且首先從海上石油生產 入手。目前，國外阿吉普(AGIP)、英國石油、殼牌、德士古、道達爾等石油公司均看好 雙螺桿混輸泵，都積極參與開發(fā)和油田實驗工作。對于多相混輸泵問題進行研究的主要 有法國、挪威、英國、美國、加拿大等國家，其混輸泵主要有Poseidon海底混輸泵、Weir 混輸泵、MSP混輸泵和WST

29、混輸泵等。在成功研制并應用于海上平臺或陸地的多相流混輸泵根底上，國外多家公司還考慮水下的特殊使用環(huán)境，開發(fā)了水下多相流混輸泵，1985年，阿吉普(AGIP)、Snamprogetti和新比隆三方在歐共體資助下，開始開發(fā)采用雙螺桿多相流混輸泵的水下增壓系統(tǒng)侶BS)。開發(fā)目標是最大水深1000m，距陸地lOOkm，混輸揚程為8．8MPa，頂峰產量為4800m，／h。第一代SBS已在意大利阿吉普公司所屬的海上油田通過了試驗。德國鮑曼公司生產的水下雙螺桿多相流混輸泵，從1997年8月起，開始在瑞典的海上油田進行了現(xiàn)場試驗。德國雷斯特利茲(Leistfitz)公司在1998年，提供了系列化、商品化的水下

30、用雙螺桿多相混輸泵。加拿大CAN—【公司于1999～2000年問在新產品研究開發(fā)方面花費了將近40％的預算資金，成功地推出了“井下雙螺桿泵采油系統(tǒng)〞。 螺桿泵的開展在我國起步較晚，但通過引進國外技術也取得較快開展。1993年，天 津工業(yè)泵廠從德國Bomcmann公司引進w、v系列雙螺桿泵，從德國Allweiler公司引 進系列三螺桿泵。中國渤海油田從IMO公司引進4臺雙螺桿泵用于海洋平臺。1996年 勝利油田從德國Bomemann公司引進MW7．3l(_-57雙螺桿泵，該泵在東營采油廠11站 做過集輸試驗。原油粘度5．54x105m2 Is，含氣量82％，應用情況良好㈨。經過1984

31、年以來二十多年的開展，我國目前已有螺桿泵專業(yè)廠近30家。單、雙、三、五螺桿泵的年產量總計約10000余臺，以三螺桿泵產量最大，約占半數(shù)以上，其次為單、雙螺桿泵，五螺桿泵產量很少。其中單螺桿泵制造廠近20家，主要生產廠家有天津工業(yè)泵廠和重慶明珠機電研究所。其他單螺桿泵廠有杭州水泵總廠、蘭州水泵廠、浙江東陽螺桿泵廠、上海輕工機械技術研究所、靖江化工機械廠、無錫梁中螺桿泵廠、北京石油機械廠、嘉興石油機械廠、中成機械制造等。雙螺桿泵結構復雜，螺桿轉子制造困難，只有天津市工業(yè)泵廠、上海7ll研究所、沈陽市工業(yè)泵廠、江蘇淮陰通用機械廠和廣州造船廠機械分廠等生產雙螺桿泵。三螺桿泵廠除天泵、沈泵、蘭泵外，還有

32、南京工業(yè)泵廠、上海水工機械廠。后兩家年產量較少。五螺桿泵廠唯一的生產廠——沈泵廠將轉讓生產權給天泵廠。 天津市工業(yè)泵廠1984年引進Allwciler公司制造技術、英Holroyd公司2AC螺桿銑床一臺及其配套設備，1993年引進德國Bomcmann公司技術、奧地利Linsinger公司數(shù)控螺桿旋風銑床～臺、和2AG—_I，，5AC螺桿銑床各一臺，1998年引進德國Klingelnbcrg公司HNC35SL全部數(shù)控高精度螺桿磨床一臺。年產單、雙、三螺桿泵約6000臺。石首水泵廠1989年引進捷克Sigma公司技術和空心管壓制單螺桿泵轉子設備。 目前，在國內開展雙螺桿多相混輸泵的研究并不多。

33、中國石油天然氣集團公司已將 開發(fā)此項產品列入“石油裝備科技進步規(guī)劃〞，并作為其中的重點工程。1995年，大慶 油F開和勝利油田從Bomemann公司引進3臺多相混輸泵，目的是開發(fā)我國自己的混輸泵， 以滿足大規(guī)模開發(fā)海上和沙漠油田的需要。西安交通大學、石油大學和大港油田中成機 械制造都開展了相應的研究工作。1997年，雙螺桿多相混輸泵工程列入大港油 田集團公司科研攻關方案，1999年列入國家重大技術裝備國產化創(chuàng)新工程。目前大港油 田中成機械制造研制開發(fā)了軸承外置式雙吸雙螺桿多相混輸泵，在大港等油田 推廣應用，取得了較好的效果。與此同時，中海石油渤海石油基地采油技術效勞公司正 在進

34、行采油雙螺桿泵研究，且已取得了一定進展。華南理工大學螺桿機械研究所正在進 行雙螺桿泵新齒形的產業(yè)化開發(fā)，&一A—B齒形單頭雙螺杼泵已成功地通過了中試，各 項技術指標均到達或超過Bornemann公司和Allwciler公司的水平。西安交通大學曹鋒博 士在混輸泵理論分析方面進行了研究。西安交通大學劉代中碩士對雙螺桿泵的流體流動 性進行了研究，天津大學韓永輝碩士在螺桿泵流量計算及實驗方面進行了研究。 2 主動螺桿和從動螺桿的設計 在對螺桿泵的設計中首先要考

35、慮螺桿泵的整體結構的使用材料，在這次的設計過程中選用的是45號鋼具有較好的承壓能力和屈服應力 雙吸式二螺桿泵螺桿螺紋的設計與計算 泵功率的計算 所給的設計數(shù)據(jù)為流量Q=50L/min 壓力P=10Mp 由公式可知Pw=P﹡Q 把上面的數(shù)據(jù)帶入公式計算可知〔其中流量和壓力均換為國際單位〕： 雙吸式二螺桿泵一般是選擇四級電動機，由?機械設計課程設計?附表9-1可以選擇Y160M1-4型電動機額定功率為11Kw，其中轉速為： n=1460r/min 螺桿工作長度的過流斷面積A的計算 · 螺桿襯套內孔的橫截面面積A3 A3=2πR2-AABCD=2π

36、R2-R2〔2γ-sin2γ〕 式中R-螺桿的外徑 Γ-兩螺桿相嚙合的區(qū)域的角度 · 一根螺桿的螺旋橫截面積A1 A1=AQr+AQR 其中: πr2 πR2 3)3)有效過流斷面A A=A3-2A1=2πR2-R2〔2γ-sin2γ〕-πR2〔1+r2/R2〕 螺旋深度的選擇 在螺桿螺旋外形尺寸相同時，螺旋深度r/R越大，螺旋段的過流斷面面積就越大，泵的理論流量Q也越大。在螺旋頭數(shù)和導程相同時，的泵理論流量幾乎比的泵大50%左右。當r/R接近時，螺旋深度的減小使理論流量減小，卻會造成相對泄露量

37、的增大，也會使容積效率的下降。因此r/R取何種比例最正確是需要進行慎重考慮的。r/R的允許范圍為0

38、小，密封腔數(shù)就越多。這樣就有可能在相同的容積效率情況下，建立較高的壓力，或在相同的壓力下，泄漏減小，具有較高的容積效率，但理論流量也會隨著導程的變小而減小，反之亦然。 經驗指出，用不同的螺旋深度和導程相配合得到相同的理論流量的方法，從獲得更高容積效率的觀點，選擇較小的螺旋深度和較大的導程構成螺旋的方法是較為有利得。 常用的螺旋導程為～所以對設計的泵選用 T/R=1 螺桿半徑R和r的計算 對于雙吸式二螺桿泵有： Q=2ATn 又 A=2πR2-R2〔2γ-sin2γ〕-πR2〔1+r2/R2〕 其中 cosγ=

39、r/ T=R n=1460r/min 把以上都換算成國際單位帶入計算可知： R= 由?機械手冊?附表螺紋直徑可知圓整后的直徑為 R=55mm 由上可以得出： r=0.6R=33mm T=R=55mm 螺桿兩段螺紋每段的圈數(shù)選擇 根據(jù)多年的經驗積累及容積效率和密封的考慮，這個泵是高壓泵應選擇的工作長度較長，一般在3到5周左右，因此取每段的圈數(shù)為4圈。 雙吸式二螺桿泵的同一螺桿兩端螺紋間距確實定 由書本的介紹及往日的經驗可以知道一般的間距選擇在螺距的一到兩倍之間，因此從多方面考慮可以選擇兩段螺紋的間距為 L=80mm

40、 2.2 兩螺桿的原件定位和中心距的選擇 A B C D E F G H I J d1 d2 d3 d4 圖2-1主動螺桿的結構圖 圖2-2從動螺桿結構圖 2．2.1 軸向定位的設計 1〕軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩種。利用軸肩定位結構簡單、可靠，但軸的直徑加大，軸肩處出現(xiàn)應力集中；軸肩過多也不利于加工。因此，定位軸肩多在不致過多地增加軸的階梯數(shù)和軸向力較大的情況下

41、使用，定位軸肩的高度一般取3~6mm，滾動軸承定位軸肩的高度需按照滾動軸承的安裝尺寸確定。非定位軸肩多是為了裝配合理方便和徑向尺寸過度時采用，軸肩高度無嚴格限制，一般取為1~2mm。 2〕套筒定位可以防止軸肩定位引起的軸徑增大和應力集中，但受到套筒長度和與軸的配合因素的影響，不宜用在使套筒過長和高速旋轉的場合。 3〕擋圈的種類較多，且多為標準件，設計中需按照各種擋圈的用途和國標來選用 由上可以選擇出軸的各段直徑為： d1=42mm d2=50mm d3=55mm d4=66mm 各軸段長度確實定 從裝配來考慮：應合理的設計非定位軸肩，使軸上不同零件在安裝過程中盡量減

42、少不必要的配合面；為了裝配方便，軸端應設計45°的倒角；在裝鍵的軸段，應使鍵槽靠近軸與輪轂先接觸的直徑變化處，便于在安裝時零件上的鍵槽與軸上的鍵容易對準；采用過盈配合時，為了便于裝配，直徑變化可用錐面過渡等。 由上設計可知螺紋用四周所以: E=G=4T 帶入數(shù)據(jù)可得 E=G=220mm 由經驗取值可得 F=80mm 根據(jù)螺桿泵內各個結構合理的選擇各段的尺寸為 A=60mm B=110mm C=D=H=I=35mm J=30mm 經過一系列的設計之后主動軸的總尺寸為 L1=860mm 從動軸的總尺寸為 L2=72

43、0mm 以上兩螺桿的尺寸定位根本確定了. 主動螺桿和從動螺桿的中心距a 選取的主動螺桿和從動螺桿具有相同的直徑: D=110mm 兩螺桿的螺紋曲線相同螺紋的深度: h=R-r 帶入數(shù)據(jù)得: h=22mm 又 δ2=2mm 所以中心距取 a=D-h+δ2 帶入數(shù)據(jù)可得 a=90mm 軸上鍵槽的選擇 1〕常見的周向定位和固定的方法采用鍵、花鍵、過盈配合、成形聯(lián)結、銷等多種結構。 2〕鍵是采用最多的方法。同一軸上的鍵槽設計中應布置在一條直線上，如軸徑尺寸相差不過大時，同一軸上的鍵最好選用相同的鍵寬 鍵槽的選擇標準如下表： 表2-1標準鍵槽尺寸

44、 鑄鐵輪轂 鋼輪轂 序號 直徑D 鍵寬B 鍵高 H 軸槽深t 輪轂槽深t1 軸槽深t 輪轂槽深t1 1 5～7 2 2 1 2 7～10 3 3 2 3 10～14 4 4 4 14～18 5 5 3 5 18～24 6 6 6 24～30 8 7 4 7 30～36 10 8 8 36～42 12 8 9 42～48 14 9 5

45、 10 48～55 16 10 5 11 55～65 18 11 4 12 65～75 20 12 6 13 75～90 24 14 7 9 14 90～105 28 16 8 15 105～120 32 18 9 16 120～140 36 20 10 17 140～170 40 22 11 18 170～200 45 25 13 19 200～2

46、30 50 28 14 17 20 230～260 55 30 15 機械設計手冊 由上表可以知道當直徑 d=42mm 可以取 B=14mm H=9mm 3 雙吸式二螺桿泵密封有關零件的設計 雙吸式二螺桿泵的工作時各種間隙的計算與選擇 螺桿螺旋頂圓和螺桿襯套間隙δ1 δ1是螺桿螺旋頂圓和襯套內孔圓柱面之差，單邊間隙為δ1/2。δ1應該保證螺桿

47、能自由的旋轉，而且使總的摩擦功率損失和給定壓力下的介質泄漏為最小。δ1與螺旋深度和導程的大小無關。根據(jù)經驗通常?。? δ 帶入數(shù)據(jù)可得 δ1=4mm 螺旋齒頂圓和相嚙合的螺桿齒根圓的圓柱面的間隙δ2 δ2是螺桿螺旋齒頂圓和相嚙合的螺桿齒根圓的圓柱面的間隙,這個間隙也因該保證螺桿能自由的旋轉,假設形成間隙的齒頂圓和另一螺桿的螺旋齒根圓相切,就會引起額外的摩擦損失因此間隙也應使摩擦損失的功率和介質的泄漏均為最小通常取δ2小于等于δ1/2,所以取 δ2=2mm 相互嚙合的兩根螺桿螺旋面之間的間隙δ3 由螺桿泵的表4-1可知當: T/R=1 α=0 時

48、 δ 帶入數(shù)據(jù)可知 δ 所以取螺旋面間距為 δ3=3mm 3.2 襯套的厚度及結構的設計計算 襯套尺寸及結構確實定 由兩螺桿的直徑及配合和間隙可以確定襯套的根本結構如以下圖 圖3-1 圖3-2襯套的結構圖 由機械設計手冊2-4表2-2-27可以查得在壓力為10Mp的情況下密封襯套的厚度一般選擇為10mm所以襯套的壁厚選擇為10mm 襯套的整體尺寸如上圖根本確定了總的高度由以上計算可知 H=a+2R+δ1+2倍壁厚 帶入數(shù)據(jù)可得 H=224mm 整體的寬度 B=2R+δ1+2倍壁厚 帶入數(shù)據(jù)可得 B=134mm 另外襯套需要與客體間有

49、相對的固定因此在襯套的下端加了筋板,有兩個孔可以進行螺釘?shù)墓潭?襯套的總長度應該比螺桿兩段螺紋的長度加上中間的距離要長，一般每邊長10mm左右，因此取襯套的長度為L=540mm。 泵外殼的尺寸及結構的設計 泵外殼外形殼體厚度設計選擇 由于是雙吸式的二螺桿泵，進口與出口必須隔離，且上方平安閥的兩口也要隔開于是設計了兩支撐的筋板進行了密封。在每個筋板的中間有個放橡膠密封墊的槽，這個使筋板與襯套外外表之間形成更好的密封結構防止泄露另外泵的總長度要比內襯套的長因此設計時結構如以下圖： 圖3-3 圖3-4殼體的結構圖 螺桿泵外殼的長度取 Lk=580mm 另外

50、螺桿泵的外殼內直徑要比內襯套總高度大，經各方面的綜合考慮 外殼的直徑應該取 Rw=300mm 殼體的支撐筋板的厚度選擇30mm，因為筋板起支撐作用接觸面積要大些這樣密封性能才能跟好的表現(xiàn)出來。 螺桿泵殼體進出口的直徑及法蘭直徑和螺孔的固定直徑和兩段法蘭的計算選擇 圖3-5殼體的下視圖及法蘭尺寸 法蘭免得選擇在泵課題的設計之中也有著重要的作用，由下表的一系列的數(shù)據(jù)可以為法蘭面直徑確實定由較好的指導： 圖3-6外殼法蘭外形 圖3-7法蘭的安裝 機械設計手冊 由上表可以查到當殼體臥式安裝時由泵的直徑及整體的長度流量可以選擇出進出口的直徑了，由Q=50L/

51、min 直徑D=300mm 長度Lk=580mm 綜合各方面的考慮之后可以確定進口的直徑 DN=150mm 進口的法蘭面直徑 d1=300mm 進口法蘭的螺紋孔位置直徑為 d2=240mm 出口的直徑設可以為 DN2=100mm 出口法蘭面的直徑為 d 1=200mm 出口法蘭面得直徑為 d 2=160mm 每個法蘭面上都用8個螺紋孔，用8個螺釘來緊固連接的外表保持著一定的強度。兩法蘭面的距離定為 B=470mm 由上面的表可以確定螺桿泵的殼體兩端端面的法蘭的直徑及螺孔的位置直徑也是可以確定的，根據(jù)泵的壓力和材料的綜合考慮之后端面得法蘭直徑為 d2=350m

52、m 螺紋孔的定位直徑為 d 2=314mm 、 3.4 支撐端蓋和外端蓋的設計 支撐端蓋的結構設計 3-8端蓋外形圖 在設計支撐端蓋時要考慮到整體的密封效果所以殼體與支撐端蓋、螺桿與支撐端蓋之間的密封一定要做好.支撐端蓋的設計要根據(jù)兩螺桿的各段直徑的大小及軸段的長度來確定的另外還要考慮到殼體的長度與總體的結構等.經計算設計后的結構如圖10-1、10-2: 孔A孔B孔C 3-9 支撐端蓋剖視圖 圖3-

53、10支撐端蓋前視圖 圖中的尺寸都是由殼體的外圓直徑和螺桿直徑中心距以及軸承的直徑這些數(shù)據(jù)經過綜合的考慮最終確定選擇的端蓋的整體的寬度 Bd=75mm 圖中留得臺階孔C是為了裝橡膠密封墊時密封用得,而臺階孔B是為了支撐固定引導螺桿用的,臺階孔A是為了裝軸承用的與軸承之間用的是間隙配合.法蘭端蓋的外面16個通孔是根據(jù)殼體的兩端上的螺紋孔的位置設計的,里面的8個螺紋孔是為了裝配固定外端蓋而設計的.這樣設計的目的是為了讓軸承與可體內運送的液體隔離開來可以起到單獨的潤滑可以定期的把外端蓋翻開定期的參加潤滑油比較方便快捷.伸出的局部選擇較大的圓角設計看起來更加美觀而且更加節(jié)省材料降低了生產的本錢.

54、 外端蓋的結構設計 外端蓋的設計比較簡單,他的主要作用是用來固定軸承的軸向定位的,外觀圖如下: 圖3-11外端蓋外形圖 圖3-12外端蓋剖視圖 外端蓋的寬度設計為B=40mm,外端蓋的螺紋通孔是根據(jù)支撐端蓋的螺紋孔的位置確定的，兩個突出的原型薄壁是用來固定圓錐滾子軸承的軸向位置。外端蓋可以較簡單的卸下來有利于軸承的潤滑油的參加。 4 附件的選擇 4.1 主從動螺桿兩端軸承的選擇 主從動螺桿的螺桿末端的直徑是相同的為: d

55、2=50mm 因此兩螺桿的軸承是相同的,由于兩螺桿同時要承受軸向力和徑向力,因此我們應該選擇圓錐滾子軸承,該軸承的主要特點是可以同時承受徑向和軸向的壓力載荷.由<<機械設計手冊>>附表6-6 P222可以查得得當d=50mm時可以選擇32021型的圓錐滾子軸承所選的數(shù)據(jù)為: d=50mm B=20mm D=80mm 如圖外觀 圖4-1圓錐滾子軸承 平安閥的選擇 螺桿泵的一個重要特點是在泵的強度允許的情況下，其排出壓力取決于它的背壓。因此，當螺桿泵運行時，一旦排出管路堵塞或操作失誤未翻開排出閥門等原因，排出壓力就會急劇升高，導致泵過載損壞。泵配置了平安閥就能使當排

56、出壓力超過某規(guī)定值時，平安閥在排出壓力作用下，開啟平安閥內的閥，介質就回流至泵的進口端，從而使排出壓力回落，防止了排出壓力的進一步升高，保護泵不被破壞。平安閥的結構如下： 連出口 連進口 圖4-2平安閥的裝配圖 當出口的壓力大于額定的壓力時，平安閥內套就會被推動使進口和出口連接在一起這樣整體的壓力就為0了從而使泵的壓力不會大于調定的壓力。當壓力正常時彈簧將內襯套推回原位泵又正常工作了。壓力的設定主要靠鎖緊螺釘和鎖緊螺母來控制彈簧的伸縮來控制壓力的。

57、密封墊圈的選擇 在整個的結構中襯套的密封墊有著很大的作用，襯套與支撐筋板之間的密封決定著這個泵的壓力。墊圈選擇的材料是橡膠的這樣有彈性比較容易密封，也比較好密封的。 襯套密封墊圈外形為 圖4-3襯套墊圈 還有一個墊圈是軸承與端蓋間的密封墊選擇的也是橡膠的材質是根據(jù)螺桿的直徑及長度選擇的。 5 兩螺桿和軸承以及螺釘?shù)膹姸刃：? 5.1 螺桿的強度校核 雙吸式二螺桿泵的一個螺桿是由兩段螺紋組成的每個螺紋的長度螺距都是一樣的，不過螺旋的方向是不同的這就使在螺桿泵轉動的過程中，每段螺紋的軸向力都相中間的從而軸向力

58、在中間局部抵消了。因此在計算強度是只要計算轉動過程中的螺桿的轉矩符合要求就行了對于螺桿的軸校核如下： 根據(jù)軸的轉矩的大小，通過計算切應力來建立軸的強度條件。這種方法計算簡便，但計算精度較低，主要用于初步估算軸徑以便進行結構設計和以傳遞轉矩為主的傳動軸。 強度條件為： · T——軸所傳遞的扭矩 · Wr——軸抗扭截面模量，對實心軸 · 軸的直徑： mm · P——軸所傳遞的功率〔kw〕 · n——軸的轉速〔r/min〕; · [τ]——許用扭轉切應力〔Mpa〕。 · C——與材料有關的系數(shù)。當軸所受彎矩較大時，C值宜取較大值，反之相反。最小直徑處有鍵槽時，單鍵軸徑

59、需增加3%，雙鍵軸徑需增加7%。 軸選的是45鋼將: n=1460r/min P=11Kw d=66mm 帶入之后計算可知扭轉的切應力大于許用扭轉切應力軸的強度是平安的。 5.2 軸承的強度校核 分析角接觸軸承所受的軸向載荷要同時考慮由徑向力引起的附加軸向力和作用于軸上的其他工作軸向力，根據(jù)具體情況由力的平衡關系進行計算。 圖17-9中，F(xiàn)R和FA分別為作用于軸上的徑向和軸向載荷，兩軸承的徑向反力為Fr1及Fr2，相應產生的附加軸向力那么為Fs1和Fs2。 雙吸式的螺桿泵的螺桿兩段螺紋產生的軸向力相平衡了，因此兩端的軸承的軸向力可以忽略不記： 滾動

60、軸承的壽命隨載荷的增大而降低，命壽與載荷的關系其曲線方程為 PεL10=常數(shù) 其中 P-當量動載荷，N；L10-根本額定壽命，常以106r為單位〔當壽命為一百萬轉時，L10=1〕；ε-壽命指數(shù)，球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3。 由手冊查得的根本額定動載荷C是以L10=1、可靠度為90％為依據(jù)的。由此可得當軸承的當量動載荷為P時以轉速為單位的根本額定壽命L10為 Cε×1=Pε×L10 L10=(C/P)ε 106r (17.6) 假設軸承工作轉速為n r/min，可求出以小時數(shù)為單位的根本額定壽命： 應取L10≥Lh＇。 Lh ＇為軸承的預期使用壽命。通常參照機器大修期限的預期使用壽

61、命。 假設軸承的當量動載荷P和預期使用壽命Lh＇，那么可按下式求得相應的計算額定動載荷C＇，它與所選用軸承型號的C值必須滿足下式要求： 將: n=1460r/min P=11Kw 又當d=50mm時 Cr=61KN Cor=89KN 帶入數(shù)據(jù)驗證后可以得到軸承的強度是平安的。 5.3 螺釘?shù)膹姸扔嬎? 端蓋的螺釘選擇M16的螺釘，由設計可知在兩端連接處的螺釘受到軸向和徑向力的雙重作用。由?機械設計手冊?P5-178表5-2-197可知，螺桿受拉應力和擰緊螺栓時的扭轉剪應力的合力作用，是復合應力狀態(tài) 端蓋的受力為 Fmax=P/AD 螺釘數(shù)目Z=16，那

62、么單個螺釘受力 螺釘危險截面面積 那么螺釘危險截面剪切應力 螺栓桿剪切強度條件為 許用剪切應力 取平安系數(shù)，查得級螺釘屈服極限，那么 將數(shù)據(jù) AD=2 d=16mm P=10Mp 將數(shù)據(jù)代入以上的公式那么有 故剪切應力校核平安。 那么螺釘危險截面擠壓應力 螺栓桿擠壓強度條件為 許用擠壓應力 取平安系數(shù)，級螺釘屈服極限，那么 將數(shù)據(jù); d=16mm Lmin=28mm 代入數(shù)據(jù)后那么有 故擠壓應力校核平安。

63、 6 結論與展望 經過了將近半個學期的努力，現(xiàn)在終于將要把畢業(yè)論文完成了，從當初接到題目時的一無所知到現(xiàn)在對于雙吸式二螺桿泵的結構原理了解透徹并自己親自去設計完成整個螺桿泵的結構設計，這其中有著辛苦但更多的是對自己能力的提升對自己的更好的鍛煉。 當初在接到雙吸式二螺桿泵的結構設計這個畢業(yè)設計的題目的時候自己當時對這個東西很陌生，在以前的學習中葉沒有見過這種泵，在自己的腦海中以為是水泵的那樣。但是后來是指導老師讓我先自己好好的查些資料，先去了解下什么是螺桿泵的外形是什么樣子的，在去了解下泵的工作原理。指導

64、老師告訴我們誰也不是剛開始都會得要自己慢慢的了解之后才會知道怎么去做，于是在指導老師的一步一步的指引下我漸漸的知道了自己該去做什么該怎么做。 其實在設計的過程中最大的困難就是螺桿泵的殼體與襯套之間的密封問題，因為雙吸式二螺桿泵是中高壓的泵因此它的密封性要做的很好。這個難題在腦海里不斷的閃現(xiàn)，我于是自己在網(wǎng)上查各種圖片查書然后再去和指導老師探討最終把殼體的密封結構確定下來了。在設計的過程中充分的認識到了只要自己想去做想去了解什么樣的事都可以做好的，特別是在自己不懂時要及時的問指導老師或同學，人多在一起想討論的時候問題會更好的解決掉的。 在設計的過程中有過很多的問題但是很多的困難在于自己慢慢的

65、去克服，從結構的設計到最終的裝配體的形成對于雙吸式的二螺桿泵的了解更加的加深了，使自己的專業(yè)知識得到了更好的升華。在對雙吸式螺桿泵的結構設計過程中，我自己懂得了很多的東西，更多的是學會了怎樣做事。 在設計的過程中通過對雙吸式二螺桿泵的了解克制，不同類型的雙螺桿泵，其性能參數(shù)和使用場合各有特點。近40年來雙吸式二螺桿泵從品種到產量都有了飛躍的開展，在各種螺桿泵中占有越來越重要的地位，特別是應用范圍越來越廣，許多領域無法用其他泵類來代替。從開展的角度看，它還會有新的螺桿螺旋齒形出現(xiàn)構成新的雙吸式雙螺桿泵品種的出現(xiàn)，具有很大的開展空間。在這次的設計中自己用了一種比較簡單的螺桿的螺旋線的線型設計，對

66、于更復雜的螺桿泵的線型設計自己感覺現(xiàn)在還掌握不了。希望自己在以后的工作學習中隨著自己專業(yè)知識的積累自己能設計更好螺桿的螺旋線線型。 。 參考文獻 [1] 李福天.螺桿泵[M]. 機械工業(yè)出版社，2021. [2] [美] 利弗·尼立克 ,吉姆·布倫南.螺桿泵與井下螺桿鉆具[M]. 2021. [3] [美] James L﹒White,Helmut Potente ,何紅 ,金志明 譯.螺桿擠出[M]. 2005. [4] 阿莫索夫.螺桿壓縮機手冊[M]. 1985 [5] 孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理[M]. 高等教育出版社 ,2021.　 [6] 濮良貴,紀名剛.機械設計[M].高等教育出版社 ,2021. [7] 秦大同,謝里陽.機械設計手冊[M].北京工業(yè)出版社, 2021. [8] Martin Cereijo，Ana Mercedes，Multiphase twin-screw pump modeling for the oil and gas industry．TEXASA&M UNIVERSITY 2003．PhD diss