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1、全套设计（图纸）加 36396305 目 录摘要 . IIAbstract. III1 绪 论 . 1 1.1 研究背景及研究意义 . 1 1.2 国内外研究综述. 1 1.2.1 国外螺杆泵的应用现状 . 1 1.2.2 国内螺杆泵的应用现状 . 2 1.4 本题的研究内容和方法 . 32 单螺杆泵概述 . 4 2.1 引言. 4 2.2 基本结构和工作原理 . 5 2.3 性能参数. 8 2.4 应用特点. 10 2.5 单螺杆泵的特性. 11 2.6 单螺杆泵的选用. 113 单螺杆泵结构设计与性能计算. 13 3.1 单螺杆泵结构设计 . 13 3.1.1 螺杆和衬套尺寸的确定 . 1
2、3 3.1.2 螺杆和衬套的型线设计 . 14 3.2 单螺杆泵材料的选用 . 18 3.3 单螺杆泵的加工制造 . 20 3.3.1 螺杆的加工 . 20 3.3.2 单螺杆泵橡胶定子的加工 . 20 3.4 单螺杆泵的性能计算 . 224 单螺杆泵应用实例设计. 245 单螺杆泵的性能分析与运动仿真. 27 5.1 单螺杆泵的性能分析 . 27 5.2 单螺杆泵三维模型的建立 . 276 结论与展望 . 30 6.1 结论. 30 6.2 展望. 30谢 辞 . 32参考文献 . 33 I 摘 要 随着工业技术的不断发展，各种液体的输送显得尤为重要，而作为液体传动工具的单螺杆泵亦显得举足轻
3、重。工业的发展对单螺杆泵提出了更高的要求，某些特定的行业用单螺杆泵的工作条件十分恶劣，研制和开发使用性能良好的单螺杆泵将带来广阔的社会效益和经济效益。为更好的满足特定工作条件的需要，本论文详细阐述了单螺杆泵的工作原理和结构特点， 并在传统的设计理论体系基础上，利用现有的设计手段和工具，根据给定的流量、压力来设计和选取合适的单螺杆泵结构参数，完成对单螺杆泵结构设计计算、主要性能计算和影响因素分析，在此基础上利用三维建模手段，建立有效的单螺杆泵三维模型，对所设计的单螺杆泵进行简单运动仿真，为其性能进一步改进提供了一定参考。 关键词: 单螺杆泵 结构设计 性能 影响因素 II Abstract Wi
4、th the continuous development of industrial technology a variety of liquidtransportation is particularly important and the single-screw pump a tool of fluidtransmission becomes also critical. Higher requirements are made to meet thedemand of the industrial development on the single-screw pump and so
5、me certainindustries with a single-screw pump are under terrible conditions. It shows thatresearching and developing the single-screw pump of good performance will bring abroad social and economic benefits. To meet the better needs of specific workingconditions this paper explains clearly the workin
6、g principle and structural features ofsingle-screw pump and designs and selects the appropriate single-screw pumpparameters by a given flow and pressure on the basis of the traditional theoreticalsystem and using of existing design methods and tools. So that the structural designcalculations key per
7、formance computing and influencing factors analysis arecompleted. After that we establish an effective single-screw pump three-dimensionalmodel by using of three-dimensional modeling for the simple kinematics simulationon the single-screw pump designed the results show that it can provide a referenc
8、efor single-screw pump performance improvement. Key Words: single-screw pump structural design performance influence factor III 全套设计（图纸）加 36396305 1 绪 论1.1 研究背景及研究意义 在我国的国民生产和生活中，泵作为一种输送液体的心脏倍受各行各业所重视。单螺杆泵输送流量、压力稳定，无脉动。 单螺杆泵输送变转速即可改变输出流量，可用作计量投加。 吸入能力强，工作噪声小，无泄漏，无温升。单螺杆泵输送适应范围广，可输送一切流动介质甚至非流动物料。单螺杆泵
9、能输送高固体含量的介质；流量均匀压力稳定，低转速时更为明显；流量与泵的转速成正比，因而具有良好的变量调节性；一泵多用可以输送不同粘度的介质；泵的安装位置可以任意倾斜；适合输送敏感性物品和易受离心力等破坏的物品；体积小，重量轻、噪声低，结构简单，维修方便。 正是由于上述特点，使得单螺杆泵应用广泛，领域涉及石油工业、化工及制药、环境工程、矿产工程、食品工业、造纸行业。 在国内，螺杆泵的使用时间短，对其研究起步相对较晚，因此在生产中还有许多管理上和技术上的问题需要解决。随着螺杆泵应用领域的不断拓宽，对螺杆泵技术要求也越来越高，为适应螺杆泵在其应用领域快速发展的要求，有关螺杆泵的研究方向和内容呈现出比
10、较活跃的趋势。 工业的发展对单螺杆泵提出了更高的要求， 某些特定的行业用单螺杆泵的工作条件十分恶劣，如何提高单螺杆泵易损件的工作寿命，更好的满足需要，是单螺杆泵设计和校核的关键。针对螺杆泵理论和结构上存在的问题，在传统的设计理论体系基础上，利用现有的设计手段和工具，设计出一种较为合理的单螺杆泵，缓减或解决螺杆泵在现场实际使用中所存在的具体问题， 提高螺杆泵的寿命和效率，降低成本。1.2 国内外研究综述1.2.1 国外螺杆泵的应用现状 单螺杆泵是 1932 年由法国工程师 Moineau 发明，并由德国 PCM 泵公司制 1 全套设计（图纸）加 36396305 成产品。近年国内外采油（气）设备
11、的发展趋势是向大排量、大功率、耐高温、耐高压的方向发展；向自动化、智能化和遥控监测方向发展；向具有保护报警、优化记录及显示功能方向发展；向采油工艺多适应性方向发展，既能适应含水、含气、含砂、含石蜡、稠油和低渗透油藏的采油需要，又能满足定向井、水平井和深井采油工艺的需要。 并且国外一些制造厂家已经先后推出了大型单螺杆泵产品。加拿大约 40的重油井使用螺杆泵采油，其中一石油公司采用PCM/IFP 联合公司生产的 Rodemip 地面驱动螺杆泵采油系统，井下部分连续运转了两年，地面部分 5 年，投资与维护保养费用均较低。发展大流量和高压力的单螺杆潜油泵是国外螺杆泵的主要发展趋势。 发展这种产品主要是
12、为了满足一些大流量且含油水混合物的小口径深油井的需要。 单螺杆泵广泛应用于各种工业领域已经有约 60 年的历史，但欧洲直到 1985 年前后才开始利用这种泵进行深井采油。由于单螺杆泵在石油工业中的输液范围很广，从低粘度到高粘度以及气-液两相流体，因此发展大流量高压力的单螺杆泵的市场前景广阔。发展高压螺杆泵的另一个目的是为了高粘度原油的开采。目前，单螺杆泵的最大压力已经达到200bar，英国 AG 泵公司和法国 PCM 泵公司均生产这种高压单螺杆泵（流量范围 20500 m 3 /h，级数 120 级）。由于这种高压单螺杆泵具有结构紧凑、效率高、耐磨性强等优点，因此国外越来越多地使用这种螺杆泵来
13、开采含有大量固体颗粒、高粘度的原油。1.2.2 国内螺杆泵的应用现状 我国螺杆泵的发展起步较晚原天津市工业泵厂于 20 世纪 60 年代初期研制成功船用高压小流量三螺杆泵此后逐步发展成为单、双、三螺杆泵的专业生产厂。60 年代中期原沈阳水泵厂开始生产双螺杆泵和三螺杆泵70 年代研制成功五螺杆泵。 1984 年 6 月天津工业泵总厂与世界著名的德国阿尔维勒公司签定三螺杆泵制造技术转让合同；1992 年 2 月与德国鲍曼公司签定合同引进单、双螺杆泵制造技术。为了提高螺杆泵转子加工精度天津工业泵总厂先后从英国霍尔罗伊德公司购进高精度螺杆泵转子加工专用铣床购进该公司螺杆泵转子专用2AC 铣床、刀具及检
14、查设备。购进奥地利一型加长螺杆加工专用铣床。第二次购进英国霍尔罗伊德公司加长螺杆加工专用铣床、大直径螺杆加工高精度专用铣床以及铣刀制造技术及电子检查仪器。 年湖北石首水泵厂引进原捷克斯洛伐克西格玛公司单螺杆泵制造技术及空心管压制单螺杆泵转子设备。 目前，我国对螺杆泵地面装置进行了改进，使螺杆泵的转速、排量可在一定范围内调整，以适应不同井况的需要。但是时至今日，国内产品基本上局限于小型单螺杆泵，缺乏大型单螺杆泵产品，且在泵的结构和制造技术等方面有待于改进和提高，并普遍存在泵性能和可靠性不高的问题， 21.4 本题的研究内容和方法 本文首先概述了课题的背景选题的意义以及国内外研究现状和今后的发展趋
15、势和研究重点，并简要介绍了本文研究思路；第 2 章概述了单螺杆泵的应用概况、结构原理和工作特点等相关理论；第 3 章概述了单螺杆泵结构设计计算、主要性能计算和影响因素分析；第 4 章，根据给定的流量、压力来设计和选取合适的单螺杆泵结构参数，完成对单螺杆泵结构设计计算、主要性能计算；第 5 章，完成对其影响因素的分析，并借助三维建模手段，实现单螺杆泵三维模型建立，以及简单仿真，为其性能改进提供参考；第 6 章，对全文做出了总结。本课题主要采用文献调研法，理论设计分析法、计算法及三维建模法等研究方法。采用文献调研法，通过查阅图书馆、图书馆网数字资源中的学术杂志、学术期刊等，收集国内外的相关信息资料
16、，并对资料进行整理，通过理论设计分析法、计算法，对这些数据资料进行理论归纳分析及计算，完成对单螺杆泵结构设计计算、主要性能计算和影响因素分析，并系统地做出报告。最后再通过三维建模手段，实现单螺杆泵三维模型建立，以及简单仿真，为其性能改进提供参考。 3 2 单螺杆泵概述2.1 引言 单螺杆泵于 1932 年由法国工程师莫诺（MoiNeau）发明，并由法国 PCM 泵业分公司首先生产，故也被称为莫诺泵（MONO） 。莫诺泵还被称为偏心螺杆泵、转子偏心泵、曲杆泵、浓浆泵和蛇泵等，在我国按标准规定以正式定名为单螺杆泵。 它既适合输送低粘度如水等介质， 还尤其适合输送含有输送含有固体颗粒或短纤维的悬浮液
17、，以及粘度非常高的介质。它广泛地用于石油、化工、建筑、环保、船舶、纺织、冶金、采矿、印刷与造纸业、食品、酿造、医药和日用化工等领域， 发展前景远大。目前莫诺泵输送固体颗粒的最大尺寸为不超过转子的偏心距，含量已可达到介质的 60左右，粉状颗粒可达到 70和最长纤维长度不超过 0.4 倍转子螺距。它成功地输送了其他泵难以完成的诸如水泥浆、陶土糊、水煤浆、水泥涂料和膨润土等含固体颗粒比例很高、粘度又大的介质。水煤浆技术作为洁净煤工程和煤浆加工的一种新途径，它的制备和输送越来越受到重视，但是由于水煤浆不仅流动性差， 而且成分为 65的煤粉、30为水和 5为添加剂，煤粉中还含有大量硬颗粒矿物。很多使用场
18、合要求排出压力达 1.8-2.4mpa，甚至更高些。 尽管由于严重的磨蚀等因素影响到主要零件定子和转子的寿命，通常定子寿命仅 200h，转子也仅 800h 左右，但运行可靠；且我国至今尚无可替代的设备，因此在水煤浆厂和发电厂螺杆泵选型时单螺杆泵仍得到广泛应用。 莫诺泵另一突出的特点是特别适宜输送不能受剪切、 挤压或搅动的敏感性液体，即受到剪切等会呈现触变性质的非牛顿液体。在输送胶状液体如某些化妆品等时， 必须注意泵的转速与输送介质特性的匹配。因为大部分的胶状液体在静止时成粘糊状态，甚至会是固态，但在搅动后就会变得较易流动的半流动状态，这种现象即为胶状液体具有触变现象，故必须选择适当的转速，注意
19、不使触变破坏介质的结构。 莫诺泵已被采油系统广为应用。 它在原油开采中使用由地面电动机或柴油机或液压三种驱动装置， 通过抽油杆的旋转运动把动力传送到井下，驱动单螺杆采油，以及电动机安装在井内的单螺杆泵下面的电动潜油螺杆泵采油。这两种新型的采油机械与传统的梁式抽油泵（即利用抽油杆上下往复运动抽油）相比。不仅结构简单、体积小、质量轻、造价低，不需要混凝土基础，安装方便，而且采油效率高， 一般可增加采油量 1.8-7.3 倍；一般节约电耗达 26-50。 法国 PCP/IEP联合公司的 RODEMIP 地面驱动功率较小的单螺杆泵采油系统，节电甚至达60-75；效率更是高得多；使用梁式抽油有杆泵系统的
20、平均效率仅为 11.6，用单螺杆泵开采稠油的系统平均效率为 39.1。 这种新型的采油机械普遍用于抽吸高粘度、高含蜡油、高含砂稠油和高汽油比的原油等，现在又扩大用于含水率80以上的高含水深井采油，在原油开采中显示出强大的生命力。一般在井下连续工作一年左右， 加拿大 corod 公司生产的螺杆泵采油系统泵的效率最高达 78，正常使用条件下免修期为 1-1.5 年，实际使用寿命最高可达 3 年以上，而且维护 4保养较为方便。 图 1 单螺杆泵结构示意图2.2 基本结构和工作原理 单螺杆泵图 1、2是一种内啮合的密闭式螺杆泵。它主要由螺杆、衬套、万向联轴器、传动轴和泵轴等零部件组成，靠螺杆与衬套之间
21、的内啮合相对运动，使啮合密封腔沿轴向运动，从而完成输液过程。 图 2 单螺杆泵 1压出管 2衬套 3螺杆 4万向联轴器 5吸入管 6传动轴 7轴封 8托架 9轴承 10泵轴 单螺杆泵属于转子式容积泵，它是依靠螺杆与衬套相互啮合在吸入腔和排出腔产生容积变化来输送液体的。它是一种内啮合的密闭式螺杆泵，主要工作部件由具有双头螺旋空腔的衬套（定子）和在定子腔内与其啮合的单头螺旋螺杆（转子）组成。当输入轴通过万向节驱动转子绕定子中心作行星回转时，定子 转子副就连续地啮合形成密封腔，这些密封腔容积不变地作匀速轴向运动，把输送 5介质从吸入端经定子 转子副输送至压出端， 吸入密闭腔内的介质流过定子而不被搅动
22、和破坏。 螺杆具有单头螺纹，其任意截面皆为半径为 R 的圆，截面的中心位于螺旋线上且与螺杆的轴心线偏离一个偏心距 e，绕轴旋转且沿轴向移动而形成的衬套内表面具有双螺纹， 其任意截面为一长圆， 两端是半径为 R（等于螺杆截面半径）的半圆，中间是长为 4e 的直线段。衬套的任意截面都是相同的长圆，只是彼此互相错开一个角度。 螺杆装入衬套后，螺杆表面与衬套内螺纹表面之间形成一个个封闭的腔室，同时任意截面也被分成上下两个月牙形工作室。当螺杆旋转时，靠近吸入室的第一个工作室的容积逐渐增大，形成负压，在压差的作用下液体被吸入工作室。随着螺杆的继续转动，工作腔容积不断增至最大后，这个工作室封闭，并将液体沿轴
23、向推向压出室。 与此同时上下两个工作室交替循环地吸入和排出?禾澹虼艘禾灞涣欢系卮游胧已刂嵯蛲葡蜓钩鍪摇?常见单螺杆泵螺杆的形状如图 3 所示。它的外表面是由半径为 R 的圆，其圆心 O 以偏心距 e. 螺距 t 绕螺杆中心线 O2 做螺旋运动形成的单头外螺纹表面。 图 3 单螺杆泵螺杆的形状 图 4 衬套的形状 衬套内表面是双头内螺纹表面。其横截面呈长圆形见图 4，两端为半径也等于 R 的半圆，两半圆圆心间的距离为 4e螺距也为 t，因是双头螺纹，其导程T2t.具有如上形状的螺杆与衬套相互啮合的情况，如图 5 所示。 图 5a b 给出的是在 时刻二者的啮合状况， 7-33c 则为 时刻的状 图况。由图 7-33 可见在一个导程 T 内取的 9 个与衬套轴线垂直的断面上，皆有螺杆与衬套表面接触的点或线。 时刻，在 1 断面上，二者沿圆弧线 B1 A1C1 接触在 2 .