雙介質并聯泵送裝置的設計計算＊

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

（衢州學院機械工程學院，浙江 衢州 324000）

0 前言

隨著科技的高速進步，離心泵作為一種通用機械，已廣泛應用于化工生產、水力發電、城市送水、農業灌溉、食品制藥和醫學研究等各行各業。離心泵運行時的穩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需求。

在食品加工和化工生產領域，經常需要兩種介質或多種介質同時進行混合，或在一定壓力及流量要求下進行混合，實現各種生產加工需求，會使用離心泵進行輸送液體或對液體進行增壓反應。然而，傳統的離心泵只支持單介質的輸送，多種介質混合就需要多臺離心泵同時運行方可完成目標，加大了實際操作難度和能耗，且難以實現混合配比需求。本次設計了一種雙介質并聯泵送裝置[1-5]，兩個離心泵由同一電機驅動，單軸并行實現雙介質輸送，易于操控實現精確配比。

1 總體方案的確定

雙介質并聯泵送裝置主要由電機、聯軸器、齒輪傳動機構、離合分控機構和離心泵等構成。如圖1所示，電機的驅動力經聯軸器傳遞到齒輪傳動機構，齒輪傳動機構中的三個錐齒輪呈90°角嚙合，將電機軸上的動力經左右兩個對稱的兩個離合分控機構傳遞到兩個離心泵軸上，控制兩個離心泵工作，實現雙介質同時輸送。

圖1 雙介質輸送并行離心泵

2 齒輪傳動機構的設計

2.1 電機的選型計算

雙介質并聯泵送裝置的輸送設備選用ISW80-160型離心泵，該離心泵為臥式離心泵，流量為50m3，揚程為32m，轉速達到2 900r/min。根據離心泵的工作要求和條件，電機功率計算公式如下：

式中：T為轉矩；η為總效率；n為轉速。

離心泵葉輪轉矩T為26N·m，總效率η為0.91，計算得電機的功率P為8.7kW。可以選用Y系列三相異步電動機，查電動機參數表，確定選用電動機型號為Y160M1-2，其滿載轉速為2 930r/min，電動機功率為11kW。

2.2 齒輪傳動機構的設計計算

雙介質并聯泵送裝置的齒輪傳動機構采用錐齒輪傳動，用于傳遞電機軸與離心泵軸之間的運動與力作用，不改變運動速度，因此，錐齒輪的主動輪與從動輪之間的傳動比i=1。兩錐齒輪的交角基本等于90°，所以兩從動軸處于共線放置，與主動軸成90°的夾角。

2.2.1 齒輪的設計

1）確定許用應力：由于傳動比為1，三個錐齒輪的齒數相同，齒輪選用材料為40Cr，調質處理后硬度為241HBW～286HBW。查閱齒輪手冊得，齒面接觸應力σHlim=720MPa，輪齒彎曲疲勞極限應力σFE=590MPa。按無限壽命計算，接觸疲勞壽命系數KHN=0.95；彎曲疲勞壽命系數KFN=0.9；取最小安全系數SHlim=1.1，SFlim=1.3，計算得[σH]=621.82MPa，[σF]=431.15MPa。

2）錐齒輪的主要參數：齒輪傳動機構采用標準直齒錐齒輪，錐齒輪大端模數m=4mm，齒數Z=20，分度圓直徑d=80mm；錐角δ1=δ2=45°；錐距R=57.98mm；齒寬中點處分度圓直徑dm=60.970 5mm；精度等級選擇8級精度。最后按齒根彎曲疲勞強度設計，校核齒根彎曲疲勞強度符合設計要求。

2.2.2 軸的結構設計

由于錐齒輪傳動主要起換向作用，兩個從動錐齒輪呈對稱布置，兩根從動軸分別與離合分控機構相連，驅動離心泵進行工作或停止。下面從動軸為例，進行結構設計。從動軸設計為階梯軸的形式，如圖2所示。從動軸的左側連接錐齒輪，采用滑動軸承作為支撐，端蓋支撐內圈與軸為鍵連接，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 從動軸簡圖

2.2.3 聯軸器的選擇

電機軸與齒輪傳動機構的主動軸采用聯軸器連接，本次設計的雙介質并聯泵送裝置要求保證兩軸具有較高的對中精度、傳遞載荷平穩，傳遞轉矩大，傳動精度要求較高，選用凸緣聯軸器較合適。由于傳動裝置載荷均勻且變化較小，選擇聯軸器工況系數K=1.3。根據轉速要求n=2 900r/min，可選用YLD4型的凸緣聯軸器。

3 離合分控機構的設計計算

離合分控機構一端連接齒輪傳動機構，另一端連接離心泵，是控制離心泵的工作和停止的核心機構。離合分控機構的結構如圖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構的重要組成部分，通過手動撥動撥桿，實現牙嵌式離合器的接合與脫開，達到控制離心泵工作和停止的目的，而限位卡扣在撥動撥桿使離心泵停止工作時可以鎖住撥桿位置，確保離合器處于脫開狀態防止自動復位，保證離心泵停止工作；若要實現離合器接合，必須向另一側手動撥動撥桿才能復位，使得離合器的接合與分斷更加安全可靠。采用兩套離合分控機構可以單獨控制兩臺離心泵，實現另一離心泵的單獨工作或者同時工作。

圖3 離合控制機構

3.1 牙嵌式離合器的設計

1）牙嵌式離合器基本參數：牙嵌式離合器用于齒輪傳動機構與離心泵的接合與斷開。本次設計的牙嵌式離合器采用螺旋型牙齒，與牙嵌式離合器結合的泵軸軸徑d為25mm，查閱機械設計手冊求得牙嵌式離合器的牙齒外徑D=（1.53）d，根據外部尺寸要求，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機構中從動軸軸徑和泵軸軸徑，取離合器的軸徑為25mm；牙齒內徑D1=（0.7～0.75）D，D1的取值范圍為35mm～37.5mm。這里取牙齒內徑為35mm。

2）牙齒平均直徑Dp：

將牙齒外徑D和D1代入計算后，Dp為42.5mm。

3）牙齒平均寬度b：

代入后計算得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z：

其中：n0為接合前，兩個半離合器的轉速差，這里取n0=200r/min；t為最大接合時間，一般t=（0.05～0.1）s。代入后計算z的取值為3≤z≤6，取牙齒齒數z為4。計算牙齒牙數則取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合面的擠壓磨損和牙齒的折斷。牙齒工作面的擠壓應力計算公式為：

其中：KA為工作情況系數，在載荷平穩時，在1.0～1.3之間，Tc為公稱轉矩。Dp牙齒平均直徑；Z′是計算牙齒齒數；A為接觸面面積，A=bh。

將上述參數代入后計算得σp≈32.48 MPa。由于本次設計的牙嵌式離合器要求較高轉速狀態下接合，查機械設計手冊得許用擠壓應力[σp]≤35MPa～45MPa，所以取牙齒齒數Z為4時，符合強度校核要求。

3.2 撥桿的設計計算

撥桿是離合分控機構的操縱部件，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半離合器的凹槽內，手柄部分通過銷軸連接在外殼上，可以轉動。撥動手柄時，帶動U型撥叉左右移動實現離合器的接合與分離。

撥桿在撥動時，以銷軸為支點，受到手的推力F1、預緊彈簧的阻力F2和轉軸的支撐力F共三個力的作用，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，撥桿撥動的極限角度β=10.41。 。根據力矩平衡原理可知F1×(L1+L2)=F2×L3。若操作撥桿的推力為40N，則30N力用于克服下面預緊彈簧阻力，10N的力用于克服限位卡扣彈簧阻力。代入計算得預緊彈簧的阻力F2≈37.84N。由于預緊彈簧被壓縮的長度L4為10mm，可計算出預緊彈簧剛度k為3 784N·m。

圖4 撥桿受力圖

1）預緊彈簧的有效圈數n：在牙嵌離合器中，預緊彈簧選用圓柱螺旋壓縮彈簧，其有效圈數n計算公式為：

2）預緊彈簧的自由長度H0：預緊彈簧自由高度H0的計算公式為：

式中：有效圈數n=3，節距t=12.16mm。將已知條件代入求得H0=3×12.16=36.48mm。

3.3 限位卡扣的設計計算

操作撥桿移動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行限位，防止撥桿自動復位。限位卡扣由外殼上的固定限位塊和隨撥桿轉動后進行限位的活動限位塊兩部分組成。限位卡扣的轉動軌跡如圖5所示。固定限位塊與轉動限位塊之間裝有扭轉彈簧，通過扭轉彈簧給撥桿施加一個相反的力，卡住撥桿不使其自動復位，保持牙嵌式離合器處于脫開狀態。

圖5 限位彈簧卡扣轉動軌跡

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

由于L42=8mm，限位卡扣的扭矩計算得T=F3×L42=101.92×8=815.36Nmm，根據限位卡扣的設計結構要求，扭轉彈簧的轉動角度α=26°，扭簧系數K=31.36Nmm/deg。因此，選用開角為180°，扭簧系數K為31.36Nmm/deg的扭簧。

圖6 撥桿限位受力分析圖

4 結論

通過查閱文獻，對雙介質泵送裝置的電機、齒輪傳動機構和離合分控機構的牙嵌式離合器及撥桿進行了設計計算和校核，為確定雙介質泵送裝置外構件的選型、零部件的強度校核提供了技術依據。雙介質泵送裝置滿足了同時輸送兩種介質的需求，因此，在食品加工、化工生產等領域能夠廣泛推廣應用。