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1、高压疏水双螺杆泵设计技术研究张皓宇1，张维勇2，朱殿璞2（1海军驻上海第704所军事代表室，上海 200031；2中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031）摘 要：用于高压疏水的泵一般选取往复泵，但往复泵结构复杂、零部件多、体积大，振动噪声不容易解决。因此开展了用于高压疏水的双螺杆泵开发设计，主要从螺杆型线、整体结构、加工工艺及表面处理等方面进行了研究。关键词：双螺杆泵；高压疏水；型线中图分类号：TH327 文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2015.S1.001Study on the Design of Twin-screw Pump and Hi
2、gh Pressure WaterZHANG Hao-yu1, ZHANG WEI-yong2, ZHU Dian-pu2(1. Navy Representation Office at Shanghai No.704 Research institute, Shanghai 200031; 2. Shanghai Marine Equipment Research Institute, CSIC, shanghai 200031)Abstract: Reciprocating pump is generally used to pump high pressure water. Unfor
3、tunately, it has complicated structure and so many components with a big size. It is not easy to solve the problem of vibration and noise. Based on the above, the design and development of twin-screw pump is carried out for pumping high pressure water. In this paper, the main terms of the screw type
4、 line, the overall structure, processing and surface treatment were studied.Key words: twin-screw pump; high pressure water; type line0 引言双螺杆泵相对于往复泵来讲，具有体积小、质量轻、结构简单、振动噪声小等优点，通过特殊的型线和结构设计可满足高压疏水的使用要求。由于输送介质为水，甚至是污水，不具有润滑性，在结构设计上应设计成轴承为外置式，两螺杆型线不能接触啮合，需要保证一定间隙，要求必须使用外置式同步齿轮进行驱动4。由于需要高压疏水，需要开展双吸结构用于平衡
5、轴向力，尽量提高螺杆转子的整体刚度，减小轴承之间的跨距以减小螺杆挠度。由于需要输送污水，螺杆材料应选用耐腐蚀材料，为保证耐磨性，螺杆型面、表面及衬套表面需要进行表面处理。对于不锈钢螺杆且高压疏水，对螺杆加工工艺开展了研究工作；对整体式螺杆结构，开展了一体化螺杆加工及装配工艺。经过以上一系列的设计技术研究分析，形成了高压疏水双螺杆泵的设计技术，并开展了样机加工试验等工作。1 螺杆及型线设计此螺杆泵为高压疏水双螺杆泵，不同于输送具有润滑介质的螺杆泵，不适合选用具有传递扭矩且接触的密封性B型型线，应设计成两段摆线组合且成对称的组合型线2。1）端截面1主动和从动相同，螺旋对称，每侧型线均为两段摆线组成
6、，ab段为长幅外摆线，其方程为： （1）其中，R为螺杆外圆半径，mm；dj为中心距，mm；ab为形成型线过程中滚圆滚动过程中动圆圆心滚动过的角度。bc段为外摆线，其方程为：其中，rj为节圆半径，mm；bc为形成型线过程中滚圆滚动过程中动圆圆心滚动过的角度。收稿日期：2015-05-19；修回日期：2015-06-03作者简介：张皓宇（1986-），男，工学硕士，主要从事船舶机电设备设计研究工作。型线bc段动圆和定圆半径相等，即为心脏线，为保证bc段起点在节圆上也在ab段上，需将bc段旋转ab角度，ab为型线ab段的极角。 （2） （3）式中，b=dj/2=rj，为交点b在O1圆上的半径，因此转
7、动后bc段的方程变为：得到： （4）为了螺杆加工的需要，需要将螺杆端截面的方程转化为轴截面上的方程和螺旋法截面上的方程。图1 双螺杆螺旋的齿形曲线2）轴截面1当端面型线与坐标系一起做螺旋运动时，型线上任何一点在不动坐标系上绘出位于螺旋面上的螺旋线。若端面型线绕轴线的转角为，导程为S，则螺旋面上的坐标方程为： （5）其中，tg=S/2r，可以求出节圆上的螺旋升角。令X=0，可以求出轴截面的方程： （6）其中，；为变量。3）法截面法截面上的方程经过坐标变换可以得到以下方程： （7）以上为型线的解析方程，在加工时需要对方程进行离散，形成离散点时一般利用excel进行离散3。首先离散出ab段的点，其中
8、设ab为变量参数，根据精度要求从0设定间隔值，形成ab段的离散点。然后用同样的方法离散bc段，离散时变量可以直接选用bc作为变量，从0开始，离散出bc段的离散点。离散时需要结合底圆、节圆及顶圆方程来进行，圆方程为：。分别作半径为底圆半径r、外圆半径R、节圆半径为rj的圆，其中bc段与外径交点为bc段的终点，bc段的起点为ab段的终点。另可取时即为ab段的终点，注意不能超过rj。4）螺杆由于型线为对称布置，单头，为保证螺杆动平衡，导程数一般选取整数，根据设计经验及试验结果，保证加工精度的情况下，对于水来讲，此型型线每个导程可密封0.4MPa0.5MPa。为保证螺杆整体刚度，螺杆和螺旋套应设计成一
9、体式，为保证轴向力的平衡，螺杆需采用双吸结构，呈左旋右旋对称布置。为尽可能减小工作时螺杆的挠度，应尽可能减小两轴承之间的跨距。由于需要高压疏水，因此在螺杆型线参数上主要需要对底径比、螺旋升角、导程数等进行确定。通过充分的数值计算和大量的试验摸索，寻求出规律。2 整体结构设计为实现高压疏水，需要设计成双吸、轴承外置、外置同步齿轮驱动等，主要结构示意如图2所示。在设计过程中为保证高压时螺杆与衬套之间的间隙，尽可能地控制螺杆在运行过程中的挠度，为保证挠度，可增加螺杆的直径及减小两轴承之间的跨距。根据大量的试验和数值计算表明，型面之间的间隙在0.08mm0.12mm之间、螺杆与外圆之间的间隙应选为0.
10、1mm0.12mm时刻有效保证两螺杆之间及螺杆与衬套之间的不产生碰擦，又能保证高压。由于螺杆之间不具传递扭矩作用，需在外部配置同步齿轮，齿轮型式宜用直齿或人字齿，不宜选用斜齿，因为斜齿在传递扭矩过程中同时产生了轴向力。由于螺杆为整体式双吸结构，以目前的加工水平，选用直齿较为合理，因为选用人字齿时，对加工水平要求较高，装配时调整螺杆型面之间的间隙时很难保证精度。图2 双螺杆泵结构示意图为保证整体刚度和精度，泵体和衬套之间宜选用整体式结构，焊接完成后一起加工，在泵体上应配置润滑系统及冷却系统。在泵体的结构设计时，为保证机械密封的润滑及降低机械密封的密封压力，提高可靠性，建议两端作为进口，中间作为出
11、口。在轴承的选择上，一端应配置深沟球或角接触轴承成对使用，另一端配置滚子轴承，以便调整间隙。3 加工工艺此螺杆为特殊设计，其结构对加工提出了很高的要求。在螺旋升角的选择上，采取了极小的螺旋升角；螺旋槽宽度较小，刀具应进行小型化设计；由于耐腐蚀性要求，在材料的选择上，只能选择耐腐蚀的材料；利用“小型”刀具加工不锈钢材料，对加工工艺提出了很高要求，主要应保证刀具的刚度，在加工过程中避免刀具抖动产生的加工误差。由于螺杆应耐磨，因此可对螺杆表面（含螺旋表面）需进行表面硬化处理，可以采取表面喷涂陶瓷或碳化钨喷涂方法，喷涂后再进行磨削处理，但是由于螺旋槽宽度较小，不能对螺旋表面进行喷涂后精加工，因为在精加
12、工过程中刀具会跟型面产生干涉。4 总结通过对高压双螺杆泵的总体结构设计，经过充分的计算，并结合大量试验，得出了在设计高压疏水双螺杆泵时应注意的问题，在螺杆参数上总结出了型线底径比、螺旋升角、导程数等重要参数的规律。根据设计要求特点，推导了螺杆型线方程，并给出了型线离散方法。根据螺杆高压疏水特点要求，在结构上要求螺杆的跨距尽可能小，通过充分的计算和试验，给出了螺杆型面之间、螺杆与衬套之间合理的间隙，为后续设计研究开发高压疏水双螺杆泵提供设计基础。参考文献：1李福天. 螺杆泵M. 北京: 机械工业出版社, 2010.2聂书彬, 李福天, 吕伟领, 等. B型双螺杆泵型线的改进与密封性分析J. 机电设备, 2009(5): 47-51.3周永旭. 双螺杆B型线的理论J. 天津螺杆泵, 2007(6): 4李福天. 一种新型的双螺杆泵的型线J. 中国螺杆泵, 1994(1):