雙介質(zhì)并聯(lián)泵送裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算＊

沈鋮鋒 ， 徐惠敏 ， 李澤坤 ，蔣超燕 ， 賀 功 ， 童江波 ， 趙國慶

（衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000）

0 前言

隨著科技的高速進(jìn)步，離心泵作為一種通用機(jī)械，已廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)、水力發(fā)電、城市送水、農(nóng)業(yè)灌溉、食品制藥和醫(yī)學(xué)研究等各行各業(yè)。離心泵運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和效率提升可以減少能源消耗，延長使用壽命和提升工業(yè)需求。

在食品加工和化工生產(chǎn)領(lǐng)域，經(jīng)常需要兩種介質(zhì)或多種介質(zhì)同時(shí)進(jìn)行混合，或在一定壓力及流量要求下進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)加工需求，會(huì)使用離心泵進(jìn)行輸送液體或?qū)σ后w進(jìn)行增壓反應(yīng)。然而，傳統(tǒng)的離心泵只支持單介質(zhì)的輸送，多種介質(zhì)混合就需要多臺(tái)離心泵同時(shí)運(yùn)行方可完成目標(biāo)，加大了實(shí)際操作難度和能耗，且難以實(shí)現(xiàn)混合配比需求。本次設(shè)計(jì)了一種雙介質(zhì)并聯(lián)泵送裝置[1-5]，兩個(gè)離心泵由同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單軸并行實(shí)現(xiàn)雙介質(zhì)輸送，易于操控實(shí)現(xiàn)精確配比。

1 總體方案的確定

雙介質(zhì)并聯(lián)泵送裝置主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、離合分控機(jī)構(gòu)和離心泵等構(gòu)成。如圖1所示，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)聯(lián)軸器傳遞到齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的三個(gè)錐齒輪呈90°角嚙合，將電機(jī)軸上的動(dòng)力經(jīng)左右兩個(gè)對(duì)稱的兩個(gè)離合分控機(jī)構(gòu)傳遞到兩個(gè)離心泵軸上，控制兩個(gè)離心泵工作，實(shí)現(xiàn)雙介質(zhì)同時(shí)輸送。

圖1 雙介質(zhì)輸送并行離心泵

2 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的選型計(jì)算

雙介質(zhì)并聯(lián)泵送裝置的輸送設(shè)備選用ISW80-160型離心泵，該離心泵為臥式離心泵，流量為50m3，揚(yáng)程為32m，轉(zhuǎn)速達(dá)到2 900r/min。根據(jù)離心泵的工作要求和條件，電機(jī)功率計(jì)算公式如下：

式中：T為轉(zhuǎn)矩；η為總效率；n為轉(zhuǎn)速。

離心泵葉輪轉(zhuǎn)矩T為26N·m，總效率η為0.91，計(jì)算得電機(jī)的功率P為8.7kW?？梢赃x用Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)，查電動(dòng)機(jī)參數(shù)表，確定選用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為Y160M1-2，其滿載轉(zhuǎn)速為2 930r/min，電動(dòng)機(jī)功率為11kW。

2.2 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

雙介質(zhì)并聯(lián)泵送裝置的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用錐齒輪傳動(dòng)，用于傳遞電機(jī)軸與離心泵軸之間的運(yùn)動(dòng)與力作用，不改變運(yùn)動(dòng)速度，因此，錐齒輪的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的傳動(dòng)比i=1。兩錐齒輪的交角基本等于90°，所以兩從動(dòng)軸處于共線放置，與主動(dòng)軸成90°的夾角。

2.2.1 齒輪的設(shè)計(jì)

1）確定許用應(yīng)力：由于傳動(dòng)比為1，三個(gè)錐齒輪的齒數(shù)相同，齒輪選用材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理后硬度為241HBW～286HBW。查閱齒輪手冊(cè)得，齒面接觸應(yīng)力σHlim=720MPa，輪齒彎曲疲勞極限應(yīng)力σFE=590MPa。按無限壽命計(jì)算，接觸疲勞壽命系數(shù)KHN=0.95；彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN=0.9；取最小安全系數(shù)SHlim=1.1，SFlim=1.3，計(jì)算得[σH]=621.82MPa，[σF]=431.15MPa。

2）錐齒輪的主要參數(shù)：齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪，錐齒輪大端模數(shù)m=4mm，齒數(shù)Z=20，分度圓直徑d=80mm；錐角δ1=δ2=45°；錐距R=57.98mm；齒寬中點(diǎn)處分度圓直徑dm=60.970 5mm；精度等級(jí)選擇8級(jí)精度。最后按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于錐齒輪傳動(dòng)主要起換向作用，兩個(gè)從動(dòng)錐齒輪呈對(duì)稱布置，兩根從動(dòng)軸分別與離合分控機(jī)構(gòu)相連，驅(qū)動(dòng)離心泵進(jìn)行工作或停止。下面從動(dòng)軸為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從動(dòng)軸設(shè)計(jì)為階梯軸的形式，如圖2所示。從動(dòng)軸的左側(cè)連接錐齒輪，采用滑動(dòng)軸承作為支撐，端蓋支撐內(nèi)圈與軸為鍵連接，軸的右端連接牙嵌式離合器的固定分離合器，固定分離合器與軸也通采用鍵連接。

圖2 從動(dòng)軸簡圖

2.2.3 聯(lián)軸器的選擇

電機(jī)軸與齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)軸采用聯(lián)軸器連接，本次設(shè)計(jì)的雙介質(zhì)并聯(lián)泵送裝置要求保證兩軸具有較高的對(duì)中精度、傳遞載荷平穩(wěn)，傳遞轉(zhuǎn)矩大，傳動(dòng)精度要求較高，選用凸緣聯(lián)軸器較合適。由于傳動(dòng)裝置載荷均勻且變化較小，選擇聯(lián)軸器工況系數(shù)K=1.3。根據(jù)轉(zhuǎn)速要求n=2 900r/min，可選用YLD4型的凸緣聯(lián)軸器。

3 離合分控機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

離合分控機(jī)構(gòu)一端連接齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，另一端連接離心泵，是控制離心泵的工作和停止的核心機(jī)構(gòu)。離合分控機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。由撥桿、牙嵌式離合器和限位卡扣三部分組成。其中牙嵌式離合器是離合分控機(jī)構(gòu)的重要組成部分，通過手動(dòng)撥動(dòng)撥桿，實(shí)現(xiàn)牙嵌式離合器的接合與脫開，達(dá)到控制離心泵工作和停止的目的，而限位卡扣在撥動(dòng)撥桿使離心泵停止工作時(shí)可以鎖住撥桿位置，確保離合器處于脫開狀態(tài)防止自動(dòng)復(fù)位，保證離心泵停止工作；若要實(shí)現(xiàn)離合器接合，必須向另一側(cè)手動(dòng)撥動(dòng)撥桿才能復(fù)位，使得離合器的接合與分?jǐn)喔影踩煽?。采用兩套離合分控機(jī)構(gòu)可以單獨(dú)控制兩臺(tái)離心泵，實(shí)現(xiàn)另一離心泵的單獨(dú)工作或者同時(shí)工作。

圖3 離合控制機(jī)構(gòu)

3.1 牙嵌式離合器的設(shè)計(jì)

1）牙嵌式離合器基本參數(shù)：牙嵌式離合器用于齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與離心泵的接合與斷開。本次設(shè)計(jì)的牙嵌式離合器采用螺旋型牙齒，與牙嵌式離合器結(jié)合的泵軸軸徑d為25mm，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)求得牙嵌式離合器的牙齒外徑D=（1.53）d，根據(jù)外部尺寸要求，牙齒外徑確定為D=50mm。因此，離合器軸徑范圍為16.6mm～33.3m，綜合考慮接合齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中從動(dòng)軸軸徑和泵軸軸徑，取離合器的軸徑為25mm；牙齒內(nèi)徑D1=（0.7～0.75）D，D1的取值范圍為35mm～37.5mm。這里取牙齒內(nèi)徑為35mm。

2）牙齒平均直徑Dp：

將牙齒外徑D和D1代入計(jì)算后，Dp為42.5mm。

3）牙齒平均寬度b：

代入后計(jì)算得b為7.5mm，牙齒的高度h（0.6～1）b，因此h的取值范圍為4.5mm≤h≤7.5mm。

4）牙齒齒數(shù)z：

其中：n0為接合前，兩個(gè)半離合器的轉(zhuǎn)速差，這里取n0=200r/min；t為最大接合時(shí)間，一般t=（0.05～0.1）s。代入后計(jì)算z的取值為3≤z≤6，取牙齒齒數(shù)z為4。計(jì)算牙齒牙數(shù)則取z′=2。

5）抗擠壓性能校核：牙嵌式離合器的主要失效形式是結(jié)合面的擠壓磨損和牙齒的折斷。牙齒工作面的擠壓應(yīng)力計(jì)算公式為：

其中：KA為工作情況系數(shù)，在載荷平穩(wěn)時(shí)，在1.0～1.3之間，Tc為公稱轉(zhuǎn)矩。Dp牙齒平均直徑；Z′是計(jì)算牙齒齒數(shù)；A為接觸面面積，A=bh。

將上述參數(shù)代入后計(jì)算得σp≈32.48 MPa。由于本次設(shè)計(jì)的牙嵌式離合器要求較高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下接合，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得許用擠壓應(yīng)力[σp]≤35MPa～45MPa，所以取牙齒齒數(shù)Z為4時(shí)，符合強(qiáng)度校核要求。

3.2 撥桿的設(shè)計(jì)計(jì)算

撥桿是離合分控機(jī)構(gòu)的操縱部件，由手柄和U型撥叉兩部分組成。U型撥叉套在牙嵌式離合器的移動(dòng)半離合器的凹槽內(nèi)，手柄部分通過銷軸連接在外殼上，可以轉(zhuǎn)動(dòng)。撥動(dòng)手柄時(shí)，帶動(dòng)U型撥叉左右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)離合器的接合與分離。

撥桿在撥動(dòng)時(shí)，以銷軸為支點(diǎn)，受到手的推力F1、預(yù)緊彈簧的阻力F2和轉(zhuǎn)軸的支撐力F共三個(gè)力的作用，撥桿在極限位置的受力如圖4所示。

已知撥桿各部分長度：L1=42.05mm，L2=12.95mm，L3=43.60mm，撥桿撥動(dòng)的極限角度β=10.41。 。根據(jù)力矩平衡原理可知F1×(L1+L2)=F2×L3。若操作撥桿的推力為40N，則30N力用于克服下面預(yù)緊彈簧阻力，10N的力用于克服限位卡扣彈簧阻力。代入計(jì)算得預(yù)緊彈簧的阻力F2≈37.84N。由于預(yù)緊彈簧被壓縮的長度L4為10mm，可計(jì)算出預(yù)緊彈簧剛度k為3 784N·m。

圖4 撥桿受力圖

1）預(yù)緊彈簧的有效圈數(shù)n：在牙嵌離合器中，預(yù)緊彈簧選用圓柱螺旋壓縮彈簧，其有效圈數(shù)n計(jì)算公式為：

2）預(yù)緊彈簧的自由長度H0：預(yù)緊彈簧自由高度H0的計(jì)算公式為：

式中：有效圈數(shù)n=3，節(jié)距t=12.16mm。將已知條件代入求得H0=3×12.16=36.48mm。

3.3 限位卡扣的設(shè)計(jì)計(jì)算

操作撥桿移動(dòng)可以使牙嵌式離合器斷開，松開撥桿后，撥桿通過限位卡扣進(jìn)行限位，防止撥桿自動(dòng)復(fù)位。限位卡扣由外殼上的固定限位塊和隨撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)后進(jìn)行限位的活動(dòng)限位塊兩部分組成。限位卡扣的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡如圖5所示。固定限位塊與轉(zhuǎn)動(dòng)限位塊之間裝有扭轉(zhuǎn)彈簧，通過扭轉(zhuǎn)彈簧給撥桿施加一個(gè)相反的力，卡住撥桿不使其自動(dòng)復(fù)位，保持牙嵌式離合器處于脫開狀態(tài)。

圖5 限位彈簧卡扣轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡

限位卡扣擋住撥桿的受力情況如圖6所示，此時(shí)，由于手的推力F1為0，根據(jù)力矩平衡原理 F3×L2=F22×L3，代入后計(jì)算得F3=101.92N。

由于L42=8mm，限位卡扣的扭矩計(jì)算得T=F3×L42=101.92×8=815.36Nmm，根據(jù)限位卡扣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，扭轉(zhuǎn)彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)角度α=26°，扭簧系數(shù)K=31.36Nmm/deg。因此，選用開角為180°，扭簧系數(shù)K為31.36Nmm/deg的扭簧。

圖6 撥桿限位受力分析圖

4 結(jié)論

通過查閱文獻(xiàn)，對(duì)雙介質(zhì)泵送裝置的電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和離合分控機(jī)構(gòu)的牙嵌式離合器及撥桿進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和校核，為確定雙介質(zhì)泵送裝置外構(gòu)件的選型、零部件的強(qiáng)度校核提供了技術(shù)依據(jù)。雙介質(zhì)泵送裝置滿足了同時(shí)輸送兩種介質(zhì)的需求，因此，在食品加工、化工生產(chǎn)等領(lǐng)域能夠廣泛推廣應(yīng)用。