150MPa超高压微流量泵的设计开题报告
2020-05-30 23:02:15
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文献综述
1.前言
二十一世纪是电子、信息时代，随着电子技术的发展、生命科学快速发展，节能减排、重视生态平衡及各类高速小型化产品的新时代，泵产品及其市场的发展将会更加新潮宽广。20世纪末以水电、钢铁、石油、天然气、、原子能等领域为主的重、厚、长、大产业的大泵市场逐步萎缩。取而代之的是以能源、资源、食品、交通、环境、生物等领域为主的轻、薄、短、小的高附加值泵的新型市场需求。高速、高压、小型化、大容量化、特种用途、自动化控制仍是泵今后发展的趋势[1]。为了适应新世纪产品的发展趋势，加快新型产品的开发与设计及降低成本，必须革新传统设计，开发出一些新型泵[2]。
泵的种类有很多，如离心泵，往复泵，旋涡泵，齿轮泵，螺杆泵，轴流泵，液环泵等。每种泵都有自己的优缺点，都有自己适用的场合。
往复泵的结构随着世界科技的进步而不断改进，它的动力端由蒸汽机发展到电动机、液压系统等，传动端也有曲柄连杆、凸轮等多种形式。发展历史较久技术较为成熟应用广泛的往复泵有蒸汽直接作用泵、旋转电机驱动的三缸单作用等。传统的往复泵在技术日益成熟的同时也存在很多的问题，如三缸单作用往复泵存在流量压力波动大、易损件寿命低、质量大等缺点。随着科学技术的发展，研究人员利用新技术、新工艺，以提高往复泵性能、可靠性、效率为目的研究出了几种新型的往复泵[3]。往复泵的主要特点是:①效率高而且高效区宽[4]。②能达到很高压往复泵高压力，压力变化几乎不影响流量，因而能提供恒定的流量。③具有自吸能力，可输送液、气混合物，特殊设计的还能输送泥浆、混凝土等。④流量和压力有较大的脉动，特别是单作用泵，由于活塞运动的加速度和液体排出的间断性，脉动更大。通常需要在排出管路上(有时还在吸入管路上)设置空气室使流量比较均匀。采用双作用泵和多缸泵还可显著地改善流量的不均匀性。⑤速度低，尺寸大，结构较离心泵复杂，需要有专门的泵阀，制造成本和安装费用都较高。⑥往复泵的流量恒定且与排出压力无关[5]。⑦往复泵适应液体十分广泛。因此往复泵的是一类节能产品。不要把提高泵本身效率看作是泵节能的唯一途径, 只要正确地选用往复泵, 充分发挥这类泵的特长, 就会产生巨大的节能效果和社会效益[6]。
2.常用往复泵及工作原理
2.1曲柄连杆机构往复泵
曲柄连杆机构往复泵是旋转运动的内燃机或电动机维原动力，活塞和原动力之间有一套江旋转运动转化为往复运动的曲柄连杆机构，称为机东泵的传动端。
图1所示为卧式单杠单作用往复式活塞泵的工作机构。当动力机通过皮带、齿轮活其他传动件带动曲轴活曲柄一角速度ω按图示方向，从左边水平位置开始旋转时，活塞向右移动，液缸内形成一定的真空度，吸入池中的液体在液面压力作用下，推开吸入阀，进入液缸内，直到活塞移动到右死点位置为止。这个过程，称为液缸吸入过程。曲柄继续转动，活塞开始向左移动，缸内液体受挤压，压力升高，吸入阀关闭，排出阀被推开，液体经排出阀和排出管排出，直到活塞移动到死点位置为止。这一过程称为液缸的排出过程。曲柄旋转一周，活塞往复移动一次，单作用泵的液缸完成一次吸入排出过程[7]。
多年来, 人们在对传统往复泵工作原理的研究逐步深入并取得了积极成果的同时, 也开始认识到传统的曲柄连杆机构所决定的运动与动力特性局限了往复泵的应用范畴及其发展。它无法实现往复泵的恒流量、无压力波动这种理想要求，新开发出的几种往复泵有效地改善了曲柄连杆机构的一些缺点。
1. 曲柄 2. 连杆 3. 十字头 4. 活塞 5. 缸套 6. 排出阀 7. 排出四通
8. 预压排出空气炮 9. 排出管 10. 阀箱 11. 吸入阀 12. 吸入管
2.2 凸轮机构往复泵
以凸轮传动机构为动力端的恒流量无压力波动的往复泵结构如图2所示，该泵动力端采用特殊廓线的凸轮传动机构取代传统往复泵动力端的曲柄连杆机构, 3 个凸轮以相位角2π/ 3 装在传动轴上, 每个凸轮与通过凸轮中心水平布置两个直径相同的滚轮对滚, 两滚轮中心距为定值, 其中一滚轮为复位滚轮, 另一滚轮连接介杆、柱塞等往复运动件。随着凸轮转动, 带动复位框架、介杆、柱塞等运动件作往复运动, 从而完成吸排液过程[8]。
1. 阀箱总成（液力端）； 2. 柱塞； 3. 介杆； 4. 左滚子； 5. 凸轮；
6. 左滚子架总成； 7. 复位框架总成（动力端）； 8. 泵壳总成
图2凸轮机构恒流量往复泵
然而早期往复泵凸轮机构存在的严重缺陷，因此对其做了改进，发明了一种新型恒流量往复泵用复位框架式凸轮机构，如图3所示，这种复位框架式凸轮机在运动过程中,
复位弹簧只受初始调定的预紧力, 基本上承受的是静应力, 而不再是交变载荷, 也不再多承受由于泵的冲程长度引起的额外压紧力。因而复位弹簧的寿命较长, 能够保证凸轮机构具有较高的可靠性, 从而能使往复泵长期连续运行[9]。
与曲柄连杆机构往复泵相比，凸轮机构往复泵的柱塞运动规律是等加速一等速一等减速运动规律的组合，能够实现恒流量输出。无压力波动。这是曲柄连杆机构往复泵无法解决的问题。但凸轮机构恒流量往复泵柱塞运动存在柔性冲击，加速度有突变，动力端凸轮机构存在高副易磨损，可靠性有待于进一步提高。鉴于存在以上几个方面的问题，目前以凸轮机构为动力端的恒流量往复泵还只限于应用在中低压、小流量及功率不大的应用场合。
图3新型恒流量往复泵用复位框架式凸轮机构
1. 柱塞; 2. 卡箍; 3. 介杆; 4. 复位框架; 5. 耐磨板; 6. 扶正块; 7.
螺母; 8. 垫片; 9. 调节螺柱; 10. 复位弹簧; 11. 滚子架; 12. 右滚子;
13. 传动轴; 14. 键; 15. 凸轮; 16. 左滚子
凸轮机构恒流量往复泵比曲柄连杆机构往复泵的运动与动力特性要优越。与曲柄连杆机构往复泵相比, 凸轮机构往复泵的柱塞运动规律是等加速-等速-等减速运动规律的组合, 能够实现恒流量输出, 无压力波动,这是曲柄连杆机构往复泵无法解决的问题。但凸轮机构恒流量往复泵柱塞运动存在柔性冲击, 加速度有突变动力端凸轮机构存在高副易磨损，可靠性有待于进一步提高。鉴于存在以上几个方面的问题，目前以凸轮机构为动力端的恒流量往复泵还只限于应用在中低压、小流量及功率不大的应用场合。
因此, 尚须再进一步修正和改进运动规律。但凸轮传动恒流量往复泵的研制成功并不是对传统的曲柄连杆机构往复泵的全盘否定。与曲柄连杆机构往复泵相比, 无论是理论研究、实验研究还是投入生产应用方面, 都有较大的差距。动力端凸轮机构存在高副易磨损问题, 其可靠性还有待于进一步提高。鉴于存在以上几个方面的问题, 目前恒流量往复泵还只限于应用在中低压、小流量及功率不大的应用场合。在高压、大流量及大功率的应用领域, 凸轮机构恒流量往复泵还难以与曲柄连杆机构往复泵相比。因此这两种往复泵在相当长的一段时期内, 必将长期共存, 并按技术特征、工况条件、工艺要求、经济效益来划分其各自的领域, 各扬其长, 各得其所、互相补充、共同发展[10]。
为了减小往复泵的流量和压力脉动, 已经有很多人作了大量的工作, 除了前面所提的加装空气包外, 人们还研制了凸轮机构的低波动往复泵[11]。低波动往复泵的流量波动虽然有了较大改善, 但由于其活塞在一个行程内仍然是变速运动, 所以流量脉动还是不可避免。
2.3液压驱动往复泵
国外在20 世纪80 年代末90 年代初开始研制液压钻井泵，并且有功率越来越大的发展趋势。美国在1991 年研制成功了1500W的液压钻井泵，用于深井钻井和井下动力钻具钻井，取得了较高的经济效益。与机械传动往复泵一样，液压驱动往复泵按缸数可分为单缸、双缸和多缸等，按作用形式分有单作用和双作用等。
液压驱动往复泵主要结构特点是, 去掉了一般往复泵的曲柄连杆机构驱动, 采用液压缸驱动, 液压控制, 可长冲程, 低冲次, 可以大大改善工作性能, 是一种理想的油田注水用泵。
该泵主要优点是:泵的工作效率可以高达85%以上, 大量节能;压力高, 最高持续输出压力可达32MPa;输出压力稳定, 无任何压力波动, 管路无振动, 不需要安装空气包;易损件寿命长, 由于采用低冲次以及液压控制措施使泵阀在近于无冲击状态下工作;自动化程度高, 通过编程器自动实现往复换向运动;可任意无级变排量, 变压力, 变冲次;造价低, 由于整泵结构简单,重量轻, 液压系统采用标准元件, 整泵造价低于一般同功率往复式泵;加工简单, 整泵70%以上采用标准元件组装, 自加工量小, 加工容易;泵的介质为清水、污水、油田回注水、泥浆、油质[12]。
2.3.1 单缸双作用液压驱动往复泵
图4 单缸双作用液压往复泵理论流量图
在平稳段，泵流量基本恒定，而在换向段，由于活塞速度要经历从定值到零，再从零到定值的过程，使得泵流量发生较大波动，因此，需要在泵的出口安装稳压器来减少流量和压力的波动。同时，可以尽量加大泵的冲程，使得平稳均匀段相对变长。
2.3.2 双缸单作用液压驱动往复泵
双缸单作用液压驱动往复泵结构如图5所示。通过换向控制系统调节两缸的活塞的运动规律，使一缸排出时另一缸吸入，并且使两缸衔接时泵流量尽量保持无波动流量曲线呈现图6所示的变化规律。在图中，oabcd 是泵缸1 的流量变化过程，efghik是泵缸2 的流量变化过程。在ab 和hi 段，活塞运动平稳，泵缸流量近似恒定.Ea 和bh 段是两缸流量盈加段，此时流量一般会发生波动。为了使得叠加结果尽量平稳，必须对换向控制系统精心设计。
图5 液压往复泵示意图
图6 双缸单作用液压驱动往复泵理论流量图
2.3.3液压驱动双缸双作用液压驱动往复泵
液压驱动双缸双作用往复泵的结构组成如图所示。图5中活塞7已到达左死点, 拨杆8使滑阀9左位工作, 油泵排出的液压油分成两路, 一路经阀11进入油缸20右腔, 继续推动油缸活塞13向左运动,此时, 泵缸14排液体, 泵缸12吸液体。另一路经阀4进入油缸19左腔, 推动油缸活塞7向右运动, 此时, 泵缸6排液体, 泵缸5吸液体。当油缸活塞7向右移动到达行程中点时, 活塞13行至左死点, 拨杆8及转阀10处于如图2所示位置, 随着油缸活塞7继续向右移动, 转阀10被拨杆8拨至图3所示位置, 使滑阀11换向至右位工作, 此时来自油泵2的压力油经滑阀11进入油缸20 的左腔, 推动活塞13向右运动, 此时, 泵缸14吸液体,泵缸12排液体。随着油缸活塞7继续向右移动至右死点,拨杆8使换向滑阀9换向至右位工作, 从而导致滑阀4左位工作, 此时来自油泵2的压力油经滑阀4进入油缸19的右腔, 推动活塞7向左运动, 此时, 泵缸6吸液体, 泵缸5排液体。当活塞7向左运动至中点时, 恰逢活塞13行至右死点, 拨杆8及转阀10处于如图4所示位置, 随着油缸活塞7继续向左移动, 转阀10被拨杆8拨至图1所示位置, 使滑阀11换向至左位工作, 此时来自油泵2的压力油经滑阀11进入油缸20的右腔, 推动活塞13向左运动, 此时, 泵缸12吸液体, 泵缸14排液体。油缸活塞19、20如此往复运动,就能够实现双缸双作用往复泵的泵缸5、6、12、14的吸液与排液。并保证有两只泵缸同时排液体及吸液体[13]。
1.油箱； 2. 油泵； 3. 溢流阀； 4、11. 液控二位四通换向阀； 5、6、12、14. 缸套；
7、13. 油缸活塞； 8.拨杆； 9. 二位四通换向阀； 10. 四通转阀； 15. 吸液管；
16.排液管； 17. 吸入阀； 18. 排出阀； 19、20. 液压缸缸体
液压驱动双缸双作用往复泵在性能上与机械传动往复泵相比有如下突出优点:
1) 根据需要合理设计泵缸与油缸的有效作用面积之比可达到增压目的, 实现高压泵的工艺要求。
2) 采用机械行程控制换向, 换向安全可靠。
3) 排液行程的大部分为匀速运动, 而且是低冲次, 不会产生困扰三缸泵的水击现象, 吸入性能大大优于机械传动往复泵, 可省去灌注泵和吸入空气包。
4) 由于只在行程两端有短暂载荷变化, 匀速运动阶段没有载荷变化, 而且由于没有曲柄连杆运动机构, 消除了摆动力的作用。综合作用的结果, 使主要受力件的强度要求下降, 整体的振动减少, 零部件的受力状态大为改善, 其寿命得以延长。
5) 易于实现长冲程, 低冲次, 减少了泵阀等易损件的磨损, 所以维修工作量大为减少, 减少了停泵维修时间和维修费用[14]。
该泵适用于石油矿场高压、大排量、长时间工作, 对含砂量超过2.0kg /L的液体仍能照常排送。可胜任钻井泵或压裂泵等。
3.往复泵的应用
陈志军和王福生通过石油输送实验对往复泵和离心泵的的经济性和适应性进行对比，发现对于离心泵来讲, 往夏泵在材料费用能源消耗上具有很大的优势, 其经济效益是巨大的, 且适应性也比离心泵强在当前国民经济高速发展、能源紧张的情况下, 考虑其经济效益, 满足介质物性( 主要是粘度) 及吸入口压力, 在所需排量大、压力高时应首先选用往复泵[15] 。所以往复泵在很多场合都有应用。
往复泵在石油矿场中广泛应用于石油钻井、酸化压裂、注水等生产中。随着石油工业对往复泵的要求越来越高，往复泵向着输出压力高、流量大、制造和维修方便、流量压力脉动小、体积和重量小等方向发展。
3.1往复泵在石油矿场中的应用
往复泵在石油矿场上应用非常广泛。它常常用在高压下输送高粘度、大密度和高含砂量的液体，而流量相对较小。按用途的不同，石油矿场用往复泵往往被冠以相应名称，例如：在钻井工程中，为了携带出井底的岩屑和供给井底动力钻具的动力，用于向井底输送和循环钻井液的往复泵，称作钻井泵或泥浆泵；为了固化井壁，向井底注入高压水泥的往复泵，称作固井泵；为了造成油层的人工裂缝，提高原油产量和采收率，用于向井底注入含有大量固体颗粒的液体或酸碱液体的往复泵，称作压裂泵；在采油过程中，用于在井内抽汲原油的往复泵称作抽油泵，等等。往复泵广泛应用于选矿厂高扬程大流量的矿浆等介质的输送[16]。
石油工业的发展对往复泵提出了更高的要求，主要是压力越来越高，功率越来越大，而制造和维修成本要低，体积和重量不能过大。由于石油矿场用往复泵的工作条件都十分恶劣，提高其易损件（主要是泵阀、活塞和缸套等）的工作寿命，就成为往复泵设计、制造和选择使用中迫切需要解决的问题。近年来，国内外在往复泵的理论和试验研究、设计制造和选择使用等方面，做了许多工作，特别是三缸单作用往复泵在石油钻井中的推广使用，为提高钻井速度创造了有利的条件[17]。
3.2往复泵在水处理的应用
水泵是水处理中输送流体的重要设备，向流体供给能量，使其克服流动中的阻力，保持在设备或管道中的流量。另外,在进行水处理时，还需要将化学试剂从甲罐送到乙罐或从低位送往高位。所有这些都依靠水泵做功而完成。
在水处理用泵中，叶片式水处理用泵应用最为广泛，常用的有以下几种类型：单级泵、多级泵、双吸泵、混流泵、轴流泵、潜水泵、潜污泵、螺旋泵、计量泵、柱塞泵、螺杆泵和射流泵等。
目前往复泵以管饭应用于企业单位废水排放、城市污水处理厂排放系统。、地铁、地下室、人防系排污泵统排水站、医院、宾馆、高层建筑污水排放、排污泵刻用于住宅区的污水排水站、市政工程，建筑工地中稀泥浆的排放、自来水厂的给水装置、养殖场污水排放及农村农田灌溉、勘探矿山及水处理设备配套等[18]。
活塞泵主要用于给水，手动活塞泵是一种应用较广的家庭生活水泵。柱塞泵用于提供高压液源，如水压机的高压水供给，它和活塞泵都可作为石油矿场的钻井泥浆泵、抽油泵。隔膜泵特别适合于输送有剧毒、放射性、腐蚀性的液体、贵重液体和含有磨砾性固体的液体。隔膜泵和柱塞泵还可当作计量泵使用。
4.目前往复泵存在的主要问题及发展展望
4.1目前往复泵存在的主要问题
随着石油技术的发展，现有的几种往复泵尤其是几种新型的往复泵在一定条件下适应了发展的需要，改善了原有往复泵一些缺点的同时也产生了新的问题：
1) 曲柄连杆机构往复泵流量大、压力大，但冲程短、冲次大、压力流量脉动大，导致缸套寿命短，停机检修时间长，效率低。
2)凸轮机构往复泵流量恒定、压力无波动，但凸轮易磨损，可靠性低，应用范围小。
3)液压驱动往复泵流量大、压力大，但控制系统要求高，在恶劣环境下的可靠性需进一步提高。
4.2往复泵发展展望
针对近年来直线电机驱动技术的飞速发展，提出出了一种采用直线电视驱动的多缸往复泵[19]。直线电机往复泵与前面三种往复泵相比，结构大大简化，系统工作效率高，可实现低冲次、长冲程、大排量，易损件的工作寿命大大提高，活塞运动速度平稳、泵压和排量波动小，吸人性能好，加工制造容易，维护保养简便。
2001年8月，在华北油田分公司第一采油厂直线电机抽油机投入现场试验,这是国内外第1 台应用于工业试验的直线电机抽油机。该抽油机是一种新型的无游梁式抽油机,它彻底改变了传统抽油机的运动机理,直接利用直线电机的直线往复运动带动抽油杆上下运动,达到举升井内流体的目的[20]。
直线电机抽油机的研发成功为开发新型的往复泵驱动系统提出了新的思路。若往复泵动力端采用直线电机直接驱动做往复运动的活塞杆，可从理论上基本消除了往复泵输出流量和压力的脉动性，往复泵的结构也将大大简化。一台直线电机推力达不到要求时可采用几台直线电机驱动的往复泵，采用直线电机驱动的往复泵有如下优点：
1)中间环节少，传动效率高；
2)结构简单，制造加工容易，维修保养简单；
3)几台电机组合可实现恒流量排出，流量压力恒定；
4)可实现长冲程低冲次，大大提高易损件寿命；
5)依靠控制系统可实现排量的无级调节[21]。
3.3.超高压往复泵的发展
近年来，在世界范围内超高压泵的设计与制造技术发生了突飞猛进的进步［22］。如今，国内外能够设计制造超高压泵的企业，尤其众多的国内企业也开始介入了超高压泵的设计制造。20 多年前，国内高压清洗泵的制造近乎空白。当时只能简单测绘、仿制国外低压力等级的泵组，而市场对超高压泵却有很大的需求。在问题不断暴露、产品不断完善的过程中，国内高压泵制造行业的设计、制造能力逐渐提高，生产企业增多，生产能力壮大，逐步跟上清洗行业发展的速度［23］。目前，在国内100MPa 以下的高压泵市场上，国外企业已经无法与国内企业竞争，他们不得不转向超高压泵组的市场。今后的一段时间，国内超高压泵组的市场也将显示出国内企业逐渐发展壮大，国外企业逐渐退出的趋势。国内企业将逐步进入国际市场，价廉物美的中国超高压泵组将冲击国际市场，国外企业独占超高压泵组市场的局面将一去不再。当然，美好的前景要靠整个行业的努力奋斗才能实现。作为高压泵的设计制造企业，如何跟上这一发展趋势，生产出超高压、高品质、低成本的产品，尽早掌握运用超高压设计、制造的新技术将是至关重要的基础条件[24]。
周勇军，顾伯勤奋就对超高压小流量泵的研制进行了分析。如图8所示，该泵为柱塞泵，泵的工作介质为油，其工作通过泵活塞腔容积的周期性变化实现。电机通过减速器带动偏心轮传至十字头滑块与活塞杆相连作往复运动。活塞杆作往复运行，介质油通过进口单向阀5吸入缸内，活塞杆向缸内运动时，进口单向阀6 关闭，介质油通过出口单向阀流入被检件腔体内。压力表4下端装有单向阀，以防止被检件瞬间爆破或被加压腔体内压力突然降低时损坏压力表[25]。
图8 工作原理图
1. 油槽 2. 导油杯3. 被检件 4. 压力表 5. 进口阀 6. 出口阀；
7. 压力表保护阀 8. 油缸 9. 活塞 10.卸压阀
文献18-19对超高压柱塞泵设计制造中强度校核、材料选择、结构设计的理论及发展趋势。列举了部分国内外产品的设计缺陷，提醒预防类似问题。推荐了部分国产高强不锈钢和硬质合金材料，供设计制造时选用。分析比较了泵组的结构设计，指出其中的优点、不足和发展趋势。
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
一、研究的问题：
1．根据流量、压力等设计参数设计150mpa、流量50cm3/min高压活塞往复泵，选择原动机和减速箱。
2．对泵阀进行结构设计。
