1434-螺旋離心泵的設(shè)計
1434-螺旋離心泵的設(shè)計,螺旋,離心泵,設(shè)計
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書論文（設(shè)計）題目： 螺旋離心泵的設(shè)計 學(xué)號： 2006183820 姓名： 金鑫 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 文美純 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求1、了解螺旋離心泵的工作原理及主要參數(shù)的計算； 2、應(yīng)用 CAD 繪制圖紙，共計 A0 圖紙 1 張、A1 圖紙 1 張、A2 圖紙 3 張； 3、編寫畢業(yè)設(shè)計說明書，字?jǐn)?shù)達(dá) 8000 以上，內(nèi)容完整計算準(zhǔn)確； 4、外文翻譯，原文要求 5000 字符以上，中文翻譯通順準(zhǔn)確； 二、重點研究的問題1、螺旋離心泵的工作原理及其設(shè)計； 2、螺旋葉片的設(shè)計方法； 3、了解填料密封； 四、進(jìn)度安排序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間1 收集資料整理、策劃設(shè)計題目 第 1-2 周2 確定設(shè)計方案 第 3 周3 參數(shù)計算及強(qiáng)度校核 第 4-7 周4 CAD 畫圖 第 7-11 周5 撰寫說明書 第 12-13 周6 外文翻譯、全面檢查設(shè)計內(nèi)容 第 14 周7 準(zhǔn)備答辯、答辯 第 15 周五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)1 丁成偉. 離心泵與軸流泵. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1981: 143-158 2 A.J.斯捷潘諾夫. 離心泵和軸流泵. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社 , 1980: 74-93 3 金樹德,陳次昌. 現(xiàn)代水泵設(shè)計方法. 兵器工業(yè)出版社. 1993: 139-148 4 雷宏. 機(jī)械工程基礎(chǔ)(上冊). 黑龍江人民出版社. 2000: 142-215 5 勞學(xué)蘇,何希杰. 螺旋離心泵的原理與設(shè)計方法. 水泵技術(shù). 1997: 6-13 6 厲浦江. 螺旋不堵塞泵的設(shè)計方法. 流體機(jī)械. 1995: 20-24 7 朱榮生, 關(guān)醒凡,黃道見. 螺旋離心泵主要幾何參數(shù)的確定. 流體機(jī)械. 1996: 24-25 8 田愛民. 離心式渣漿泵葉輪的磨損規(guī)律研究. 水泵技術(shù). 1997: 7-15 9 陳次昌. 螺旋離心泵的特點及性能. 流體工程. 1992: 39-44 10 田愛民, 許洪元, 羅先武. 離心式渣漿泵葉輪的磨損規(guī)律研究. 水泵技術(shù). 1997: 7-15 11 何希杰. 渣漿泵工作原理和設(shè)計方法. 流體機(jī)械. 1994: 17-22 12 M Stahle, D. Jackson. the Development of a Screw Centrifugal Pump For Handling Delicate Solids. Word Pumps. 1982: 185-192 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書題 目：螺旋離心泵的設(shè)計 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 2006183820 姓 名： 金鑫 指導(dǎo)教師： 文美純 完成日期： 2010-6-5 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- I -螺旋離心泵的設(shè)計摘要：此說明書設(shè)計了一臺用于輸送固液兩相流體的螺旋離心泵。本文的設(shè)計重點和難點是螺旋離心泵特有的是三維螺旋葉輪的設(shè)計。因此，葉輪設(shè)計是以何希杰和勞學(xué)蘇提出的螺旋離心泵葉輪葉片工作面和負(fù)壓面空間曲線方程為依據(jù)進(jìn)行的設(shè)計，葉輪葉片型線為對數(shù)螺旋線。根據(jù)設(shè)計參數(shù)和工作條件的要求，在設(shè)計上采用固液兩相流理論對葉輪、背葉片、壓出室等泵過流部件進(jìn)行水力設(shè)計。說明書從螺旋離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計開始，分別進(jìn)行了葉輪的設(shè)計與繪形、壓水室及吸水室的設(shè)計、軸向力極其平衡、主要通用零部件的選擇、V 型帶傳動設(shè)計和離心泵主要零部件的強(qiáng)度計算。本文為設(shè)計高效螺旋離心泵提供了一個重要的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：固液兩相流 螺旋離心泵 三維螺旋葉輪 空間曲線 對數(shù)螺旋線 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- II -Spiral centrifugal pump designAbstract ：The article designs a screw centrifugal pump used to transport the mix flows of solid and liquid. The emphases and difficulty of the article is the design of three dimensional screw impeller owned by screw centrifugal pump. So, the design of impeller is designed with the space curve screw equation of impeller vane work surface of screw centrifugal pump and minus pressure surface raised by Xue su LAO and Xi jie HE. I take it as the gist of design. The impeller vane line is logarithm screw curve. Accord to the design parameter and the require of work condition, on the design , we do waterpower design to impeller , back vane, press out house and some flow over parts with the theory of the mix flows of solid and liquid. The article starts with structure design of screw centrifugal pump, and design the calculation and drawing of impeller, pressure out house and off water house, the force of direction of axis and its balance, the choice of the main parts in common use, the transmission design of V strip and intensity calculation of the parts of screw centrifugal pump. The article provides an important reference for designing the high efficiency screw centrifugal pump Key words：the mix flows of solid and liquid screw centrifugal pump three dimensional screw impeller the space the curve logarithm screw curve湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 1 -第一章 緒論1.1 螺旋離心泵概述泵是把原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為抽送液體能量的機(jī)器。一般，原動機(jī)通過泵軸帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，對液體做功使其能量增加，從而使要求數(shù)量的液體從吸入口通過泵的過流部分，輸送到要求的高度或要求有壓力的地方。泵是世界上最早發(fā)明的機(jī)器之一?，F(xiàn)今世界上泵產(chǎn)品產(chǎn)量僅次于電機(jī)，所消耗的電量大約為總發(fā)電量的四分之一。泵的種類甚多，應(yīng)用極為廣泛。除農(nóng)田灌溉、城市和工業(yè)給排水、熱電廠、石油煉廠、石油礦廠、輸油管線、化工廠、鋼鐵廠、采礦、造船等部門外，目前泵在原子能發(fā)電、艦艇的噴水推進(jìn)、火箭的燃料供給等方面亦得到重要應(yīng)用。另外，還可以用泵來對固體如煤、魚等進(jìn)行長距離水力輸送。泵抽送的介質(zhì)除水外，有油、酸、堿漿料……一直到超低溫的液態(tài)氣體和高溫熔融金屬?？梢哉f，凡是要讓液體流動的地方，就有泵在工作。泵在國民經(jīng)濟(jì)中起著十分重要的作用。根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，泵輸送固態(tài)物質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，如污水污物、泥漿、紙漿、灰渣礦石、糧食淀粉、甜菜水果、魚蝦貝殼等不勝枚舉。據(jù)文獻(xiàn)介紹，如今已成功地從 5000 米深的海底用泵向陸地輸送猛礦石。對輸送這類物質(zhì)的泵，有兩個主要要求：一是無堵塞，二是耐磨損。耐磨損主要與材料有關(guān)，無堵塞主要取決于葉輪的結(jié)構(gòu)形式。目前作為無堵塞泵葉輪的結(jié)構(gòu)形式有：1.開式或半開式葉輪；2.旋流式葉輪；3.單（雙）流道式葉輪；4.螺旋離心葉輪。螺旋離心泵是典型的無堵塞離心泵。世界上第一臺螺旋離心泵是用來輸送魚類，隨后用來輸送固液兩相流體，可以用來排雨水和輸送高黏度液體。為防止故態(tài)物質(zhì)堵塞，使之順利的流出，開式葉輪中有一片或兩片扭曲的螺旋形葉片，在錐形的輪轂體上由吸入口沿軸延長，葉片的半徑逐漸增大，形成螺旋形流道。殼體由吸入蓋和渦殼兩部分組成。吸入蓋部分的葉輪，產(chǎn)生螺旋推進(jìn)作用，渦殼部分的葉輪像一般的離心泵產(chǎn)生離心作用，葉片進(jìn)口的銳角部分將雜物導(dǎo)向軸心附近，再利用螺旋作用使之沿軸線推進(jìn)。這種泵是容積泵和離心泵的組合，故稱為螺旋離心泵。1.2 離心泵主要零部件及結(jié)構(gòu)形式離心泵的主要零部件包括：前蓋板、葉輪、主軸、渦室、后蓋板、軸封、軸承體、帶輪和支架。離心泵中還包括像螺母、法蘭盤、軸承等具有通用標(biāo)準(zhǔn)的零部件。離心泵的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾個：1. 按主軸方向臥式：主軸水平放置；立式：主軸垂直放置；斜式：主軸傾斜放置。湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 2 -⒉ 按液體流出葉輪的方向離心式——裝徑流式葉輪；混流式——裝混流式葉輪；軸流式——裝軸流式葉輪。⒊ 按吸入方式單吸——裝單吸葉輪；雙吸——裝雙吸葉輪。⒋ 按級數(shù)單級——裝一個葉輪；多級——同一根軸上裝兩個或兩個以上的葉輪。⒌ 按葉片安裝方法可調(diào)葉片：葉輪的葉片安放角可以調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)；固定葉片：葉輪的葉片安放角度是固定的結(jié)構(gòu)。⒍ 按殼體剖分方式分段式：殼體按與主軸垂直的平面剖分；；節(jié)段式：在分段式多級泵中，每一級殼體都是分開式的；中開式：殼體在通過軸心線的平面上分開；水平中開式：在中開式中，剖分面是水平的；垂直中開式：在中開式中，剖分面是垂直的；斜中開式：在中開式中，剖分面是傾斜的。⒎按泵體形式渦殼泵：葉輪排出側(cè)具有帶渦室的殼體；雙渦殼泵：葉輪排出側(cè)具有雙渦室的殼體；透平泵：帶導(dǎo)葉的離心泵；筒式泵：內(nèi)殼體外裝有圓筒狀的耐壓殼體；雙殼泵：指筒式泵之外的雙層殼體泵。⒏特殊結(jié)構(gòu)泵潛水電泵：驅(qū)動泵的電動機(jī)與泵一起放在水中使用的泵；貫流式泵：泵體內(nèi)裝有電動機(jī)等驅(qū)動裝置；屏蔽泵：泵與電動機(jī)直連（共用一根軸） ，電動機(jī)定子內(nèi)側(cè)裝有屏蔽套，以防液體進(jìn)入。自吸式泵：在一般的自吸泵中抽送液體作用的葉輪同時能起灌水作用，泵啟動是無須灌水。管道泵：泵作為管路的一部分，無須特別改變管路即可安裝泵。湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 3 -無堵塞泵：抽送液體中所含的固體不能在泵內(nèi)造成堵塞。第二章 總體方案的確定2.1 設(shè)計參數(shù)流量 Q=80m 3/h ，揚程 H=13m ，效率 η=65% 轉(zhuǎn)速：1450r/min ， 吸程：7m（水柱）2.2 方案的確定設(shè)計上以國際標(biāo)準(zhǔn)的 IS 泵為基型，此次設(shè)計的螺旋離心泵，在設(shè)計結(jié)構(gòu)上采用單級單吸懸臂臥式結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)是裝有背葉片的具有特殊的三維螺旋葉片的葉輪，葉片型線為空間對數(shù)螺旋線，采用液固兩相流理論進(jìn)行水力設(shè)計。由于該泵是通過其特殊的三維螺旋葉片將螺旋的容積推進(jìn)作用和葉片的離心作用有機(jī)的結(jié)合，使介質(zhì)獲得能量。所以它兼有容積泵和葉片泵的特點，是二者相互結(jié)合的產(chǎn)物。較一般的普通雜質(zhì)泵和旋流泵相比，具有以下特點：（1）無堵塞性能好；（2）無損性能好；（3）效率高，與其他同類雜質(zhì)泵相比效率高 5%以上；（4）泵的吸入性能好?？沙樗秃瑲饨橘|(zhì)，含氣量在 15%以下時，泵的性能，震動基本不發(fā)生變化。（5）具有優(yōu)良的抗汽蝕性能。其他參數(shù)相同的條件下，螺旋離心泵的汽蝕性最好，即NPSHr 最小。該螺旋離心泵在結(jié)構(gòu)上主要有三大部分組成，分別為泵頭部分，軸封部分以及傳動部分，分別敘述其結(jié)構(gòu)特點。1．泵頭部分泵頭部分由泵體和泵蓋組成。前，后蓋板的直徑大于葉輪直徑，葉輪可由前或后拆卸，葉輪為螺旋離心葉輪，葉輪的后蓋板帶有背葉片以減少泄露，提高泵的壽命及效率。2．軸封部分本次設(shè)計的軸封采用填料軸封，填料軸封結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，但需使用軸封水，還需配備供應(yīng)軸封水的泵。3．傳動部分傳動部分包括托架和軸承組件，軸承根據(jù)傳動的功率不同選擇單列向心圓錐滾子軸承，能夠承受泵的最大軸向及徑向載荷，軸承采用干油潤滑，軸承體兩端有密封端蓋，并且有兩道密封圈，能有效的防止污物進(jìn)入軸承，保證軸承安全運行，具有較高的使用壽命。2.3 原動機(jī)的選擇根據(jù)泵實際工作要求， 該泵與鉆機(jī)配套使用時，常需要野外作業(yè)，電源使用不方便，故選用柴油機(jī)作為原動機(jī)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速選擇 ，用 V 型帶傳動，因給min/20rn??湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 4 -定泵的轉(zhuǎn)速 n=1450r/min，故傳動比 i= 。52.140/2/??n柴油機(jī)功率計算：泵輸出功率： 367mQHSNe?= 13805.2?=7.5KW式中： ——介質(zhì)密度 kg/mmS3Q——流量（ ）h/3H ——揚程（m）泵輸入功率：N= ?eN= 65.07=11.54KW式中： ——泵效率柴油機(jī)功率： 10?N?= 96.54=12.02KW式中： ——V 帶傳動效率，取 =0.961 1?因此，原動機(jī)選擇轉(zhuǎn)速為 ，功率為 12KW 的柴油機(jī)。min/20rn??2.4 水力設(shè)計設(shè)計比轉(zhuǎn)數(shù)：4365.HQs式中： n——泵軸的轉(zhuǎn)速（r/min）Q——流量（ ）hm/3H——揚程（m）湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 5 -故： 24.151360/8456. ???sn沉降層速度： )(2?sgDFvLSB= )165.2(08.9.?=2.48（m/s ）入口速度： 21.43?AQv=2.83（m/s ）出口速度： )/(8.12smSBv???∴滿足設(shè)計要求。泵的進(jìn)口直徑： （標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤直徑）DS10泵的出口直徑： （標(biāo)準(zhǔn)法蘭盤直徑）md湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 6 -第三章 葉輪的設(shè)計3.1 概述1982 年，A．布斯曼較早地在離心泵葉輪上采用對數(shù)螺旋線。1961 年，J．郝比奇在“模型挖泥泵特性”一文中，通過實驗指出，采用對數(shù)螺旋線葉形葉輪的泵，其輸送清水和漿體時的效率均高于漸開線等葉形的葉輪。目前渣漿泵葉輪葉片型線設(shè)計中，比較廣泛地采用對數(shù)螺旋線。本次的葉輪設(shè)計是以勞學(xué)蘇以及何希杰提出的螺旋離心泵葉輪葉片工作面和負(fù)壓面空間曲線方程為依據(jù)進(jìn)行的設(shè)計，葉輪葉片型線為對數(shù)螺旋線。3.2 葉輪主要參數(shù)的確定圖 3-1 葉輪軸面投影圖1．葉輪最大外徑 ：max2D= （m）max2DqsDnk??168.0)/(式中： 25.438/3??Qqk=10～12.5故： =max2D0.)1/2.5(68.???k湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 7 -=0.238～0.298（m）取： =260mmmax2D2．葉輪出口寬度 ：2b=2bqsDn?53.0)1(= 2.4.353.0?=80.86（mm）?。? =80（mm）2b3．葉輪出口直徑 ：1D=1D3nQK?其中： 5.631～?=1345068?=0.836～0.161（m）取 =100（mm）1D（主要考慮效率兼顧泵的抗汽蝕性能）4．輪轂直徑 ：hd=19.96+0.07×hdsn=19.96+0.07×115.244=28（mm）5．葉輪軸向長度 L：L= max2)103.24.1(rns??= 34.5.. ）（=195.66（mm）圓整后得： L=195（mm）6．輪緣側(cè)圓弧半徑 ：1R=52.28+0.91 sn?湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 8 -=52.28+0.91×115.2441R=157.15圓整后等： =160（mm）17．輪轂側(cè)圓弧半徑 ：2=73.4+1.29Rsn?=73.4+1.29 115.244=222.06圓整后等： =220（mm）2R8．輪轂側(cè)圓弧半徑 ：3=60～90（mm） 取 =70（mm）3R9．輪緣側(cè)葉片傾角 ：1?=60.51-0.13 sn?=60.51-0.13 115.2441=45.528?取 =451?10．輪轂側(cè)葉片傾角 ：2=57.1-0.1 sn?=57.1-0.1 115.2442?=45.58?取 =452?11．葉輪出口傾角 ：3?=7.79 03.24ln??s=7.79 ..15湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 9 -=12.95?取 =133?12．葉輪出口最小直徑 ：min2D=i 32ax?tgb?=260-2 ?180?=189.45取 =190（mm）min2D13．輪緣和輪轂各段軸向長度 ：41L～L =（0.45～0.68）L=（0.45～0.68） =87.75～132.6 （作圖在范圍內(nèi)）1 195?67)8.06()8.06(2 ～～～ ??L取 =140（mm）L =（0.2～0.4）L=39～783取 L =60（mm）L =（0.05～0.08）L=9.75～15.6 （作圖在范圍內(nèi)）414．輪緣側(cè)葉片出口安放角 ：sh2?=s )1(2shshmKuVtg?其中： HVm2??其中： 04938.)1(048.2.2??snK60/15.6/max22 ???Dush?=19.729780.)10(8.7.??sshnK所以： )5.(2.913432???tgsh?湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 10 -=11.6?15．輪轂側(cè)葉片出口安放角 ：hu2?=hu2)1(2huhumKVtg??其中： 60in2Duh???= 1459.3?=14.42164.0)(8.??shunK=0.789所以： )789.01(42.39312????tghu?=14.5?16．葉片進(jìn)口安放角 ：hus1,??1582??sh??取～??67601uhu取～17．葉輪出口葉片包角 ：ex?=156.95（ 43.0)1?sn=147.67取 =150ex??18．輪緣螺線起點處圓弧半徑 ：0R=0.63 17.4?sn=0.63 115.244-4.17?=68.43圓整得： =70（mm）0R19．輪轂側(cè)葉片包角 ：hu?湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 11 -=821.17-1.42hu?sn=821.17-1.42 115.244?=657.524?取 =658hu?20．輪緣側(cè)葉片包角 ：s=652-1.02hsn=652-1.02 24.15?=534.451取 =535sh??21．計算葉輪曲面螺線首先計算葉輪輪緣側(cè)曲面螺線。包括 和 各曲面上的螺線，其次計算葉輪21a3出口邊 曲面螺線，最后，計算輪轂側(cè)曲面螺線，包括 ， 和 各曲面上的1ba 21b34b螺線。（1） 曲面螺線方程：21由何希杰所推導(dǎo)的公式：0)(zbzrr???式中 )13,5(,10點 坐 標(biāo)為 a根據(jù)邊界條件，以 空間曲線方程為： r=130[1-點 為 坐 標(biāo) 原 點 得o? 21a0.00163θ ]z=115[1-0.00163θ ] θ= ??350～(θ= z=86.34)34.10,35?r時?(2) 空間曲線螺線方程:32a設(shè) 端點對應(yīng)的螺線轉(zhuǎn)角分別為 和 在 上取一點 p(z,r)轉(zhuǎn)角為 ,可2a?332a?建立 z,r, 三者之間的關(guān)系如下:?湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 12 -232132 )()(saazZRDrZ??????根據(jù)邊界條件，以 空間曲線方程為：點 為 坐 標(biāo) 原 點 得o? 32a256024.0.8ZrZ?????531～??（3） 曲面螺線方程：1ba?128053tgrZ????? ??150??～?（4） 曲面螺線方程：21b2)41.86(4908.6172.3??ZrZ???105??～?（5） 曲面螺線方程：32b]06.1[4.8???Zr ?8610～???（6） 曲面螺線方程：43b2)5(4801.29.5Zr ??52086～?表 3-1 輪緣側(cè)曲面螺線（部分）值N 0 1 2 3 4 5 6 7 8?0 22.5 45 67.5 90 112.5 135 157.5 180r 130 125.2 120.5 115.7 110.5 106.6 101.4 96.3 91.3Z 115 110.7 106.6 102.4 97.8 94.3 89.7 81.5 76.6N 9 10 11 12 13 14 15 16 17202.5 225 247.5 270 292.5 315 337.5 360 382.5r 86.4 81.6 76.9 72.2 67.6 63.1 58.7 54.4 50.4Z 71.8 66.9 62 57.2 52.3 47.5 42.5 37.7 32.9N 18 19 20 21 22 23 24?405 427.5 450 472.5 495 517.5 535r 48.6 47.9 47.2 46.8 46.3 46.1 46Z 28 23.2 18.3 13.4 8.6 3.7 0湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 13 -表 3-2 出口段螺線（部分）值N 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7?0 -22.5 -45 -67.5 -90 -112.5 -135 -150r 130 127.5 125.1 122.6 120.1 117.6 115.2 113.5Z 115 126.9 138.9 150.8 162.7 174.6 186.6 194.5表 3-3 輪轂側(cè)曲面螺線（部分）值N -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3?-135 -112.5 -90 -67.5 -45 -22.5 0 22.5 45 67.5r 110.5 103.5 97.9 93.2 88.6 84 79.3 74.7 70 65.5Z 192.5 188.6 287.1 261.9 236.7 211.6 186.4 161.2 136.1 110N 4 5 6 7 8 9 10 11 1290 112.5 135 157.5 180 202.5 225 247.5 270r 1 56.6 52.2 48 44 40.5 37 33.7 30.5Z 34.3 130.2 126.1 121.9 111.8 113.6 109.5 105.4 101.2N 13 14 15 16 17 18 19 20 21?67.6 63.1 58.7 54.4 50.4 405 427.5 450 472.5r 8.4 26.3 24.3 22.4 21.1 20.3 16.3 14.1 13Z 97.1 92.9 88.8 84.7 80.5 76.4 72.2 68.1 64N 22 23 24495 517.5 520r 12.5 12.2 12Z 59.8 55.7 55.222．葉片螺線平面圖根據(jù)上述葉輪葉片曲面螺線計算結(jié)果，繪制葉片螺線。在圓周上取 16 個軸面，每兩個軸面夾角為 22.5 ,當(dāng) Z=0 時,空間螺線在平面上投影 ,如圖所示:?湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 14 -圖 3-2 空間螺線在平面上的投影圖23．葉片厚度計算確定葉片厚度時，應(yīng)注意到鑄造的可能性，對鑄鐵葉輪，葉片最小厚度為 3～4 毫米，本次設(shè)計的葉輪材料選用 MT-4，葉片厚度（S）由經(jīng)驗公式求出：1max2??ZHKDS式中： K——經(jīng)驗系數(shù)，與材料和比轉(zhuǎn)數(shù)有關(guān)，查表得 K=5——葉輪外徑ax2H——揚程Z——葉片數(shù)，Z=1所以： S= 1326.05??=5.687（mm）取： S=6（mm）3.3 背葉片的設(shè)計背葉片的主要作用是減壓，其減壓程度決定了背葉片的幾何參數(shù)。背葉片對于一般的泵而言，還有另一個作用，就是能夠及時地把固體顆粒甩至渦室內(nèi)，以防止固體顆粒進(jìn)入填料箱，破壞其密封性能。背葉片減壓后剩余的壓頭 可由下列經(jīng)驗公式SRH求出：= SRH )]()2()[()10(286 22max2 SRRd DtSDn ????湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 15 -式中： ——泵腔壓頭（包括灌注壓頭）m，其中灌注壓頭 dH H15.0?d)15.0(??n——泵的轉(zhuǎn)速 n=1450r/min——葉輪外徑 cm =27cmmax2Dmax2D——背葉片外徑 cm = =19cmRRin——背葉片寬度 取 =5mm2S2St——背葉片與渦室間隙 取 t=1mm——背葉片內(nèi)徑 cm 取 =8cmS S故： =（1+0.15）RH )]819()52()1926[()1045(283 22??????=9.65（m）S由計算結(jié)果可知，經(jīng)背葉片減壓后，剩余壓頭為 9.65m，如果近似把 1bar=10m 水柱，則剩余壓頭為 0.965bar。第四章 壓水室及吸水室的設(shè)計4.1 壓水室的用途及分類壓水室即渦形體，是泵中的一個非常重要的過流部件。它主要是把從吸水室和葉輪中流通過來的高速流體介質(zhì)，通過葉輪的離心力作用，送入下級葉輪進(jìn)口或者送入排出管路，從而把泵軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的壓力能。常用的壓水室結(jié)構(gòu)形式有環(huán)形壓水室、螺旋形壓水室、以及半螺旋形壓水室。實驗數(shù)據(jù)顯示，螺旋形壓水室比環(huán)形壓水室的效率個高，所以本次設(shè)計的螺旋離心泵采用的是螺旋形壓水室。4.2 壓水室的設(shè)計壓水室的設(shè)計要根據(jù)泵輸送介質(zhì)的特性來決定。過去我國生產(chǎn)的老型號離心雜質(zhì)泵幾乎全是環(huán)形壓水室，壓水室各個斷面的水流速度不同，用環(huán)形壓水室可減輕隔舌的磨損，但沖擊損失較大，這也是雜質(zhì)泵水力效率很低的原因之一。為了增大效率選用螺旋形壓水室，考慮到離心雜質(zhì)泵的特點，為湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 16 -了減少隔舌處的磨損，降低噪音，提高其壽命，渦殼斷面選擇矩形，如圖所示：圖 4-3 泵體斷面圖螺旋形渦室俗稱渦形體，其主要優(yōu)點是制造比較方便，泵性能曲線高效率區(qū)域比較寬廣，車削葉輪后泵效率變化比較小，缺點是單渦殼泵在非設(shè)計公況運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生不平衡的徑向力。在設(shè)計螺旋形渦室時，通常認(rèn)為液體從葉輪中均勻流出，并在渦室中作等速運動，渦室只起收集液體的作用，在擴(kuò)散管中將液體的一部分動能變?yōu)閴耗堋u殼主要由兩部分組成。即壓水室和出水管。主要是壓水室的設(shè)計，壓水室的作用是以最小的水力損失將葉輪流出的高速水流引向吐出口，并且將水流的一部分動能變?yōu)閴毫δ?。壓水室?guī)缀螀?shù)的確定：1．基圓直徑 3D：根據(jù)經(jīng)驗取 3=290mm2.渦室寬度 ：3B= 905.)1(7.sn=134.57圓整后得： =135mm33.隔舌位置角 ：0?= snl12.6.5?=15.62-0.12 4.5?=15.05?取 =150——從渦室出口中心線起反時針方向0?4.隔舌位置出間隙 ：0S=（0.234-0.041 3)lnDs?=（0.234-0.041 2904.15=8.74取 =9mm0S泵體斷面圖湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 17 -5.渦室內(nèi)輪廓線型線：采用對數(shù)螺線： ???e0?式中： ——初始動徑θ——動徑角——角系數(shù)根據(jù)邊界條件求出 =202.5 ， =1.9×10 ，根據(jù)公式計算各個斷面位置0??3?和距中心點的半徑。結(jié)果列于下表：表 4-1 各斷面位置和中心點半徑斷面 Ⅰ Ⅱ Ⅲ)(??0 30 45 90 135m?202.5 214.5 220.6 240.3 261.7Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ180 225 270 315 360285.1 310.5 338.2 368.4 401.36.壓水室的壁厚根據(jù)鑄造要求，強(qiáng)度要求，由經(jīng)驗初步選取壁厚為 8mm。4.3 吸水室的設(shè)計吸水室是指泵進(jìn)口法蘭到葉輪出口的過程部分。吸水室的作用是將吸入管中的液體以最小的損失均勻地引向葉輪。吸水室的水力損失比壓水室相比小得多，但是吸入室中液流的流動狀態(tài)直接影響葉輪中的流動狀態(tài)。對泵的效率有一定的影響，對泵的汽蝕性能影響也比較大。因此，對吸水室有如下要求：1.保證葉輪進(jìn)口有要求的速度場，如：速度分布均勻，大小適當(dāng)，方向符合等。2.吸水室內(nèi)部分布均勻，方向符合等。3.吸水室的類型主要有：錐形管吸水室、圓環(huán)形吸水室以及半螺旋形吸水室等。由于本次設(shè)計的是螺旋離心式水泵，省略設(shè)計吸水室。湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 18 -第五章 軸向力及其平衡水泵運轉(zhuǎn)時，在其轉(zhuǎn)子上作用一個很大的與軸心線重合的力叫做軸向力。5.1 產(chǎn)生軸向力的主要原因1.液體流入葉輪吸入口及從葉輪出口流出，其速度大小及方向都不相同，液體動量的軸向矢量發(fā)生了變化，因此，由動量定理在軸上作用了一個沖力，這個作用在葉輪上的力也是軸向力的一部分。2.水泵葉輪前后蓋板承受液體壓力的面積大小不等，前后泵腔中的液體壓強(qiáng)分布也不相同，因此，作用于葉輪上的壓力在軸向上不能平衡，造成了一個軸向力，這個軸向力是軸向力的主要部分。5.2 軸向力的計算螺旋式葉輪可按半開式葉輪經(jīng)驗公式來近似計算軸向力，公式如下：?????HkdrF112湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 19 -式中： ——圓心在葉片入口邊上，并且與葉輪輪廓相切的圓的直徑。 =1d 1dmDh036.2/)(1??k——軸向力系數(shù)，查表得 k=1.63—— 圓心處的半徑， =（1r1r mD09.4/)2??——液體重度， =2650kg/??3故： 65.06.94.321 ???F=1143N5.3 軸向力的平衡方法1．利用對稱性，平衡軸向力．從分析對稱形狀的雙吸葉輪可知，它相當(dāng)于兩個單吸葉輪并聯(lián)工作，這種葉輪軸向力是自動平衡的．這個辦法廣泛的應(yīng)用于單吸兩級懸臂泵，渦殼式多級泵以及立式多級泵上．2．改造葉輪，以減少或平衡軸向力．用改變?nèi)~輪形狀的辦法，降低葉輪背面壓力，達(dá)到平衡或者減少軸向力的目的．3．采用專門的平衡裝置，如平衡鼓裝置，平衡盤裝置．4．對于單級小型軸向吸入泵軸向力不太大，一般采用徑向止推軸承來平衡軸向力，但有時考慮受徑向力作用，可采用圓錐滾子軸承來承擔(dān)．5．采用平衡孔，使后泵腔的下部與葉輪的吸入口相連，使兩面壓力相同，但不能完全平衡軸向力．這種平衡軸向力的方法存在以下兩個缺點：（１）泵的泄露量大，因此降低了泵的效率． （２）液體流入葉輪時的速度不均勻，因而降低了葉輪的水力效率．綜上所述，該泵的軸向力較大，如果采用均壓孔來平衡軸向力，不但水力效率降低，又會因固體顆粒滲入填料箱或串到背葉片內(nèi)，從而加速了葉輪填料及軸的磨損，綜合以上兩種方式，采用單列圓錐滾子軸承平衡軸向力．因為這種軸承可以同時承受較大的軸向力和徑向力．湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 20 -第 6 章 主要通用零部件的選擇6.1 正確選用主要通用零部件的重要性現(xiàn)代大部分機(jī)械設(shè)備中有相當(dāng)部分是通用零部件。也就是說通用零部件對于現(xiàn)代機(jī)械來說，是非常重要的也是必不可少的部分。通用零部件關(guān)系著機(jī)械產(chǎn)品的加工制造效率和經(jīng)濟(jì)效益。因為合理的通用零部件的選擇可以方便產(chǎn)品的組裝和使用后的維修工作。特別是標(biāo)準(zhǔn)化后的零部件對于主要零件的設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)件的選購以及方便用戶使用維修方面更是具有非常重要的意義。6.2 軸封結(jié)構(gòu)的選擇一．離心泵常用的填料（１）用石墨或黃油侵透的棉織調(diào)料，用于低壓離心泵輸送常溫清水。（２）石墨侵透的石棉填料，在中等溫度及壓力下使用。一般輸送液體的溫度低湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 21 -于 250℃，壓力小于 10kg/cm ，最大壓力不小于 18kg/cm 。最高溫度為 400℃。2 2二．填料密封結(jié)構(gòu)尺寸的確定在已知軸徑或軸套直徑后，可按水泵行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選用填料壓蓋，填料套，填料環(huán)，長扣螺栓和螺母等。填料可取 4～6 圈，如果沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，填料函的主要結(jié)構(gòu)尺寸可按下列步驟確定。圖 6.1 填料函結(jié)構(gòu)1．填料寬度Ｓ（ｍｍ）Ｓ＝（1.4～1.8） d式中：d——軸或軸套直徑所以：S=（1.0～1.8） 56?=7.5～ 13.5取 S=9mm2．填料高度 H（mm）當(dāng)液體壓力 P≤10kg/cm 時2H=（5～7） S=45～63取 H=49mm3．填料壓蓋高度 h（mm）h=（ 2～3）S=18～27取 h=25mm4．壓入填料函體內(nèi)的填料壓蓋長度 b（mm）b=（0.5～1）S=4.5～9取 b=9mm5．填料壓蓋螺栓長度 L湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 22 -應(yīng)保證在填料函體內(nèi)裝滿填料時不需加蓋就就能擰上螺母。6．填料壓蓋螺栓直徑 ’d可按下表選取：’d表 6.1 螺栓直徑系列軸或軸套外徑 20～25 30～35 40～75 80～100螺栓直徑 M6 M8 M10 M12所以螺栓直徑選取為 = M10 ’d7．填料壓蓋厚度 a（ mm）a=（0.7～1.0）=7～10取 a=7mm三．填料密封的安裝技術(shù)要求1．切割填料時，最好將它繞在與軸外徑相同的圓棒上切割，以保證尺寸準(zhǔn)確和切口平行、整齊、無松散的石棉線頭，并成 30 度角。裝填料時填料接頭必須錯開，一般交錯120 度。2．在安裝時應(yīng)注意使填料對準(zhǔn)水封環(huán)，以免填料添死水封環(huán)，使水封失去作用。3．在液體溫度超過 105℃或吸入壓力大于 8kg/cm 時，對填料函體應(yīng)進(jìn)行冷卻，并采2用水冷填料壓蓋。4．為保證填料函的密封性能，對填料函應(yīng)進(jìn)行水封，一般用自來水或從泵吐出口引水即可。由于此次設(shè)計的為離心式固液兩相泵，為防止泄露現(xiàn)象出現(xiàn)，軸封水經(jīng)計算得3bar。6.3 軸承部件的選擇軸承是支撐離心泵轉(zhuǎn)子的部件，承受徑向和軸向載荷，在離心泵中應(yīng)用較多的是滾動軸承。滾動軸承的優(yōu)點是：軸承磨損小，軸或轉(zhuǎn)子不會因軸承磨損而下沉很多。軸承間隙小，能保證軸的對中性，互換性好，維修方便，磨損系數(shù)小，泵的啟動力矩小，軸承的軸向尺寸小，缺點是擔(dān)負(fù)沖擊的能力較差，在高速時易有噪音，安裝要求準(zhǔn)確，滾珠的工作能力隨滾珠分離圈線速度的增加而減小。總的來說，滾動軸承的優(yōu)點遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過缺點，所以，逐漸在各種機(jī)械中廣泛使用。1．軸承的潤滑及結(jié)構(gòu)選擇由于設(shè)計選用的軸承必須能夠同時承受軸向載荷和徑向載荷，故選用向心推力軸承，經(jīng)計算擬選單列圓錐磙子軸承。湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 23 -滾動軸承能否正常工作，與軸承的潤滑情況密切相關(guān)，一般來說，被輸送介質(zhì)在80℃以下，轉(zhuǎn)速在 2900r/min 以下的泵，可以采用脂潤滑，此次設(shè)計的離心泵轉(zhuǎn)速為1450r/min，常溫下輸送介質(zhì)，故采用脂潤滑，潤滑脂選用鋰基潤滑脂 SY1412-75 的 2或 3 。#2．軸承安裝時應(yīng)注意的幾個問題（1）與內(nèi)圈一起旋轉(zhuǎn)的軸，一般采用過渡配合，js6，k6。（2）安裝時預(yù)熱軸承內(nèi)圈不允許超過 120℃。（3）裝軸承處的軸面最好淬火處理，以免拆卸時將軸擦傷。（4）與外圈配合的軸承體可采用過渡配合或間隙配合。第 7 章 離心泵主要零部件的強(qiáng)度計算離心泵的主要零部件在設(shè)計的時候需要進(jìn)行強(qiáng)度計算以滿足運行和安全要求。在螺旋離心泵中，需要進(jìn)行強(qiáng)度計算的零部件主要有：泵體，泵軸和軸承。7.1 泵體的強(qiáng)度計算渦室是離心泵中較大的零件，并承受高壓液體作用。所以，渦室應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，本次設(shè)計的螺旋離心泵的泵體強(qiáng)度計算是校核渦室的壁厚，計算公式如下： ][?HQScg??式中：S——渦室厚度 cm——許用應(yīng)力（ ） ，鑄鐵 100～150 ，鑄鋼 200～250][?2/cmk2/cmkg。2/cmkg湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 24 -——渦室當(dāng)量壁厚，cgS= 2.7084.15?ssn= ..15.2.?=21.57S= 20136/87.?=0.58cm所以設(shè)計時選用 MT-4，壁厚為 8cm，滿足強(qiáng)度要求。7.2 泵軸的校核校核過程如下：受力簡圖如下： ABYXG280圖 7-1 受力簡圖已知： ——葉輪自重，經(jīng)估計 =180NGFGF——V 帶泵軸的拉力， =1012.2NL LT—— 泵軸傳遞的扭矩，T=49.7 N.m 計算支撐反力：水平面反力： NFBXA41802361???垂直面反力： BYA5.69..6737.畫彎矩圖：水平面彎矩圖：湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 25 -AB.m圖 7-2 水平面彎矩圖垂直面彎矩圖： 4680.m圖 7-3 垂直面彎矩圖合成彎矩圖： AB.m4680圖 7-4 合成彎矩圖畫轉(zhuǎn)矩圖：T=49700N．mm轉(zhuǎn)矩圖： 4970.m圖 7-5 轉(zhuǎn)矩圖許用應(yīng)力：許用應(yīng)力值：用插值法由表得 .60][,5.102][1MPaPabb?????應(yīng)力校正系數(shù)：59.012][0??b?畫當(dāng)量彎矩圖：當(dāng)量彎矩：在 A 點： 22)(TM???= 293108湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 26 -=95701 N.mmA 點處軸徑:50 mm軸徑: =25.2≤50 mm33601.957][.0????MdA軸鋼度校核:由實踐經(jīng)驗公式,單級懸臂泵比 t/l≤1.0～1.5 就不會有問題. t/l=260/200=1.3≤1.5,故鋼度可滿足要求.7.3 軸承的校核查表得 30210 軸承的主要性能參數(shù)如下： min/430,8.,4.142.0,192275033rNYeCCorr ?????NFBYXrBAA 6155.87.222??r圖 7-6 受力分析圖壽命計算：附加軸向力： NYFrBSrA7.2198.6523.4??軸承軸向力：SAF??7.540F3 SB故軸承 A 被壓緊， NSB.2121??X/Y 值：湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 27 -6.1\4.0.712.48650.\...321 ???AArA BBrB YXeF?沖擊載荷系數(shù) ：df考慮到輕沖擊，查表得 =1.2df當(dāng)量動載荷：NFYXfPBrdBAA 431)7.2506.14.0(21)( 8????????軸承壽命：因 ，只計算 B 軸承壽命：BA? hPCnLBrh 7.196)4302.78(1506)(16700 ???每天工作 360 天，每天工作 8 小時，則其工作年限為。 年.369?總結(jié)“螺旋離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計”介紹了一種高效、實用的設(shè)計方法。它采用實驗和現(xiàn)場運行性能指標(biāo)都優(yōu)秀的設(shè)計方法和經(jīng)驗公式，本次設(shè)計我采用了勞學(xué)蘇以及何希杰提出的螺旋離心泵葉輪葉片工作面和負(fù)壓面空間曲線方程為依據(jù)的設(shè)計方法，葉輪葉片型線為對數(shù)螺旋線。從而為設(shè)計性能優(yōu)秀的螺旋離心泵提供了保障。此次設(shè)計的螺旋離心泵具有很多優(yōu)點，比如：（1）無堵塞性能好；（2）無損性能好；（3）效率高，與其他同類雜質(zhì)泵相比效率高 5%以上；（4）泵的吸入性能好。可抽送含氣介質(zhì)，含氣量在 15%以下時，泵的性能，震動基本不發(fā)生變化。 （5）具有優(yōu)良的抗汽蝕性能。其他參數(shù)相同的條件下，螺旋離心泵的汽蝕性最好，即 NPSHr 最小。因此，此螺旋離心泵在市場上有廣闊的應(yīng)用和開發(fā)前景。適用于各種行業(yè)。在本次設(shè)計中，一方面我自己做了大量的努力；另一方面也得到了各位指導(dǎo)老師湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 28 -的大力幫助，這才使得我的設(shè)計能夠按時完成?？梢钥隙ǖ氖?，本次設(shè)計中由于本人的知識層次及設(shè)計經(jīng)驗不足，難免會有一些不足之處，懇請各位老師批評指正！致 謝將近三個月的畢業(yè)設(shè)計就這樣伴隨著我們的大學(xué)畢業(yè)而完成了，在這段值得珍藏的歲月里，我在指導(dǎo)老師文美純老師的帶領(lǐng)下，從開始的不知所措，到一步步的進(jìn)入設(shè)計狀態(tài)：收集資料，查信息，圖紙繪制，直至說明書的完成及后期檢查。通過本次畢業(yè)設(shè)計，不僅使我系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用了以前的知識，而且也鍛煉了我獨立動手和思考的能力。我們的老師“授我們以漁” ，而且在設(shè)計當(dāng)中教導(dǎo)我們做人如做事一樣，要踏塌實實，來不得馬虎取巧。我會記住這次設(shè)計，以后努力的工作，為母校爭光!湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 29 -參考文獻(xiàn)[1] 丁成偉. 離心泵與軸流泵[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社. 1981: 143-158 [2] A.J.斯捷潘諾夫. 離心泵和軸流泵[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社. 1980: 74-93[3] 金樹德,陳次昌. 現(xiàn)代水泵設(shè)計方法[J]. 兵器工業(yè)出版社. 1993: 139-148[4] 雷宏. 機(jī)械工程基礎(chǔ)(上冊) [M]. 黑龍江人民出版社. 2000: 142-215[5] 雷宏. 機(jī)械工程基礎(chǔ)(中冊) [M]. 黑龍江人民出版社. 2000: 603-605[6] 雷宏. 機(jī)械工程基礎(chǔ)(下冊) [M]. 黑龍江人民出版社. 2000: 760-778[7] 勞學(xué)蘇,何希杰. 螺旋離心泵的原理與設(shè)計方法[A]. 水泵技術(shù). 1997: 6-13[8] 厲浦江. 螺旋不堵塞泵的設(shè)計方法[A]. 流體機(jī)械. 1995: 20-24[9] 朱榮生, 關(guān)醒凡,黃道見 . 螺旋離心泵主要幾何參數(shù)的確定[J]. 流體機(jī)械. 1996: 24-25湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 30 -[10] 田愛民. 離心式渣漿泵葉輪的磨損規(guī)律研究[A]. 水泵技術(shù). 1997: 7-15 [11] 陳次昌. 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Jackson. the Development of a Screw Centrifugal Pump For Handling Delicate Solids[J]. Word Pumps. 1982: 185-192[18] D Jackson. the High Efficiency Immersible Pump for Soliding Handling Application. Word Pumps[J]. 1982: 195-302附錄 1外文翻譯：塑料模具 CAD 集成技術(shù)內(nèi)容提要：通過分析計算機(jī)輔助注射模設(shè)計和制造的各個環(huán)節(jié)中共享的技術(shù)和信息，本文揭示了注射模 CAD 的集成技術(shù)的根本內(nèi)涵，并提出了它的研究熱點和趨勢。塑料模具 CAD 集成技術(shù)塑料模具的制造, 包括塑料產(chǎn)品的造型設(shè)計、模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析、模具的數(shù)控加工(銑削、電加工、線切割等)、拋光和配試模以及快速成形制造等。各個環(huán)節(jié)所涉及的 CAD 單元技術(shù)有:造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(CAD)、產(chǎn)品外形的快速反求(RE)、結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(CAE)、輔助制造(CAM)、加工湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 31 -過程虛擬仿真(SIMULATION)、產(chǎn)品及模具的快速成形(RP)、輔助工藝過程(CAPP)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)(PDM)等。塑料模具 CAD 集成技術(shù), 就是把塑料模具制造過程所涉及的各項單元技術(shù)集成起來, 統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和文件傳輸格式, 實現(xiàn)信息集成和數(shù)據(jù)資源共享, 從而大大縮短模具的設(shè)計制造周期, 提高制模質(zhì)量。塑料產(chǎn)品的 CAD 設(shè)計與外形的快速反求進(jìn)行塑料模具設(shè)計制造的第一步是塑件產(chǎn)品的設(shè)計。傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計方法是設(shè)計者對產(chǎn)品的三維構(gòu)思用二維平面圖紙表達(dá)出來, 圖紙上標(biāo)明工藝及施工方法,這種方法決定了所設(shè)計圖形的簡單性及不能直接控制制造質(zhì)量。現(xiàn)代設(shè)計方法是設(shè)計者在電腦上直接建立產(chǎn)品的三維模型,根據(jù)產(chǎn)品三維模型進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計,再根據(jù)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計三維模型進(jìn)行加工編程及編制工藝計劃。這種方法使產(chǎn)品模型設(shè)計、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工編程及工藝設(shè)計都以 3D 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享, 不僅能快速提高設(shè)計效率, 而且能保證質(zhì)量, 降低成本。電腦塑件產(chǎn)品模型的來源有三種: 利用 CAD 系統(tǒng)軟件進(jìn)行產(chǎn)品模型設(shè)計、利用實物測量進(jìn)行快速反求建模、利用其它 CAD 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)格式文件。針對這三種產(chǎn)品模型的來源方式, 目前已研究出各種技術(shù)來提高產(chǎn)品模型的設(shè)計效率和質(zhì)量。下面進(jìn)一步分析各種技術(shù)的內(nèi)涵和特點。利用 CAD 系統(tǒng)軟件進(jìn)行產(chǎn)品模型設(shè)計,其技術(shù)主要包括二維幾何圖形的繪制、二維參數(shù)化圖形的設(shè)計、三維實體造型設(shè)計、三維特征造型設(shè)計、三維參數(shù)化實體造型設(shè)計、三維曲面造型設(shè)計、空間自由造型設(shè)計、產(chǎn)品的外觀渲染、產(chǎn)品的動態(tài)廣告設(shè)計等等。這些軟件有許多典型的代表。二維軟件有: ME10、CADKEY、AUTOCAD、DHCAD、Genis、Sigraph 等; 三維軟件有: UGII、PRO/E、IDEAS、CATIA、EUCLID 等; 產(chǎn)品自由造型及廣告設(shè)計的軟件有:Alias、CDRS 等。二維幾何圖形的繪制是利用平面 CAD 軟件繪制零件圖形, 即用計算機(jī)代替手工繪圖; 而二維參數(shù)化, 即計算機(jī)實現(xiàn)了圖形的變量設(shè)計, 使修改更加方便; 三維造型設(shè)計是數(shù)字化的產(chǎn)品的真實形狀設(shè)計, 它完全表達(dá)了產(chǎn)品, 能夠進(jìn)一步為模具設(shè)計、分析和加工提供必要的數(shù)學(xué)模型; 空間自由造型設(shè)計是產(chǎn)品外形的藝術(shù)設(shè)計, 使產(chǎn)品不僅是功能產(chǎn)品, 也是藝術(shù)品;產(chǎn)品的外觀渲染是產(chǎn)品的效果設(shè)計, 使產(chǎn)品更加美觀、顏色更加能迎合人們的各種需求; 產(chǎn)品的動態(tài)廣告設(shè)計是將產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果直接制作宣傳廣告, 進(jìn)行市場推廣。 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 32 -利用實物測量進(jìn)行快速反求建模是目前研究的熱點之一, 它是產(chǎn)品仿型基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品修改設(shè)計的重要技術(shù)。其基本原理是通過三座標(biāo)測量機(jī)、激光測量機(jī)或電子抄數(shù)儀對實物進(jìn)行掃描測量, 把測量所獲得的數(shù)字化的大量數(shù)據(jù)點送入高級 CAD 軟件的反求模塊或?qū)Ｓ玫姆辞筌浖? 反求軟件可直接讀取點數(shù)據(jù)群, 并可對點數(shù)據(jù)群進(jìn)行編輯、過濾、整理、求精、排序、局部修改與重組, 然后自動生成曲面, 最終獲得同實物精確一致的或經(jīng)改造的電腦塑件產(chǎn)品模型。這一方式可極大提高新產(chǎn)品設(shè)計速率。目前較成熟的曲面反求建模軟件有: Surfacer, Cimatronrenge, Strim100 等。利用其它 CAD 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)格式文件來建模, 這一方式較方便。由于市場的全球化和 INTERNET網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展, 模具企業(yè)的 CAD 技術(shù)交流和合作有許多通過 CAD 文件方式進(jìn)行。由于 CAD 系統(tǒng)種類較多, 因此文件的格式就必須遵循國際標(biāo)準(zhǔn), 如 DXF、IGES、STEP、VDA、STL 等。通過讀取標(biāo)準(zhǔn)格式文件來直接建立或修改后建立產(chǎn)品模型, 既可加快、加深用戶與模具廠家的交流, 也可縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。模具的 CAD 設(shè)計與分析模具的 CAD 設(shè)計、分析, 包括根據(jù)產(chǎn)品模型進(jìn)行模具分型面的設(shè)計、確定型腔和型芯、模具結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計、塑料充填過程分析等幾個方面。利用先進(jìn)的特征造型軟件如 PRO/E、UGII 等很容易地確定分型面, 生成上下模腔和模芯, 再進(jìn)行流道、澆口以及冷卻水管的布置等。確定了這些設(shè)計數(shù)據(jù)以后, 再利用模具分析軟件, 如 MOLDFLOW、CFLOW 進(jìn)行塑料的成形過程分析。根據(jù)MOLDFOLW 軟件和它的豐富的材料、工藝數(shù)據(jù)庫, 通過輸入成形工藝參數(shù), 可動態(tài)仿真分析塑料在注塑模腔內(nèi)的注射過程流動情況(含多澆口注射時的塑料匯流紋分析)、分析溫度壓力變化情況、分析注塑件殘余應(yīng)力等, 根據(jù)分析情況來檢查模具結(jié)構(gòu)的合理性、流動狀態(tài)的合理性、產(chǎn)品的質(zhì)量問題等。比如是否存在澆注系統(tǒng)不合理, 出現(xiàn)流道和澆口位置尺寸不當(dāng), 無法平衡充滿型腔; 是否存在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理或模具結(jié)構(gòu)不合理, 出現(xiàn)產(chǎn)品充不滿(即短射現(xiàn)象); 是否冷卻不均勻, 影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量; 是否存在注塑工藝不對, 出現(xiàn)產(chǎn)品的翹曲變形等。模具通過 CAD 設(shè)計和分析, 就可以將錯誤消除在設(shè)計階段, 提高一次試模成功率。在塑料模具設(shè)計和分析這一階段應(yīng)用了許多新的電腦輔助技術(shù), 如參數(shù)化技術(shù)、特征造型技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。塑料模具中有許多標(biāo)準(zhǔn)件, 如標(biāo)準(zhǔn)模架、頂出機(jī)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等都可以采用基于數(shù)據(jù)庫管理的參數(shù)化特征造型設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計或建立標(biāo)準(zhǔn)件庫, 這樣既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享, 又可以滿足用戶對設(shè)計的隨時修改, 使模具的設(shè)計分析快速、準(zhǔn)確、高效。參數(shù)化特征造型不僅可以完整地描述產(chǎn)品的幾何圖形信息, 而且可以獲得產(chǎn)品的精度、材料及裝配等信息, 其所建立的產(chǎn)品模型是一種易于處理、能反映設(shè)計意圖和加工特征的模型。因此, 參數(shù)化特征造型技術(shù)是模具制造過程最重要的技術(shù)之一。湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 33 -模具的 CAM 技術(shù)的應(yīng)用、加工仿真及制造模具的計算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)主要應(yīng)用在數(shù)控銑削加工、線切割加工、電火花加工等方面。CAM 技術(shù)尤其是在復(fù)雜模具的型腔、型芯及電極的銑削加工中起著更加重要的作用。其主要的技術(shù)特點包括: (1) 粗、精加工刀具軌跡的優(yōu)化規(guī)劃和 NC 指令的產(chǎn)生, (2) 刀具種類、特性和材料庫的建立, (3) 切削加工工藝參數(shù)的確定, (4) 普通切削和高速切削加工的特性控制, (5) 過切檢查與加工表面的精度控制, (6) 加工過程的電腦實體仿真切削, (7)電腦控制數(shù)控機(jī)床的 DNC 技術(shù)及群控技術(shù)的應(yīng)用等等。 在 CAM 技術(shù)的應(yīng)用中特別需要 CAD 三維產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)。較多的專業(yè)電腦編程軟件如MASTERCAM、UNIMOD、CIMATRON 等在多曲面的編程加工時對產(chǎn)品的曲面模型有較高的要求,如相鄰曲面的 U、V 方向的一致性、曲面與曲面的高精度擬合、曲面斜率連續(xù)變化等。在高級CAD/CAM 一體化系統(tǒng)中(如 UGII、PRO/E),由于利用了參數(shù)化特征造型設(shè)計和同一數(shù)據(jù)庫技術(shù), 使得產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)、模具的型腔和型芯模型數(shù)據(jù)、刀具軌跡數(shù)據(jù)有著內(nèi)在的聯(lián)系, 產(chǎn)品模型的修改刀具軌跡亦自動修改。模具加工實體仿真技術(shù)越來越成熟, 也越來越受到人們的重視。加工實體仿真是在電腦上模仿機(jī)床的加工過程, 能直觀反映加工的結(jié)果, 能直接評估加工后零件的質(zhì)量, 能檢查出加工的錯誤。在檢查加工后零件的質(zhì)量時, 可在電腦上對加工后的實體模型進(jìn)行任意的剖切, 直接測量其尺寸和精度。因此, 它能把錯誤消除在加工工藝編程設(shè)計階段, 減少加工后的修補(bǔ)和返工, 大大提高模具的制造效率和質(zhì)量。塑料產(chǎn)品及其模具的快速成形制造塑料產(chǎn)品及其模具用電腦 CAD 技術(shù)設(shè)計完成后, 可通過快速成形技術(shù)來制造。這是一種全新概念的制造技術(shù),它摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法。其成形原理是將三維 CAD 實體模型離散成設(shè)定厚度的一系列片層數(shù)據(jù), 利用激光成形機(jī)或其它成形設(shè)備讀取這些數(shù)據(jù), 用材料添加法技術(shù), 依次將每層堆積起來成形。這一技術(shù)稱為快速自動成形技術(shù)(Rapid Prototype)。它也是 CAD 集成技術(shù)的重要組成部分。第一臺快速成形設(shè)備于 1987 年在美國 3D 公司誕生, 由于其特點是與制造的產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān), 給制造業(yè)帶來巨大的震動。此后十年, 快速成形技術(shù)得到飛速發(fā)展, 設(shè)備的種類也層出不窮,從材料固化方法可分為激光和非激光燒結(jié)法(SLS)、固體表層造型法(SGC)、層片制造法(LOM)、湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 34 -熔化沉積法(FDM)、選區(qū)粘結(jié)法(DSPC)、激光氣相沉積法(SALD)等。各種方法特點是: SLA 法是最早應(yīng)用的快速成形技術(shù), 初期市場占有較大的分額, 但由于材料范圍窄, 成本較高, 成形件耐熱、耐負(fù)荷和著色能力低, 近年逐漸被其它方法所代替。FDM 法由于成形速度快, 成本低, 在塑料產(chǎn)品行業(yè)中得到較好的應(yīng)用, 由于零件的尺寸小, 精度差,也受到一定的限制。LOM 法由于采用紙或者是薄片塑料, 成本低, 且激光只照射每一層的輪廓邊緣, 因而成形速度快, 但產(chǎn)品表面質(zhì)量差。SLS 法是用激光進(jìn)行燒結(jié), 采用的材料較廣, 如塑料、蠟料、陶瓷、金屬等均可成形, 成形件耐熱、耐負(fù)荷和著色能力較強(qiáng), 具有廣泛的應(yīng)用前景。其它方法也在某些特種加工中得到應(yīng)用。根據(jù)上述成形法特點, 快速成形技術(shù)的作用主要在于:制造用于設(shè)計和試驗的產(chǎn)品模型、制造用于小批量生產(chǎn)的模具和小批量特殊零件的加工?？焖俪尚渭夹g(shù)制造的產(chǎn)品模型在材質(zhì)方面比傳統(tǒng)加工方法制造的產(chǎn)品模型有所差別, 但在外形及尺寸方面幾乎完全一樣, 而且有一定的機(jī)械強(qiáng)度, 可作功能性試驗, 同時經(jīng)過表面處理, 看起來與真實產(chǎn)品一樣, 可作廣告宣傳品?？焖俪尚渭夹g(shù)制造的模具, 目前主要是軟材料的成形模(蠟?zāi)！h(huán)氧樹脂模、硅橡膠模、低熔點合金鑄造模等)和陶瓷或金屬基合成材料硬型腔模。制造硬模時可用快速成形零件作母模, 先制作環(huán)氧樹脂?；蚱渌牧系能浤? 在軟模中澆注陶瓷或石膏模, 然后澆鑄鋼成鋼模; 或者在軟模中澆注混合有化學(xué)粘結(jié)劑的鋼粉, 進(jìn)行燒結(jié)成鋼模。快速成形技術(shù)制造的鋼模需進(jìn)一步做拋光等后加工, 制成小批量生產(chǎn)的注塑模。由于模具是用鋼粉澆注或燒結(jié)而成, 材質(zhì)與普通模具鋼有一定的差距, 因此, 壽命較短, 只能做試制產(chǎn)品或小批量生產(chǎn)。另外, 快速成形技術(shù)也可以制作特殊的零件, 如用冶金粉末法制作金屬電極、精密鑄造法制作銅電極、研模法制作石墨電極等。 快速成形技術(shù)制作模具和產(chǎn)品的成型設(shè)備, 均是讀取 CAD 系統(tǒng)產(chǎn)生的 STL 或 CLI 等文件格式數(shù)據(jù), 不同的文件格式數(shù)據(jù)對制作的產(chǎn)品精度有較大的差距, 因此, 研究 CAD 系統(tǒng)對快速成形設(shè)備的文件格式輸出有相當(dāng)重要的意義。模具 CAD 集成技術(shù)的發(fā)展趨勢綜上所述, 模具 CAD 集成技術(shù)就是應(yīng)用于模具制造各個環(huán)節(jié)的計算機(jī)輔助技術(shù)和實現(xiàn)各環(huán)節(jié)信息集成的技術(shù)。顯然,信息集成與數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理是關(guān)鍵。產(chǎn)品的信息是貫穿于設(shè)計、分析、加工、檢測、裝配等各個階段,實現(xiàn)各環(huán)節(jié)信息的流暢、解決數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化及數(shù)據(jù)維護(hù)與共享是未來CAD 集成技術(shù)發(fā)展的重點。PDM 系統(tǒng)的出現(xiàn)為解決這一問題帶來了曙光。PDM 系統(tǒng)的實施是模具企業(yè)應(yīng)用 CAD 集成技術(shù)的重要課題。在模具的設(shè)計制造方面,含有豐富專家知識的智能化模具CAD/CAM 系統(tǒng)的研究、高速切削加工及其編程等是未來研究發(fā)展的趨勢。
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