烟台恒邦泵业有限公司 山东省烟台市牟平区 264100
摘要：文章对凸轮转子泵的结构进行了概括性地描述，论述了凸轮转子泵的结构优点，并具体分析了零部件的设计、计算方法。
关键词：凸轮转子泵；结构；零部件；设计、计算方法
一、总体结构方案
在输送高粘度液体时，大都采用容积式转子泵。这是因为，泵在输送高粘度液体时，由于液体粘度较高，泵大都是在层流条件下工作。叶片式泵（即旋转动力式泵）在高速下工作，其叶轮要克服较大的粘性摩擦阻力，这样会导致泵的流量、扬程和效率的大幅降低，轴功率增大；更重要的是由于吸入阻力增大，会使泵不能立刻吸上液体并充满泵内。容积式转子泵在理论上是在任何给定转速下泵的流量与扬程无关，液体粘度只是对泵的轴功率有影响，因此，容积式泵适用于粘液输送。
凸轮转子泵属于回转式容积泵，和其他容积式转子泵，如齿轮泵、螺杆泵一样，为保证正确啮合，凸轮泵转子廓线是共轭曲线，但凸轮泵两转子工作时不会产生齿轮泵工作时齿轮那样的转子间的刚性接触，属于非接触式啮合转动，无接触疲劳破坏，转子更耐用。由于两转子为非接触式啮合转动，还降低了凸轮转子的加工精度要求。
凸轮泵的转子多设计成2～3个凸叶，叶数少，转子每转一圈的排量大，泵腔容积利用系数高，设备外形尺寸小，但径向间隙密封较差，容积效率低。对于输送高粘介质的泵来说，由于介质粘度大，且一般操作压力不高，因此其内泄漏问题相对较小，其输送能力则更受关注，故选用双叶的凸轮转子更加合适，如图1所示。
图1 双叶凸轮转子示意图
图1所示的转子，与其他类型的转子相比，其面积利用系数相对较高，因此输送能力更强。同时，其叶顶为一较长的圆弧段，可以有效抑制内泄漏问题。因此，选用这种转子，可以兼顾输送性能和密封性能，十分适合油田运输。
二、基础设计参数
1.输送物料：胶液，溶剂油；
2.介质粘度：＜8000mpa·s；
3.介质性质：有毒易燃易爆；
4.介质比重：660；
5.介质温度：90℃；
6.使用工况：输送；
7.流量：50m38/h；
8.压力：实际使用1.0MPa；
9.有效汽蚀余量：4米；
10.功率：37KW 380V 50Hz（随压力要求功率可调）；
11.减速形式：SEW减速机；
12.转速：180r/min；
13.安装方式：固定；
14.连接要求：法兰；
15.密封要求：水冷机械密封；
16.进出口径：DN125（SH3406）；
17.进出方向：左右；
18.底板材料：焊接底板；
19.配置要求：防爆变频，泵带安全阀，地脚螺栓；
20.备注：离泵1米噪音小于85分贝。
三、转子的设计与计算
1、转子参数设计
转子的设计，主要满足流量参数的要求。转子的形状决定了泵的体积、输送能力和密封性能，采用如图4-1所示的转子。
理论流量大于设计参数，考虑到实际运转中存在的容积损失，此设计符合要求。
图4-1 转子结构
2、转子运动分析
转子的型线设计影响泵的性能能否达到设计要求，运转是否平稳，因此十分关键。对所设计的转子进行运动分析，如图4-2所示。
设上转子是主动转子，作顺时针旋转，则左侧为泵入口，右侧为泵出口。初始时转子处在a状态下，两转子将泵内分隔成两个腔；随着转子转动至状态b，左侧腔容积变大，产生真空度，吸入介质，右侧腔容积变小，压力升高，排出介质；当转子转动至状态c时，左右两腔的吸排过程结束；转至d状态时，下一个腔的吸排过程开始。由此可见，转子每转动一圈有两次吸排过程。
值得注意的是，两转子在运转过程中完全没有接触。通常，相互配合的转子型线互为共轭曲线，而本设计中，转子顶圆与内圆之间的过渡曲线为圆弧线，这主要有两点好处：1、共轭曲线线型往往较为复杂，加工困难且精度难以保障，采用近似的圆弧段代替可以大大简化加工。2、共轭曲线容易产生闭死容积，在图4-2b、c、d中均可以看出，当转子运转到过渡段时，会产生一小块相对封闭的容积，若过渡段为顶圆的共轭曲线，则这部分容积近乎完全闭死，这会导致汽蚀、振动剧烈、噪声大灯一系列问题。从图中可以看出，采用圆弧线时这一容积与工作腔始终是联通的，使得上述问题得以缓解。
a b
c d
图 4-2 转子运动情况
3、吸入性能计算
泵的吸入性能是一项重要的指标，仅与泵本身的结构有关。一般带有阀式配流结构的泵吸入性能差一些，而对于转子泵来说，其进口流道比较通畅，因此吸入性能较好。
阻力损失：由于泵入口管路较短，沿程阻力损失很小，因此阻力损失主要是入口处局部阻力损失。
四、同步齿轮的设计与计算
1、齿轮参数：
同步齿轮应与转子有相同的中心距，为方便加工，尽量选择标准齿轮。为保证传动的稳定性，齿轮应有较高的精度。
五、轴的设计和计算
1、轴的设计
主动轴结构如图6-1所示：
图 6-1
装配方案：左端依次安装凸轮转子和滚柱轴承，右端依次安装角接触球轴承和同步齿轮。转子与轴承间设置机械密封。
从动轴除了没有与电机连接段外，布置与主动轴相同。
2、轴的校核
对主动轴的负载进行简化计算，仍取图5-1a所示状态进行分析，此时上转子传递到主动轴上的力最大，如图6-1所示。
图6-1
图中：
该转子与轴连接处设置在工作腔外，不与介质接触，因此轴部所受液压径向力可忽略不计。
七、轴承的计算
1、圆柱滚子轴承的计算
转子上受径向力较大，因此近转子端选择圆柱滚子轴承，这种轴承能承受较大的径向力，从结构尺寸和强度等方面考虑，采用Nu2322型轴承。
八、泵体的计算
泵体为泵内各部件提供支撑，同时为过流区域提供工作腔。泵体采用分体结构设计，泵腔部分直接与介质接触，并承受介质压力，因此选用不锈钢材料。齿轮箱部分主要容纳同步齿轮，并为泵轴提供支撑，不与介质接触且受载较小，因此可采用球铁材料，节省成本。
九、安全阀的计算
为防止误操作或下游管路憋压造成泵的损坏，在泵上设置安全阀，形成泵进出口循环回路，安全阀的结构如图9-1所示：
图 9-1
1、弹簧的设计
安全阀设计的核心元件是弹簧，相关设计参数如下：
在1.15倍左右额定压力下阀门起跳，故取开启压力：
阀座结构如图9-2所示，其上开孔面积（考虑圆角）：
图9-2
初始状态下，阀板上受压面积即阀座开孔面积，故达到开启压力时弹簧受力：
阀座强度满足要求。
十、结语
根据上述计算方式设计的凸转子泵结构在介质粘度高的条件下使用效果最好，低粘度条件下可以兼用，适应性良好。在介质粘度较低，输送压力低于0.6MPa的情况下，可以设计其他类型的转子，如：摆线型、圆弧型、渐开线型，或更为复杂的多种型线结合的转子。这些转子各有其优势，可在相应的操作环境下使泵获得最佳性能。
参考文献：
[1] 成大先 《机械设计手册》第四版 第3卷 北京：化学工业出版社2002.1
[2]关醒凡 《现代泵理论与设计》 北京：中国宇航出版社 2011.4
论文作者:王炳波,隋金敏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
标签：转子论文; 容积论文; 凸轮论文; 介质论文; 所示论文; 结构论文; 如图论文; 《基层建设》2018年第4期论文;