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四川大學(xué)錦城學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）
題 目 單螺桿泵的設(shè)計(jì)
院 系 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年級(jí) 2009級(jí)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
- II -
摘要
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)
學(xué)生： 指導(dǎo)教師：田大慶
【摘 要】隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種液體的輸送顯得尤為重要，而作為液體傳動(dòng)工具的單螺桿泵亦顯得舉足輕重。工業(yè)的發(fā)展對(duì)單螺桿泵提出了更高的要求，某些特定的行業(yè)用單螺桿泵的工作條件十分惡劣，研制和開發(fā)使用性能良好的單螺桿泵將帶來廣闊的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。為更好的滿足特定工作條件的需要，本論文詳細(xì)闡述了單螺桿泵的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論體系基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手段和工具，根據(jù)給定的流量、壓力來設(shè)計(jì)和選取合適的單螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成對(duì)單螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、主要性能計(jì)算和影響因素分析，在此基礎(chǔ)上利用三維建模手段，建立有效的單螺桿泵三維模型，對(duì)所設(shè)計(jì)的單螺桿泵進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)仿真，為其性能進(jìn)一步改進(jìn)提供了一定參考。
【關(guān)鍵詞】 單螺桿泵; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 性能; 影響因素
Abstract
【Abstract】 With the continuous development of industrial technology, a variety of liquid transportation is particularly important, and the single-screw pump, a tool of fluid transmission, becomes also critical. Higher requirements are made to meet the demand of the industrial development on the single-screw pump, and some certain industries with a single-screw pump are under terrible conditions. It shows that researching and developing the single-screw pump of good performance will bring a broad social and economic benefits. To meet the better needs of specific working conditions, this paper explains clearly the working principle and structural features of single-screw pump, and designs and selects the appropriate single-screw pump parameters by a given flow and pressure on the basis of the traditional theoretical system and using of existing design methods and tools. So that the structural design calculations, key performance computing and influencing factors analysis are completed. After that, we establish an effective single-screw pump three-dimensional model by using of three-dimensional modeling for the simple kinematics simulation on the single-screw pump designed, the results show that it can provide a reference for single-screw pump performance improvement.
【Key words】single-screw pump; structural design; performance; influence factor
目 錄
摘要 I
Abstract II
1. 緒論 1
1.1 研究背景及研究意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究綜述 1
1.2.1 國(guó)外螺桿泵的應(yīng)用現(xiàn)狀 1
1.2.2 國(guó)內(nèi)螺桿泵的應(yīng)用現(xiàn)狀 2
1.3本題的研究?jī)?nèi)容和方法 2
2. 單螺桿泵的概況 4
2.1 引言 4
2.2 基本結(jié)構(gòu)和工作原理 5
2.3 性能參數(shù) 9
2.4 應(yīng)用特點(diǎn) 11
2.5 單螺桿泵的特性 12
2.6 單螺桿泵的選用 12
3. 單螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能計(jì)算 15
3.1單螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
3.1.1 螺桿和襯套尺寸的確定 15
3.1.2 螺桿和襯套的型線設(shè)計(jì) 16
3.2 單螺桿泵材料的選用 20
3.3 單螺桿泵的加工制造 22
3.3.1 螺桿的加工 22
3.3.2 單螺桿泵橡膠定子的加工 22
3.4 單螺桿泵的性能計(jì)算 24
4. 單螺桿泵應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì) 26
5. 單螺桿泵的性能分析 29
6. 結(jié)論與展望 30
6.1 結(jié)論 30
6.2 展望 30
參考文獻(xiàn) 32
致謝 33
1. 緒論
1.1 研究背景及研究意義
在我國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)和生活中，泵作為一種輸送液體的心臟倍受各行各業(yè)所重視。單螺桿泵輸送流量、壓力穩(wěn)定，無脈動(dòng)。 單螺桿泵輸送變轉(zhuǎn)速即可改變輸出流量，可用作計(jì)量投加。 吸入能力強(qiáng)，工作噪聲小，無泄漏，無溫升。單螺桿泵輸送適應(yīng)范圍廣，可輸送一切流動(dòng)介質(zhì)甚至非流動(dòng)物料。單螺桿泵能輸送高固體含量的介質(zhì)；流量均勻壓力穩(wěn)定，低轉(zhuǎn)速時(shí)更為明顯；流量與泵的轉(zhuǎn)速成正比，因而具有良好的變量調(diào)節(jié)性；一泵多用可以輸送不同粘度的介質(zhì)；泵的安裝位置可以任意傾斜；適合輸送敏感性物品和易受離心力等破壞的物品；體積小，重量輕、噪聲低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。 正是由于上述特點(diǎn)，使得單螺桿泵應(yīng)用廣泛，領(lǐng)域涉及石油工業(yè)、化工及制藥、環(huán)境工程、礦產(chǎn)工程、食品工業(yè)、造紙行業(yè)。
在國(guó)內(nèi)，螺桿泵的使用時(shí)間短，對(duì)其研究起步相對(duì)較晚，因此在生產(chǎn)中還有許多管理上和技術(shù)上的問題需要解決。隨著螺桿泵應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對(duì)螺桿泵技術(shù)要求也越來越高，為適應(yīng)螺桿泵在其應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展的要求，有關(guān)螺桿泵的研究方向和內(nèi)容呈現(xiàn)出比較活躍的趨勢(shì)。
工業(yè)的發(fā)展對(duì)單螺桿泵提出了更高的要求，某些特定的行業(yè)用單螺桿泵的工作條件十分惡劣，如何提高單螺桿泵易損件的工作壽命，更好的滿足需要，是單螺桿泵設(shè)計(jì)和校核的關(guān)鍵。針對(duì)螺桿泵理論和結(jié)構(gòu)上存在的問題，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論體系基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手段和工具，設(shè)計(jì)出一種較為合理的單螺桿泵，緩減或解決螺桿泵在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用中所存在的具體問題，提高螺桿泵的壽命和效率，降低成本。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究綜述
1.2.1 國(guó)外螺桿泵的應(yīng)用現(xiàn)狀
單螺桿泵是1932年由法國(guó)工程師Moineau發(fā)明，并由德國(guó)PCM泵公司制成產(chǎn)品。近年國(guó)內(nèi)外采油（氣）設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是向大排量、大功率、耐高溫、耐高壓的方向發(fā)展；向自動(dòng)化、智能化和遙控監(jiān)測(cè)方向發(fā)展；向具有保護(hù)=報(bào)警、優(yōu)化記錄及顯示功能方向發(fā)展；向采油工藝多適應(yīng)性方向發(fā)展，既能適應(yīng)含水、含氣、含砂、含石蠟、稠油和低滲透油藏的采油需要，又能滿足定向井、水平井和深井采油工藝的需要。并且國(guó)外一些制造廠家已經(jīng)先后推出了大型單螺桿泵產(chǎn)品。加拿大約40%的重油井使用螺桿泵采油，其中一石油公司采用PCM/IFP聯(lián)合公司生產(chǎn)的Rodemip地面驅(qū)動(dòng)螺桿泵采油系統(tǒng)，井下部分連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了兩年，地面部分5年，投資與維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用均較低。發(fā)展大流量和高壓力的單螺桿潛油泵是國(guó)外螺桿泵的主要發(fā)展趨勢(shì)。發(fā)展這種產(chǎn)品主要是為了滿足一些大流量且含油水混合物的小口徑深油井的需要。單螺桿泵廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有約60年的歷史，但歐洲直到1985年前后才開始利用這種泵進(jìn)行深井采油。由于單螺桿泵在石油工業(yè)中的輸液范圍很廣，從低粘度到高粘度以及氣-液兩相流體，因此發(fā)展大流量高壓力的單螺桿泵的市場(chǎng)前景廣闊。發(fā)展高壓螺桿泵的另一個(gè)目的是為了高粘度原油的開采。目前，單螺桿泵的最大壓力已經(jīng)達(dá)到200bar，英國(guó)AG泵公司和法國(guó)PCM泵公司均生產(chǎn)這種高壓?jiǎn)温輻U泵（流量范圍20～500/h，級(jí)數(shù)1～20級(jí)）。由于這種高壓?jiǎn)温輻U泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、耐磨性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此國(guó)外越來越多地使用這種螺桿泵來開采含有大量固體顆粒、高粘度的原油。
1.2.2 國(guó)內(nèi)螺桿泵的應(yīng)用現(xiàn)狀
我國(guó)螺桿泵的發(fā)展起步較晚,原天津市工業(yè)泵廠于20世紀(jì)60年代初期研制成功船用高壓小流量三螺桿泵,此后逐步發(fā)展成為單、雙、三螺桿泵的專業(yè)生產(chǎn)廠。60年代中期,原沈陽水泵廠開始生產(chǎn)雙螺桿泵和三螺桿泵,70年代研制成功五螺桿泵。1984年6月，天津工業(yè)泵總廠與世界著名的德國(guó)阿爾維勒公司簽定三螺桿泵制造技術(shù)轉(zhuǎn)讓合同；1992年2月，與德國(guó)鮑曼公司簽定合同,引進(jìn)單、雙螺桿泵制造技術(shù)。為了提高螺桿泵轉(zhuǎn)子加工精度,天津工業(yè)泵總廠先后從英國(guó)霍爾羅伊德公司購(gòu)進(jìn)高精度螺桿泵轉(zhuǎn)子加工專用銑床,購(gòu)進(jìn)該公司螺桿泵轉(zhuǎn)子專用2AC銑床、刀具及檢查設(shè)備。購(gòu)進(jìn)奧地利CNC-131型加長(zhǎng)螺桿加工專用銑床。第二次購(gòu)進(jìn)英國(guó)霍爾羅伊德公司加長(zhǎng)螺桿加工專用銑床、大直徑螺桿加工高精度專用銑床,以及銑刀制造技術(shù)及電子檢查儀器。1989年,湖北石首水泵廠引進(jìn)原捷克斯洛伐克西格瑪公司單螺桿泵制造技術(shù)及空心管壓制單螺桿泵轉(zhuǎn)子設(shè)備。
目前，我國(guó)對(duì)螺桿泵地面裝置進(jìn)行了改進(jìn)，使螺桿泵的轉(zhuǎn)速、排量可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，以適應(yīng)不同井況的需要。但是時(shí)至今日，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品基本上局限于小型單螺桿泵，缺乏大型單螺桿泵產(chǎn)品，且在泵的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)等方面有待于改進(jìn)和提高，并普遍存在泵性能和可靠性不高的問題，
1.3本題的研究?jī)?nèi)容和方法
本文首先概述了課題的背景選題的意義以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和今后的發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹了本文研究思路；第2章概述了單螺桿泵的應(yīng)用概況、結(jié)構(gòu)原理和工作特點(diǎn)等相關(guān)理論；第3章概述了單螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、主要性能計(jì)算和影響因素分析；第4章，根據(jù)給定的流量、壓力來設(shè)計(jì)和選取合適的單螺桿泵結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成對(duì)單螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、主要性能計(jì)算；第5章，完成對(duì)其影響因素的分析；第6章，對(duì)全文做出了總結(jié)。本課題主要采用文獻(xiàn)調(diào)研法，理論設(shè)計(jì)分析法、計(jì)算法等研究方法。采用文獻(xiàn)調(diào)研法，通過查閱圖書館、圖書館網(wǎng)數(shù)字資源中的學(xué)術(shù)雜志、學(xué)術(shù)期刊等，收集國(guó)內(nèi)外的相關(guān)信息資料，并對(duì)資料進(jìn)行整理，通過理論設(shè)計(jì)分析法、計(jì)算法，對(duì)這些數(shù)據(jù)資料進(jìn)行理論歸納分析及計(jì)算，完成對(duì)單螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、主要性能計(jì)算和影響因素分析，并系統(tǒng)地做出報(bào)告。
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2. 單螺桿泵的概況
2.1 引言
單螺桿泵于1932年由法國(guó)工程師莫諾（MoiNeau）發(fā)明，并由法國(guó)PCM泵業(yè)分公司首先生產(chǎn)，故也被稱為莫諾泵（MONO）。莫諾泵還被稱為偏心螺桿泵、轉(zhuǎn)子偏心泵、曲桿泵、濃漿泵和蛇泵等，在我國(guó)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以正式定名為單螺桿泵。
它既適合輸送低粘度如水等介質(zhì)，還尤其適合輸送含有輸送含有固體顆?；蚨汤w維的懸浮液，以及粘度非常高的介質(zhì)。它廣泛地用于石油、化工、建筑、環(huán)保、船舶、紡織、冶金、采礦、印刷與造紙業(yè)、食品、釀造、醫(yī)藥和日用化工等領(lǐng)域，發(fā)展前景遠(yuǎn)大。目前莫諾泵輸送固體顆粒的最大尺寸為不超過轉(zhuǎn)子的偏心距，含量已可達(dá)到介質(zhì)的60%左右，粉狀顆粒可達(dá)到70%和最長(zhǎng)纖維長(zhǎng)度不超過0.4倍轉(zhuǎn)子螺距。它成功地輸送了其他泵難以完成的諸如水泥漿、陶土糊、水煤漿、水泥涂料和膨潤(rùn)土等含固體顆粒比例很高、粘度又大的介質(zhì)。水煤漿技術(shù)作為潔凈煤工程和煤漿加工的一種新途徑，它的制備和輸送越來越受到重視，但是由于水煤漿不僅流動(dòng)性差，而且成分為65%的煤粉、30%為水和5%為添加劑，煤粉中還含有大量硬顆粒礦物。很多使用場(chǎng)合要求排出壓力達(dá)1.8-2.4mpa，甚至更高些。盡管由于嚴(yán)重的磨蝕等因素影響到主要零件定子和轉(zhuǎn)子的壽命，通常定子壽命僅200h，轉(zhuǎn)子也僅800h左右，但運(yùn)行可靠；且我國(guó)至今尚無可替代的設(shè)備，因此在水煤漿廠和發(fā)電廠螺桿泵選型時(shí)單螺桿泵仍得到廣泛應(yīng)用。
莫諾泵另一突出的特點(diǎn)是特別適宜輸送不能受剪切、擠壓或攪動(dòng)的敏感性液體，即受到剪切等會(huì)呈現(xiàn)觸變性質(zhì)的非牛頓液體。在輸送膠狀液體如某些化妝品等時(shí)，必須注意泵的轉(zhuǎn)速與輸送介質(zhì)特性的匹配。因?yàn)榇蟛糠值哪z狀液體在靜止時(shí)成粘糊狀態(tài)，甚至?xí)枪虘B(tài)，但在攪動(dòng)后就會(huì)變得較易流動(dòng)的半流動(dòng)狀態(tài)，這種現(xiàn)象即為膠狀液體具有觸變現(xiàn)象，故必須選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，注意不使觸變破壞介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
莫諾泵已被采油系統(tǒng)廣為應(yīng)用。它在原油開采中使用由地面電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)或液壓三種驅(qū)動(dòng)裝置，通過抽油桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)把動(dòng)力傳送到井下，驅(qū)動(dòng)單螺桿采油，以及電動(dòng)機(jī)安裝在井內(nèi)的單螺桿泵下面的電動(dòng)潛油螺桿泵采油。這兩種新型的采油機(jī)械與傳統(tǒng)的梁式抽油泵（即利用抽油桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)抽油）相比。不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低，不需要混凝土基礎(chǔ)，安裝方便，而且采油效率高，一般可增加采油量1.8-7.3倍；一般節(jié)約電耗達(dá)26%-50%。法國(guó)PCP/IEP聯(lián)合公司的RODEMIP地面驅(qū)動(dòng)功率較小的單螺桿泵采油系統(tǒng)，節(jié)電甚至達(dá)60%-75%；效率更是高得多；使用梁式抽油有桿泵系統(tǒng)的平均效率僅為11.6%，用單螺桿泵開采稠油的系統(tǒng)平均效率為39.1%。這種新型的采油機(jī)械普遍用于抽吸高粘度、高含蠟油、高含砂稠油和高汽油比的原油等，現(xiàn)在又?jǐn)U大用于含水率80%以上的高含水深井采油，在原油開采中顯示出強(qiáng)大的生命力。一般在井下連
續(xù)工作一年左右，加拿大corod公司生產(chǎn)的螺桿泵采油系統(tǒng)泵的效率最高達(dá)78%，
正常使用條件下免修期為1-1.5年，實(shí)際使用壽命最高可達(dá)3年以上，而且維護(hù)
保養(yǎng)較為方便。
圖1 單螺桿泵結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 基本結(jié)構(gòu)和工作原理
單螺桿泵〔圖1、2)是一種內(nèi)嚙合的密閉式螺桿泵。它主要由螺桿、襯套、萬向聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸和泵軸等零部件組成，靠螺桿與襯套之間的內(nèi)嚙合相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使嚙合密封腔沿軸向運(yùn)動(dòng)，從而完成輸液過程。
圖2 單螺桿泵
1—壓出管 2—襯套 3—螺桿 4—萬向聯(lián)軸器 5—吸入管 6—傳動(dòng)軸
7—軸封 8—托架 9—軸承 10—泵軸
單螺桿泵屬于轉(zhuǎn)子式容積泵，它是依靠螺桿與襯套相互嚙合在吸入腔和排出腔產(chǎn)生容積變化來輸送液體的。它是一種內(nèi)嚙合的密閉式螺桿泵，主要工作部件由具有雙頭螺旋空腔的襯套（定子）和在定子腔內(nèi)與其嚙合的單頭螺旋螺桿（轉(zhuǎn)子）組成。當(dāng)輸入軸通過萬向節(jié)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞定子中心作行星回轉(zhuǎn)時(shí)，定子 — 轉(zhuǎn)子副就連續(xù)地嚙合形成密封腔，這些密封腔容積不變地作勻速軸向運(yùn)動(dòng)，把輸送介質(zhì)從吸入端經(jīng)定子 — 轉(zhuǎn)子副輸送至壓出端，吸入密閉腔內(nèi)的介質(zhì)流過定子而不被攪動(dòng)和破壞。
? ??? 螺桿具有單頭螺紋，其任意截面皆為半徑為R的圓，截面的中心位于螺旋線上且與螺桿的軸心線偏離一個(gè)偏心距e，繞軸旋轉(zhuǎn)且沿軸向移動(dòng)而形成的襯套內(nèi)表面具有雙螺紋，其任意截面為一長(zhǎng)圓，兩端是半徑為R（等于螺桿截面半徑）的半圓，中間是長(zhǎng)為4e的直線段。襯套的任意截面都是相同的長(zhǎng)圓，只是彼此互相錯(cuò)開一個(gè)角度。
? ?? ?螺桿裝入襯套后，螺桿表面與襯套內(nèi)螺紋表面之間形成一個(gè)個(gè)封閉的腔室，同時(shí)任意截面也被分成上下兩個(gè)月牙形工作室。當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，靠近吸入室的第一個(gè)工作室的容積逐漸增大，形成負(fù)壓，在壓差的作用下液體被吸入工作室。隨著螺桿的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，工作腔容積不斷增至最大后，這個(gè)工作室封閉，并將液體沿軸向推向壓出室。與此同時(shí)上下兩個(gè)工作室交替循環(huán)地吸入和排出液體，因此液體被連續(xù)不斷地從吸入室沿軸向推向壓出室。
常見單螺桿泵螺桿的形狀如圖3所示。它的外表面是由半徑為R的圓，其圓心O以偏心距e. 螺距t繞螺桿中心線O2做螺旋運(yùn)動(dòng)形成的單頭外螺紋表面。
圖3 單螺桿泵螺桿的形狀
圖4 襯套的形狀
襯套內(nèi)表面是雙頭內(nèi)螺紋表面。其橫截面呈長(zhǎng)圓形(見圖4)，兩端為半徑也
等于R的半圓，兩半圓圓心間的距離為4e,螺距也為t，因是雙頭螺紋，其導(dǎo)程T'=2t.具有如上形狀的螺桿與襯套相互嚙合的情況，如圖5所示。
圖5-a 、b給出的是在時(shí)刻二者的嚙合狀況，圖5c則為時(shí)刻的狀況。由圖5可見，在一個(gè)導(dǎo)程T內(nèi)取的9個(gè)與襯套軸線垂直的斷面上，皆有螺桿與襯套表面接觸的點(diǎn)或線。時(shí)刻，在1斷面上，二者沿圓弧線接觸;在2斷面上，則僅在兩點(diǎn)接觸……，若將所有相鄰斷面的接觸點(diǎn)依次連接起來，則得一條閉合的空間嚙合曲線…………。此嚙合曲線將襯套與螺桿間的空間隔離成和等空腔（是螺桿……點(diǎn)處襯套壁面之間的閉合空腔;若時(shí)刻螺桿剛好在5斷面處緊靠襯套壁面上的點(diǎn)，則用表示5斷面左邊的螺桿與、……處襯套壁面間的非閉合空腔，用表示5斷面右邊的螺桿與、……處襯套壁面間的非閉合空腔)。各空腔間互不相通，它們被所述嚙合曲線分隔開或封閉起來。
圖5 單螺桿泵工作原理示意圖
螺桿在襯套中轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)時(shí)刻后，各斷面中螺桿與襯套間的相互位置變成圖5c所示的狀況。由圖5可見，此時(shí)在2斷面中，螺桿已移至該斷面端的極限腔的嚙合線左端位置，即包圍腔的嚙合線左端位置，已由時(shí)刻的移至?xí)r刻的。若被輸送液體從嚙合副左端進(jìn)人襯套，且假設(shè)襯套的軸向長(zhǎng)度剛好等于導(dǎo)程T,則經(jīng)時(shí)間后，腔的軸向長(zhǎng)度比時(shí)刻的T減小了（ 為1, 2斷面間的軸向距離）或者說，時(shí)刻的腔的軸向位置向右移動(dòng)了，且其右端已與泵的壓出室相通。隨著時(shí)間的增大，腔向右移動(dòng)得更多，即襯套內(nèi)的腔容積更小，從而使與之相通的整個(gè)壓出空間的容積逐漸減小，壓力升高，產(chǎn)生了排液作用。
在時(shí)刻，1斷面內(nèi)的螺桿位于緊靠點(diǎn)的極限位置，形成了腔的斷面面積最大。此時(shí)，位于距此斷面一個(gè)螺距t的5斷面上的圓弧線,既是腔的右端密封線，又是腔的左端密封線。經(jīng)時(shí)間間隔后，該密封線己從5斷面右移，使與泵吸人室相通的腔容積增大，腔中壓力下降，從而吸人液體。與此同時(shí)，與泵壓出室相通的腔容積減小，和腔一道排液。
螺桿連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿與襯套間的嚙合密封線就不斷生成，且不斷由吸人端向壓出端移動(dòng)，泵的吸、排液過程就連續(xù)不斷地進(jìn)行了。
由上述工作過程可知，螺桿與襯套的嚙合長(zhǎng)度不能小于一個(gè)導(dǎo)程。泵揚(yáng)程越高，導(dǎo)程數(shù)目越多，螺桿與襯套的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)。
為消除零件加工誤差對(duì)嚙合線密封效果的不良影響，保證螺桿與襯套的嚙合線能承受壓出室與吸人室之間的壓差，單螺桿泵的襯套一般用耐磨橡膠等彈性材料制成，以使螺桿與襯套間的配合有微量過盈。
圖6 螺桿在襯套中的運(yùn)動(dòng)
單螺桿泵螺桿在襯套中的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜。在泵的任意一個(gè)橫斷面上(圖6)，螺桿繞其軸心線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其斷面圓的中心必定要在經(jīng)過襯套斷面中心O的直線人上運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，只能在繞:轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)必須還要有繞的轉(zhuǎn)動(dòng)才能產(chǎn)生。因?yàn)檩S是泵軸軸線通過的固定軸線，則連接泵軸和螺桿的傳動(dòng)軸必定要通過萬向聯(lián)軸器，才能將動(dòng)力傳遞給螺桿。
由圖6可見，當(dāng)螺桿斷面圓之圓心從其極端位置向D方向運(yùn)動(dòng)至某一位置時(shí)，螺桿軸心線從變到。在這個(gè)過程中，始終有，則襯套中心與螺桿軸心間的連線，必定要從向與螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。相反的方向，以角速度偏轉(zhuǎn)至，即要偏離AD直線，
圍繞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。由螺桿與襯套在極端點(diǎn)A接觸時(shí)，螺桿斷面中心點(diǎn)無切向運(yùn)動(dòng)線速度，即
（2-1）
所以有
（2-2）
這表明，螺桿軸線繞襯套軸線旋轉(zhuǎn)的角速度，等于螺桿繞自身軸線旋轉(zhuǎn)角速度值的一半。
2.3 性能參數(shù)
1、流量
螺桿泵流量與泵轉(zhuǎn)速、泄流量和介質(zhì)粘度有關(guān)，，式中為理論流量，為泄流量;，式中n為轉(zhuǎn)速，q為流量/轉(zhuǎn)。壓差△P越大，泄流量也越大。與液體的粘度成比例，對(duì)于螺桿泵，液體的粘度越大，泵的泄流量越小。
單螺桿泵的流量等于襯套與螺桿橫截面積之差(即泵的過流面積)與液體的軸向運(yùn)動(dòng)速度及泵容積效率的乘積:
（2-1）
式中，為螺桿泵有效體積流量，m3/ h; e為偏心距，m; 為螺桿橫截面直徑，m; 為導(dǎo)程，為螺距的2倍，m; 為泵軸轉(zhuǎn)速，r/ min;為泵容積效率。
2、壓差
螺桿泵的工作壓力差由排放載荷決定，排放阻力越大，工作壓差越大。
3、揚(yáng)程
螺桿與襯套嚙合后，在長(zhǎng)度等于導(dǎo)程T的每一段嚙合副上形成的嚙合線承受壓差，即為單級(jí)壓力p或單級(jí)揚(yáng)程H。常用橡膠襯套泵的p為0. 4一0. 6MPa。潛水式螺桿泵的襯套一般選用天然橡膠(NR)或丁睛橡膠(NBR)，選定額定揚(yáng)程為H = 50m。單螺桿泵的理論流量一理論揚(yáng)程(qvT--HT)曲線是一條直線，流量不隨揚(yáng)程變化而變化，即qvT為常數(shù)。但實(shí)際上隨著壓力的增大，通過螺桿一襯套副的漏損是增大的，所以單螺桿泵的實(shí)際流量是隨著泵揚(yáng)程的增大而減小的，其qv--H曲線呈與離心泵、旋渦泵等的qv--H曲線類似的下降型拋物線;其流量一軸功率(qv--P)曲線呈與離心泵相反，與旋渦泵相同的下降型拋物線，其中qv=0時(shí)達(dá)到Pmax值，故螺桿泵一般要求出口開閥啟動(dòng)。螺桿泵的漏損可看成是與流量反方向的圓環(huán)流動(dòng)，由流體力學(xué)伯努力方程和達(dá)西公式等，可推出一個(gè)導(dǎo)程內(nèi)總流動(dòng)損失和，其中，為液體的密度，為總阻力系數(shù)，為泄漏速度，則可推得泵揚(yáng)程，其中，為綜合系數(shù)。由此可以推斷單螺桿泵滿足或近似滿足揚(yáng)程相似定律，比轉(zhuǎn)速這個(gè)綜合特征系數(shù)的概念亦適用于單螺桿泵。本文給出的潛水螺桿泵性能曲線均由國(guó)家專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試，并且是采用比例定律換算至額定轉(zhuǎn)速下的最后數(shù)據(jù)。
4、轉(zhuǎn)速與比轉(zhuǎn)速
單螺桿泵的轉(zhuǎn)速選擇范圍較大，筆者統(tǒng)計(jì)到的產(chǎn)品轉(zhuǎn)速范圍n=200一3000r/min.
離心泵比轉(zhuǎn)速范圍30--300;旋渦泵7一30;而螺桿泵的比轉(zhuǎn)速下限更小，筆者統(tǒng)計(jì)到的單級(jí)最小比轉(zhuǎn)速1. 641。一般單螺桿泵比轉(zhuǎn)速范圍1.5--30.
5、軸功率
螺桿泵軸功率包括液力功率和摩擦功率N，當(dāng)壓力和流量一定時(shí)，液力功率是確定的。摩擦功率由運(yùn)動(dòng)件的摩擦產(chǎn)生，摩擦功率隨工作壓力的升高而增加，流體的粘度也增加摩擦功率的消耗。確定了介質(zhì)粘度、泵的工作壓力與流量，就可得出泵所需的軸功率N。
6、 泵效率及泵容積效率
螺桿泵的效率和泵機(jī)械效率、水力效率及容積效率相關(guān)，其中與容積效率關(guān)系最為密切。GB9064-88規(guī)定:在額定轉(zhuǎn)速下，規(guī)定壓力點(diǎn)的體積流量與零壓點(diǎn)的體積流量之比為泵容積效率。襯套與螺桿之間的配合間隙又是影響容積效率的最主要因素。試驗(yàn)研究表明:間隙越小(過盈配合少，泵流量、揚(yáng)程及效率均提高，反之則相反。有研究表明:此間隙不能過小，應(yīng)適當(dāng)選取。如果過盈量太大，造成啟動(dòng)力矩過大，電動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)，也加大了螺桿與襯套之間的磨損。如果襯套選用一般橡膠材料，溫差造成材料的熱脹冷縮也會(huì)影響到此間隙。
2.4 應(yīng)用特點(diǎn)
單螺桿泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、徑向尺寸小、壓力和排盆無脈動(dòng)、噪聲低、自吸性能強(qiáng)、輸送介質(zhì)時(shí)攪動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，可用于輸送含有固體顆粒的液體、酸堿鹽液體、各種不同粘度液體、紙漿、軟青、污油、泥漿、水泥砂漿等，廣泛應(yīng)用于環(huán)保、生物工程、污物處理、采礦、石油化工、食品、制糖、制藥、造紙、染料、建筑等工業(yè)。
螺桿泵的特點(diǎn)由于單螺桿泵它在輸送介質(zhì)的進(jìn)程中具有不受攪動(dòng)、脈動(dòng)小等特點(diǎn)，單螺桿泵廣泛用于輸送牛奶、啤酒以及一些乳化液等。也正是由于這些單螺桿泵的特點(diǎn)，螺桿泵還廣泛用于廢水處理系統(tǒng)的油水分離裝置，使廢水中的油不易乳化，更容易、更干凈地被分離出來，優(yōu)于目前選用較多的柱塞泵。必須指出應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域，不銹鋼螺桿泵必須符合有關(guān)衛(wèi)生的嚴(yán)格規(guī)定。其定子必須選用無毒、無味的橡膠，與輸送介質(zhì)相接觸的零件都應(yīng)不被腐蝕，泵內(nèi)部空間的流道應(yīng)光滑，采用不必拆卸用流動(dòng)和漂流即能沖洗干凈，確保泵內(nèi)無殘留物和細(xì)菌的滋生。
然而，即使是采用了無毒、無味的橡膠定子，其磨屑不可避免地仍會(huì)混入輸送的介質(zhì)中，這對(duì)食品和藥品等介質(zhì)，從環(huán)保的要求看是并不合適的。目前有些國(guó)家的這些領(lǐng)域已采用雙螺桿泵或羅茨泵替代單螺桿泵，盡管它們的價(jià)格較高，但對(duì)食品和藥品更為安全。
此外，單螺桿泵的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)液體、氣體和固體多相混輸，這是絕大多數(shù)的其他泵類無法實(shí)現(xiàn)的，故有著巨大的意義。它還可以替代投加各種化學(xué)添加劑的柱塞計(jì)量泵，計(jì)量精度相當(dāng)可靠，可以達(dá)到98%。單螺桿泵和其他類型泵相比，自吸能力強(qiáng)，通常對(duì)介質(zhì)為清水的吸上高度可達(dá)6m，對(duì)某些介質(zhì)在某些轉(zhuǎn)速下最高可達(dá)8.5m,這也拓寬了它的使用領(lǐng)域,完全可以當(dāng)作自吸泵使用。
單螺桿泵的用途在艦船上的使用較晚，應(yīng)用較多的是處理艙底油污系統(tǒng)的油水分離裝置(流量通常小于10m3/h，排出壓力為0.2/mPa左右，轉(zhuǎn)速一般為200r/min左右)、污物污水處理裝置和廢物焚燒爐系統(tǒng)等中作輸送泵，在糞便焚燒系統(tǒng)大都采用微型單螺桿泵(轉(zhuǎn)速降為50~60r/min，此時(shí)流量lL/min、排出壓力為0.2MPa左右，吸上高度約2m)，這些泵由于轉(zhuǎn)速低，壽命就很長(zhǎng)。此外，還有用作渣油泵、艙底泵、海水泵、甲板沖洗泵和貨油泵等，通常都用于低壓小流量工況。
單螺桿泵的特點(diǎn)是制造較為容易，適用領(lǐng)域廣泛，因此很有競(jìng)爭(zhēng)能力。其最大的缺點(diǎn)是以橡膠等為材質(zhì)的定子使用壽命不夠長(zhǎng)，且由于是偏心轉(zhuǎn)子，絕大部分產(chǎn)品的軸向尺寸較大，振動(dòng)也相對(duì)較大，此外其起動(dòng)力矩值通常也較高等。這些缺點(diǎn)需要進(jìn)一步研究加以改進(jìn)。
2.5 單螺桿泵的特性
1、自吸特性
泵借助大氣壓力從比其位置低的油箱中自行吸油的能力，稱為泵的自吸能力。單螺桿泵的自吸引特性是由于其特殊的過盈螺旋接觸密封線而形成的，所以其吸入管路無需依靠單向閥門或其它附加裝置。單螺桿泵具有很好的自吸能力，其吸入高度可達(dá)6m(介質(zhì)為清水)。
2、輸液特性
液體經(jīng)泵進(jìn)口管進(jìn)入，流經(jīng)轉(zhuǎn)子、定子液力部件最后到出口管路，整個(gè)過程沒有激烈的湍流和攪動(dòng)及脈動(dòng)，所以單螺桿泵特別適合于輸送敏感性的流體，如乳膠等。單螺桿泵的液體流速比其他泵種流速低，而且泵部件間沒有復(fù)雜的間隙和公差問題，其轉(zhuǎn)子是在彈性定子腔內(nèi)滾動(dòng)，而定子的硬度又可根據(jù)輸送介質(zhì)的特性來選定，所有這些因素結(jié)合起來，使得單螺桿泵非常適合輸送含有固體顆粒
的懸浮液、含有短纖維的懸浮液及軟性和硬性的固體液(稠度很高的淤泥、泥漿等)。
2.6 單螺桿泵的選用
1、根據(jù)介質(zhì)粘度選擇泵的轉(zhuǎn)速
為了確保能在高粘度下有效地泵送液體，必須選擇合適的轉(zhuǎn)速，否則泵在工作時(shí)易出現(xiàn)脈動(dòng)、發(fā)熱、氣穴及振動(dòng)等現(xiàn)象，引起泵的損壞。螺桿泵的允許圓周速度或轉(zhuǎn)速受到機(jī)械和流體力學(xué)兩方面條件的限制。機(jī)械方面，螺桿型面之間的最大允許滑動(dòng)速度為12m/s，最大允許轉(zhuǎn)速由該值經(jīng)換算后得到。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，螺桿泵的允許轉(zhuǎn)速要受到其氣蝕余量的限制，即要受到介質(zhì)的粘度和軸向流速的影響。這個(gè)允許速度值總是低于最大允許機(jī)械速度值，只有當(dāng)泵的進(jìn)口條件為正壓力時(shí)，才可能采用最大允許機(jī)械速度值。所產(chǎn)生的摩擦力是介質(zhì)粘度和螺桿轉(zhuǎn)速的函數(shù)，其關(guān)系式如下:
（2-3）
式中:—克服摩擦力所做的功;
—介質(zhì)的粘度;
N--螺桿的轉(zhuǎn)速。
下標(biāo)1和下標(biāo)2分別代表已知值和新值或計(jì)算值。
從（2-3）式可以看出，螺桿泵克服摩擦力所作的功與輸送介質(zhì)粘度比的平方根及螺桿轉(zhuǎn)速比的1.5--2.0次方成正比。不同的介質(zhì)粘度對(duì)應(yīng)的泵轉(zhuǎn)速推薦值如表1所示。
表1 不同的介質(zhì)粘度對(duì)應(yīng)的泵的特性
介質(zhì)粘度
mpa·s
1~
1000
1000~
10000
10000~
100000
100000~
1000000
轉(zhuǎn)速
r/min
400~700
以下
200~400
以下
200
以下
100
以下
2、根據(jù)介質(zhì)磨耗性選擇轉(zhuǎn)速和壓力
利用單螺桿泵輸送含固體顆粒的水泥漿、地下工程施工漿、汰白粉糊及涂料等介質(zhì)時(shí)，遇到的比較嚴(yán)重的問題是泵的磨損問題。泵的磨損與介質(zhì)的流速、濃度、顆粒粒度、流態(tài)及泵的結(jié)構(gòu)和定子及轉(zhuǎn)子的材料等因素有關(guān)。因此，選擇合適的轉(zhuǎn)速和壓力對(duì)降低泵的磨損，提高泵的使用壽命是非常有益的。實(shí)際應(yīng)用中，通常根據(jù)介質(zhì)的磨耗性選擇泵的轉(zhuǎn)速和壓力。在建筑機(jī)械中，當(dāng)輸送的介質(zhì)磨耗性較大時(shí)(如石灰漿、載土、陶土等)，應(yīng)選用較低的轉(zhuǎn)速和較小的壓力。泵的轉(zhuǎn)速和最高壓力推薦值見表2。
表2 不同磨耗介質(zhì)泵轉(zhuǎn)速及壓力推薦表
磨耗性
輕微
一般
嚴(yán)重
轉(zhuǎn)速 r/min
400~600
200~400
50~200
最高壓力MPa
2.4
1.6
0.8
3、單螺桿泵材料的選用
單螺桿泵的主要工作部件是螺桿轉(zhuǎn)子和與其相配合的橡膠襯套，部件的材質(zhì)是根據(jù)輸送介質(zhì)的特性確定的。單螺桿泵的轉(zhuǎn)子通常采用碳鋼(鍍硬鉻)、滲氮鋼、1Cr18Ni9Ti(鍍硬鉻)及欽金屬等材料。為了提高螺桿轉(zhuǎn)子的耐磨性，應(yīng)對(duì)螺桿表面進(jìn)行鍍硬鉻處理，鍍層一般為0. 06~ 0. 08mm。襯套的內(nèi)襯絕大多數(shù)采用各種牌號(hào)的橡膠制造，特殊情況下也可采用塑料、聚四氟乙烯或金屬制造。襯套所用的橡膠牌號(hào)應(yīng)根據(jù)輸送介質(zhì)的化學(xué)性能、所含雜質(zhì)的多少及泵的壓力和轉(zhuǎn)速等因素進(jìn)行選擇。建筑機(jī)械由于介質(zhì)中含有顆粒和雜質(zhì)，一般選擇彈性大、硬度低的橡膠。泵的過流部件如吸入管、壓出管和間隔套等零件的材料一般為鑄鐵、球墨鑄鐵或奧氏體不銹鋼等材料制造。
3. 單螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能計(jì)算
螺桿和襯套是螺桿泵的主要工作元件，是影響螺桿泵性能、效率和使用壽命的關(guān)鍵元件，同時(shí)也是設(shè)計(jì)難度最大的元件。
螺桿泵設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)給定的流量、壓力和所輸送介質(zhì)性質(zhì)(如重度、粘度和溫度及氣體和固體含量)參考現(xiàn)有的螺桿泵來計(jì)算和選擇螺桿和襯套的主要尺寸，如螺桿橫斷面的直徑d、偏心距e、螺距t以及螺桿和襯套的長(zhǎng)度L等。
螺桿泵設(shè)計(jì)中最重要的也是難度最大的設(shè)計(jì)，就是螺桿橫截面的設(shè)計(jì)。
3.1單螺桿泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1.1 螺桿和襯套尺寸的確定
（1） 單螺桿基本尺寸
單螺桿泵的設(shè)計(jì)是根據(jù)給定的流量和壓力來計(jì)算和選取螺桿與襯套的尺寸。
在確定螺桿直徑時(shí)可以根據(jù)泵的流量來確定，即:
（3—1）
式中 t一螺桿的輾距，m
e一偏心距，m
Q一流量，
一容積效率，%。
對(duì)于螺桿一襯套副具有過盈時(shí)可以取 = 80一85%； 對(duì)于螺桿一襯套副具有間隙時(shí)，取=70%
現(xiàn)有單螺桿泵的T/ d及T/e比值(T為襯套螺距，T=2t; e為偏心距)一般處于下列范圍內(nèi):
(3.1一2)
(3.1一3)
但前蘇聯(lián)BHTM(全蘇水力機(jī)械研究院)認(rèn)為時(shí)泵的吸人條件最好。
初步設(shè)計(jì)時(shí)，參考已有泵的參數(shù)，選取T/d和T/e值，然后根據(jù)公式(3- 3)推導(dǎo)出下列公式，從而求出螺桿與襯套的基本參數(shù)(螺桿直徑d，襯套螺距T,偏心距e).
螺桿直徑d:
(3. 1一1)
式中 d一螺桿直徑，m
Q一泵流量，時(shí)
n一泵轉(zhuǎn)速，
一容積效率，%
襯套螺距T：
(3.1—2)
偏心距e：
(3.1—3)
根據(jù)已知的e、t及T和給定的泵的壓力P，參考已有相近的泵的參數(shù)，確定螺桿和襯套的螺紋扣數(shù)L/t和L/T，從而確定螺桿和襯套的長(zhǎng)度L。
(2)襯套長(zhǎng)度L
將螺桿與襯套嚙合后，在長(zhǎng)度等于導(dǎo)程的每一段嚙合副上形成的嚙合線承受的壓差皆視為(稱為單級(jí)壓力，常用橡膠襯套泵的為0.4--0.6MPa)，則全壓力為的泵所需的嚙合副總長(zhǎng)度，即襯套長(zhǎng)度的最小值應(yīng)為
（3.1—4）
襯套實(shí)際長(zhǎng)度L應(yīng)稍大于螺桿長(zhǎng)度又要大于襯套長(zhǎng)度L。對(duì)高壓泵，所需襯套的導(dǎo)程總數(shù)(又稱為泵的級(jí)數(shù))為
（3.1—5）
3.1.2 螺桿和襯套的型線設(shè)計(jì)
（1）螺桿型線
螺桿外表面型線(見圖7)是正弦曲線abcd繞中心線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)沿中心線移動(dòng)而形成的.其任意截面都是半徑為R的圓，螺桿截面中心線對(duì)中心線有一個(gè)偏心距e。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，母曲線軸向移動(dòng)的距離等于螺桿螺距t。
根據(jù)圖7a, b可求出螺桿表面的參數(shù)方程。
圖7 螺桿的型線
圖8（a） 螺桿橫截面 圖8（b） 螺桿橫截面
圖8（a）中，螺桿截面中心q對(duì)螺桿輪廓中心的位移量等于1個(gè)偏心距e.，所形成的軌跡(沿以為圓心以e為半徑的圓上轉(zhuǎn)動(dòng)，且沿Z軸移動(dòng))，在確y定坐標(biāo)系中，用下列參數(shù)方程表示:
(當(dāng)時(shí)，.點(diǎn)正好轉(zhuǎn)動(dòng))
角變化范圍從0--( n為正整數(shù)).
螺桿型線點(diǎn)M(x,y)坐標(biāo)，在定坐標(biāo)系和動(dòng)坐標(biāo)系中，以角和角做為函數(shù)
構(gòu)成螺桿表面參數(shù)方程如下:
為求螺桿的軸向截面曲線型線即abcd曲線，可用平面將螺桿從中心線截開，即可得出軸截面型線。根據(jù)圖7(b)中，和角的變化即可算出在y軸上A點(diǎn)的各個(gè)值。
當(dāng).轉(zhuǎn)一周( )時(shí)，螺桿截面中心也轉(zhuǎn)一周則z正好為一個(gè)螺距，見圖9
圖9 螺桿軸截面型線
（3）襯套及其軸向截面型線
襯套是具有雙頭內(nèi)螺旋表面的空心圓柱體，襯套內(nèi)的螺旋線的節(jié)距T等于螺桿節(jié)距的2倍，即T = 2t，見圖10.
圖10 襯 套
襯套橫截面是半徑為R的2個(gè)半圓形，圓心距為4e，襯套空心截面面積等于2個(gè)半圓面積和矩形面積之和。
襯套橫截面周邊上的各點(diǎn)描繪成螺旋線，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角時(shí)則該截面軸向移動(dòng)1個(gè)節(jié)距T，即
為便于制造，必須給出襯套軸向截面型線方程。
圖11 襯套橫截面
由于襯套是由二段直線和二段半圓組成的雙頭螺旋面，不可能用單值連續(xù)函數(shù)表示出來，所以下面將分別敘述之:
（1）圖10中襯套工作表面在KL圓弧段上，向量半徑OA值為:
在中，
根據(jù)公式
則
則
角變化范圍是
( 2)在LM直線段上在直線段上小角變化為:
圖12 襯套軸截面型線
當(dāng)時(shí)，則的大小數(shù)值一定以對(duì)稱中心前后重復(fù)。下半部圓弧段MD上的OA各點(diǎn)也一定和上半部半圓弧各點(diǎn)重復(fù)，半圓弧上OA各點(diǎn)構(gòu)成的曲線和直線段LM上各點(diǎn)構(gòu)成的曲線連線則成為襯套的軸向截面(z軸)型線(見圖12)。因向量半徑OA和OA'就是轉(zhuǎn)到Y(jié)軸上各點(diǎn)的值，所以O(shè)A和就是y坐標(biāo)上的值。
襯套軸向截面方程如下:
圓弧段從---
直線段 從---
取值按上邊二段線段相應(yīng)取
3.2 單螺桿泵材料的選用
單螺桿泵的主要工作部件是螺桿轉(zhuǎn)子和與其相配合的橡膠襯套，部件的材質(zhì)是根據(jù)輸送介質(zhì)的特性確定的。
單螺桿泵的轉(zhuǎn)子通常采用炭鋼(鍍硬鉻)、滲氮鋼、1Cr18Ni9Ti(鍍硬鉻)及欽金屬等材料。為了提高螺桿轉(zhuǎn)子的耐磨性，應(yīng)對(duì)螺桿表面進(jìn)行鍍硬鉻處理，鍍層一般為0.06--0.08mm。
襯套的內(nèi)襯絕大多數(shù)采用各種牌號(hào)的橡膠制造，特殊情況下也可采用塑料、聚四氟乙烯或金屬制造。襯套所用的橡膠牌號(hào)應(yīng)根據(jù)輸送介質(zhì)的化學(xué)性能、所含雜質(zhì)的多少及泵的壓力和轉(zhuǎn)速等因素進(jìn)行選擇。建筑機(jī)械由于介質(zhì)中含有顆粒和雜質(zhì)，一般選擇彈性大、硬度低的橡膠。定子材料有天然橡膠、丁納膠、丁晴膠、氯丁膠、丁基膠、三元乙丙膠、氟化膠、聚乙烯、聚酸醋和聚氨醋膠等。襯套為橡膠制品，也是單螺桿泵的一個(gè)易損件，它的選擇好壞，直接影響襯套的壽命，一般正常情況下襯套的壽命為3-6個(gè)月，如果選用不當(dāng)，襯套可能從鋼管中脫落或橡膠掉塊。所以要求我們對(duì)橡膠的基本特性及橡膠對(duì)各種不同介質(zhì)的適應(yīng)性有所了解，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)列出表3、表4。
表3：橡膠基本特性
橡膠特性
丁晴橡膠NBR
氯丁橡膠CR
氟橡膠PPM
乙丙橡膠EPDM
耐最高溫度
+120°C
+110°C
+200°C
+150°C
耐磨性
優(yōu)
很好
優(yōu)
很好
耐老化性
很好
很好
優(yōu)
優(yōu)
耐臭氧
不行
優(yōu)
優(yōu)
優(yōu)
耐蒸汽
很好
不行
優(yōu)
優(yōu)
耐燃性
很好
優(yōu)
優(yōu)
優(yōu)
表4：?jiǎn)温輻U泵的襯套常用橡膠
橡膠的適應(yīng)性
乙丙橡膠EPDM
氟橡膠PPM
氯丁橡膠CR
丁晴橡膠NBR
水（污水）
很好
很好
很好
很好
植物油
一般
很好
一般
很好
礦物油
不行
很好
一般
很好
氨水
一般
不行
不行
很好
芳香族溶劑
不行
很好
不行
不行
濃堿
很好
不行
很好
很好
濃硝酸
不行
一般
不行
不行
冰醋酸
不行
很好
不行
很好
稀硫酸
很好
很好
不行
很好
濃硫酸
一般
很好
不行
不行
稀鹽酸
很好
很好
很好
很好
濃鹽酸
很好
很好
不行
很好
熱水
很好
不行
不行
一般
汽油
不行
很好
一般
很好
甲苯
不行
很好
不行
不行
二甲苯
不行
很好
不行
不行
乙醇
很好
很好
很好
一般
煤油
不行
很好
很好
很好
柴油
不行
很好
不行
很好
氯化烴
不行
一般
不行
不行
含酮類物料
很好
不行
不行
不行
含醇類物料
很好
很好
很好
很好
含脂類物料
很好
不行
不行
不行
含醚類物料
很好
不行
不行
不行
泥漿
很好
一般
一般
很好
磷酸
很好
一般
很好
一般
碳酸鈉
很好
不行
很好
很好
糖醛
很好
一般
一般
一般
苯100
不行
很好
不行
不行
丙酮
很好
不行
不行
不行
亞麻子油
很好
很好
很好
很好
二硫化碳
不行
很好
不行
不行
泵的過流部件如吸入管、壓出管和間隔套等零件的材料一般為鑄鐵、球墨鑄鐵或奧氏體不銹鋼等材料制造。
3.3 單螺桿泵的加工制造
3.3.1 螺桿的加工
螺桿泵螺桿的加工可以采用成型車刀、刨刀、盤狀刀具(即成型銑刀)、滾刀、剃齒刀、旋風(fēng)切削或者砂輪磨削加工，最經(jīng)常采用的方法是盤狀刀具和磨削加工 國(guó)內(nèi)外螺桿泵制造商大部分采用圓盤成型銑刀精加工螺旋型面，對(duì)于精度要求高的螺桿，則采用研磨和成型磨削。對(duì)于泵套三孔精加工，小直徑采用組合拉刀拉削，大直徑采用幢削加工。
文獻(xiàn)[[9]中介紹了旋風(fēng)切削與盤狀刀具的基本原理及盤狀刀具齒廓的計(jì)算。
螺桿泵螺旋面加工方法，歸納起來有以下幾種:
（1）在車床上用成型刀具加工;
（2）利用圓盤銑刀、指形銑刀和擺線成型滾刀銑削;
（3）在專門機(jī)床上采用旋風(fēng)切削;
（4）用專用刨刀的刨削;
（5）利用專用磨床進(jìn)行研磨和成型磨削。
20世紀(jì)80年代中期德國(guó)一家螺桿泵生產(chǎn)廠采用一種新的螺桿加工方法，即爆炸成型法。采用管件作為螺桿毛坯，管件內(nèi)裝有炸藥棒，管件中一段依靠炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的高內(nèi)壓形成所需的螺桿形狀。這種方法可以使螺桿重量減輕，降低成本25%，同時(shí)減少制造時(shí)間，提高了螺桿泵使用壽命和效率。
英國(guó)Mon.公司安裝一套先進(jìn)的柔性制造系統(tǒng)(FMS)，能在一次裝卡中實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿泵零件的五面加工，銑、鉆、幢、磨和攻絲等同時(shí)進(jìn)行，提高了生產(chǎn)率，使交貨期從原來6周縮短為6天。
3.3.2 單螺桿泵橡膠定子的加工
定子有雙頭內(nèi)螺紋，定子的導(dǎo)程為轉(zhuǎn)子螺距的2倍，它是在金屬殼體內(nèi)襯橡膠作彈性材料制成。
（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)
定子是中空產(chǎn)品，成型時(shí)需要芯模。芯?？梢罁?jù)轉(zhuǎn)子的尺寸定做。芯模在軸向的定位是定子與轉(zhuǎn)子匹配的關(guān)鍵。單螺桿泵實(shí)際上是多級(jí)泵，它的每個(gè)閉腔容積相當(dāng)于一級(jí)泵。在閉腔容積內(nèi)的液體壓力隨著液體從吸入腔向壓出腔方向推移而逐級(jí)提高，每級(jí)壓差為。轉(zhuǎn)子與定子嚙合時(shí)，每2個(gè)螺距構(gòu)成一個(gè)閉腔容積。因此，單螺桿泵的轉(zhuǎn)子一定子副的最小嚙合長(zhǎng)度不能小于2倍螺距(即定子螺旋孔的一個(gè)導(dǎo)程)，否則吸入腔與壓出腔相通而不能工作。
（2）配方設(shè)計(jì)
彈性內(nèi)襯材料承受的負(fù)荷有轉(zhuǎn)子對(duì)它的擠壓和高速度的滑動(dòng)摩擦，滑動(dòng)速度高達(dá)2.5--3.0m/s，轉(zhuǎn)子繞定子軸線行星回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力對(duì)定子內(nèi)襯的沖擊以及由于摩擦和沖擊的機(jī)械能變成熱能，使內(nèi)襯溫度升高。故彈性內(nèi)襯材料要求具有良好的耐磨、耐沖擊、耐熱和耐腐蝕等性能。因此主體材料選用NB R。當(dāng)輸送的液體中含有雜物時(shí)，彈性內(nèi)襯材料的硬度宜低些；當(dāng)輸送的液體是純液體時(shí)，彈性內(nèi)襯材料的硬度宜高些。
最后確定的橡膠定子配方為:NBR 100，硫黃1.5，防老劑2.5，粘合劑(Chemlok 608# ) 4. 8，氧化鋅5，硬脂酸1，炭黑50，軟化劑7，促進(jìn)劑1. 5，其它0. 15。膠料物理性能()為：邵爾A型硬度 72度，拉伸強(qiáng)度11 Mpa，扯斷伸長(zhǎng)率280 %；耐油性能為：3”標(biāo)準(zhǔn)油(70℃×24h)體積變化率15%。
（3）生產(chǎn)工藝
單螺桿泵定子是由金屬外殼內(nèi)襯彈性材料構(gòu)成。由于橡膠(彈性材料)在金屬殼體的里面，采用一般的模壓硫化方法很難保證定子的內(nèi)在質(zhì)量，必須采用注壓的方法才能達(dá)到滿意的效果。
移模注壓工藝就是在模具上裝一只可拆卸的注料筒，橡膠膠料從注料筒流入模具中，當(dāng)模具兩端邊的排氣孔中有膠料流出時(shí)，說明模具內(nèi)已充滿膠料，這時(shí)，可把注料筒移去，進(jìn)行硫化。
移模注壓是依靠平板硫化機(jī)的壓力，由徑向把膠料注入模具中去。注壓半成品膠片要預(yù)熱充分，注壓時(shí)要分段慢慢打壓。這樣做可使膠料充分流動(dòng)，而且膠料緩慢流動(dòng)不會(huì)把芯模擠變形。
為保持在轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)轉(zhuǎn)下單螺桿泵定子的使用壽命，本研制采用3種方法提高橡膠與金屬的粘合力：?定子金屬殼體有內(nèi)螺紋，增大橡膠與金屬的粘合面；②選擇噴砂工藝有利于粘合；?涂刷Chemlok 608”膠粘劑使粘合更好。
（4）模具設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的注壓工藝模具見圖13。左半部為定子模具，右半部為注壓模具，二者通過注料筒連接。注料筒兩端一端為正螺紋，另一端為反螺紋，裝卸十分方便。注壓模具整體呈圓柱形，注壓腔為圓柱形，上下蓋設(shè)計(jì)成八菱形以利于裝卸;下蓋通過螺紋與注壓腔連在一起;上蓋的作用相當(dāng)于一個(gè)活塞，整體設(shè)計(jì)為T形結(jié)構(gòu)，推進(jìn)膠料的活塞頭設(shè)計(jì)為偏圓柱形;注壓后注壓腔與外界空氣相通不致于造成太大的負(fù)壓，有利于卸模。注壓腔容積和注壓行程設(shè)計(jì)為:注壓腔容積與定子彈性體材料體積之比為1.2 :1;一個(gè)注壓行程(即注壓活塞推進(jìn)到底部)后，硫化平板恰好與定子模具接觸，卸去注料筒和注壓模具，可直接進(jìn)行硫化。
圖13 注壓工藝磨具
移模注壓工藝流程為:金屬殼體放入定子模具~半成品膠片放入注壓腔預(yù)熱3 min~注壓一卸去注料筒和注壓模具州流化。
（5）特點(diǎn)
金屬/橡膠定子是單螺桿泵的主要配件。主體橡膠選用NBR；骨架材料內(nèi)部設(shè)計(jì)螺紋增大了粘合面;采用移模注壓，設(shè)計(jì)合理的注壓行程，操作簡(jiǎn)便。產(chǎn)品具有耐油性好、使用壽命長(zhǎng)，輸送液體時(shí)擾動(dòng)小、流量均勻、壓力穩(wěn)、效率高、吸入性能好，宜于輸送粘稠的非牛頓液體等特點(diǎn)。
3.4 單螺桿泵的性能計(jì)算
單螺桿泵設(shè)計(jì)，如上所述，根據(jù)給定的工作參數(shù)，計(jì)算單螺桿泵的螺桿和襯套的一些主要尺寸。設(shè)計(jì)后的校核計(jì)算，就在于計(jì)算螺桿泵的流量，功率，確定軸向力并計(jì)算泵軸、軸承、泵體和其它一些零件。
各部分尺寸確定后，進(jìn)行螺桿和襯套的三維建模。
文獻(xiàn)【1】中，給出了螺桿泵螺桿直徑d，襯套螺距T和偏心距e的計(jì)算公式，以及確定螺桿和襯套的螺紋扣數(shù)L/t和L/T及其長(zhǎng)度L的計(jì)算方法，具體如下：
單螺桿泵的理論流量決定于單位時(shí)間內(nèi)通過襯套橫截面的液體體積，即決定午工作容積和軸向移動(dòng)速度。
圖14 通流部分截面
螺桿橫截面積
襯套橫截面積
襯套與螺桿之間工作室的通流部分截面面積
此面積為定值，與螺桿和襯套的位置無關(guān)。因?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)一周液體軸向位移為2t，所以軸旋轉(zhuǎn)一周泵的單位理論流量為
（3—2）
式中r—螺距，m
e一偏心距，m
d一螺桿外徑，m
于是泵的理論流量為
(3—3)
式中--泵轉(zhuǎn)速，
泵的實(shí)際流量為
, (3—4)
式中，一泵的容積效率，其值與螺桿一襯套副的間隙、相鄰的吸人室和排出室的壓差、輸送液體的性質(zhì)(如粘度等)、螺桿與襯套的制造精度和表面光潔度、以及泵的工作條件等有關(guān)。
單螺桿泵設(shè)計(jì)中主要是根據(jù)給定的流量和壓力來計(jì)算或參考現(xiàn)有的泵來選取螺桿和襯套的尺寸(螺桿橫截面直徑d、偏心距e、螺距t、和襯套長(zhǎng)度L)。
單螺桿泵的校核計(jì)算在于計(jì)算泵的流量、功率，確定軸向力并計(jì)算軸、軸承、泵體和其他零件。
4. 單螺桿泵應(yīng)用實(shí)例設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)一單螺桿泵，用于某城市污水處理廠。要求性能參數(shù)為:
流量
壓力
轉(zhuǎn)速
效率
汽蝕余量
軸功率11.6 kW
配帶功率15kW
結(jié)構(gòu)型式：臥式，電機(jī)與減速機(jī)直聯(lián)，泵與減速機(jī)通過聯(lián)軸器聯(lián)接。
通過公式〔3.1-1)、(3.1-2)、(3.1-3)，取=85%a，取T/e=27， T/d=4.7。
得出：螺桿直徑的d=84.3，取d=85mm
襯套螺距T=396，取T=400
螺桿螺距t=T/2=200mm
偏心距e= 14.6mm，取e= 15mm
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參考相近類型泵參數(shù)，取