双活塞液压浆体泵液力缸设计.docx
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双活塞液压浆体泵液力缸设计
摘要……………………………………………………………………1
外文摘要………………………………………………………………2
引言……………………………………………………………………3
1概论…………………………………………………………………5
1.1设计目的……………………………………………………5
1.2国内外浆体运输发展概……………………………………5
1.3浆体管道的输送特点………………………………………6
2设计意义及原理……………………………………………………8
3计算及机构设计……………………………………………………10
3.1初选液压缸的工作压力……………………………………10
3.2液力缸和液压缸的结构设计………………………………16
3.3其他零件机构设计…………………………………………18
结论…………………………………………………………………28
致谢…………………………………………………………………30
参考文献……………………………………………………………31
摘要
随着我国国民经济的发展的需要，近几十年来兴起的一种利用管道运输浆体的新型运输方式。
随着浆体管道输送技术的发展，作为执行元件的液力缸不断顺应时代潮流的发展，不论在性能还是在结构上都有了进一步的提高。
而在浆体管道输送中的核心元件是浆体泵。
液封式浆体泵以扬程高，输送量大，输出力大，功率和效率都较高等特点成为应用最广泛的泵种之一。
i
我设计的是浆体泵的核心部位-双活塞液力缸，它的优势在于用高压水来液封，可大大降低浆体的泄露，而且双活塞的使用可以确保高压水的容积不变，这样就能减少水对缸的摩擦，从而提高使用寿命。
在本次设计中把三个液力缸结合起来使用，完成连续的往复特殊运动，其优点在于实现工业生产的连续性即无死点的产生，提高了生产效率。
双活塞式液力缸的典型结构是由缸体组件、活塞组件及密封装置所组成，它们的结构和性能直接影响液力缸的工作质量和制造成本。
它的优点在于：
结构简单、制造精度低,具有特殊的密封装置，密封装置设计合理，不仅结构简单，方便制造而且制造成本低。
同时、自动化控制性能特别高。
关键词：
高压水液力缸双活塞浆体泵液封
Abstract
Withthedevelopmentofeconomic,slurrybypipeisanewtypeinrecentyears.Withthedevelopmentofthetechnicaloftrafficslurrybypipe,thepartofexecutivecomponentandthepartoffunctionunitchangevariety.Ithasimprovedmuchindesignfeature.Thecarepartoftheslurrypipe-linetransmissionisslurrypumpcylinder.Theliquidsealpumpbecomesonekindofthemostpopularpumpforitshigherlifts,largertransmission,biggerfore,powerandefficiency.
Idesignthedoublepistonhydrauliccylinder-thecorepartoftheslurrypump.Ithastheadvantagethatituseshighpressurewatertoliquidseal,whichcanslashtheleakalot.Andtheuseofdoublepistoncanensurethatthewater’svolumedoesnotchange,whichcandecreasethewatertocylinderfriction.Consequently,thelifespanofthecylinderbecomeslonger.Inthisdesign,Iunitthreecylinderfightertocompletethespecialmovementconsistentlyandreciprocating.Thiscanavoidthedeadcenterintheindustry,thantheefficiencyincreased,andthisistheadvantagedoublepistonhydrauliccylinderconsistsofcylindermodule、positionmoduleandsealeddeviceclassically,It’sconstructionandfunctioneffectthequalityofworkandthecostdirectly.It’sadvantagesiseasyconstruction、lowmanufactureaccuracyandhavingspecialsealed.Providedthatthesealeddevicereasonabledesigned、theconstructionwillbeeasymanufacturingbecomeconvenienceandit’scostbecomeslow.Meanwhilethefunctionsofautomationcontrolbecomehigher.
Keywords:
HighpressurewaterHydrauliccylinderDoublepistonSlurrypumpLiquidseal
引言
我的毕业设计课题是双活塞浆体泵液力缸设计，在设计中我用到了机构学、机械设计学、液压等课程的知识点，不仅加深了对所学知识的理解，还学会了融会贯通。
可以说毕业设计就是对我的大学学习的成果的一个总结和检验，更为我走上工作岗位做了提前的磨练。
我设计的是一种水封双活塞泵，它取消了传统的用来隔离驱动液和浆体的隔离物（如隔膜、浮球等），这就解决了因隔离物异常或损坏而出现的混浆，跑油，运行性差等难题，而且水的容积是不变的，这样既节省了空间，也避免了摩擦、压力带来的不利因素，提高了浆体泵的工作可靠性和使用寿命，因此才广泛应用于浆体的输送。
本次设计的水封双活塞泵正符合尾矿浆体输送的特点，与实际工作应用相结合，因此是一个非常好的课题，也很具有开发价值。
刚开始设计的时候，在郭老师的指导下，我到辽宁省图书馆查阅了一些资料。
初步了解了我将要从事的是什么样的设计，以及每一步是通过什么设备实现的。
后来又参观了制博会，在现场郭老师耐心地给我们讲解目前市场上液压设备的现状、新型设备的研发以及新技术的使用，让我体会到了我这个课题是很有发展前景的，并渐渐地对这个课题产生了兴趣。
经过一个月的准备，我开始了真正的设计。
根据实际要求进行计算，边计算边绘图，并且不断的发现问题并在郭老师和孙老师的指导下解决问题，不断的反复试验。
虽然这个过程很艰苦，但我学到了很多书本上没有的东西，使我受益非浅。
在设计中进一步锻炼了自己的综合分析和解决问题的能力，使我加深了对本专业的了解，懂得了将理论知识融于实践的方法，增强了实际设计的经验和能力，并且亲自运用所学的知识掌握了一些书上无法学到的实际经验，为将来步入社会打下了一个良好的基础。
1.概述
1.1设计目的
随着生产力的发展,要求交通运输也要获得相应的发展,工业、农业的现代化，带动和促进了交通运输的现代化，运输方式也越来越多样化。
在传统的铁路、公路、水运和空运等运输方式之后，近几十年又出现和发展了管道运输方式，这五种运输方式以其各自的不同特点共同承担着国民经济的运输任务，构成了当代综合运输体系，其中的浆体管道运输是以液体（通常是水）作为载体通过管道输送颗粒状物料。
由于这种运输方式不受地形条件的限制，可大限度的缩短运送距离，可实现连续运输，可以极大地减少工程量和辅助设施等优点，因而投资少，运营费用低，建设速度快，占地少或不占地，不影响环境，运行安全可靠，而且经济效益显著，充分显现了与其它运输方式的竞争能力，从而引起了各国的重视，管道运输方式已经由近距离、低浓度向着远距离、高浓度发展。
1.2国内外浆体运输发展概况
将固体颗粒与水混合成的流体称为两相流体，工程和实践中称为浆体。
例如金属矿粉，煤，化工磷盐，建材部门石灰石，水泥生料，城市垃圾和工业废料等与水混合为浆体，利用管道输送浆体就称为浆体管道输送。
目前输送固体物料的品种达25种之多，年输送量、输送管径和输送距离都而很大的发展。
例如，巴西的萨马科铁精矿输送管道，管道长397km，管径508mm，年输送量1200万吨，还有美国的黑迈萨煤矿输送管道，全长439公里，年输送量为450万吨。
长度在200-300公里的输送管路还有90多余条长距离管道，年总输送量约为1.32亿吨，按一节车皮装载60吨，大约需二百二十万车皮，以每列火车站20节计算，共需十一万列，以每2分钟通过一列火车，需要4.42年运完。
此外，国外研究的海底锰结核的开采和提升以及密封容器的管道输送技术，对浆体管道输送技术又有了进一步的发展。
我国从建国到70年代建成投产的浆体管道多为选矿厂的为尾矿输送管道和火力发电厂的灰渣输送管道，输送距离较短，浓度较低，进入80年代开始重视提高输送浓度，并着手研究扩大输送物料的范围，开发实施煤炭、铁精矿和磷精矿的长距离浆体管道输送技术，这一时期，我国的管道运输才得到较大的发展。
目前在规划中的管路运输有山东维坊，长度600公里，输送的是煤；长江输煤管线，长838公里；长城输煤管线995公里；潞安，晋城至佼征南通，全程式1152公里；还有其他高浓度、大管径、远距离的管道输送工程正在规划筹建中。
１.３浆体管道的输送特点
1.3.1浆体管道输送的优点：
（1）能耗小，运营费用低，运输成本低。
（2）基建投资少，建设周期短，建设速度快。
（3）受地形条件的限制少，易于克服天然障碍，运输路线较直，较短。
（4）可以实现连续运输，无铁路公路运输方式的车厢空载回程和寒冷地区物料在车厢中的冻结问题。
（5）安全可靠，作业率高，几乎可不停顿的进行全年输送，几乎没有物料损耗。
（6）由于长距离浆体管道绝大部分都埋设在冰冻层以下，因此不占地或者占地少，而且受气候的变化的影响小，不污染环境，不破坏生态平衡。
（7）坑内采掘提升煤，矿石兼地下水，最经济。
（8）可极大的减少建设工程量，减少管理人员和辅助生产设施。
（9）易于实现自动控制，便于维护管理。
1.3.２
当然，没有任何东西是完美的浆体管道输送方式也不例外，它也有其应用上的局限性或者缺点：
（1）输送物料比较单一，只能输送一种与水混合不回产生物理性质和化学性质变化的颗粒状物料，其他运输方式则没有这种限制，可以输送任何物料。
（2）只能定向定点定量输送，不像其他运输方式那样可以向任何多点不定量输送。
（3）浆体管道输送方式物料的颗粒、比重或浓度等变化的敏感性强或应变能力低，对他们的变化范围要求有严格的控制，运其他运输方式则不存在这种敏感性。
（4）耗水量较大，缺水地区采用浆体管道输送时，须花费较多投资开采水源或采取循环供水措施，并增加电耗，这就在一定程度上降低了浆体管道输送方式的优越性。
（5）浆体管道输送方式仅仅对有关企业，会带来可观的经济效益，不会产生综合的社会效益，而铁路或公路运输方式可以带动和促进地方工业和农业的发展，推动国民经济的发展。
2.设计意义及原理
2.1设计的意义
由于我国地矿丰富且随着国民经济的发展，对有色金属等的需求量越来越大，又因为我国现阶段的交通运力存在严重不足，而且冶金企业所处的地点往往交通不便，更增加了运输的困难，因此大力发展矿浆的管道输送有很重大的现实意义。
本次设计的水封活塞泵正符合尾矿浆体输送的特点，因为液压缸具有结构简单、制造精度低；具有可靠性和有助于环保；具有特殊的密封装置，密封装置设计的合理性，不仅结构简单，方便制造而且制造成本低。
同时，自动化控制性能特别高。
在实际工程中切实可行。
在设计过程中大多采用国家标准的零件，装配和安装方法容易符合实际，因此该设计是一种可行性好的方案。
2.2工作原理
我设计的主要是浆体管道输送的液力缸设计部分。
本方案采用三个液压缸同时工作，较以前采用两个液压缸更能保证浆体输出的连续性，即不容易产生死点，用水密封浆体避免了油和浆体的接触，同时可以减少液压缸的磨损，经济实惠，而且水的容积是不变的，这样就节省了空间，也避免了摩擦、压力带来的不利因素，提高了浆体泵的工作可靠性和使用寿命。
所以我选择此作为本课题完成的技术手段。
液封的水从活塞杆内的水管注入到缸内，用双连泵作为动力源，经过换向阀按一定的规律分配给三个液力缸实现吸浆和排浆的连续进行，用泵给系统补充液压油，完成工作循环，通过不断的更换缸体的供油方式，保证缸体的吸浆和排浆连续不断的进行。
下面简单的介绍一下它的工作循环过程：
如图4.1，假设初始状态为1，循环过程为：
状态1，A缸在顶部向下排浆，同时单向阀1开启，2关闭；B缸在中部向下排浆，同时单向阀3开启，4关闭；C缸在底部向上吸浆，同时单向阀6开启，5关闭；状态2，A缸在中部向下排浆，同时单向阀1开启，2关闭；B缸在底部向上吸浆，同时单向阀4开启，5关闭；C缸在顶部向下排浆，同时单向阀5开启，6关闭；状态3，A缸在底部向上吸浆，同时单向阀2开启，4关闭；B缸在顶部向下排浆，同时单向阀3开启，4关闭;C缸在中部向上吸浆，同时单向阀5开启，6关闭，以此方式往复循环。
123456
图4.1
3.计算及结构设计
3.1液力缸设计计算
已知：
浆体压力2.0Mpa，浆体流量20m3/h，单缸浆体流量10m3/h
初选取置换4
3.1.1初步拟订系统原理图
3.1.2初选液压缸的负载
工作压力Py=C×Pj=4×20=８Mpa
流量Qy=Qj/C=（10×1000/60）/4=４１７/min
由《液压元件手册》P130表2-3-2，查得按工作压力选取负载F=100000N
3.1.3确定液压缸的主要结构尺寸
3.1.3.1缸筒内径的计算
根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算液压缸内径D：
D=
=126.19mm
D——液压缸内径mm
F——液压缸推力N
P——选定的工作压力MPa
圆整取值D=160mm
缸筒材料选取Q235
3.1.3.2活塞杆直径的d的计算
根据强度要求来计算活塞杆直径d，活塞杆是空心的，在稳定状态下，仅承受轴向载荷，活塞杆直径按照简单拉、压强计算。
活塞杆材料选用1Cr18Ni9Ti
d-d1≥
d1-------水管直径mm
F------负载N
-----活塞杆材料的许用应力Pa
d≥14+
1000=49.69mm
选取活塞杆直径d=70
3.1.3.3液压缸行程S的确定
考虑到在满足负载的情况下，当行程过长时，活塞杆就会很长。
但是活塞杆是空心的，加工的时候就会很困难，所以在S=4D~6D即640mm~960mm的范围内按照标准取S=640mm
3.1.3.4缸筒壁厚的计算
按照书《中国设计大典》查表得
S160=17mm，S320=28.5mm
验算壁厚
Pn≤0.35
σp=
式中
-------液压缸的外径m
-------液压缸的内径m
σp------缸体材料的许用拉应力MPa
σs------缸筒材料屈服点MPa
n------安全系数,一般取n=1.5~2.5，设计选择n
Pn≤0.35
≤22.38MPa
因为Pn=8MPa≤22.38MPa故满足强度要求
一些常用的缸体材料的许用拉应力σp参考如下：
锻钢σp=（100-----120）MPa
铸钢σp=（100-----110）MPa
无缝钢管σp=（100-----110）MPa
灰铸铁σp=25MPa
高强度铸铁σp=60MPa
3.1.3.5液压缸的输出速度
V=Qy/A1
V——输出速度m/s
Qy——进入或流出液压缸的流量m3/s
A1——活塞作用面积m2
A1=π/4×[D2-d2]
=π/4×{（0.16）2-（0.07）2}=0.0162495mm
Qy=41.7L/min=41.7×10-3/60m/s
V=41.7×10-3/（60×0.0162495）=2.6m/min
3.1.3.6液压缸的作用时间
t=V/Qy=A×S/Qy
t——液压缸的作用时间s
V——液压缸的容积m3
A——液压缸的作用面积m2
S——液压缸行程m
Qy——进入或流出液压缸流量m3/s
t=0.0162495×0.8×60/（41.7×10-3）=18.7s
3.1.3.7液压缸的输出力
单杠活塞式液压缸的推力F1=Py×A×103KN
F1——液压缸的推力KN
P1——工作压力MPa
A1——活塞作用面积m3
F1=8×0.0162495=0.13KN
3.1.3.8液压缸的输出功率
N=P×Q
Py——工作压力MPa
Qy——进入或流出液压缸的流量m3/S
N=8×41.7/60=5.56KW
3.1.3.9液压缸油口及水口直径的计算
管子内径d’按流速选取
d≥1.13
Qy——液体流速m3/S
V——流速m/S
对于吸油管V≤1~2m/s（一般取1m/s以下），对于压油管V≤3~6m/s,对于回油管V≤1.5~2.5m/s选取流速6m/s
d≥1.13×
=0.0123m=12.3mm
根据《机械零件设计手册》下册P575，按照焊接式端直通管接头选取管子直径14mm,管接头的标准是M18×1.5,如图3.1：
图3.1
高度依次为22mm,18mm,16mm,14mm
水管根据压力选取直径为14mm
3.1.3.10缸底厚度计算
一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度t按强度要求可用下面两式进行近似计算：
t≥
公式中
t——缸盖有效厚度m
D2——缸盖止口内径m
d0——缸盖孔直径m
[σ]——缸底材料许用应力MPa
t≥
t≥24.78mm
3.1.3.11活塞
活塞材料一般无导向环用高强度铸铁HT200-300或球墨铸铁,有导向环用碳素钢20或35号及45号,我设计的活塞没有导向环，固所选材料是HT200。
活塞厚度一般为活塞外径的0.6~1.0倍,即（0.6~1.0）D
设计取B=0.8D=0.8×160=128
3.1.3.12法兰设计，见图3.2：
图3.2
PA1=FF’=
=
=
≤
其中F----总承受力
F’---单个螺栓承受力
n-----螺栓个数
Ns----安全系数
---法兰材料许用应力
----屈服极限
取n=12，查得Ns=5MPa，
=235MPa
求得d=18.17mm,根据《阀门设计手册》P368扳手空间取d=20mm，见图5.3：
图5.3
其中
-------法兰外圆半径
=197
-------孔径
=197mmb=24
=20
算得h=41.36mm,取h=42mm
14.半环设计，见图5.4：
图5.4
D=80mm,d=40mm,h=20mm
3.2液力缸和液压缸的结构设计
3.2.1液力缸的基本参数：
液力缸的公称压力P=2.0MPa；
Q=10m3/h；
3.2.2液力缸的类型及安装方式
3.2.2.1本设计采用的是双活塞液力缸，见图3.5：
图3.5
3.2.2.2液力缸的安装方式为焊接，即将法兰焊到缸体上。
详情见图5.6
图3.6
法兰型液力缸前端盖与后端盖均采用法兰连接,法兰型液力缸缸筒内径D通常大于100mm,外形尺寸大,额定压力高,能承受较大的冲击负载和恶劣的外界环境条件属于重型液力缸.
前端盖与后端盖各有各的作用，前端盖将液压缸的活塞杆内腔封闭并起着为活塞杆导向、密封和防尘的作用；后端盖将缸筒底腔封闭并常常起着将液力缸与其它机件连接的作用.
3.2.2.3液压缸的基本参数
液压缸的公称压力P=8.0MPa；
Q=10/4=2.5m3/h；
3.2.2.4液压缸的类型及安装方式
本设计采用的是单活塞液压缸，见图3.7：
图3.7
3.3其他的零件结构设计
3.3.1活塞杆
3.3.1.1活塞杆的结构
本设计所采用的是空心杆，空心管内通高压水，活塞杆的外端是液压缸用来与负载连接的部位，根据液压缸的安装方式，有多种结构形式，本设计采用光杆的结构形式见图5.8：
图3.8
活塞杆的内端是用来与活塞连接的部位，活塞和活塞杆采用的连接方式见下图3.9，所有的连接形式都有琐紧措施，以防松动。
图3.9
3.3.1.2活塞杆密封
活塞杆密封结构部分在液压缸的前端盖见下图5.10：
图3.10
活塞杆的密封多采用O型密封圈和Yx密封圈，这些密封圈形式由于与密封件之间是干摩擦摩擦阻力大，磨损阻力大磨损快。
故采用之。
3.3.1.3技术要求
a:
活塞杆工作表面的直线度误差在500m长度上不大于0.03mm。
b:
活塞杆两端跳动不大于0.01mm。
c:
端面的垂直度误差在直径100mm上不大于0.04mm。
3.3.1.4总长及加工方式
活塞总长为1962m,加工比较麻烦，无法采用深孔钻，因为孔比较小，所以采用在钻头上焊长杆，钻满就退出，排完下去屑再钻，如此往复钻下去，而且采用两头钻的方法，这样就能加工完成。
3.3.1.5活塞干材料
实心活塞杆的材料一般为35、45号钢，而空心活塞杆一般为35、45号钢的无逢钢管，所以我选用的材料是1Cr18Ni9Ti
3.3.2活塞
3.3.2.1活塞的结构
活塞的结构主要考虑与缸筒内壁的滑动和密封，以及与活塞杆之间的连接和密封。
活塞的结构形式取决于密封件的形式。
而密封件的形式则根据压力、速度和温度等工作条件而定。
见下图5.10所示：
活塞与缸筒的密封采用Yx密封，活塞与活塞杆之间为间隙密封、配合之间的密封为固定密封。
采用O型密封圈，密封糟开在活塞杆上。
图3.10
3.3.2.2活塞的材料
本设计无导向环，故采用高强度铸铁HT200。
3.3.2.3技术要求
a：
外径D对d的跳动不大于D公差之半。
b：
活塞两端面T对活塞轴线的垂直度误差在直径100mm上不大于0.04mm，外径D的圆度误差圆柱度误差不大于活塞外径公差之半。
3.3.3缸体与缸盖
3.3.3.1缸体的材料
缸筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，能长期承受最高工作压力及短期的动态试验压力而不致产生永久变形，有足够的刚度能承受活塞测向力和安装的反作用力而不至于长生弯曲，需要焊接的缸筒，还要求有良好的焊接性能。
液压缸缸体常用的材料为20、35、45号缸的无缝钢管。
20号钢用的较少，缸筒与缸底管接头、耳轴等焊接在一起的缸体用35号钢
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