一種柱塞泵—電機帶傳動的設計

摘 要：泵與電機是機械設備中經常會使用到的一種零部件，它的選型與搭配組合是讓其發揮出最佳使用性能的一個重要工作；同時帶傳動也是非常常見的一種傳動形式，帶輪、皮帶如何選取也是經常遇到的問題。合理配置這些零部件，才能使設備的效率、安全性、穩定性和使用壽命最大化。

關鍵詞：柱塞泵；電機；帶傳動

在機械設計的過程中，我們經常使用的是泵和電機組裝在一起可以直接使用的，而另外一種則是單獨的一個泵，需要選配電機，并根據相關技術參數，選擇對應的帶輪與皮帶連接使用。下面我們以一種典型的柱塞泵-電機帶傳動為代表分析整個系統的選型與設計計算：

1 泵的選取

根據設備系統的流量Q、壓力P、揚程H等方面的要求，首先選擇相應型號品牌的泵。根據不同的需求，選擇不同形式的泵，這里我們以柱塞泵（美國CAT）為例。

柱塞泵泵入口流量：Q=50L/min（設計參數，已知）

取斜盤柱塞泵效率為η=0.95 （根據柱塞泵的特性選取）

系統運行的壓力P=7.5Mpa （設計參數，已知）

泵所需的揚程：H=20m （設計參數，已知）

由此，我們計算出柱塞泵軸功率：

P1=P×Q/（60η）=7.5×50/（60×0.95）=6.58kw

從CAT泵的產品手冊中查到，符合或接近上面數據流量、壓力、揚程的柱塞泵，型號為2357。

從而得知泵的軸徑D、每轉流量Q1。可計算出泵轉速：n1=

查得柱塞泵活塞直徑D=32mm，行程L=38.5mm，故單柱塞腔容積：V=πd2L/4=3.14×0.322×0.385/4=0.031

此柱塞泵有三個活塞連續運行，則

n1==Q/（3Vη） =50/（3×0.031×0.95）=566RPM

2 選取電機

根據軸功率P1、泵轉速n1選取其對應的電機，應保證P2>P1，傳動比i=2～5，其中i=，故可選匹配電機：1LG0 163-6AA70（以西門子為例），其功率為P2=7.5kw，轉速n2=970RPM。

3 選擇皮帶及帶輪

V帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也做出相應的輪槽。傳動時V帶兩側和輪槽接觸，槽面的摩擦可以提供更大的摩擦力；另外，V帶傳動允許的傳動比大、結構緊湊，而且大多數已經標準化。基于上述特點，所以這里我們選擇使用V帶進行傳動設計。

帶傳動的主要失效形式是打滑和疲勞破壞。因此，帶傳動的設計準則是：在保證不打滑的條件下，具有一定的疲勞強度和壽命。

3.1 根據帶的工作工況確定設計功率Pca=KaP

式中：Ka為工況系數，根據機械設計手冊中的表13-1-17選取；P為電機的負載功率，即軸功率。由機械設計手冊查得工況系數Ka=1.2，則設計功率：Pca=KaP=1.2×7.5=9kw

3.2 選擇V型帶帶型

根據設計功率Pca和小帶輪轉速n2，從機械設計手冊中的圖13-1-1進行選取，這里我們選用A型帶。

3.3 選取小帶輪直徑d2

傳遞的功率在帶傳動給定的條件下，減少帶輪的直徑，會增大帶傳動的有效拉力，從而導致帶的根數增加。這樣不僅增加了帶輪的寬度，而且也增大了載荷在V帶之間分配的不均勻性。另外，帶輪的直徑減小，增加了帶的彎曲應力。為了避免彎曲應力過大，小帶輪的基準直徑不能過小。

根據V帶的帶型，由機械設計手冊中的表13-1-10、表13-1-11和表13-1-12進行相關帶輪直徑的選取，這里初取小帶輪基準直徑d2=112mm。

3.4 驗算帶速v

當帶傳動的功率一定時，提高帶速，可以減低帶傳動的有效拉力，相應地減少帶的根數或者V帶的橫截面積，總體上減少帶傳動的尺寸；但是，提高帶速，也提高了V帶的離心力，增加了單位時間內帶的循環次數，不利于帶傳動的疲勞強度和壽命，降低帶速則有相反的利弊。

根據公式計算帶的速度v：v==5.69m/s

帶速不宜過低或過高，一般應使v=5～25m/s，最高不超過30m/s，此符合設計要求。

3.5 計算大帶輪直徑d1

取滑動率ε=0.01，則可計算出大帶輪基準直徑d1：

d1=（n1/n2）（1-ε） d2=（970/566）×（1-0.01）×112=190.02mm

根據機械設計手冊中表13-1-10、表13-1-11和表13-1-12參數適當圓整后進行選取d1=190mm。

3.6 初定中心距

中心距大，可以增加帶輪的包角，減少單位時間內帶的循環次數，有利于提高帶的壽命。但是中心距過大，則會加劇帶的波動，降低帶傳動的平穩性，同時增大帶傳動的整體尺寸。中心距小，則有相反的利弊。一般要求0.7（d1+d2）

3.7 計算帶長L0

L0≈2a0+（d1+d2）+=1238.1mm

實際帶長L克根據皮帶供應商的帶長系列選取，并不局限于機械設計手冊上所列出的帶長。考慮帶輪的制造誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產生的補充張緊需要，計算出中心距的變動范圍，供我們結構的調整。公式如下：

a≈a0+ amin=a-0.15Ld=367.3mmamax=a+0.03Ld=423.5mm

3.8 確定帶的根數z

z===3.59，取4根。式中：P0為單根V帶額定功率，由機械設計手冊中表13-1-19、表13-1-20和表13-1-21選取；？駐P0為單根V帶額定功率增量，由機械設計手冊中表13-1-19、表13-1-21選取；基準寬度制窄V帶此值為0；Kα為包角修正系數，由機械設計手冊中的表13-1-22選取；KL為帶長修正系數，由機械設計手冊中的表13-1-22選取。為了使各根V帶受力均勻，帶的根數不宜過多，一般應少于10根。否則，應選擇橫截面積較大的帶型，減少根數。至此，帶和帶輪的參數計算完畢，然后根據前面選出的柱塞泵與電機查得相應的連接軸的軸徑，便可以選出相應的型號帶輪和皮帶。由于柱塞泵和電機的軸徑都是廠家依據產品最大軸功率設計出來，所以我們一般無需校核軸的強度。另外V帶傳動運轉一段時間后，會因為帶的塑性變形和磨損而松弛。為了保證帶傳動的正常工作，應定期檢查帶的松弛程度，采取相應的補救措施。為了安全運行，我們需要將帶傳動至于鐵絲網或保護罩內，不宜外露。

4 結束語

由于某些外購件、標準間不一定有我們所需的型號，職能選擇相近的參數型號，所以我們需要在定型之后在按照上面的步驟進行校核，以保證我們設計的完整性，最后在根據我們設備的使用場合及位置尺寸對整套設備進行安裝，以便完成整個系統設計。

參考文獻

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