機器人筑砌磚墻專用泥漿泵設(shè)計-單作用泵【三維PROE】【含CAD高清圖紙和文檔】【W(wǎng)G系列】

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Self *, Bale V. Reddy, Marc A. RosenFaculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology, 2000 Simcoe Street North, Oshawa, Ontario, Canada L1H 7K4摘要 在很多地區(qū)供熱在生活中是必不可少的，且不斷增長的能源需求和污染物的排放使傳統(tǒng)的加熱技術(shù)受到挑戰(zhàn)，包括地?zé)?。對地源熱泵系統(tǒng)的評估包括熱泵技術(shù)、接地情況、當(dāng)今世界上的地位和近期的發(fā)展。對地源熱泵和傳統(tǒng)加熱方式在成本、二氧化碳排放及其它參數(shù)方面進(jìn)行比較。當(dāng)電價較低的時候用地源熱泵是經(jīng)濟(jì)實惠的。當(dāng)電力生產(chǎn)利用能源率較高時選擇地源熱泵機組有著最低的污染排放量。關(guān)鍵詞 熱力 地?zé)崮?熱泵 蓄能 效率 經(jīng)濟(jì)1 引言全球的大部分能源供應(yīng)被用來發(fā)電和對特定空間的供熱，這些能源多數(shù)來自化石燃料?；剂系目偭坑邢薅宜娜紵龑Νh(huán)境是有害的：排放導(dǎo)致氣候變化的溫室氣體和其它污染物。我們對能源的需求正在不斷增長而且完全可以預(yù)見到未來化石燃料的短缺1。Hammond2認(rèn)為伴隨化石燃料的燃燒產(chǎn)生的全球變暖和污染物排放對于構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)是一個不容忽視的因素。這種擔(dān)心對于降低整個社會對化石燃料的依賴有著積極的影響，它使人們有意識的降低對能源的需求并且努力尋找替代能源。尋找對環(huán)境更加友好且經(jīng)濟(jì)的能源來替代傳統(tǒng)化石燃料燃燒。除化石燃料以外，地球表面下儲存著豐富的熱能。由于污染物的排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的化石燃料燃燒能源系統(tǒng)，所以說地?zé)崮茉聪到y(tǒng)是非常環(huán)保的3,4。地?zé)崮茉吹睦弥饕ㄟ^三種方法：發(fā)電、直接供熱、通過地源熱泵間接的供熱或制冷。這三種利用方法分別用到了地?zé)岬母?、中、低三個不同溫度的資源。高溫和中溫的能源通常來源于由熔化的地殼產(chǎn)生的熱流體，從大面積的水或者熔漿中聚集。低溫能源接近周圍的環(huán)境溫度而且大多源于地表和周圍空氣對太陽能的吸收。高、中溫?zé)崃δ茉匆话愣荚诘厍蛏钐?，而由于鉆孔和其它開發(fā)方法在極深地方的費用會變得很高，所以深度對開發(fā)高、中溫?zé)崃δ茉吹慕?jīng)濟(jì)性有很大的影響。低溫地?zé)豳Y源豐富而且在全世界大多數(shù)地區(qū)都可以開發(fā)和利用。由于深度較小涉及問題少，提取這種能源相當(dāng)?shù)暮唵?。熱泵提高低溫?zé)嵩吹臏囟仁怪_(dá)到實際應(yīng)用的需求。地源熱泵可以使空間加熱變得環(huán)保和經(jīng)濟(jì)，并且可以應(yīng)用于一定空間的制冷。本文審視地源熱泵系統(tǒng)并且把它和其它的熱力系統(tǒng)進(jìn)行比較，以提高對地源熱泵的認(rèn)識并且提高它在合適情況下的利用率。2 地源熱泵地源熱泵能夠經(jīng)濟(jì)高效的提供熱量，并且排放的污染物很少6。熱泵的概念自1800年被人所認(rèn)可，至今已經(jīng)商用約六十余年。類似于冰箱，熱泵將較低溫度熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到溫度較高的介質(zhì)中7。熱泵提供的熱量是可利用的，通常應(yīng)用于適宜的溫度環(huán)境下來保持一定空間的舒適性。熱泵最有吸引力的一個特點是，熱泵所傳輸?shù)臒崃繒嘤谶\行過程本身所需求的能量4,8。地源熱泵（GHPs），也被稱作土壤源熱泵、地?zé)崮芰肯到y(tǒng)、地下耦合熱泵、地面耦合熱泵9,10，是由三個主要系統(tǒng)：l 地源熱泵：使熱量在地面和建筑間轉(zhuǎn)移并改變熱量的溫度11。l 接地系統(tǒng)：通過換熱器促進(jìn)熱量從地面的吸收，供給地源熱泵11。l 室內(nèi)供熱系統(tǒng)：調(diào)整和輸送適度的熱量到特定空間11,12。2.1 熱泵系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)以電為動力驅(qū)動壓縮機，來保持工質(zhì)必要的濃度同時傳遞熱能4,8?；镜臒岜孟到y(tǒng)用于運行蒸汽壓縮制冷循環(huán)。熱泵內(nèi)的工質(zhì)通常是使用制冷劑，制冷劑的選擇由地源熱泵的整體特點和要求所決定6,13。地源熱泵系統(tǒng)通過控制工質(zhì)的壓縮和膨脹來改變其壓力和溫度，從而實現(xiàn)熱量在地源和供熱空間之間的傳遞4,8,11。熱泵主要包括五個組件(圖1) 10,11,14：壓縮機、膨脹閥、換向閥、兩個熱交換器。當(dāng)然還有很多小型的組件和配件，例如：風(fēng)機、管道和輔助控制系統(tǒng)。圖1 地源熱泵系統(tǒng)及減溫器基本布局地源熱泵的加熱流程如下12：l 從地源吸收熱能并輸送到蒸發(fā)器。l 熱泵機組內(nèi)制冷劑占主導(dǎo)地位的工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器，熱量從接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中從而引起制冷劑升溫沸騰成為壓力較低的蒸汽；溫度略有增加。l 蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入電動壓縮機，壓縮之后成為高溫高壓蒸汽。l 高溫蒸汽進(jìn)入冷凝器。此時制冷劑高于外部空間，從而促使熱量熱量從制冷劑傳遞到建筑空間中。制冷劑降溫凝結(jié)，成為高溫高壓液體。l 熱液體通過膨脹閥，壓力降低從而使溫度下降。制冷劑再次進(jìn)入蒸發(fā)器，開始下一個循環(huán)包括制冷系統(tǒng)在內(nèi)的許多系統(tǒng)是要把特定空間中的熱量轉(zhuǎn)移釋放到土地中去。在制冷模式下，四通閥作用于流體，使工質(zhì)在循環(huán)中按照相反的方向流動。換熱器的功能反轉(zhuǎn)，與地源相連的熱交換器成為冷凝器，建筑空間中的熱交換器成為蒸發(fā)器8,12。有一些系統(tǒng)，包括減溫器(圖1)，作為輔助換熱器將熱量傳遞到一個熱水箱。減溫器安裝在壓縮機出口處，將壓縮氣體所產(chǎn)生的熱量通過熱水箱傳遞到水循環(huán)中，這樣一來能夠降低甚至消除加熱水所需的熱量。能源利用效率優(yōu)劣的評價，一般是用系統(tǒng)產(chǎn)出的能量比上運行系統(tǒng)所消耗的能量。熱泵所能產(chǎn)出的熱量多于輸入熱泵的能量，也就是說，按照能效比的定義，熱泵的能效比是大于100%的。為了避免這種尷尬，定義系統(tǒng)所實現(xiàn)的制冷或制熱量與輸入功率的比值為用長期性能系數(shù)(COP)，以此評價熱泵性能9。地源熱泵的COPs通常在3到6之間，取值依賴于系統(tǒng)與地連接設(shè)置、系統(tǒng)大小、地源特點、安裝深度、當(dāng)?shù)貧夂虻忍攸c10,15。2.2 熱量輸送系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的供熱系統(tǒng)將熱量由熱泵輸送到整個空間。輸送系統(tǒng)主要有兩種：水-空氣傳熱與水液體傳熱。水空氣傳熱系統(tǒng)將能量有地源轉(zhuǎn)移到空氣，由空氣作為向空間傳熱的傳輸介質(zhì)，水液體供熱系統(tǒng)是由水和另外一種作為介質(zhì)的液體進(jìn)行換熱。在北美，最常見的地源熱泵系統(tǒng)是水空氣換熱的，熱泵的冷凝器加熱空氣線圈，熱空氣從其中通過。熱空氣通過空調(diào)管道和通風(fēng)口進(jìn)入建筑12,16。水液體加熱系統(tǒng)俗稱液體循環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，能量由接地線圈從地源吸收，接著被熱泵加熱并傳遞至水中，由水作為介質(zhì)傳遞至建筑中。系統(tǒng)中的水通過地源熱泵系統(tǒng)冷凝器吸取熱量。之后水由泵驅(qū)動環(huán)繞建筑轉(zhuǎn)動，將熱量由地面輻射供熱、散熱器或局部空氣線圈等供熱方式方式傳遞至空間中。這種系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的強制對流系統(tǒng)需要較低的溫度。室內(nèi)溫度最高的空氣在加熱爐中被強迫向天花板上升，形成一個涼爽舒適的居住空間。為了能使生活空間更加接近于期望的溫度，進(jìn)入空間氣體的溫度必須高于空間本身溫度。地板輻射供熱的空間溫度由地板到天花板都會很均勻，提供舒適的生活溫度需要的能量更低8, 15,16。也有混合的動力系統(tǒng)，它結(jié)合了兩種系統(tǒng)的供熱方法，能夠更加有效靈活的控制空間溫度。2.3 接地系統(tǒng)空氣源熱泵使用周圍環(huán)境作為熱源，地源熱泵使用地面作為熱源。環(huán)境空氣溫度一年四季以及每天的差異相對地面都更加大17。淺于0.8米的地面每天的溫度會有波動，而更深的地方溫度基本沒有變化。地面溫度隨季節(jié)的變化比較明顯，每天的變化比較小。圖2顯示了地面溫度在一年內(nèi)加拿大渥太華的地表溫度一年內(nèi)的變化。隨著深度的增加，極端高溫和極端低溫開始大范圍出現(xiàn)。地面以下的溫度取決于很多因素，如太陽輻射、積雪、氣溫、降水和地面的熱性能。在加拿大每年持續(xù)觀察深于十米的水溫18。如圖3顯示了渥太華不同深度隨季節(jié)變化的溫度變化情況。地面下深度（m）圖1 加拿大渥太華，地面溫度與深度的變化關(guān)系。Ref修正12。地源熱泵利用了地面溫度相對恒定，而且在冬天溫度高于環(huán)境空氣溫度，在夏天低于環(huán)境空氣溫度17的特性。地面溫度仍然接近建筑環(huán)境所期望的溫度值。當(dāng)內(nèi)部和外部的溫度出現(xiàn)劇烈的變動時，空氣源熱泵如要提供相同程度的熱量需要做更多的工作，這會導(dǎo)致能效比的降低14。如果存溫差大小出現(xiàn)變化，熱泵系統(tǒng)不需要額外操作。接地系統(tǒng)或者接地環(huán)路熱交換器由使流體在熱泵系統(tǒng)和地面間傳輸?shù)囊皇苈方M成。兩種主要的回路設(shè)計方法是：雙回路和單回路構(gòu)造。溫度（C）圖3 加拿大渥太華一年內(nèi)不同時期地表溫度變化。Ref修正12。2.3.1 雙回路構(gòu)造雙回路配置是最常見的系統(tǒng)配置，包含一個獨立于熱泵系統(tǒng)之外的接地系統(tǒng)。熱泵機組由地面獲取的熱量通過熱交換器由水或水/防凍劑混合物轉(zhuǎn)移到制冷劑。目前標(biāo)準(zhǔn)管道規(guī)格是由聚乙烯或聚丙烯制造，內(nèi)徑19mm(3/4英寸)，作為中小型規(guī)模應(yīng)用。有兩種雙回路構(gòu)造：閉環(huán)式和開放式。2.3.1.1 閉環(huán)式系統(tǒng)閉環(huán)式系統(tǒng)的應(yīng)用很常見，其中傳熱流體存在于循環(huán)線圈中，不與地面產(chǎn)生直接接觸；熱量在地面和管道之間進(jìn)行傳遞20。閉環(huán)系統(tǒng)分作四類：縱向、橫向、螺旋等。垂直閉環(huán)系統(tǒng)由垂直方向的熱交換管道組成。有一個深入地面的孔道，一般深度在4575m，面積較大的建筑和工業(yè)使用可能會超過150m。建筑底部有一個U形連接器，與兩個管道連接接入孔中（圖4）21。為了強化傳熱，管道和井壁之間充滿了一種可用泵吸收的漿狀材料20,22。為了確保在多重多樣的鉆孔中流動順利進(jìn)行，需要采用歧管系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以安置在系統(tǒng)內(nèi)部或者循環(huán)區(qū)域內(nèi)部。垂直循環(huán)的一個優(yōu)勢是降低了安裝面積，使它更適用于土地面積有限的情況。另一個促進(jìn)它使用的因素是它不會破壞周圍環(huán)境，因為鉆孔相對挖溝來說影響較小17,23。此外，由于地下深處的溫度一年四季接近恒定，將管道定位在那里使地源熱泵有著穩(wěn)定的熱性能并能降低整個回路的長度20,23。使用這種系統(tǒng)最大的缺點是安裝成本較高，因為鉆孔比挖溝要昂貴的多。因此，垂直閉環(huán)系統(tǒng)更多應(yīng)用于大規(guī)模工程9。在地面面積充足的地方常見的是水平閉環(huán)系統(tǒng)，接地回路鋪于溝中后埋入地下。根據(jù)傳熱要求和土地情況，循環(huán)的安排方式可能有所差別。三種最常見的布局形式是基本回路（圖5）、連續(xù)回路（圖6）、并行回路（圖7）。相對于連續(xù)式和并列式回路，基本回路布局通常需要占用較大的面積。連續(xù)回路降低了對面積的要求而且簡單易安裝，所以也很常見9。連續(xù)回路和并列回路可以結(jié)合使用，能夠提高安裝使用的靈活性。對于住宅設(shè)施來說，水平式比垂直式更加具有經(jīng)濟(jì)性，因為挖溝的成本遠(yuǎn)小于鉆孔9。放置管道的溝深度一般不超過幾米，但在會出現(xiàn)霜凍的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)在凍土層以下。隨著深度降低，土壤和周圍環(huán)境的相互作用增強，這將導(dǎo)致不同時間段和不同季節(jié)地面溫度出現(xiàn)變化，進(jìn)而影響傳熱和系統(tǒng)性能。影響傳熱的其它因素包括雨水、降雪、植被情況和陰影等9。這些因素都會導(dǎo)致水平系統(tǒng)比垂直系統(tǒng)需要安排更多的管路。水平系統(tǒng)需要水/防凍液混合，作為寒冷氣候下的防凍保護(hù)9。圖4 垂直閉環(huán)熱交換的地?zé)釤岜孟到y(tǒng)圖5 地源熱泵水平閉環(huán)基本回路圖6 地源熱泵水平閉環(huán)連續(xù)回路圖7 地源熱泵水平閉環(huán)并列回路閉式螺旋循環(huán)的排布類似傳統(tǒng)的水平循環(huán)，因為它也是水平的放置于淺溝內(nèi)。但是，螺旋循環(huán)的管道在溝內(nèi)是圓形放置的，每個螺旋有管道直接通向熱泵9,24。螺旋循環(huán)相對于水平循環(huán)占用的面積較小，而且對溝的要求也更低，但對于固定的負(fù)載它需要更長的管路。有的螺旋循環(huán)是將管道放置于垂直的窄溝中。這種垂直排布的主要優(yōu)勢是降低了對水平面積的需求，也允許了很多種類挖溝設(shè)備的使用，有時有利于降低成本17。需要注意的是，在挖溝花費構(gòu)成地源熱泵系統(tǒng)的主要成本時，螺旋循環(huán)能夠降低初始成本，在材料花費更大時是不會提高經(jīng)濟(jì)性的21。螺旋循環(huán)相對于水平循環(huán)的其它缺點包括：更低的傳熱量和更大的傳熱面積需求。由于螺旋循環(huán)管道長度增加，因此相對于其它水平排布循環(huán)對泵有著更大的需求，這就降低了系統(tǒng)COP。閉環(huán)式池塘循環(huán)是閉式循環(huán)中最少見的熱交換系統(tǒng)，基本上是淹沒在水體中的螺旋式閉環(huán)系統(tǒng)。盤繞的管道接入框架并用混凝土固定?？蚣芡ǔＴ诔靥恋撞恳陨?348cm，以便管道周圍流體形成對流21。循環(huán)管道位置一般要超過1.8m深，這對于保證水質(zhì)環(huán)境較低情況下，熱質(zhì)的穩(wěn)定是必不可少的，并且能夠確保在寒冷的季節(jié)管道周圍水溫不會低于水的冰點。由于河流的水文情況不是很穩(wěn)定，因此不適合應(yīng)用此系統(tǒng)，例如洪水或碎石可能會使管道損壞9,24。池塘循環(huán)正在日益普及，部分原因是因為相比于其它系統(tǒng)需要更少的管道，而且有著優(yōu)越的傳熱特性，既不需要鉆井也不需要挖溝。這個系統(tǒng)的主要缺點是需要一個足夠到的水體，而且對水體有著諸多限制，例如禁止劃船。2.3.1.2 開環(huán)式系統(tǒng)開放式熱交換系統(tǒng)直接與地面進(jìn)行熱交換。這些系統(tǒng)都使用當(dāng)?shù)氐牡叵滤虻乇硭?，如湖泊、池塘，作為直接傳熱媒介。水抽出后流過熱泵熱交換器，之后流回地下或者用于灌溉9。目前，對廢棄礦井中豐富水源的利用越來越廣泛，因為充滿熱水的廢礦井可以使地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用變得非常廉價。開放式系統(tǒng)更加傾向應(yīng)用于大型熱泵系統(tǒng)。目前應(yīng)用開環(huán)系統(tǒng)的最大的地源熱泵系統(tǒng)，為賓館和辦公樓提供10MW的熱量9。常見的開環(huán)式系統(tǒng)有三種：提取井、回灌井和地表水系統(tǒng)（圖8）。水從一個達(dá)到地下水位的生產(chǎn)井抽取，之后流經(jīng)熱泵熱交換器，之后流回距離生產(chǎn)井有一段距離的地下，這段距離足以讓熱量由地表傳遞到水中9?；毓嗫梢耘懦?；開放引流價格便宜，但需要有豐富的水源供應(yīng)熱泵，有一個切實夠大的容量以備長期使用14。熱泵機組水流量一般在5.711.4L/m。圖8 開放式熱泵換熱系統(tǒng)及地源熱泵生產(chǎn)井和注水井。開環(huán)系統(tǒng)的好處是水源溫度基本保持不變。因為避免了地源熱泵系統(tǒng)額外的與地連接的熱交換器，這就提高了COP18。由于不同的抽取方法，開環(huán)式系統(tǒng)可以承擔(dān)很高的載荷而且有著很高的COPs，并能降低成本9。此外，開環(huán)式系統(tǒng)相對于閉環(huán)式垂直系統(tǒng)需要的鉆孔較少，有著簡單的對地鏈接設(shè)計，并能降低運行成本。地源熱泵需要抽取一定量的水，這有可能受到當(dāng)?shù)厮Y源保護(hù)法則的限制。開環(huán)式系統(tǒng)的主要缺點是需要保護(hù)水質(zhì)，由于通常使用干凈的地下水或地表水，開環(huán)式系統(tǒng)有時是被禁止的18。開環(huán)系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)之間的熱交換器很容易受到腐蝕、污染和結(jié)垢，因此水應(yīng)該處于中性并且含有一些微量礦物質(zhì)，例如鐵24。如果水的化學(xué)性質(zhì)不接近于中性，那么使用者的維修次數(shù)可能會大大提高9。2.3.2 單回路配置單回路配置也被稱作直接交換系統(tǒng)，熱泵工作流體流經(jīng)地面換熱器，從而避免了接地環(huán)路對熱交換器的需要。在供熱過程中，接地環(huán)路基本上成為熱泵蒸發(fā)器。單回路配置還排除了接地環(huán)路循環(huán)泵，而不是依靠增大壓縮機。這些措施都增加了地源熱泵的COP18。由于銅管優(yōu)越的傳熱性能，經(jīng)常應(yīng)用于這些系統(tǒng)中以減少需要的排布面積。直接換熱的壓力較大，需要良好的施工以避免因管道破裂對系統(tǒng)運行的影響。如果管道破裂，整個系統(tǒng)可能需要挖出來進(jìn)行維修。另一個缺點是涉及增加接地回路容納制冷劑的體積，這會增加系統(tǒng)成本9。盡管如此，由于具有較高的COPs，單回路配置系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普及，而且一些國家（法國和奧地利）正在研究與蒸發(fā)器直接換熱加上一些設(shè)施直接冷凝來進(jìn)行地板式供熱9。2.4 全球地位地源熱泵的主要優(yōu)勢是能夠利用溫度在5-30的土壤和地下水，而這個溫度范圍在全世界各地的一定深度都會存在15。如，在2004年約30個使用地源熱泵系統(tǒng)的國家，領(lǐng)先的國家有美國、瑞典、德國、瑞士、加拿大和奧地利等。表1列出了有安裝地源熱泵能力的幾個國家。截止2004年全球安裝的地源熱泵熱能力12萬千瓦左右，每年的能源使用需求在20億千瓦時。該技術(shù)在法國、荷蘭、中國、日本、俄羅斯、英國、挪威、丹麥、愛爾蘭、澳大利亞、波蘭、羅馬尼亞、土耳其、韓國、意大利、阿根廷、智利、伊朗、英國和挪威15逐漸興起。自1994年以來的年均增長率一直在10左右，目前大約是170萬的應(yīng)用12。美國和歐洲的領(lǐng)導(dǎo)人，目前也出于經(jīng)濟(jì)增長考慮發(fā)展該技術(shù)。表1 2004年熱泵技術(shù)使用領(lǐng)先的國家國家熱裝機容量（MW）每年能源使用（GWh）地源熱泵安裝數(shù)量美國瑞典德國瑞士加拿大澳大利亞630020005604404352756300800084066030037060000020000040000250003600023000地源熱泵技術(shù)的增長一直比其他可再生能源與常規(guī)能源技術(shù)慢一些。增長受限可以歸因于諸多因素，包括非標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)設(shè)計、相對于其它系統(tǒng)較高的成本、人們對于GHPs安裝知識有限、政府政策的限制、經(jīng)濟(jì)規(guī)模和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的限制6,18。盡管有這些問題存在，但是卻正在不斷的被解決，提高了人們對該技術(shù)的接受程度15。3 近期發(fā)展近期有很多關(guān)于地源熱泵系統(tǒng)各個方面發(fā)展的報告。3.1 輔助冷卻組件由于壓縮機和泵都不是100%的效率，它們運行過程中產(chǎn)生的熱量直接被釋放浪費掉。壓縮機和泵產(chǎn)生的廢熱可用于預(yù)熱循環(huán)泵中的制冷劑。將制冷劑通入一個密封的外殼，覆蓋于泵和壓縮機外面，由它們的電動機驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)將熱量傳遞出去。預(yù)熱能夠提高組件性能，提高整個地源熱泵系統(tǒng)的COP，以及降低接地回路換熱器的熱負(fù)荷8。3.2 地面霜凍循環(huán)在多年凍土地區(qū)地源熱泵的使用也逐步開始。建筑地基傳熱可能使永久凍土層融化并危及結(jié)構(gòu)的完整性。通過安裝一個緊鄰地基的地面循環(huán)，凍土融化的現(xiàn)象可能降低甚至消失。從地基散發(fā)的熱量被循環(huán)系統(tǒng)抽取，以確保建筑不會大幅度影響當(dāng)?shù)氐乇頊囟?。抽取的熱量用于補充建筑所需的熱量，通常占建筑所需總熱量的2050%。該系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)使地面凍結(jié)的時間超過自然周期內(nèi)凍結(jié)的時間，不應(yīng)當(dāng)擾亂當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。熱交換回路應(yīng)當(dāng)時安全可靠的，以防出現(xiàn)故障影響到建筑的穩(wěn)定性12。3.3 單井回灌熱交換系統(tǒng)單井回灌某些方面結(jié)合開放式和封閉式水熱交換系統(tǒng)。它們本質(zhì)上是地下水源熱泵系統(tǒng)，使用來自于半開放式循環(huán)安排的井水。在這樣的系統(tǒng)中，一個垂直鉆孔深入來自深巖井底部溫水中，用潛水泵抽取供給熱泵機組。冷水被引止抽水井口附近。冷水深入地下過程中吸取土壤中的熱量，從而避免了單獨建造一個注水井。單井回灌系統(tǒng)最近越來越被人所接受，因為在合適的地區(qū)它們有著良好的整體性能。該系統(tǒng)被安裝在地表有4560m石床的地點。國內(nèi)作為飲用水源的井很容易被改造應(yīng)用于該系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于充滿水的礦井和隧道9。4 供熱系統(tǒng)的分析比較在以下供暖系統(tǒng)間進(jìn)行比較：地源熱泵、空氣源熱泵、電動基板、熱水器、天然氣爐（中、高效率）。加拿大三個省份（阿爾伯塔省、安大略省和新斯科舍?。┻M(jìn)行效率、成本和排放量評估。結(jié)果列于表2、3。在歐洲的發(fā)展也進(jìn)行了探討。4.1 效率地源熱泵具有高效率，反映在他們的COPs。典型的等效于COP的系統(tǒng)有以下這些：地源熱泵：3-5、空氣源熱泵：2.3-3.5 、踢腳線電熱水器：1、中間效率天然氣爐： 0.78-0.82、高效率天然氣爐：0.88-0.97 。4.2 經(jīng)濟(jì)性相比于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)初始成本大幅提高，主要因為地源熱泵機組和接地裝置（包括鉆井和挖溝的成本）等資金的投入。但是，地源熱泵能夠高效的降低運行成本。4.2.1 在加拿大的經(jīng)濟(jì)性趨勢對于在加拿大的情況分析是，假設(shè)所有條件相同的情況下初始投資成本的評估。在天然氣特定的省份，每年供熱成本為基礎(chǔ)的電力成本。假設(shè)20年的壽命和平均COP 4的地?zé)嵯到y(tǒng)。典型地?zé)岜糜?0-25年的保證，但存在有超過30年運行的系統(tǒng)。假定系統(tǒng)安裝不需要新的管道安裝。表2總結(jié)了評估成本。結(jié)果表明地?zé)釤岜玫慕?jīng)濟(jì)可行性很大程度上取決于位置。電力、天然氣的價格和其他取暖燃料價格具有區(qū)域性。在阿爾伯塔省和新斯科舍地源熱泵是最經(jīng)濟(jì)競爭力的選擇。在安大略省的空氣源熱泵有決心20年后極大降低成本。艾伯塔省和新斯科舍省比安大略省有較高的電力價格，直接影響到了這一調(diào)查結(jié)果。高電價促進(jìn)了空氣源熱泵和電動地板的推廣使用。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天然氣的價格較低時，使用天然氣和地源熱泵供暖花費之間的差距縮小。當(dāng)天然氣或其它燃料價格較低時，使用地源熱泵可能并非最經(jīng)濟(jì)的選擇18。在特定的地區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)出漸增的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，因為地源熱泵在反向工作時使它們能夠從建筑中吸收能量傳遞至地面。而傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)需要一個單獨的空間制冷空調(diào)，地源熱泵系統(tǒng)避免這種初始成本24。地源熱泵系統(tǒng)的投資回收期通常是6至20年之間，根據(jù)資金成本、能源價格和能源價格不斷上漲18。另一個沒在研究中量化的優(yōu)勢是，設(shè)備本身的價值。GHPs傾向于增加屬性值，能夠?qū)崿F(xiàn)建設(shè)和土地投資的高回報，并促進(jìn)更理想的抵押貸款評估18。請注意，地源熱泵系統(tǒng)是最具成本效益的，如果安裝在建筑施工中，或者當(dāng)一個老的供暖系統(tǒng)需要更換時。購買和安裝地源熱泵，作為一個工作系統(tǒng)的選擇，很少是值得從能源和經(jīng)濟(jì)的角度考慮的14。4.2.2 在歐洲的經(jīng)濟(jì)性趨勢表4說明了歐盟各國家的天然氣和電力價格。該分析假設(shè)所有國家具有穩(wěn)定的熱負(fù)荷且系統(tǒng)有20年的壽命。比較空氣源熱泵、電加熱器、天然氣爐（中、高效率）的成本（包括初始成本）。為簡單起見，初始成本假設(shè)為與加拿大的比較中使用的相同。歐洲的天然氣和電力成本較高，但是高于加拿大的投資花費看起來是相對的。在大多數(shù)歐盟國家看來，地源熱泵系統(tǒng)想對于傳統(tǒng)供熱方式更具經(jīng)濟(jì)性，而安裝成本的增高相對于20年的使用壽命來說是微不足道的。在德國、愛爾蘭、盧森堡、西班牙和英國發(fā)現(xiàn)，使用高效率的天然氣爐更加經(jīng)濟(jì)，這是由于電力的價格要高于可燃?xì)怏w。表2在幾個地點的各種供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)比較供熱系統(tǒng)投資成本($)阿爾伯塔安大略省新斯科舍省年花費($)現(xiàn)值($)年花費($)現(xiàn)值($)年花費($)現(xiàn)值($)地源熱泵空氣源熱泵電熱板天然氣爐a天然氣爐b90004900155015001900601813225712761109210202116046690270202408032844412312344104915560137802617048380228806498772432188516532723027940501904475040460單位為2009年加元?，F(xiàn)值指一個20年期間。a代表中間效率。b代表高效率。表3 在幾個地點各種供熱系統(tǒng)的二氧化碳排放量比較供熱系統(tǒng)每年燃料使用（kWh）阿爾伯塔安大略省新斯科舍省排放強度排量排放強度排量排放強度排量地源熱泵空氣源熱泵電熱板天然氣爐a天然氣爐b608082142228028475246551.121.121.120.1900.1906826922225015541046840.1880.1880.1880.1900.190114315444188541046841.041.041.040.1900.190634685732325554104684排放強度單位為(kgCO2/kWh)。排量單位為（kg）。表4歐盟幾個國家天然氣、電力價格，以及與電力相關(guān)的二氧化碳排放量27,28。國家天然氣價格($/kWh)電力價格($/kWh)排放強度國家天然氣價格($/kWh)電力價格($/kWh)排放強度澳洲0.080.270.239拉脫維亞0.050.150.443比利時0.080.280.311立陶宛0.060.170.307賽福斯N/A0.270.974盧森堡0.070.250.307捷克0.070.190.922荷蘭0.100.250.419丹麥0.150.390.680挪威N/AN/A0.015愛沙尼0.050.141.015波蘭0.070.201.108芬蘭N/A0.200.403葡萄牙0.090.240.630法國0.080.180.108斯洛伐克0.060.230.382德國0.080.350.626斯洛尼亞0.090.200.392希臘N/A0.170.882西班牙0.070.260.493匈牙利0.070.220.695瑞典0.120.260.076愛爾蘭0.020.270.706瑞士N/AN/A0.041意大利0.100.270.565英國0.060.210.558歐盟0.080.230.486該研究提供了一個在歐洲國家地源熱泵實施的一般概述。不同的國家之間，熱負(fù)荷有所差別，這項研究中引入了不同的表達(dá)詞匯。在對供熱要求較低的地區(qū)引入地源熱泵可能不夠經(jīng)濟(jì)，因為地源熱泵機組的初始投入是較大的。此外，在氣候較溫暖的地區(qū)，通過降低設(shè)備大小能使安裝地源熱泵的初始成本降低。地源熱泵設(shè)備的細(xì)節(jié)問題，要在深入研究分析歐洲特定國家的氣候情況下決定。4.3 二氧化碳排放該評估比較了不同供暖系統(tǒng)的二氧化碳排放量。盡管其它污染物的排放也是不可忽視的，但此處集中考慮二氧化碳的排放，因為它是最常見的溫室氣體而且被認(rèn)為是影響氣候變化的重要因素18。地源熱泵不直接排放二氧化碳，排放源于生產(chǎn)電力的發(fā)電廠。當(dāng)電力生產(chǎn)過程中二氧化碳的排放較高時，地源熱泵系統(tǒng)排放的二氧化碳也相應(yīng)的增高。地源熱泵是否環(huán)保取決于地源熱泵所使用的電力生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳，它的COP和其它供暖系統(tǒng)的效率25。4.3.1 加拿大二氧化碳排放趨勢加拿大地區(qū)二氧化碳排放情況的確定，考慮了設(shè)備消耗的電量或者天然氣的量和燃料排放強度（每kWh電力生產(chǎn)所產(chǎn)生的二氧化碳）。再次審視前面提到的三個省。假設(shè)天然氣成分是相同的阿爾伯塔省，安大略省和新斯科舍省，每單位氣體消耗時的排放量是固定的。每個省的平均排放強度使用碳監(jiān)測行動（CARMA）在線數(shù)據(jù)庫。不同省份，各種供暖系統(tǒng)的二氧化碳?xì)怏w排放量列于表3。由于安大略省具有新一代低排放設(shè)備，超過50%的電力生產(chǎn)來源于核能，其余部分來源于火力發(fā)電廠和水力發(fā)電廠，應(yīng)用地源熱泵有利于環(huán)保。在阿爾伯塔省和新斯科舍省超過80%的電力生產(chǎn)來自化石燃料，包括煤、天然氣發(fā)電廠16。相對高效率（95%）的天然氣鍋爐，當(dāng)生產(chǎn)每kWh電力的排放強度小于0.76kg時，使用地源熱泵能夠降低二氧化碳排放18。一般情況下，如果地源熱泵使用的電力來源于環(huán)保的生產(chǎn)方式，地源熱泵相對于傳統(tǒng)的電加熱設(shè)備和天然氣燃燒設(shè)備能夠最大程度的降低排放。在電力生產(chǎn)時排放的二氧化碳較多的地區(qū)，使用度源熱泵系統(tǒng)所能帶來的減排有限。當(dāng)應(yīng)用可再生能源進(jìn)行發(fā)電時，地源熱泵所產(chǎn)生的二氧化碳排放僅僅來源于運行過程，排量很小甚至接近于零?？傮w而言，地源熱泵通常提供最大（或近乎最大）的排放量的減少。4.3.2 歐洲二氧化碳排放趨勢表4列出了歐盟不同國家電力生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放強度。使用與電力生產(chǎn)相關(guān)設(shè)施的碳排放門檻，由Dowlatabadi和Hanova確定18為0.76kg/kWh，由表可以看出，所列出的大多數(shù)國家使用地源熱泵取代傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)都能夠取得降低排放的效果。在一個國家內(nèi)使用地源熱泵機組能顯著減少國家整體的二氧化碳排放量。例如，耦合地面地源熱泵連接當(dāng)前英國電網(wǎng)，考慮到英國電網(wǎng)目前的發(fā)電組合，使用地源熱泵系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)能夠降低超過50%的二氧化碳排放15。5 結(jié)論地源熱泵是一種高效的供熱技術(shù)，能夠減少二氧化碳的排放量，潛在的避免了化石燃料的燃燒而且具備一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。對于加熱特定的建筑空間，相對于其它供熱方式，地源熱泵系統(tǒng)顯著的減少了能源的使用。隨著環(huán)境的變化，地源熱泵系統(tǒng)可以進(jìn)行許多變化，而且在世界大部分地區(qū)適合使用地源熱泵。在選擇供熱模式時，考慮地源熱泵系統(tǒng)是非常重要的，如效率、排放量、經(jīng)濟(jì)性等方面。參考文獻(xiàn)（見原文）附件2：外文原文溫州大學(xué)甌江學(xué)院WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE本科畢業(yè)設(shè)計文獻(xiàn)綜述題 目機器人筑砌磚墻專用泥漿泵設(shè)計專業(yè)機械工程及其自動化班級 學(xué)生姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 職 稱 溫州大學(xué)甌江學(xué)院教務(wù)部制一前言本課題涉及的泥漿泵，是指在筑砌磚墻過程中向墻磚上輸送泥漿或水等沖洗液的機械。泥漿泵是筑砌磚墻設(shè)備的重要組成部分。在常用的正循環(huán)筑砌磚墻中它是將地表沖洗介質(zhì)清水泥漿或聚合物沖洗液在一定的壓力下，經(jīng)過高壓軟管水龍頭及鉆桿柱中心孔直送鉆頭的底端，以達(dá)到冷卻鉆頭、將切削下來的巖屑清除并輸送到地表的目的。常用的泥漿泵是活塞式或柱塞式的，由動力機帶動泵的曲軸回轉(zhuǎn)，曲軸通過十字頭再帶動活塞或柱塞在泵缸中做往復(fù)運動。在吸入和排出閥的交替作用下，實現(xiàn)壓送與循環(huán)沖洗液的目的。泥漿泵是在筑砌磚墻過程中，向鉆孔輸送泥漿或水等沖洗液的機械。泥漿泵是筑砌磚墻機械設(shè)備的重要組成部分。它的主要作用是在鉆進(jìn)過程中將泥漿隨鉆頭鉆進(jìn)注入，起著冷卻鉆頭，清洗鉆具、固著井壁、驅(qū)動鉆進(jìn)，并將打鉆后巖屑帶回地面的作用。在常用的正循環(huán)筑砌磚墻中泥漿泵是將地表沖洗介質(zhì)清水泥漿或聚合物沖洗液在一定的壓力下經(jīng)過高壓軟管水龍頭及鉆桿柱中心孔直送鉆頭的底端以達(dá)到冷卻鉆頭將切削下來的巖屑清除并輸送到地表的目的。常用的泥漿泵是活塞式或柱塞式的由動力機帶動泵的曲軸回轉(zhuǎn)曲軸通過十字頭再帶動活塞或柱塞在泵缸中做往復(fù)運動。在吸入和排出閥的交替作用下實現(xiàn)壓送與循環(huán)沖洗液的目的。二泥漿泵概述泥漿泵是在筑砌磚墻過程中，將泥漿加壓后攜帶出井底的巖屑和供給井底動力鉆具的動力，向井底輸送和循環(huán)筑砌磚墻液的往復(fù)泵。泥漿泵的主要作用是利用筑砌磚墻沖洗液（統(tǒng)稱泥漿）使井筒內(nèi)外的循環(huán)，沖洗井底，冷卻鉆頭，并把巖屑攜帶到地面。在采用水力鉆具（如渦輪鉆具或螺桿鉆具）時，利用沖洗液傳遞能量，推動水力鉆具旋轉(zhuǎn)。采用噴射式鉆頭，由鉆頭水眼噴射出高速沖洗液，有利于破碎巖層，提高筑砌磚墻速度。為了實現(xiàn)高壓噴射筑砌磚墻，對筑砌磚墻泥漿泵提出了更高的要求，使用好、保養(yǎng)好泥漿泵的各部分，延長各個易損件的工作壽命，保證泥漿泵優(yōu)良的技術(shù)狀況，也是很重要的。由于石油礦場上使用往復(fù)泵的條件十分惡劣，提高其易損件（泵閥，活塞和缸套）的工作壽命，成為泥漿泵設(shè)計、制造和使用中迫切需要解決的問題。近幾年，為了加快筑砌磚墻速度，降低筑砌磚墻成本，延長鉆頭使用壽命，國內(nèi)外在泥漿泵的理論和試驗研究、設(shè)計制造和選擇使用等方面做了許多工作，對筑砌磚墻泵進(jìn)行了多次改型換代，各種新型筑砌磚墻泵也不斷研制成功。但其基本結(jié)構(gòu)均未擺脫曲柄連桿機構(gòu)的傳統(tǒng)方式，在結(jié)構(gòu)上沒有根本變化，因而現(xiàn)有的筑砌磚墻泥漿泵不能完全滿足筑砌磚墻作業(yè)的需要，因而必須尋求具有更好工作性能和合理結(jié)構(gòu)的筑砌磚墻泵以滿足石油勘探開發(fā)使用的要求。隨著改革開放的深入及中國加入世貿(mào)組織，我國石油筑砌磚墻隊伍“充分利用國內(nèi)外兩種資源、兩個市場”，實施走出去的戰(zhàn)略，進(jìn)入國際筑砌磚墻市場，為了滿足參與國際市場的需要，中石油、中石化都在不斷加大筑砌磚墻設(shè)備的投入，同時加快老筑砌磚墻機的更新改造和新型輕便筑砌磚墻機研制步伐，隨著國際市場對筑砌磚墻泵的需求增大，使得筑砌磚墻泵的供求矛盾更加突出，各類型筑砌磚墻泵的缺口每年達(dá)200臺左右?，F(xiàn)如今國內(nèi)外筑砌磚墻泥漿泵主要存在5方面的問題，即，筑砌磚墻泵質(zhì)量大，制約鉆機的移運性，難以適應(yīng)現(xiàn)代輕便鉆機的要求；沖程短，沖次高，筑砌磚墻泵在不合適的沖次范圍內(nèi)工作，致使液力端壽命短；泵壓偏低，不能完全滿足現(xiàn)代筑砌磚墻工藝的需要；結(jié)構(gòu)不合理，部分強度冗余，部分剛度不足，可靠性低，難以滿足筑砌磚墻機高可靠性要求；缸套壽命短，難以滿足鉆機高效率要求。因此，合理降低泵的沖次，適當(dāng)增加泵的沖程長度，既滿足筑砌磚墻過程中的排量要求，又能確保泵的自吸性能，充分發(fā)揮了泵的功效，成為今后筑砌磚墻泵的設(shè)計方向。三泥漿泵的國內(nèi)外概況及發(fā)展趨勢我國的泥漿泵是從 1960 年代開始，由引進(jìn)美國技術(shù)發(fā)展起來的。當(dāng)前，我國生產(chǎn)石油筑砌磚墻泵的單位主要有寶雞石油機械有限公司、蘭州蘭石國民油井石油工程公司等單位，其生產(chǎn)的系列三缸泵己經(jīng)能基本滿足我國大部分油田筑砌磚墻的需要，并有部分出口。寶雞石油機械有限公司已有 40 多年設(shè)計和制造泥漿泵的歷史，生產(chǎn)的 F-500、F-800、F-1000 泵達(dá)到了美國 LTV 公司的技術(shù)要求，其特點為:無退刀槽人字齒輪傳動；合金鋼曲軸；可更換的十字頭導(dǎo)板；機架采用鋼板焊接件；中間拉桿盤根采用雙層密封結(jié)構(gòu)，動力端采用強制潤滑和飛濺潤滑相結(jié)合的潤滑方式。F 系列三缸泵具有沖程長、沖次低的優(yōu)點。為了滿足油田高泵壓和大排量筑砌磚墻工藝的要求，寶雞石油機械有限公司還自行設(shè)計和制造了 F-1300、F-1600、F-1600HL、F-2200 和 F-22OOHL大功率高壓泥漿泵。蘭州蘭石國民油井石油工程公司是中美合資經(jīng)營企業(yè)，生產(chǎn)的泥漿泵主要有 P 系列、F 系列和 3NB 系列。其中的 3NB 系列泥漿泵具有以下特點: 動力端殼體為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，焊后消除內(nèi)應(yīng)力；動力端傳動齒輪為漸開線齒形；曲軸為空心的整體鑄件；動力端潤滑為飛濺潤滑；液力端吸入、排出法蘭符合 ANSI 和 API 規(guī)范；活塞桿與介桿間采用卡箍連接；閥腔孔的底部帶有臺階，防止閥座下沉；活塞和缸套由一個獨立的噴淋泵裝置冷卻和潤滑。該公司生產(chǎn)的 3NB 系列三缸泵符合 API 規(guī)范，功率從5OOHP 到 1600HP，廣泛用于各大油田。目前，世界各國都在大量研究和使用三缸單作用泥漿泵，并且都是朝著大功率、長沖程、大缸徑、高泵壓的技術(shù)方向發(fā)展。國外對筑砌磚墻泵的研究早、技術(shù)精、產(chǎn)品系列齊全，尤其以美國的技術(shù)最為先進(jìn)，俄羅斯和羅馬尼亞次之。隨著筑砌磚墻技術(shù)的發(fā)展,特別是高壓噴射筑砌磚墻、近平衡筑砌磚墻、叢式定向井、水平井等新工藝、新技術(shù)的不斷進(jìn)步,對筑砌磚墻泥漿泵的工作性能要求越來越高。目前，筑砌磚墻泵正朝著大功率、大排量和高壓力的方向發(fā)展。四參考文獻(xiàn)1 劉清友.7NB泥漿泵及工作原理J. 天然氣工業(yè),2001:64-65.2 石油勘探開發(fā)規(guī)劃院機械研究所. 筑砌磚墻泥漿泵的使用M. 北京：石油工業(yè)出版社，19793 石油部科學(xué)技術(shù)情報研究所.三缸泥漿泵的特性和使用M. 北京：石油工業(yè)出版社，19854 S.L.科利爾.泥漿泵手冊M.北京：石油工業(yè)出版社，1988 5 沉學(xué)海. 筑砌磚墻往復(fù)泵原理與設(shè)計M. 北京：機械工業(yè)出版社，19906 往復(fù)泵設(shè)計編寫組.往復(fù)泵設(shè)計M.機械工業(yè)出版社，19877 蘭州石油機械研究所鉆采機械試驗室.SL3NB-1300泥漿泵測試報告R. 19878 沈?qū)W海.論筑砌磚墻泵科研設(shè)計中的幾個問題J .石油礦場機械， 1985，NO.69 Kelly J.L.Jr .An Economic Approach to Drilling HydraulicsJ.Drilling Technology Conference Transactions, 1984溫 州 大 學(xué) 甌 江 學(xué) 院 WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE 本科畢業(yè)設(shè)計 題 目 機器人筑砌磚墻專用泥漿泵設(shè)計 專 業(yè) 機械工程及其自 動化 班 級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 職 稱 溫州大學(xué)甌江學(xué)院教務(wù)部制 摘 要 液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動力裝置，越來越受到人們的關(guān)注，因為它的性能 的好壞直接影響整個液壓系統(tǒng)的工作可靠性。被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、鍛壓、 注塑、船舶、重型等機械設(shè)備中。但在實際生產(chǎn)中還不能解決很好地流量脈動、 剛性和柔性沖擊等問題。平衡式徑向柱塞泵的設(shè)計可以很好地解決流量脈動、 剛性和柔性沖擊等問題。通過設(shè)計使此泵在結(jié)構(gòu)功能上能夠適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)高 要求的專用泥漿泵。 泥漿泵（Mud Pump）也是一種寬泛的泵的一個通俗概念，不同的地域，習(xí)慣， 最終涉及的泵型不會一樣，本詞條所闡述的泥漿泵是多數(shù)意義上的的一種泵型。 事實上，污水泵，渣漿泵等一些非清水泵和泥漿泵在叫法上也有通用的時候。 本設(shè)計是根據(jù)給定設(shè)計參數(shù)完成專用泥漿泵泵結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括帶輪、泵 的結(jié)構(gòu)設(shè)計。確定出幾何參數(shù)，繪制并檢查投影圖，采對泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪 制了裝配圖和部分零件圖，并對軸進(jìn)行了強度校核計算。 關(guān)鍵詞：泥漿泵，專用泥漿泵，結(jié)構(gòu)設(shè)計 Abstract The hydraulic pump as the power device of hydraulic system, more and more attention, because of its working reliability will directly influence the performance of the whole hydraulic system. Widely used in metallurgy, mining, forging, injection molding, shipbuilding, heavy machinery and other equipment. But in actual production is not properly resolve the flow pulsation, rigid and flexible impact problems. Better solve the problem of flow pulsation, rigid and flexible impact design balanced radial piston pump can. Through the design of the pump 2X-70 rotary vane vacuum pump can meet the high requirements of the modernized industry structure function. Vacuum pump with mechanical, physical, chemical, physical and chemical method for pumping the container, in order to obtain and maintain a vacuum device. Vacuum pumps and other equipment (such as a vacuum container, vacuum valve, vacuum measuring instruments, the connection pipelines) consists of vacuum system, widely used in electronics, metallurgy, chemical industry, food, machinery, pharmaceuticals, aerospace and other departments. The design is based on the rotary vane vacuum pump structure design to complete a given design parameters, including the structure design of belt wheel, pump. To determine the geometric parameters, and check the projection mapping, mining design the structure of the pump, drawing the assembly drawing and parts drawing, and for the strength calculation. Keywords: pump, design, structure IV 目 錄 摘 要 .II ABSTRACT .III 緒 論 .1 1.1 泥漿泵簡介 .1 1.2 工作原理 .1 1.3 泥漿泵的性能 .2 1.4 泥漿泵的分類 .2 第 2 章 結(jié)構(gòu)與工作原理 .3 2.1 結(jié)構(gòu) .3 2.2 工作原理 .3 第 3 章 泥漿泵總體設(shè)計 .5 3.1 設(shè)計參數(shù) .5 3.2 電動機的選擇 .5 3.3 總體傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計 .6 第 4 章 泥漿泵主要零部件的設(shè)計 .7 4.1 帶傳動設(shè)計 .7 4.2 選擇帶型 .8 4.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗證帶速 .8 4.4 確定中心距離、帶的基準(zhǔn)長度并驗算小輪包角 .9 4.5 確定帶的根數(shù) Z .10 4.6 確定帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸 .10 4.7 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 .11 4.8 確定帶的張緊裝置 .13 4.9 計算壓軸力 .13 4.10 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 .21 4.10.1 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算 .24 4.10.2 按剛度條件計算 .25 4.10.3 精確校核軸的疲勞強度 .25 4.11 軸承選取設(shè)計計算 .28 4.11.1 軸承的設(shè)計參數(shù) .28 4.11.2 軸承的當(dāng)量動載荷計算 .28 4.12 鍵的選擇、鍵的校核 .29 第 5 章 典型零件（帶輪）加工工藝設(shè)計 .31 5.1 零件的分析 .31 5.1.1 零件的作用 .31 5.1.2 零件的工藝分析 .31 5.2 工藝規(guī)程的設(shè)計 .32 5.2.1 基準(zhǔn)的選擇 .32 V 5.2.2 制定工藝路線 .32 5.2.3 機械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的確定 .32 5.3 確定切削用量及基本工時 .32 第 6 章 泥漿泵的保養(yǎng)與維護(hù) .40 6.1 泥漿泵的保養(yǎng) .40 6.2 泥漿泵防止過載的方法 .41 6.3 常見故障及消除方法 .42 總 結(jié) .44 參考文獻(xiàn) .45 謝 辭 .46 1 緒 論 1.1 泥漿泵簡介 泥漿泵，是指在鉆探過程中向鉆孔里輸送泥漿或水等沖洗液的機械。泥漿 泵是鉆探設(shè)備的重要組成部分。 在常用的正循環(huán)鉆探中它是將地表沖洗介質(zhì)清水泥漿或聚合物沖洗液 在一定的壓力下，經(jīng)過高壓軟管水龍頭及鉆桿柱中心孔直送鉆頭的底端，以達(dá) 到冷卻鉆頭、將切削下來的巖屑清除并輸送到地表的目的。 常用的泥漿泵是活塞式或柱塞式的，由動力機帶動泵的曲軸回轉(zhuǎn)，曲軸通 過十字頭再帶動活塞或柱塞在泵缸中做往復(fù)運動。在吸入和排出閥的交替作用 下，實現(xiàn)壓送與循環(huán)沖洗液的目的。 1.2 工作原理 泥漿泵是在鉆探過程中，向鉆孔輸送泥漿或水等沖洗液的機械。泥漿泵 是鉆探機械設(shè)備的重要組成部分。它的主要作用是在鉆進(jìn)過程中將泥漿隨鉆頭 鉆進(jìn)注入井下，起著冷卻鉆頭，清洗鉆具、固著井壁、驅(qū)動鉆進(jìn)，并將打鉆后 巖屑帶回地面的作用。在常用的正循環(huán)鉆探中泥漿泵是將地表沖洗介質(zhì)清水 泥漿或聚合物沖洗液在一定的壓力下經(jīng)過高壓軟管水龍頭及鉆桿柱中心孔直送 鉆頭的底端以達(dá)到冷卻鉆頭將切削下來的巖屑清除并輸送到地表的目的。常用 的泥漿泵是活塞式或柱塞式的由動力機帶動泵的曲軸回轉(zhuǎn)曲軸通過十字頭再帶 動活塞或柱塞在泵缸中做往復(fù)運動。在吸入和排出閥的交替作用下實現(xiàn)壓送與 循環(huán)沖洗液的目的。 2 1.3 泥漿泵的性能 泥漿泵性能的兩個主要參數(shù)為排量和壓力。排量以每分鐘排出若干升計算 它與鉆孔直徑及所要求的沖洗液自孔底上返速度有關(guān)即孔徑越大所需排量越大。 要求沖洗液的上返速度能夠把鉆頭切削下來的巖屑巖粉及時沖離孔底并可靠地 攜帶到地表。地質(zhì)巖心鉆探時一般上返速度在 0.41 米/分左右。泵的壓力大 小取決于鉆孔的深淺沖洗液所經(jīng)過的通道的阻力以及所輸送沖洗液的性質(zhì)等。 鉆孔越深 管路阻力越大 需要的壓力越高。隨著鉆孔直徑深度的變化要求泵的 排量也能隨時加以調(diào)節(jié)。在泵的機構(gòu)中設(shè)有變速箱或以液壓馬達(dá)調(diào)節(jié)其速度以 達(dá)到改變排量的目的。為了準(zhǔn)確掌握泵的壓力和排量的變化泥漿泵上要安裝流 量計和壓力表 隨時使鉆探人員了解泵的運轉(zhuǎn)情況同時通過壓力變化判別孔內(nèi)狀 況是否正常以預(yù)防發(fā)生孔內(nèi)事故。 1.4 泥漿泵的分類 泥漿泵分單作用及雙作用兩種型式單作用式泥漿泵在活塞往復(fù)運動的一個 循環(huán)中僅完成一次吸排水動作。而雙作用式泥漿泵每往復(fù)一次完成兩次吸排水 動作。若按泥漿泵的缸數(shù)分類有單缸雙缸及三缸 3 種型式。 污水泥漿泵 是單級單吸立式離心泵,主要部件有蝸殼、葉輪、泵座、泵殼、支撐筒、電機座、 電動機等組成。蝸殼、泵座、電機座、葉輪螺母是生鐵鑄造、耐腐蝕性較好,加 工工藝方便。葉輪為三片單園弦彎葉,選用半封閉葉輪,并采用可鍛鑄鐵、所以強 度高,耐腐蝕;加工方便,通過性好,效率高。為了減輕重量和減少車削量、泵軸是 優(yōu)質(zhì)碳素鋼冷拉園鋼制造。泥漿泵座中裝有四只骨架油封和軸套,防止軸磨損,延 長軸的使用壽命。本泥漿泵可垂直或傾斜使用,占地面積小,蝸殼需埋在工作介質(zhì) 中工作,容易啟動,不需引水,旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)從電機尾部看是順時針方向工作。總機 長度備有各種規(guī)格,以便使用單位根據(jù)用途因地制宜地選用。 3 第 2 章 結(jié)構(gòu)與工作原理 2.1 結(jié)構(gòu) 泥漿泵由動力段和液力端兩大部分組成。動力端的功能，是將動力機的回 轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊?或柱塞)的直線往復(fù)運動。它包括傳動離合裝置、變速減速 裝置和曲柄連桿。它們的相互位置與安排決定著泵的總體結(jié)構(gòu)型式，決定著泵 的驅(qū)動方案及結(jié)構(gòu)方案的選擇。動力端的主要零部件包括皮帶輪，離合器曲軸 箱體及其中的傳動軸，齒輪副，曲軸，連桿及十字頭滑塊。液力端油泵頭體、 缸套、活塞、活塞桿吸入閥和排出閥等組成，它的作用是通過活塞在缸套中作 往復(fù)運動形成液缸容腔變化，完成能量轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)吸入和排出液體。 此泵曲軸箱由兩極齒輪變速機構(gòu)和曲柄連桿機構(gòu)組成。曲軸箱的輸入軸和 輸出軸通過牙鉗聯(lián)軸器對接傳動。當(dāng)曲軸箱的輸入軸上的雙聯(lián)變速齒輪分別和 曲軸上的對應(yīng)齒輪相嚙合，曲軸可得到快慢兩級轉(zhuǎn)速。加上變速箱的四級變速。 曲軸上總共可獲得 8 級轉(zhuǎn)速，實現(xiàn) 8 級變速。液力端屬于直通式結(jié)構(gòu)，便于制 造，裝配精度高。 2.2 工作原理 對單作用泵來說其工作原理可簡化下圖說明： 圖 2-1 為單缸單作用泵工作原理示意圖。它由濾水器 l、吸入閥 2、泵缸 3(即工作腔室) 、活塞 4、活塞桿 5、十字頭 6、連桿 7、曲柄軸 8、曲柄銷 9、 排出閥 10、排出管道 11 等主要零部件組成。 圖 2-1 工作原理示意圖 1濾水器 2.吸入閥 3. 泵缸 4.活塞 5.活塞桿 6 .十字頭 7. 連桿 8. 曲柄軸 9. 曲柄 10.排出閥 11.排出管道 通常以十字頭為分界線，靠近泵缸一端稱為泵的液力端，靠近動力輸入一 端稱為泵的動力端。 動力機通過皮帶、皮帶輪、齒輪等傳動件帶動主軸旋輪，曲柄軸 8 以角速 4 度 。隨主軸一起轉(zhuǎn)動，同時曲柄軸一端相連的連桿 7 隨著曲柄軸的轉(zhuǎn)動帶動 連桿另端的十字頭 6 作往復(fù)運動，十字頭通過與它相連的活塞桿 5 帶動活塞 4 作往復(fù)運動，從而實現(xiàn)容腔 3 的容積有規(guī)律地變化。 當(dāng)活塞由泵缸的左端位置(左死點)向右方移動時，活塞左端泵缸容積不斷變 化。由于泵缸是密閉容腔，不與外界大氣相通，所以左邊缸室內(nèi)壓力降低，形 成負(fù)壓（低于大氣壓力)，吸水池中的液體在液面大氣壓力的作用下，擠開吸入 閥進(jìn)入泵缸，擠開吸入閥進(jìn)入泵缸，直到活塞移至最右邊位置(右死點)為止。 這一工作過程稱為泵的吸入過程當(dāng)活塞到達(dá)右死點后(即曲柄轉(zhuǎn)過 rad)工作 液停止吸入，吸入閥在自重和彈簧力作用下被關(guān)閉，活塞向左方(向液力端)移 動，這時液力端一邊泵缸的容積縮小工作液受擠壓，缸內(nèi)壓力逐漸加大，擠開 排出閥，液體排出，進(jìn)入排出管道，這過程稱為泵的排出過程。活塞在一次 往復(fù)過程中，此單作用泵吸入和排出液體一次，活塞不斷循環(huán)往復(fù)運動使液以 體不斷吸入和排出。由泥漿泵的工作過程可以得出:泥漿泵是一個往復(fù)泵，它之 所以能夠?qū)崿F(xiàn)吸、排液體，是由于活塞在泵頭體內(nèi)作往復(fù)運動.使泵頭體工作腔 的容積發(fā)生周期性變化，從而使吸入管產(chǎn)生真空，使排出管壓力升高。由于泥 漿泵是借助于工作腔容積變化進(jìn)行吸、排液體的，所以泥漿泵也是一種容積式 泵。 泥漿泵屬于往復(fù)泵，往復(fù)泵的突出優(yōu)點是:高泵壓，泵壓不隨流量(排量)變 化，泵的效率高、并且不隨流量變化，能輸送高粘度、高含砂量及含磨礪性固 體顆粒的液體.同其它類型泵相比，往復(fù)泵的缺點是:流量比較小，瞬時流量和 泵壓是脈動的，泵的體積大，易損件較多，維修工作量大。 盡管往復(fù)泵有上述不足，但是，這并不意味著往復(fù)泵有全部被其它類型泵 所取代的趨勢。今后往復(fù)泵發(fā)展的趨勢是:充分發(fā)揮往復(fù)泵配套性強，適應(yīng)介質(zhì) 廣泛的優(yōu)勢，充分發(fā)揮往復(fù)泵在流量較小而排出壓力很高時整機效率高及運轉(zhuǎn) 性能好的優(yōu)勢，充分發(fā)揮往復(fù)泵的流量與排出壓力無關(guān)的優(yōu)勢.當(dāng)然，要使往復(fù) 泵不斷發(fā)展，不僅要充分發(fā)揮它的優(yōu)勢，而且還要不斷地克服它的缺點。 5 第 3 章 泥漿泵總體設(shè)計 3.1 設(shè)計參數(shù) 技術(shù)指標(biāo)： 輸送泥漿能力：2.0-4.0 m3/h 輸送泥漿額定壓力：2.0 MPa 泥漿最高壓力：2.5 MPa 柱塞直徑：140 mm 柱塞調(diào)定行程：250 mm 泥漿吸入高度：4 m 傳動形式：液壓 冷卻水(20) 耗量：20 L/min 電機功率：5.5 kW 外形尺寸：176012421985 (mm) (長 寬高) 設(shè)備總重：922 kg 用途：輸漿 泥漿工作壓力范圍：0.52.0 Mpa 壽命：連續(xù)運轉(zhuǎn) 500 小時性能不變。 3.2 電動機的選擇 泵的潤滑部位僅限于軸承和齒輪，以及動密封處。泥漿泵沒有往復(fù)運動不 見，故可實現(xiàn)良好的動平衡。因此，泥漿泵運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速高，尺寸小可獲得 大的抽速。 故選用 Y132M-4 型異步電動機 根據(jù) Y 系列三相異步電動機的技術(shù)數(shù)據(jù),Y 系列三相異步電動機為一般用途 全封閉自扇冷式籠型異步電動機，具有防塵埃、鐵屑或其他雜物侵入電動機內(nèi) 部的特點，B 級絕緣，工業(yè)環(huán)境溫度不超過+40，相對濕度不超過 95%，海拔 高度不超過 1000m，額定電壓 380V，頻率 50Hz。適用于無特殊要求的機械上， 如機床，泵，風(fēng)機，攪拌機，運輸機，農(nóng)業(yè)機械等。 根據(jù)以上計算，為滿足轉(zhuǎn)速和功率要求，選擇 Y 系列三相異步電動機型號 為：Y100L2-4, 其技術(shù)參數(shù)見下表 3-1. 6 表 3-1 Y132M-4 型電動機技術(shù)數(shù)據(jù) 電動機型 號 額定功率 /KW 滿載轉(zhuǎn)速/rmp 額定轉(zhuǎn)矩/N.m 最大轉(zhuǎn)矩/N.m Y132M-4 5.5 1440 2.2 2.2 1. 傳動比的分配 因為電機軸的轉(zhuǎn)速 =1440r/min，假設(shè)本課題需要的柱塞泵往復(fù)次數(shù)為 120 次/分，n電 即 ， = . = =12；120/minr總 i帶 減 速 器 n電柱 =2， =6；i帶 行 3.3 總體傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計 電動機功率 P=5.5kW,轉(zhuǎn)速 n1=1440r/min,大帶輪輸出轉(zhuǎn)速 n2=720r/min （1）總體傳動比 ： 3-3i01427wn （2）傳動裝置的運動和動力參數(shù)計算 軸： 3-405.Pk014/minnr 3-5 3005.9. 6.5TN 軸： = 3-61.9.4kw 3-70472/minnri 3-8 3115.109.572.PTN （3）故定最小軸徑 3-9mdd 384.09.80.80電 機 所以選取聯(lián)軸器軸孔 1電 機 d52 7 圖 3-3 聯(lián)軸器示意圖 第 4 章 泥漿泵主要零部件的設(shè)計 4.1 帶傳動設(shè)計 輸出功率 P=5.5kW,轉(zhuǎn)速 n1=1440r/min,n2=720r/min 計算設(shè)計功率 Pd edAdPK 表 4 工作情況系數(shù) AK 原動機 類 類 一天工作時間/h 工作機 10 1016 1601016 16 載荷 平穩(wěn) 液體攪拌機；離心式水泵； 通風(fēng)機和鼓風(fēng)機（ ） ；離心式壓縮機；7.5kW 輕型運輸機 1.0 1.1 1.2 1.1 1.2 1.3 載荷 變動小 帶式運輸機（運送砂石、 谷物） ，通風(fēng)機 （ ） ；發(fā)電機；旋.k 轉(zhuǎn)式水泵；金屬切削機床； 剪床；壓力機；印刷機； 振動篩 1.1 1.2 1.3 1.2 1.3 1.4 8 載荷 變動較 大 螺旋式運輸機；斗式上料 機；往復(fù)式水泵和壓縮機； 鍛錘；磨粉機；鋸木機和 木工機械；紡織機械 1.2 1.3 1.4 1.4 1.5 1.6 載荷 變動很 大 破碎機（旋轉(zhuǎn)式、顎式等） ； 球磨機；棒磨機；起重機； 挖掘機；橡膠輥壓機 1.3 1.4 1.5 1.5 1.6 1.8 根據(jù) V 帶的載荷平穩(wěn)，兩班工作制（16 小時） ，查機械設(shè)計P 296表 4， 取 KA1.1。即 1.56.05kWdAedPK 4.2 選擇帶型 普通 V 帶的帶型根據(jù)傳動的設(shè)計功率 Pd 和小帶輪的轉(zhuǎn)速 n1 按機械設(shè)計 P297 圖 1311 選取。 根據(jù)算出的 Pd6.05kW 及小帶輪轉(zhuǎn)速 n11440r/min ，查圖得： dd=80100 可知應(yīng)選取 A 型 V 帶。 4.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑并驗證帶速 初步選擇 dd1=140mm ddmin.=75 mm（d d1根據(jù) P295表 13-4 查得） 表 3 V 帶帶輪最小基準(zhǔn)直徑 mind 槽型 Y Z A B C D Emind 20 50 75 125 200 355 500 9 21 240=140=8m7ddi所 以 由機械設(shè)計P 295表 13-4 查“V 帶輪的基準(zhǔn)直徑” ，得 =280mm2d 誤差驗算傳動比： （ 為彈性滑動2180=.48()4(12%)di誤 率） 誤差 符合要求12.08%5i誤 帶速 141v=9./606dnms 滿足 5m/sv300mm，所以宜選用 E 型輪輻式帶輪。 總之，小帶輪選 H 型孔板式結(jié)構(gòu)，大帶輪選擇 E 型輪輻式結(jié)構(gòu)。 帶輪的材料：選用灰鑄鐵，HT200。 11 4.7 帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計 帶輪的材料 常用的 V 帶輪材料為 HT150 或 HT200，轉(zhuǎn)速較高時可以采用鑄鋼或鋼板沖 壓焊接而成，小功略時采用鑄鋁或塑料。 帶輪結(jié)構(gòu)形式 V 帶輪由輪緣、輪輻和輪轂組成，根據(jù)輪輻結(jié)構(gòu)的不同可以分為實心式 （機械制圖圖 8-14a） 、腹板式（機械制圖圖 8-14b） 、孔板式（機械 制圖圖 8-14c） 、橢圓輪輻式（機械制圖圖 8-14d） 。V 帶輪的結(jié)構(gòu)形式與 基準(zhǔn)直徑有關(guān)，當(dāng)帶輪基準(zhǔn)直徑 （d 為安裝帶輪的軸的直徑，mm）時。d5.2 可以采用實心式，當(dāng) 可以采用腹板式，md30 時可以采用孔板式，當(dāng) 時，可以Dmd1,301同 時 md30 采用輪輻式。 帶輪寬度： 。fezB129)5(2)( D=90mm 是深溝球軸承 6210 軸承外徑，其他尺寸見帶輪零件圖。 V 帶輪的論槽 V 帶輪的輪槽與所選的 V 帶型號相對應(yīng)，見機械制圖表 8-10. d 與 相對應(yīng)得 槽 型 dbminahinfeminfo32o4o36o8 B 14.0 3.50 10.8 4.01911. 5 019 019 V 帶輪的輪槽與所選的 V 帶型號 V 帶繞在帶輪上以后發(fā)生彎曲變形，使 V 帶工作面夾角發(fā)生變化。為了使 V 帶的工作面與大論的輪槽工作面緊密貼合，將 V 帶輪輪槽的工作面得夾角做 成小于 。o40 12 V 帶安裝到輪槽中以后，一般不應(yīng)該超出帶輪外圓，也不應(yīng)該與輪槽底部 接觸。為此規(guī)定了輪槽基準(zhǔn)直徑到帶輪外圓和底部的最小高度 。minifah和 輪槽工作表面的粗糙度為 。2.36.1R或 V 帶輪的技術(shù)要求 鑄造、焊接或燒結(jié)的帶輪在輪緣、腹板、輪輻及輪轂上不允許有沙眼、 裂縫、縮孔及氣泡；鑄造帶輪在不提高內(nèi)部應(yīng)力的前提下，允許對輪緣、凸臺、 腹板及輪轂的表面缺陷進(jìn)行修補；轉(zhuǎn)速高于極限轉(zhuǎn)速的帶輪要做靜平衡，反之 做動平衡。其他條件參見 中的規(guī)定。921.357TGB 對帶輪的主要要求是質(zhì)量小且分布均勻、工藝性好、與帶接觸的工作表面加 工精度要高，以減少帶的磨損。轉(zhuǎn)速高時要進(jìn)行動平衡，對于鑄造和焊接帶輪 的內(nèi)應(yīng)力要小, 帶輪由輪緣、腹板（輪輻）和輪轂三部分組成。帶輪的外圈環(huán) 形部分稱為輪緣，輪緣是帶輪的工作部分，用以安裝傳動帶，制有梯形輪槽。 由于普通 V 帶兩側(cè)面間的夾角是 40，為了適應(yīng) V 帶在帶輪上彎曲時截面變形 而使楔角減小，故規(guī)定普通 V 帶輪槽角 為 32、34、36、38（按帶的 型號及帶輪直徑確定） ，輪槽尺寸見表 7-3。裝在軸上的筒形部分稱為輪轂，是 帶輪與軸的聯(lián)接部分。中間部分稱為輪幅（腹板） ，用來聯(lián)接輪緣與輪轂成一整 體。 表 普通 V 帶輪的輪槽尺寸（摘自 GB/T13575.1-92） 槽型 項目 符號 Y Z A B C D E 基準(zhǔn)寬度 b p 5.3 8.5 11.0 14.0 19.0 27.0 32.0 基準(zhǔn)線上槽深 h amin 1.6 2.0 2.75 3.5 4.8 8.1 9.6 基準(zhǔn)線下槽深 h fmin 4.7 7.0 8.7 10.8 14.3 19.9 23.4 槽間距 e 8 12 15 19 25.5 37 44.5 13 0.3 0.3 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 第一槽對稱面 至端面的距離 f min 6 7 9 11.5 16 23 28 最小輪緣厚 5 5.5 6 7.5 10 12 15 帶輪寬 B B =( z -1) e + 2 f z 輪槽數(shù) 外徑 d a 32 60 - - - - - - 34 - 80 118 190 315 - - 36 60 - - - - 475 600 38 對應(yīng)的 基準(zhǔn)直 徑 d d - 80 118 190 315 475 600 輪 槽 角 極限偏差 1 0.5 V 帶輪按腹板（輪輻）結(jié)構(gòu)的不同分為以下幾種型式： （1） 實心帶輪：用于尺寸較小的帶輪(dd(2.53)d 時)，如圖 7 -6a。 （2） 腹板帶輪：用于中小尺寸的帶輪(dd 300mm 時)，如圖 7-6b。 （3） 孔板帶輪：用于尺寸較大的帶輪(ddd) 100 mm 時)，如圖 7 -6c 。 （4） 橢圓輪輻帶輪：用于尺寸大的帶輪(dd 500mm 時)，如圖 7-6d。 根據(jù)設(shè)計結(jié)果，可以得出結(jié)論：小帶輪選擇實心帶輪，如圖（a）,大帶輪選 擇腹板帶輪如圖（b） （a） （b） （c） （d） 圖 7-6 帶輪結(jié)構(gòu)類型 4.8 確定帶的張緊裝置 選用結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便的定期調(diào)整中心距的張緊裝置。 14 4.9 計算壓軸力 由機械設(shè)計P303 表 1312 查得，A 型帶的初拉力 F0149.67N，上 面已得到 =153.36o，z=3，則1a153.72sin=649.sinN=89.12ooFz 行星齒輪傳動的配齒計算 1、傳動比的要求傳動比條件 即 =1+ /baHiza 可得 1+ / =63/5=21/5=4.2 =b baHi 所以中心輪 a 和內(nèi)齒輪 b 的齒數(shù)滿足給定傳動比的要求。 2、保證中心輪、內(nèi)齒輪和行星架軸線重合同軸條件 為保證行星輪 與兩個中心輪 、 同時正確嚙合，要求外嚙合齒輪 agzazb g 的中心距等于內(nèi)嚙合齒輪 bg 的中心距，即 = w(a)g()w 稱為同軸條件。 對于非變位或高度變位傳動，有 m/2( + )=m/2( - )azgbzg 得 = - /2=63-15/2=24b 3、保證多個行星輪均布裝入兩個中心輪的齒間裝配條件 想鄰兩個行星輪所夾的中心角 =2/Hwn 中心輪 a 相應(yīng)轉(zhuǎn)過 角， 角必須等于中心輪 a 轉(zhuǎn)過 個（整數(shù)）齒所對1 的中心角， 即 = *2/1az 式中 2/ 為中心輪 a 轉(zhuǎn)過一個齒（周節(jié)）所對的中心角。az =n/ = / =1+ /piHn1ba 將 和 代入上式，有 1H 2* / /2/ =1+ /azwnbza 經(jīng)整理后 = + =（15+63）/2=24azb 15 滿足兩中心輪的齒數(shù)和應(yīng)為行星輪數(shù)目的整數(shù)倍的裝配條件。 4、保證相鄰兩行星輪的齒頂不相碰鄰接條件 在行星傳動中，為保證兩相鄰行星輪的齒頂不致相碰，相鄰兩行星輪的中 心距應(yīng)大于兩輪齒頂圓半徑之和，如圖 12 所示Re 圖 5-1 行星齒輪 可得 l=2 * wasin(180/)ow(agd l=2*2/m*( + )*sin =39 /2mazg60o3 =d+2 =17m()agdh 滿足鄰接條件。 (三)行星齒輪傳動的幾何尺寸和嚙合參數(shù)計算 按齒根彎曲強度初算齒輪模數(shù) m 齒輪模數(shù) m 的初算公式為 m= 2311li/AFPadFKTYz 式中 算數(shù)系數(shù)，對于直齒輪傳動 =12.1；m mK 嚙合齒輪副中小齒輪的名義轉(zhuǎn)矩，N*m ； 1T = / =9549 / n=95490.15/31600=0.2984N*mawn1w 使用系數(shù)，由參考文獻(xiàn)二表 67 查得 =1；AK A 16 綜合系數(shù)，由參考文獻(xiàn)二表 65 查得 =2；FK FK 計算彎曲強度的行星輪間載荷分布不均勻系數(shù)，由參考文獻(xiàn)二P 公式 65 得 =1.85； 小齒輪齒形系數(shù)，1FaY 圖 622 可得 =3.15；，1Fa 齒輪副中小齒輪齒數(shù)， = =15；1z1za 試驗齒輪彎曲疲勞極限， 按由參考文獻(xiàn)二圖 6limF2*Nm 26630 選取 =120li 2* 所以 m= =12.12311lim/mAFPadFKTYz30.2984.50.85 =0.658 取 m=0.9 1）分度圓直徑 d =m* =0.915=13.5mm()az =m* =0.924=21.6mm()g() =m* =0.963=56.7mm()bd()z 2) 齒頂圓直徑 a 齒頂高 ：外嚙合 = *m=m=0.9h1a*h 內(nèi)嚙合 =（ - ）*m=(1-7.55/ )*m=0.792 2 2z = +2 =13.5+1.8=15.3mm()ad()a = +2 =21.6+1.8=23.4mm()g()h = -2 =56.7-1.584=55.116mm()abd()a 3) 齒根圓直徑 f 齒根高 =（ + ）*m=1.25m=1.125fh*ac = -2 =13.5-2.25=11.25mm()fd()f 17 = -2 =21.6-2.25=19.35mm()fgd()fh = +2 =56.7+2.25=58.95mm()fb()f 4）齒寬 b 參考三表 819 選取 =1d = * =113.5=13.5mm()ad()a = *+5=13.5+5=18.5mm()b =13.5+(5-10)=13.5-5=8.5mm() 5) 中心距 a 對于不變位或高變位的嚙合傳動，因其節(jié)圓與分度圓相重合，則嚙合 齒輪副的中心距為： 1、ag 為外嚙合齒輪副 =m/2( + )=0.9/2(15+24)=17.55mmazg 2、bg 為內(nèi)嚙合齒輪副 =m/2( + )=0.9/2(63-24)=17.55mmab 中心輪 a 行星輪 g 內(nèi)齒圈 b 模數(shù) m 0.9 0.9 0.9 齒數(shù) z 15 24 63 分度圓直徑 d 13.5 21.6 56.7 齒頂圓直徑 a15.3 23.4 54.9 齒根圓直徑 fd11.25 19.35 58.95 齒寬高 b 18.5 18.5 8.5 中心距 a =17.55mm =17.55mm ag bga （四）行星齒輪傳動強度計算及校核 1、行星齒輪彎曲強度計算及校核 18 （1）選擇齒輪材料及精度等級 中心輪 a 選選用 45 鋼正火，硬度為 162217HBS，選 8 級精度，要求齒面 粗糙度 1.6R 行星輪 g、內(nèi)齒圈 b 選用聚甲醛（一般機械結(jié)構(gòu)零件，硬度大，強度、鋼性、 韌性等性能突出，吸水性小，尺寸穩(wěn)定，可用作齒輪、凸輪、軸承材料）選 8 級精度，要求齒面粗糙度 3.2。aR （2）轉(zhuǎn)矩 1T = / =9549 / n=95490.15/31600=0.2984N*m=298.4N*mm；awn1Pw （3）按齒根彎曲疲勞強度校核 由參考文獻(xiàn)三式 824 得出 如 【 】則校核合格。FF （4）齒形系數(shù) FY 由參考文獻(xiàn)三表 812 得 =3.15， =2.7， =2.29；FaYFgFbY （5）應(yīng)力修正系數(shù) s 由參考文獻(xiàn)三表 813 得 =1.49， =1.58， =1.74；sasgsb （6）許用彎曲應(yīng)力 F 由參考文獻(xiàn)三圖 824 得 =180MPa， =160 MPa ；lim1Flim2F 由表 89 得 =1.3 由圖 825 得 = =1；s1NY2 由參考文獻(xiàn)三式 814 可得 = * / =180/1.3=138 MPa1FNYlim1F = * / =160/1.3=123.077 MPa2li2s =2K /b * =(21.1298.4/13.5 15)3.151.491FTmazFsa 20.9 =18.78 Mpa1.3 3、有關(guān)系數(shù)和接觸疲勞極限 （1）使用系數(shù) AK 查參考文獻(xiàn)二表 67 選取 =1AK （2）動載荷系數(shù) V 查參考文獻(xiàn)二圖 66 可得 =1.02V （3）齒向載荷分布系數(shù) HK 對于接觸情況良好的齒輪副可取 =1H （4）齒間載荷分配系數(shù) 、HaF 由參考文獻(xiàn)二表 69 查得 = =1.1 = =1.21HaKF2HaKF （5）行星輪間載荷分配不均勻系數(shù) p 由參考文獻(xiàn)二式 713 得 =1+0.5（ -1）HHp 由參考文獻(xiàn)二圖 719 得 =1.5 pK 20 所以 =1+0.5（ -1）=1+0.5（1.5-1）=1.251HpKHp 仿上 =1.752 （6）節(jié)點區(qū)域系數(shù) HZ 由參考文獻(xiàn)二圖 69 查得 =2.06HZ （7）彈性系數(shù) E 由參考文獻(xiàn)二表 610 查得 =1.605E （8）重合度系數(shù) Z 由參考文獻(xiàn)二圖 610 查得 =0.82Z （9）螺旋角系數(shù) = =1Zcos （10）試驗齒的接觸疲勞極限 limH 由參考文獻(xiàn)二圖 611圖 615 查得 =520MpalimH （11）最小安全系數(shù) 、limHSliF 由參考文獻(xiàn)二表 6-11 可得 =1.5、 =2limHSlimHF （12）接觸強度計算的壽命系數(shù) NTZ 由參考文獻(xiàn)二圖 611 查得 =1.38 （13）潤滑油膜影響系數(shù) 、 、LVR 由參考文獻(xiàn)二圖 617、圖 618、圖 619 查得 =0.9、 =0.952、 =0.82LZVRZ （14）齒面工作硬化系數(shù) w 由參考文獻(xiàn)二圖 620 查得 =1.2wZ （15）接觸強度計算的尺寸系數(shù) x 由參考文獻(xiàn)二圖 621 查得 =1x 21 所以 = =2.061.6050.8210H1/EtZFdbu =2.95 32.65. = =2.95 =3.51H012AVHaPK1.02.15 = =2.95 =4.322 7 = *Hplimli/HS =520/1.3NTLVRwxZ 1.380.90.950.82 1.21=464.4 所以 齒面接觸校核合格Hp 4.10 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算 軸的強度計算 （1）軸的受力分析 由軸的初步結(jié)構(gòu)圖可知軸為一簡支梁結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)矩，其受力分析圖如下 （2）由前面計算知 ， ， ，mNT39.1 mNT67.12 mNT06.82336591 ，dFt 12748.031dFt 5206.2901323Nntr 8659costan/a 22 NFntr 207136591costan/a3 tat2741t a503 （3）求支座反力 鉛直面支座反力： 31rBVAFF0865.423rr 解聯(lián)立方程得： , NAV92. NFBV08.173 水平面支座反力： 031BHttAHFF865.4231ttB 解聯(lián)立方程得： , NAH59.NFBH41.5 （4）計算彎矩和扭矩 鉛直面彎矩： ，mFMAVCV36105. mMBVD830 水平面彎矩： ，mNFMAHC4765. mNFMBHD19804 23 總彎矩： mNMC 36407361022D1598 扭矩： mNT17602 24 當(dāng)量彎矩： 單向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩為脈動循環(huán)，取 6.0mNT106276.0TMcec472D2 （5）分別校核 C 點和 D 點截面mMdbcec 36.2751.041.033bDe.331 因為實際軸徑遠(yuǎn)大于計算軸徑，且兩軸承跨度也不大，所以剛度也足夠。 4.10.1 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算 （1）電機功率 kwP5. （2）軸傳扭矩 3-515.9036.2140TNmn （3）軸的直徑計算 3-523305.12640PdAmn 25 4.10.2 按剛度條件計算 max 經(jīng)查表得鑄鐵剪切彈性模量 所以PG910455. 3-53265.014.3828324294 Td 所以轉(zhuǎn)子軸最小直徑取 D=35 4.10.3 精確校核軸的疲勞強度 （1）判斷危險截面 從應(yīng)力集中對軸的疲勞強度影響來看。截面處的過盈配合引起的應(yīng)力集 中最嚴(yán)重；從受載的情況來看，截面和之間上的應(yīng)力大，但應(yīng)力集中不打， 而且這里軸的直徑最大，所以不用校核，因而該軸只需校核截面左右兩側(cè)即 可。 軸的結(jié)構(gòu)與裝配如下圖： （2）截面的左側(cè) 抗彎截面系數(shù) 3-543336401.0. mdW 抗扭截面系數(shù) 3-5533328.2.T 彎矩 M 及彎曲應(yīng)力為 3-56mN1795.67098 3-57PaWb024 扭矩 T 及扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 N182 3-58MPaT41.0 26 軸的材料為 45，正火處理。查得 ， ，MPaB70Pa2301MPa187 截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù) 和 ，因 ，031.652dr ，經(jīng)查得 ， 可得軸的材料的敏系數(shù)為08.1657dD2a31. ，2q5. 過盈配合處的 值，由表查出取 3.16k 3-5953.216.80k 軸按磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)為 92.0 故綜合系數(shù)為 3-605.3192.06.31kK 3-616.5. 所以軸在截面左側(cè)的安全系數(shù)為 3-6204.18.89.32501 maKS 3-635.7.6.11a 3-64.801.4.8222Sc 5.1ca 所以截面左側(cè)強度足夠 （2）截面右側(cè) 抗彎截面系數(shù) 3-543331250.01. mdW 27 抗扭截面系數(shù) 3-55333250.02. mdWT 截面右側(cè)的彎矩為 3-56NM179.8679 截面右側(cè)的扭矩 mNT12 截面上的彎曲應(yīng)力 3-57MPaWb83.15079 截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 3-65pTb72. 故有效應(yīng)力集中系數(shù)為 3-6682.182.011aqk 3-67635 軸表面未經(jīng)表面強化處理，即 ，得綜合系數(shù)值為q 3-688.219.067.821kK 3-696. 計算安全系數(shù)為 3-7079.160.86.4231 maKS 3-718.24.57.1a 3-721.08.29.612Sc 5.1ca 28 故該截面右側(cè)的強度也足夠。 4.11 軸承選取設(shè)計計算 4.11.1 軸承的設(shè)計參數(shù) 軸承類型 深溝球軸承 軸承型號 6310 軸承內(nèi)徑 d=50 (mm) 軸承外徑 D=110 (mm) B(T)=27 基本額定動載荷 C=47500 (N) 基本額定靜載荷 Co=35600 (N) 極限轉(zhuǎn)速(油) 7500 (r/min) 4.11.2 軸承的當(dāng)量動載荷計算 軸承類型：深溝球軸承 （1）計算徑向載荷和軸向載荷 3-73kwP5.140/minnrd50 3-74.90182TNm 3-75dFt .72582 3-76ntr 54.689.034cosa 3-77NFta .18.72 徑向載荷 Fr = 268.54(N) 軸向載荷 Fa = 140.55(N) 額定靜載荷 Co =35600(N) 徑向載荷系數(shù) X = 0.4 （2）計算當(dāng)量動載荷 3-78039.356.140CFA 29 3-79523.04.681rAF 3-80NYXfPArd 3-81NnLfCht 51381029640213636 所以 故符合要求 （3）壽命校核 額定動載荷 C = 47500(N) 當(dāng)量動載荷 P = 402(N) 軸承轉(zhuǎn)速 n = 2900(r/min) 工作溫度 T =20() （溫度系數(shù) ft = 1） 要求壽命 Lh = 4500(h) 計算壽命 Lh = =16122(h) 3-82 PCfnt60 所以 軸承壽命合格hL 4.12 鍵的選擇、鍵的校核 查機械設(shè)計手冊表 6-1 選擇軸 上的鍵，根據(jù)軸的直徑 ， 302d 鍵的尺寸選擇 ，鍵的長度 L 取 22。主軸處鍵的選擇同上，78取鍵 高鍵 寬 hb 鍵的尺寸為 ，鍵的長度 L 取 100。162取鍵 高鍵 寬 7