课题名称

100MPa超高压微流量泵的设计

院 （系）

机械与动力工程学院

专 业

过程装备与控制工程

姓 名

徐高山

学 号

1201110423

起讫日期

2014年12月-2015年6月

指导教师

周勇军

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

一、泵的概述

1.1泵的分类

根据作用原理和结构特点的不同，该标准对130种泵和22种泵组的型式给予了确认，同时根据工作腔型式及工作腔与泵进、出口的连通方式又将泵划分为动力泵和容积泵两大类。根据作用于流体介质上力的形式，将动力泵分为叶片泵、电磁泵和摩擦泵;根据流体介质的运动方向分为离心泵、混流泵、轴流泵、离心旋涡泵、旋涡泵、自由旋涡泵、斗式泵、斜盘泵、园盘泵、振动泵、诱导螺旋泵和喷射泵;根据工作部件的型式分为闭式流道旋涡泵、开式流道旋涡泵、固定叶片泵、可调叶片泵、迷宫泵和蜗杆泵;根据流体导出部件的型式分为螺旋形压出室泵、半螺旋形压出室泵、环形压出室泵、双涡壳泵和导叶式泵;根据叶轮的结构分为闭式叶轮泵和开式叶轮泵。该标准还按具体的结构特征对泵的型式进行了分类:根据轴的安放方向、工作部件的旋转或运动方向分为卧式泵和立式泵;根据工作部件和支承结构的安放位置分为悬臂泵、单体泵、可抽支承泵和内置支承泵;根据泵的吸入口位置分为侧向吸人泵、轴向吸人泵、双向吸人泵;根据泵的级数分为单级泵、两级泵和多级泵;根据液流数分为单流泵、双流泵和多流泵;根据泵壳的结构和剖分型式分为节段泵、端面剖分泵和轴向剖分泵、双壳体泵、带保护壳体泵和带内衬壳体泵;根据泵的放置方式分为潜液泵、深井泵和带传动轴泵;根据泵的运转条件分为可逆转泵、往复泵、可调泵、定量泵和手动泵;根据吸人条件分为自吸泵、带前置级泵和带诱导轮泵;根据泵和周围介质间的关系分为密封泵、防爆泵、低噪声泵、低磁性泵和抗冲击泵;根据被输送介质保持温度的必要性分为加热泵和冷却泵;根据泵的安装位置分为固定式泵、可移动泵和机内泵^［1］。

1.2几种新型的往复泵

1.2.1、凸轮机构往复泵：以凸轮传动机构为动力端的恒流量无压力波动的往复泵结构如图1所示，

该泵动力端采用特殊廓线的凸轮传动机构取代传统往复泵动力端的曲柄连杆机构，3个凸轮以相位角2∏/3装在传动轴上，每个凸轮与通过凸轮中心水平布置两个直径相同的滚轮对滚，两滚轮中心距为定值，其中一滚轮为复位滚轮，另一滚轮连接介杆、柱塞等往复运动件。随着凸轮转动，带动复位框架、介杆、柱塞等运动件作往复运动，从而完成吸排液过程。

1.2．2液压驱动往复泵

与机械传动往复泵一样，液压驱动往复泵按缸数可分为单缸、双缸和多缸等，按作用形式分有单作用和双作用等。

1.2．3. 单缸双作用液压驱动往复泵

液压驱动的单缸双作用往复泵的动力端以液压泵和液压缸代替了机动往复泵的动力机和曲柄连杆机构。

理想状况下，单缸双作用液压驱动往复泵的理想流量图如图2所示。在平稳段，泵流量基本恒定，而在换向段，由于活塞速度要经历从定值到零，再从零到定值的过程，使得泵流量发生较大波动，因此，需要在泵的出口安装稳压器来减少流量和压力的波动。同时，可以尽量加大泵的冲程，使得平稳均匀段相对变长。

1.2.4、双缸单作用液压驱动往复泵

双缸单作用液压驱动往复泵结构如图3所示。

通过换向控制系统调节两缸的活塞的运动规律，使一缸排出时另一缸吸入，并且使两缸衔接时泵流量尽量保持无波动流量曲线呈现图4所示的变化规律。

在图中，oabcd是泵缸1的流量变化过程，efghik是泵缸2的流量变化过程。在ab和hi段，活塞运动平稳，泵缸流量近似恒定.Ea和bh段是两缸流量盈加段，此时流量一般会发生波动。为了使得叠加结果尽量平稳，必须对换向控制系统精心设计^［2］。

1.2．5 高压往复泵

（1）．泵体采用整体锻造，流道内腔交汇处倒大圆角，降低局部应力，以承受脉动高压负载，并采用I-DEASOGL三维有限元应力分析软件进行强度校核，有效满足其耐疲劳破损要求。在液力端采用组合阀，结构先进、紧凑、体积减小;密封结构设计优化、密封阀组寿命高，整机易损件更换快捷。曲轴采用优质合金结构钢整体锻件，经调质处理和探伤检查;连杆采用铸钢件，大头轴瓦采用浇铸巴氏合金的铸钢件，卜字头销采用经渗碳处理的合金钢，连杆小头衬套及大头轴瓦采用油泵强制供油注滑。泵机组(减速机、电机、泵、润滑油系统)采用共用底座，安装精度高，减振性好，振动噪声小。采用硬齿面减速机，体积小噪音低，使用寿命长，采用高强度合金连杆，使动力端运行噪音降低。液缸体采用1 C r13，使其强度、耐腐蚀性优越于其他材料，使用寿命大大提高，增加了使用可靠性，连接螺栓采用耐高温高强度铬车目钢。采用变频传动技术，解决化工泵调量及节能运行问题。并对电机供风系统进行改进，以保证电机冷却及高效运行。在泵头与托架之间加一个水冷散热托架，托架壁内有夹层，通入冷却水进行冷却，再在托架的外侧加风冷散热筋，达到降温目的，使传动机座不会过热。传动机座温度降低到60℃以下。根据物料要求，在泵头外侧增加保温夹层，在开泵之前，通入保温蒸把泵头温度上升到规定要求。开泵后可不再通入保温蒸汽。填料箱中设计一个通道，在起泵之前，通入保温蒸汽，在泵启动后，通过蒸气将泵泄漏出来的介质带走，集中回收容器中。填料采用耐温可达650℃，压力可达800 kg的TFA特殊材料。介质温度高，密封采用铜垫进行平面密封。泵进出口管道均设有缓冲器，使进出管线压力平稳，防止太大的波动，造动系统运行不稳^［3］ 。

（2）．泵的设计压力的确定

压力管道的爆破压力可按中径公式计算: ^［4］

1.3、往复泵的起动：检查回流支路阀是否处于开的状态，否则会引起泵损按下起动按钮，此时液体在泵内和回流支路间循环。然后打开吸入管路进口阀，接着逐渐打开排出管路出口阀，同时逐渐关小回流支路阀。若支路阀关得太快的话，泵内的压力急剧增大，噪音比正常时大而刺耳，此时应打开排出管路出口阀。总之出口阀与回流支路阀的调节应协同操作。若力量够大的话，可用右手握出口阀，左手握回流支路阀进行协同操作，直至出口阀完全打开，支路阀完全关闭，把液体输送到高压场所^［5］。

1.4、往复泵的节能特性：使用往复泵能否节约能源，目前还有争议。为了说明这一问题，首先来看往复泵在两次世界，源危机前后的发展情况。日本学者神田直在最近往复泵一文中，根据《机械工学年鉴》对1972-1981年的各类泵产量、产值及增长率进行了一次统计。统计结果表明:各类泵总产量在十年期间约增长了一倍书而往复泵在经过两次世界能源危机的冲击后，1978--1981年四年期间就增长了一倍半。换句话说，往复泵四年的增长率与各类泵十年的增长率相同。由于过去节能问题在经济发展中还没有那么突出，人们只注意到往复泵体积大、重量重、结构复杂等弱点，不愿采用往复泵，而宁愿采用其它效率低、体积小的泵。随着能源的目益紧张，节能已经势在必行，所以人们又开始重新认识往复泵的特点，并且真正看到了往复泵在节约能源方面能够发挥巨大作用，促使了往复泵的广泛应用，以致于往复泵增长速率的急剧上升。往复泵作为流体机械之一，它的节能途径也是多种多样的。然而不论那一种节能途径，归根结底就是要充分发挥往复泵的特长^［6］。

1.5．离心泵：离心泵主要由吸入室、排出管、叶轮和压出室等组成。当原动机通过轴驭动叶轮高速旋转时，叶轮上的叶片将迫使流体旋转，即叶片将沿其圆周切线方向对流体做功，使流体的压力能和动能增加。在叶轮出口的外缘附近，由于具有最高的圆周切线速度，固该处的流体将具有最高的压力能和动能。在惯性离心力和压差力的作用卜，流体将从叶轮出口外缘在排除，经压出室(蜗壳)、排出管、出口管道输送至目的地。同时，由于惯性离心力的作用，流体由叶轮出口排出，在叶轮中心形成流体空缺的趋势，即在叶轮中心形成低压区，在吸入短压力的作用卜，流体由吸入管经吸入室流向叶轮中心。当叶轮连续旋转时，流体液连续地被叶轮中心吸入，经叶轮外缘出口排出，形成离心泵连续输送流体的工作过程^［7］。

1．6 水泵：油田注水泵站工作性能的优劣是保证产油的重要环节，在开采过程中进行注水作业，提高油层压力，以实现油田的高产稳产。因此流量大、压力高的往复式注水泵必须昼夜不停地开泵注水，为了保证注水泵站的正常运转，避免现场噪声对工作人员身心影响，对注水泵进行状态监控及自动化控制非常有必要。国外在该领域的研究工作较多，其监控系统也比较成熟，但是价格昂贵，应用并不普及^［8］。

1.7．往复泵部分构件

(1).泵阀类型一般有平板阀和锥形阀，其中平板阀由于结构相对简单、加工方便、成本低，而被多数往复泵采用。此处采用平板阀，整个泵阀包括吸入阀和排出阀，主要由阀座、阀板、阀导向杆、弹簧等零件组成，图1和图2分别为阀座和阀板模型，图3所示为泵阀总装配三维模型，为了看清内部结构，模型部分作了透明处理^［9］。

(2).阀组件在往复泵的液力组件中是十分重要的零件(主要易损件之一)。它直接影响到泵的工作性能和使用寿命(国家标准中规定阀组寿命不低于300小时)。由于阀组件是在承受高速冲击、高负荷的工况下工作，阀及阀座易产生变形失效而失去了密封的作用。故要求零件除具有良好的综合机械性能外，还要有相对高的强度和硬度。在设计过程中，通常采用碳素结构钢、合金结构钢、马氏体不锈钢等材料，通过整体或局部淬火工艺就能达到使用要求。但对于防腐、防锈要求比较高的阀组件需采用奥氏体不锈钢材料， 如:ASTM304,ASTM304L,ASTM316,ASTM316L ,1Cr18Ni9Ti。其本身含碳量极低，无法采用常用的热处理方法提高阀口表面强度和硬度。(固溶处理后硬度为HRC 1720，达不到使用要求。)采用奥氏体不锈钢做阀、阀座基体材料、阀组密封面(阀口)堆焊司太立合金，可以达到以上要求。司太立合金的特性:优点是具有较高硬度和韧性，同时耐腐蚀，耐高温。缺点是焊接工艺复杂，且价格昂贵，为一般奥氏体不锈钢的2-3倍^［10］。

(3).金属活塞环：在实际应用过程中，许多工程师认为金属活塞环的密封原理是因为活塞环的外径大于缸径，利用金属活塞环的径向弹力进行密封，从本质上来说，这种密封原理为静密封，不是金属活塞环的密封原理。 金属活塞环的密封原理属于动密封原理，是因活塞的运动，金属活塞环才可以进行密封^［11］。

二．高压泵的部分应用

1.高压水射流：一项迅速崛起的新技术，广泛应用于清洗、除锈、切割等方面。高压水射流技术以水射流为中心，集液压、密封、材料、自动化控制等多学科为一体。近年来，随着大型、化智能化、专用化装备的发展，高压水射流技术渗透到各个应用领域，包括一般机械零件、建筑物的清洗到以管道、管束、容器为主的工业清洗;机场跑道除胶、船舶除锈;金属、非金属板材切割、曲面仿形切割;水力采煤、开采岩石;喷射注浆、破碎路面;无刀手术、水幕电影等等。自20世纪90年代中后期，水射流技术的一些高难度研究，诸如机器人多维水切割、水下切割、井喷管口切割、干冰切割等，主要都是围绕着水切割展开。近年来许多研究的成果表明:一个能根据实际需要自如地控制各种类型高压水射流特性，造福人类的时代己经到来，喷射技术己经成为一门独立的综合性的新学科。本文介绍一种新型高压水射流清洗机的设计^［12］。

2.永磁流体密封元件：成功用于大型引风机、送风机和水泵电机高速运转轴的油封，取得了良好效果。昆明发电机厂引风机参数:轴径了230 mm，转速960 r /min，线速度11. 9 m /s，压力为0. 1 MPa，介质为机油，到目前已经运转了6a。送风机参数:轴径了236 mm，转速1 460 r /min，线速度18 m /s，压力0. 1 MPa，介质为机油，运转至今无泄漏。大型电机参数:轴径了180 mm，转速2 980 r /min，线速度29. 8 m /s，压力0. 1 MPa，介质为机油，运转至今已小于30，甚至在10以下，属极低比转数泵。20世纪40年代，德国和英国开始研制旋喷泵。到20世纪有la，效果良好。该永磁流体密封元件还被成功用于云南玉溪卷烟厂、云南冶炼厂的大型引风机及四川成都钢厂轧机齿轮箱的轴密封^［13］。

永磁流体是一种新型的磁流体，但有关永磁流体的报导较少。人们对这种新型特种磁性材料的认识还不够，对其若干参数及性能的影响因素还有待进一步的研究和测试。70年代美国实现了这种泵的工业化生产。旋喷泵在国外的生产和使用已比较成熟^［14］。

三．高压泵设备面临的问题及措施应对

1.往复式柱塞泵的液压压力冲击问题：往复式柱塞泵由于其突出优点:泵送压力高、吸入性能好、效率高、适应输送介质广泛等，在石油开发、管道输煤、建筑领域、矿山开采等方面的应用越来越广泛。尤其在当今世界能源紧缺的形势下，液压驱动往复泵作为一种高效节能产品，在各行各业大有用武之地。但由于在工作过程中的频繁换向而造成液压冲击的影响，引发系统产生剧烈的振动和噪声，造成系统的瞬间压力峰值和温度升高，引起往复泵排除管内液体的压力和流量产生波动，导致了液压系统的主泵壳体破裂或吸、排液阀的过早损坏，降低工作可靠性，缩短其使用寿命，因而有必要对液压驱动往复泵换向过程中的液压冲击现象进行研究^［15］。

2.泵的汽蚀：离心泵的汽蚀是一个古老而又崭新的课题.在离心泵的汽蚀分析中，目前比较通用的标准是由美国水力标准协会(Hydraulic Institute Standards)制订的，也就是以扬程下降时的装置汽蚀余NPSHA为当前流量点的泵必需汽蚀余量NPSHR.近年来，随着计算技术与实验水平的进步，对汽蚀的研究也活跃起来.应用快速摄影和CFD技术对发生汽蚀的离心泵进行研究，探索降低泵NPSHR的方法.等通过控制和分析离心泵进口处的流态来改善离心泵的汽蚀.在探索泵的初生汽蚀方面，利用小波分析方法对模拟的汽蚀初始信息进行了诊断分析.通过测试泵出口的压力波动特性对泵的汽蚀进行诊断.在国外，应用声发射、振动分析等先进实验技术以及拟序涡结构等现代计算方法对汽蚀的研究近几年也逐步兴起并活跃起来^［16］。

3.曲轴疲劳：曲轴是往复泵的关键零件，它的可靠性严重影响着往复泵整机的可靠性、寿命以及经济性。往复泵曲轴几何形状复杂，应力集中现象严重，影响其寿命的因素众多^［17］。

四．泵的最新技术

1.CAD/ CAM技术：一项利用计算机帮助人们完成产品的设计(Design)与制造(Made)的新技术，它是计算机技术在零件生产中综合应用的新飞跃。CAD包括建立几何模型、工程分析、产品分析、动态模拟、自动绘图等;CAM包括数字化控制、工艺过程设计、机器人、柔性制造系统(FMS) ,工厂管理等。CAD/ CAM技术是制造自动化技术的主要组成部分，它的迅猛发展，软件、硬件水平的进一步完善，为机械工业提供了强有力的技术支持，为企业的产品设计、制造、生产水平的发展带来了质的飞跃，已经成为现代企业信息化、集成化、网络化的最优选择。CAD/ CAM技术也是一种集成技术系统，由系统软件、管理软件、支撑软件应用软件组成，其中的应用软件是用户为解决某些应用问题而编制的程序，一般由用户与研究机构在系统软件与支撑软件的基础上联合开撑^［18］。

2、往复泵监控系统：油田注水泵站工作性能的优劣是保证产油的重要环节，在开采过程中进行注水作业，提高油层压力，以实现油田的高产稳产。因此流量大、压力高的往复式注水泵必须昼夜不停地开泵注水，为了保证注水泵站的正常运转，避免现场噪声对工作人员身心影响，对注水泵进行状态监控及自动化控制非常有必要。外在该领域的研究作较多，其监控系统也比较成熟，但是价格昂贵，应用并不普及因此设计一套能满足国内注水泵站需要的友好性监控系统非常有必要。本文监控对象为某站两台9n(9对柱塞)大排量高压往复泵，如图1所示。工作原理为变频器驱动电机，电机通过减速箱带动曲轴旋转，最终实现柱塞的往复运动，完成向地下注水的功能^［19］。

五、泵的发展展望

21世纪是电子、信息时代，是电脑走向普及、生命科学快速发展，节省能源、节省资源、重视生态平衡及各类产品高速小型化的新时代，泵产品及其市场的发展将会更加新潮、宽广。20世纪末以水电、钢铁、石油气、海水淡化、原子能等领域为主的重、厚、长、大产业的大泵市场将逐步萎缩，取代的是以能源、资源、食品、交通、宇宙、环境、生物等领域为主的轻、薄、短、小的高附加值泵新的市场需求。高速小型化、大容量化、特种用途、自动化控制仍是泵今后发展的趋势。特别是调频器的快速发展，将会给泵带来一场高速、轻便、小型的新革命。新型水润滑轴承、磁力轴承、新型机械密封和无泄漏泵以及新材料、新工艺、新能源的开发利用，亦会给泵的全面发展带来新的生机。另外，新世纪对保持生态平衡、减小环境污染的重视，给泵的设计、生产提出了新的要求。总之泵的发展趋势总结为 ：调频变速及高速小型化，大口径、大容量、高扬程化，井用泵、小型泵潜水化，无泄漏磁力泵及泵的多用途化，无水润滑轴承和磁力轴承，超高速、高压、极低温、无接触机械密封，采用新材料、新工艺，泵站电脑自动化控制^［20］。

往复泵作为一种常见的流体机械，在石油、石化等行业有着广泛的推广应用，但随着我国石油石化工业的发展，对于输送不同流体介质和不同工况条件而言，对往复泵的性能提出了更加高的要求，从往复泵的发展历程和发展趋势看，未来一段时期石油矿场往复泵要侧重于易损件寿命的提高、侧重于自动控制技术的应用、侧重于故障诊断技术的应用，以提高往复泵的可靠性和连续运行效率;就技术性能而言，无压力脉动恒流量往复泵将是未来一段时期重点的发展方向，经过已经研制成功样机并在采油领域得到应用，但其可靠性和加工制造的精度，也需要进一步提高。这种无脉动恒流量往复泵有着传统曲柄连杆机构往复泵无法比拟的技术优势，今后应该侧重于大功率、高压力、大排量方向发展，侧重于向大功率的无脉动恒流量钻井泵的研制，为我国超高压喷射钻井以及依靠钻井液流体传递信号的先进测量仪器(MWD\I_WD等)提供可靠的技术保障^［21］。

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