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基于Solidworks软件的IH离心泵零部件造型及运动仿真

发表日期:2020-01-13 11:31:40   编辑:时 硕

  摘 要

  IH系列化工离心泵吸收了国外优秀离心泵系列产品的优点,是采用了多项水力设计及工艺方法的发明专利和实用新型专利而研制开发的高新技术系列产品。它广泛用于空调、制冷、冰蓄冷、自来水厂、消防、环保、高层供水和城乡排水等领域,一般输送85摄氏度以下清水或物理化学性质类似清水的液体.本文使用SolidWorks软件对离心泵进行了三维结构设计,使用AutoCAD软件对离心泵进行了二维图纸设计,重点对泵体和泵盖、叶轮、悬架和轴进行了设计。最后利用SolidWorks软件进行了运动仿真。

  第一章 概述

  1.1 IH系列化工离心泵的概述

  离心泵:通过利用离心力输水的水泵。单级单吸:单级指的是有且仅有一个叶轮,单吸指的是有且仅有一个进水口。在离心泵系列中,单级单吸的离心泵无论是功率方面还是性能方面,都是最简单的一种离心泵,简称单级单吸离心泵(IH)。

  水泵是运送大多数液体或者使一些液体增压的一种机械,它将相应的机械能通过水泵传递给液体,使得这些液体增添能量,从而使得水泵可以运送水等一些液体,甚至可以运输液态金属等。

  利用水泵运输和提升水,很早就出现了。在我国古代,我国劳动人民就利用辘轳和水车运输水。1818年,美国人发明了马萨诸塞泵,主要有半开式双吸叶轮、径向直叶片和蜗壳组成,这种水泵与现代的离心泵极为相似。19世纪末,电动机成功发明并使用,这使得离心泵有了动力源,它才充分发挥其优越性。通过很多专家学者的研究与实践,离心泵不仅提高了效率和性能,而且其使用领域也在扩大,目前已经成为应用最广,同时产量也是最大的离心泵。

  1.1.1按工作叶轮数目来分类

  1)单级泵:即在泵轴上只有一个叶轮。

  2)多级泵.:主要以泵轴上叶轮的数量来确定,如果泵轴上叶轮有两个或两个以上就叫做多级泵,同时,这n个叶轮所产生的扬程之和称为泵的总扬程。

  1.1.2按工作压力来分类

  1)低压泵:压力低于100米水柱;

  2)中压泵:压力在100~650米水柱之间;

  3)高压泵:压力高于650米水柱。

  1.1.3按叶轮进水方式来分类

  1)单侧进水式泵:简称单吸泵,简单说就是在泵轴的叶轮上有且仅有一个进水口;

  2)双侧进水式泵:叶轮的两侧旁边分别各有一个进水口。由于有两个进水口,所以比单侧进水式泵的流量大一倍,相当于是两个单侧进水式泵的叶轮一比一个放在了一起。

  1.1.4按泵壳结合缝的形式来分类

  1)水平中开式泵:这种泵是指在通过泵体轴心线的水平面上,与结合缝水平。

  2)垂直结合面泵:这种泵是指泵体的结合面与泵体轴心线成90。角。

  1.1.5、按泵轴位置来分类

  1)卧式泵:泵轴位于水平位置。

  2)立式泵:泵轴位于垂直位置。

  1.1.6 按叶轮出来的水引向压出室的方式分类

  1)蜗壳泵:这种泵是指有一个螺旋线形状的泵壳,水经过叶轮直接进入泵壳。

  2)导叶泵:这是泵核心就是有导叶,水经过叶轮,再到泵体设置的导叶上,然后流入出口管。

  1.2 本课题的主要任务

  本课题在认识离心泵的主要功能和原理的基础上,按照离心泵的主要组成部分,对离心泵进行结构设计。本设计主要完成本设计的任务如下:

  (1)搜集相关离心泵资料,并且掌握离心泵的各种工作原理。

  (2)按照离心泵的主要构成部分,完成对离心泵结构的方案设计。

  (3)按照离心泵的各种装配图,对转配图实施深入透彻的分析。

  (4)完成非标件的提取、构思和表达,利用计算机辅助设计软件完成离心泵的三维设计和二维设计。

  第二章 装配体结构分析

  2.1 IH系列化工离心泵的主要零部件构成

  图2.1 IH系列化工离心泵零件图

  1泵体2前密封坏3叶轮螺母4叶轮5键6叶轮7后密封环8纸垫9螺栓10轴套11密封圈12挡套13机械密封

  14静环座15密封圈16螺栓17挡水圈18螺栓19悬架20轴21键22轴承盖23螺栓24螺栓25悬架支架26轴承 27外方堵管

  IH系列化工离心泵的构成主要由两个部分组成:第一个部分是旋转部件,此部件包含泵轴和叶轮;第二个部分是静止部件,此部件包含轴承、填料函和泵壳。

  2.2 IH系列化工离心泵的工作原理

  离心泵的主要原理是通过离心来组织设计,叶轮叶片通过高速旋转,带动水的传动,水因离心被甩出,以此可以实现液体运送。离心泵有很多种类.从使用范围上看,离心泵有民用用泵和工业用泵两种,从输送介质上看,离心泵可有耐腐蚀泵、杂质泵、清水泵等。

  第三章 装配图分析

  装配图是指机械或零部件的结构形状、装配关系及其工作原理和技术要求。专家在设计机械时,首先要勾勒出水泵的装配图,其次,依据装配图所提供的信息来制作水泵的零件图。在生产过程中,不仅要依据装配图提供的视图、尺寸、技术要求等把制成的零件装配成能实现某种功能的机器,而且还要按照装配图来调整、检验、安装或使用、维修机器。

  图3.1 IH系列化工离心泵装配图

  3.1视图分析

  装配图有27个零件组成 1泵体2前密封坏3叶轮螺母4叶轮5键6叶轮7后密封环8纸垫9螺栓10轴套11密封圈12挡套13机械密封 14静环座15密封圈16螺栓17挡水圈18螺栓19悬架20轴21键22轴承盖23螺栓24螺栓25悬架支架26轴承27外方堵管。

  在图3.1剖视图中,泵体中工作部件叶轮,轴,轴承等部件在共同的轴线水平放置,并且通过键固定,保证在工作过程中不会出故障。在图中很直观的表达了该系列离心泵的整体形状与工作过程。在外壳方面,底座通过螺纹连接将其固定。

  3.2尺寸分析

  通过CAD来绘制二维图纸时,零件图必须标注出零件的全部详细尺寸大小和结构,装配图需要把重要的装配尺寸需要全部标注出来,以便于装配。

  IH系列化工离心泵的装配图中有以下5类尺寸。

  (1)外形尺寸。是指总长*总宽*总高,这个尺寸代表水泵在包装、运输时所占用的空间。如图623.2*480*380。

  (2)装配尺寸。分为2种,即配合尺寸和相对位置尺寸。配合尺寸主要指的是两个相关零件间相对运动情况及配合情况。如泵体与叶轮的配合尺寸φ152H7/h7,叶轮与密封件的配合尺寸140H8/139.6h8等。

  (3)安装尺寸。零件和元件之间以及它们和机座之间有着固定的位置尺寸,安装时必须保证。这类的尺寸一方面可以在装置时通过调整实现,另一方面可以利用某个或某些零件的制造得到。

  (4)安装尺寸,重要尺寸。如此标注尺寸旨在实现零件和元件性能有相关影响的结构的尺寸与外形在设计是不变。

  (5)规格尺寸。

  3.3标题栏分析

  装置图表内相关的内容与备注等以实现标准化。并且与零件图标题栏完全一样,与零件图标题栏的不同是在填写的内容上,应填写机器或部件的名称、代号、比例及有关人员的签名。在这里对装配图和拆分零件图最重要的他们之间的比例。

  3.4零件序号和明细栏分析

  明细栏内有序目号、类别、材质、数量、说明等一系列内容。为了更好的阅览和生产,零件序目号与明细栏都应在装配图中。标题栏的中上方一般写着明细栏,按着先后次序有效填写。明细栏中该零件的序目号必须与装配图中零、部件的序目号一致。通过阅读磨齿机尾架的装配图零件序号和明细栏,可以帮助我们更为清楚的了解尾架的结构。从明细栏中我们可以得到非标件的名称、数量、材料等重要信息,也可以获得标准件的标准号、规格、数量的有用信息,方便汇总与采购。

  离心泵:通过利用离心力输水的水泵。单级单吸:单级是指一个叶轮,单吸是指只有一个进水口。在离心泵系列中还有双级双吸、双级单吸、单级双吸离心泵,至于叶轮和进水口的数量主要是通过考虑到离心泵的功率和性能参数来确定的,其中单级单吸离心泵是功率和性能最简单的一种。

  本次设计使用的是性能非常优越的Solidworks软件。本文利用Solidworks进行三维建模,使用CAD进行二维图的设计。

  第四章 IH系列化工离心泵的三维建模及二维设计

  4.1 IH系列化工离心泵泵体尺寸设计计算

  4.1.1 基本参数

  下表为此次叶轮涉使用的一些基本参数

  流量 Q 101.6m3/h

  转速 3000r/min

  扬程 16米

  特性曲线 性能优良 效率高、平稳、无超负荷

  效率 78%

  输送液体:水

  汽蚀余量 4.5m

  4.1.2 泵的进出口直径

  (1). 出口的大小对输送液体的所获得的能量有重要的影响,口子太大,输送的液体的压力就会偏小,从而不能到达预定的部位,口子太小,效率就不高,我们应该根据实际情况合理的给定泵进出口直径的大小。进口直径(Ds)计算公式如下所示:

  这中间下标s是代表吸入,通常表示为:Vs=2.3m/s,得Ds=125mm,出口直径表示为(Dd):

  ,本次设计中mm

  4.1.3 确定泵的进出口速度

  (1)、进出口速度主要取决于离心泵内叶轮的转速和进出口直径的大小值,其计算公式如下所示:

  2.3m/s

  出口速度:3.6m/s

  4.2泵壳(泵体与泵盖)的设计

  叶轮一般是利用泵体安装的,泵体可以为叶轮制造一个相对封闭的环境,在这个环境中,叶轮可以完成液体的压出与吸入等工作。因为泵体形似蜗牛的壳,也被称为蜗壳。泵壳是一个对能量进行一定转换的装配,对于叶轮甩出液体的速度可以进行有效控制。在结构方面,泵体的流道横截面不是一定的,是慢慢扩大的,这样叶轮周边甩出的液体流速就会变缓,从而完成了从动能到静压能的转换。

  图4.1 泵体CAD图

  图4.2 泵盖CAD图

  图4.3 泵体3D图

  泵体是离心泵中的主要零部件,大部分的泵体都是径向式的。是承载离心泵液体压力的一个重要装置。

  图4.4 泵体3D图 图4.5 泵体3D图

  图4.6 泵体剖面图

  泵盖,是为了更好的保证密封效果。

  图4.7 泵盖3D图 图4.8 泵盖3D图

  图4.9 泵盖3D图 图4.10 泵盖3D图

  4.3叶轮的设计

  离心泵的关键部件是叶轮,一方面叶轮出力大,另一方面叶轮的转速相对较高;叶片是叶轮的核心装置,叶轮在安装之前需要进行静平衡的有关测试。为了降低水流产生的磨损,叶轮的内表面与外表面要保证光滑度。在赋予液体原动机的机械能,增加液体的静压能等方面叶轮有突出作用。

  泵的流部件的关键装置是叶轮室,泵利用叶轮与液体的作用,促进能量的增加。依照液体流出方向的不同,可以将叶轮分为以下三类:

  (1)径流式叶轮(离心式叶轮)液体是沿着与轴线垂直的方向流出叶轮。

  (2)斜流式叶轮(混流式叶轮)液体是沿着轴线倾斜的方向流出叶轮。

  (3)轴流式叶轮液体流动的方向与轴线平行的。

  叶轮按吸入的方式分为二类:

  (1)单吸叶轮(即叶轮只从一侧吸入液体)。

  (2)双吸叶轮(即叶轮从两侧对称的吸入液体)。

  叶轮按盖板形式分为三类:

  (1)封闭式叶轮。

  (2)敞开式叶轮。

  (3)半开式叶轮。

  相较而言,封闭式叶轮的使用范围更为宽泛,上面涉及到的双吸叶轮与单吸叶轮都是这种形式的。

  图4.11 叶轮CAD图

  叶轮会对泵内部的液体进行做功,致使其得到能量,我们对一个离心泵的好坏的评价,首要关注的就是叶轮的性能。叶轮的类型很多,功效也存在差异,相同的泵换上不同的叶轮其性能与表示形式相差甚远。封闭式的叶轮一般用在一些对于功效的要求非常高的大场合;与此相反,开式叶轮多用于对各项性能要求不是很高的场合。

  图4.12 叶轮3D图 图4.13 叶轮3D图

  图4.14 叶轮3D图

  4.4悬架的设计

  泵的转子区域是由悬架轴承装置支撑,轴向力与径向力是通过滚动轴实现的。

  图4.15 悬架CAD图

  图4.16 悬架3D主视图 图4.17 悬架3D剖面图

  图4.18 悬架3D图 图4.19 悬架3D图

  4.5 泵轴的设计

  对于离心泵而言,泵轴有着支持与定位的功能,它通过限定自由度以起到支撑叶轮即相关部件回转的作用。泵轴是支持叶轮在指定环境高速做功并传达驱动功率的部件,因此泵轴也是传达机械能的重要装置。泵轴不停的做旋转运动同时弯矩与转矩会对泵轴产生一定的磨损,这就对泵轴的几何精确度与工作强度做出一定的要求,将不利因素降到最低,从而降低磨损与安全事故发生率。

  图4.20 泵轴CAD图

  泵轴分五部分,主要功能是用于各个部件配合和安装。

  图4.21 轴

  4.6机械密封的设计

  离心泵内部的推力轴承可以分为滑动轴承与滚动轴承这两大类。机械密封是依靠流体压力和磁力作用来实现密封效果的,而流体压力和磁力作用又要依靠一对或者多对垂直与轴通过滑动做功。

  离心泵内部会出现液体泄漏的情况,严重情况下会渗透到外部,为了防止这一现象的发生,离心泵内部设有封环这一密封装置,封环是经常要接受摩擦的部件,因此要用耐磨的材料来制作。

  图4.22 机械密封CAD图

  4.7 总体概述

  IH离心泵主要构件有泵体、泵盖、叶轮、轴等主构件,也包含轴套、叶轮螺母、密封环、悬架部件、中间支架等辅助构件。其中,泵体是通过泵轴向吸入,从泵轴径向排出,泵脚支承式,通常可以直接安装在底座上。悬架部件在中间支架上固定止口,并在底座上通过悬架支架来支撑。同时加装长联轴器,在出现问题时,拆下联轴器的联接件,即可检修,使维修工作十分方便。

  要想实现IH化工泵轴向力平衡,必须靠设置叶轮前盖板的密封环和叶轮后盖板的背部叶片,来实现转动轴所要承受泵的径向力和轴向力。为了防止空气进入,封轴的时候最常用的是采用不平衡内装式的机械密封,但是在有的情况下,也可以采取外装式来进行机械密封等。在对密封效果要求特别严格的时候,我们还需要附加密封装置,例如旋风分离器等。IH型单级单吸离心泵的转动,主要是加长了联轴器和电动机之间的相连。从联轴器方向看,泵为逆时针方向转动。因为IH泵是离心泵的一种,所以叶轮和中间的一些支架都是采用防腐蚀的材料。

  第五章 产品装配和运动仿真

  5.1 产品装配

  图5.1 装配图3D图

  图5.1是离心泵的三维结构装配图,离心泵的各个零件按照一定的装配顺序装配起来,组成图5.1所示的结构。

  5.2 运动仿真

  图5.2 运动仿真动画界面截图

  图5.2为运动仿真界面,点击运动算例,进入仿真模块,将时间线拖到6s的位置,如图28所示。选中角度配合的第1个关键帧,将其复制到第2、3、4关键帧处,如图所示。双击每一个关键帧,对其约束角度进行设置,输入所需的角度值即可,完成后直接点击计算。计算完成后,点击播放按钮即可观察到教程一开始的运动仿真示意图。图5.3为运动仿真界面设置。

  图5.3 运动仿真动画设置

  第六章 设计总结

  在整个的设计过程当中,为了更好地完成设计,要理论结合实际,在设计之前必须要进行严格的计算,这样避免浪费不必要的时间。同时在装置过程中对于离心泵的气蚀现象以及安装高度要进行重点关注,还需要考虑产品所需要的材料。长期以来,化工设备最怕的就是被腐蚀,如不注重腐蚀,毁坏设备是小,造成事故以及引发灾难是大。据数据表明,由腐蚀引起的现象高达化工设备破坏的60%,所以,化工离心泵在选择是首要考虑的是材质问题。现在好多人都认为不锈钢的材质是最好的,这给人造成一种误区,我们为了实现整个水泵系统能够平稳有序的运行,必须建立在仔细认真的计算上。

  在我的坚持下,毕业设计从无到有,从有到精。一直到设计基本完成,我有许多感想。毕业设计是大学里面第一次比较独立和系统的运用我们学到的知识。通过做毕业设计,我才理解了许多上课时学到的知识,比如螺栓的画法,CAD软件的使用。首先,我要感谢我的指导老师,他给了我很多的指导和帮助,使我学到了很多知识。同时感谢身边同学对我的帮助和支援,在我遇到难题的时候,身边的同学都认真的帮我解答。通过完成毕业设计,我深深的感觉到自己知识的薄弱环节。以前学的知识,由于用的少,都忘记了,通过做毕业设计又想起了。以后要多学多用。

  经过毕业设计,我可以熟练的使用SolidWorks软件进行三维结构的设计,可以使用二维绘图软件AutoCAD进行机械加工图的绘制。同时,我也熟练的使用了word软件。在整个毕业设计中,我觉得收获最大的是解决问题和分析问题的能力。以后,遇到问题,我会独立的思考,先分析问题,再根据问题进行解决,这个很重要,在工作和生活中,都很重要。

  在做毕设设计的过程中,我发现自己缺乏经验,只有一点理论知识,理论与实际差的比较远,导致设计起来问题很多。这次的毕业设计对我的收获颇多,在整个设计过程中,我们可以将学过的相关知识都用到,提高了自己的应用能力。

  最后,向在此次毕业设计过程提供指导和帮助的屈名老师以及其他相关人员表示崇高的敬意,谢谢你们!

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