第二届吉林省大学生工程训练综合能力竞赛 柱塞式水泵.doc

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1、第二届吉林省大学生工程训练综合能力竞赛柱塞式水泵设计说明书指导老师： 付建国 刘毅 杨凤双 参赛学生：周 英 （交通运输汽车运用） 王金满 （交通运输汽车运用） 陈 杰 （交通运输汽车运用） 绪论 课题来源 吉林省高校第二届工程训练综合能力竞赛：柱塞式水泵的设计与制造作品意义一、 有助于培养大学生创新设计意识，提高综合工程应用能力与团队协作能力、动手操作能力和工程训练实践能力。二、 有助于提高针对实际需求进行设计创新，提高机电综合应用能力、工业造型设计能力及文化内涵与产品相结合设计的想象能力。三、 有助于提高工艺制作和市场与成本控制等实际工作能力，培养精益求精、实事求是、敢于创新的技能专业素质

2、和职业修养。四、 有助于促进基础知识与综合能力的培养，将理论知识与专业实践相结合。五、 有助于人们科学规划、设计成本、实用好、效率高的产品，充分有效的利用能量，提高培养相关机械设计、工艺、成本分析和工程管理的设计能力。摘要2013吉林省高校第二届工程训练综合能力竞赛命题主题为“柱塞式水泵”。在设计过程中特别注重设计的方法，力求通过对命题的分析得到清晰开阔的设计思路；作品的设计做到有系统性规范性和创新性；设计过程中综合考虑材料、加工、制造成本等方面因素。我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发明理论方法；采用了CAD、UG等软件辅助设计。我们把水泵的设计分为三个阶段：方案设计、技术设

3、计、制造调试。通过每一阶段的深入分析、层层把关，是我们的设计尽可能想最有设计靠拢。方案设计阶段根据水泵功能要求我们把水泵的构成分为端盖、泵体、柱塞、连接板、支架五个模块，进行模块化设计。分别针对每一个模块进行督方案设计，通过综合对比选择出最优的方案组合。我们的方案为：端盖设计成类似于U型，端盖与泵体的连接用螺纹连接，在端盖上安装单向阀；泵体采用三孔模式；柱塞模仿汽车发动机中的活塞，柱塞与连接板的连接采用卡环连接；支架与泵体连接采用镶嵌连接，并且在支架上有微调，紧固的措施。技术设计阶段我们对方案建立数学模型进行理论分析， 通过分析计算得出了水泵的具体参数。接着应用UG软件进行了水泵的实体建模和部

4、分运动仿真。在实体建模的基础上对每一个零件进行了详细的设计，综合考虑零件材料性能、加工工艺、成本等。水泵的部分零件可以购买，但是大部分要求加工精度非常高的特殊加工，一部分需要手工加工出来。因为水泵工作时会有压力，可能会有来回的摆动，所以大多数零件的连接和支架的固定的要求是比较高的，所以我们才用螺钉，螺栓连接。调试之前，对水泵的组装要求也是比较严格的，通过排气，固定等多种方法，使外界影响尽可能降低，以确保水泵的最有工作状态。关键字：柱塞式 水泵 软件辅助设计 调试一绪 论1.1 本届竞赛命题主题本届竞赛命题主题为“柱塞式水泵”。命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力、工程素质考核。

5、命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求，扩大了参与面，兼顾常规制造和先进制造技术方法的应用。考核了，机械设计和创新能力；机械加工工艺基础；车床、铣床等典型加工设备和工具的应用能力；钳工水平、机械装配的方法和手段；质量检验方法和常规工具的使用；最主要的是考核了功能偶件。1.2水泵功能设计要求选择一定的驱动功率，驱动水泵排水，水泵的行程是35mm、5次/分钟，工作时间三分钟。依规定时间内排出的水的多少来评定成绩。给定铝合金柱塞毛胚（24个）：直径50mm，长80mm； 铝合金泵体直径110mm，长60mm.要求 排水量最高为优，驱动效率以节能低耗为优，

6、泵、支架和连接板的重量以轻量化为优，工时成本以低成本为优。1.3水泵整体设计要求水泵设计过程需要完成：机械设计、工艺方案设计、经济成本分析和工程管理方案设计。命题中的工程能力要求考虑材料、加工、制造成本等各方面因素，提出合理的工程规划。设计能力要求对参赛作品的设计具有创新性和规范性。命题中机械加工能力以要求综合车床、铣床等典型加工设备和工具的应用能力，并且要求高精度加工。 1.4水泵的设计方法水泵的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路。作品展的设计需要有系统性、规范性和创新性。设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等方面因素。柱塞空的设计是提高水泵性能的

7、关键。在设计方法上我们借鉴了优化设计、系统设计等现代设计发明理论方法。采用了CAD、UG等软件辅助设计。下面是我们设计水泵的流程（如图一）明确水泵的设计要求组合几种可行方案调试水泵功能分析敲定方案改进零部件设计 YN评价结束装配加工制作可行方案总体设计 图 一一了解柱塞泵的功用我们所了解的柱塞泵是将多个柱塞共同配置在一个圆周泵体上的一种供油装置，并使柱塞中心线与泵体轴线平行的一种泵体。常出现在机器的润滑系统中，它是一种往复式的容积泵，其借助柱塞在缸内的往复运动，使密封工作腔的容积发生变化来实现吸油、压油。由于柱塞与缸体内孔均为圆柱表面，能得到高精度的配合，这就要求在进行加工时要有过硬的技术与训

8、练，其特点是泄露小、容积效率高、还可以在高压条件下见面工作。 柱塞泵的工作原理：它是由连接板、柱塞、泵体、后端盖、等零件组成。后端盖是不动的，驱动装置带动 连接板、柱塞、泵体一起往复运动。启动驱动装置时，柱塞同连接板由底自上向外移动，使泵体内的密封工作容积不断增加，即吸入油液。在达到一定行程后（35mm），柱塞开始挤压油液，即排出油液达到泵油的目的。 因而柱塞泵体的加工是柱塞泵加工过程中的主要环节之一，它的加工质量的好坏会直接影响到柱塞泵的性能与效率。在加工制造工艺方面的要求：加工精度和加工表面质量。前者包括了零件的尺寸精度、形状精度、和位置精度;后者包括零件的表面粗糙度、材料强度和机械性能；

9、设计结构应该能够加工。在工件上应有足够的加工空间，以方便刀具的切削。 二 零件结构设计三孔柱塞式水泵泵体柱塞连接板柱塞支架标识端盖四孔工作距离长短是否减重切槽与否连接方式密封方式水孔定位材料选取紧固方式微调结构设计理念来源于汽车的发动机。柱塞式水泵就相当于发动机的气缸和活塞的组合。通过对设计要求的分析，想要达到多泵水的目的，必须尽可能的加大柱塞孔的截面积，尽可能增加柱塞的个数，由于所给的材料的限定，最多只能做四个孔。2.1泵体竞赛对泵体的要求：材料为Y112硬铝合金，直径110cm长60cm。泵体作为本次柱塞水泵的载体，其工作空间的大小是本次竞赛的关键，所以泵体要尽可能满足以下条件：（1）要达

10、到多泵水的目的，就要求泵体上柱塞孔尽可能的多，也就是柱塞的总的截面积尽可能的大。但是由于所给的材料的限定，最多能做四孔柱塞。考虑到实际操作的可行性，最总选择，三孔柱塞；（2）柱塞工作空间做到精确定位保证与连接板轴向平行，内壁光滑以减小摩擦，起到密封的作用；（3）车削加工时要求柱塞孔有较好的圆柱度与垂直度；（4）泵体外表面要求较高的圆度以方便后端盖的安装，且与后端盖形成间隙配合，具有密封与紧固的作用；（5）泵体上应该有方便与支架之间相固定的连接点，方便装配和调整；（6）由于制作材料限定，所以在设计制作的过程中应考虑到尽可能的减少其重量以达到降低成本的目的； 根据上述分析，为使泵体结构简单、工作稳

11、定、效率高。通过AutoCAD进行计算机辅助设计分析，确定活塞数量和理想状态下的排水量，从而对泵体的设计有一个合理的选择。2.2柱塞柱塞，设计理念来源于汽车发动机的活塞。模仿活塞的构造，对柱塞进行设计。活塞是这次泵水系统的关键，属于运动件。与泵体内腔组合成工作区域，其在远离端盖运动过程中不断地改变工作容积，利用大气压的作用将水吸入工作区域，并在驱动力的作用下活塞压向端盖将水排到量杯中。柱塞与泵体内腔的配合很显然是间隙配合，要求：一柱塞能在泵体内腔里活动自如且尽量不漏气；二数控铣床与车床加工要有很高的加工精度和配合精度。2.3连接板连接板有连接、固定、传递的作用。一端将各个柱塞连接使其具有相同的

12、运动状态，另一端与驱动装置连接。连接板与柱塞的连接我们选用的是卡簧连接。优点是结构简单、易于装配，为了保证各个柱塞的同轴度，它们之间的配合是间隙配合。连接板与动力驱动装置之间用销连接。为了减小驱动功率，在保证连接板强度的情况下我们确定为8mm厚，并在其空闲位置钻几个孔来减轻重量。2.4支架支架的选用从大赛主委会的赛事要求来看经济性，故选用一块ABS工程塑料做支架的主体部分，上部做一个圆孔用于夹紧与平衡固定，其下部用于连接底座，使之连接成一个整体平稳的安放在工作台上。2.5支架底座该方案中底座是为了支撑泵体与稳固及平衡的作用，其利用双L形15号钢，在水平方向上用几个螺栓与螺母进行紧固。在竖直方向

13、上钻取两个孔用于安装固定在工作台上。既保证工作强度又经济。2.6端盖水泵的端盖所起到的主要作用是密封，提供工作用的压力，并且将进水孔和出水孔也配在端盖上，起到连接和进出水的效果，还可以提供一个小的储水空间。对端盖的设计要求是在起到如上作用时要保证密封，不能漏气漏水，在进水孔和出水孔处，应配有外径8mm标准水管的快换接头，快换接头与端盖的连接需要密封性良好，在进水管和吹水管处安装两个小压力单向阀 ，这个过程应确保水在流通过程中减少流动阻力，从而提高水泵的工作效率。2.7大赛标识大赛标识明确的标出本次竞赛的标识和参赛队伍信息，美观经济为主，我们采用相纸打印，再用透明防水胶条保护使其不受到影响。三

14、功能优化设计在接到竞赛试题后对零件的结构设计只是初步的设计，都是针对单个的零件的设计，仅仅考虑到本身的注意事项与功能，但是不能够把握全局，所以在零件的基础设计上我们还需要对整体进行系统优化。在对整个系统优化的过程中，我们先对系统各个部分零件的功能与特点进行分类，得到不同的优化目的和优化目标，将这些单独的优化目标进行逐个优化后，整个系统也会得到性能的巨大提升。根据水泵的特点我偶们将系统分为一下优化目标：配水系统优化、密封设计优化、支架结构优化、柱塞连接优化和质量减重优化。3.1配水系统优化配水系统组成：水管、快换接头、单向阀等，水管是外径8mm的标准件，不需要进行改正，而快换接头与进、出水管想配

15、套，没有损坏就不会出现漏水现象。最初我们选用的单向阀属于水暖器材，其工作压力大约在1.2Mpa，在泵水的过程中消耗了大量的能量，降低了水泵的工作效率。所以我们需要寻找一个全新的单向阀是当务之急。经过走访了解到市场上的单向阀工作压力大，不适合我们这次的水泵，最后决定自己设计改造一个单向阀。我们以油泵单向阀为参考，找到了CA141汽油泵橡胶膜片提供压力，类似心脏瓣膜，改装成合适大小，安装在一节注射器外壳中，使用塑料棒加工成膜片固定座，并在两端配上标准快换接头，利用401胶密封。在测试中我们自己设计的单向阀在水泵工作压力0.3Mpa中不会出现液体倒流的现象，水可以比较轻松的流过单向阀，减小水通过的阻

16、力，从而间接地提高了水泵的工作效率。 在配水系统管路优化方案上我们经过深思熟虑决定用普铣钻出两个孔，在按上快换接头后，进水口至于上方，出水口在下方，这样设计的优点在于：泵进来的水可以流动自由。吸水过程中，从上方进水口进入泵体，依据自身重力流向内腔下方;而在排水时，水在活塞压力作用下，很容易排出。3.2密封设计优化在整个水泵系统中，泵体与端盖、端盖与快换接头、单向阀与快换接头等连接处要求密封严格不允许出现漏水，否则影响水泵的工作效率。泵体与端盖的连接，泵体的工作内腔是水泵工作表面，要求很高的精度，活塞与泵体的配合等同于柱塞偶件，端盖是在校加工零件因此我们让端盖承担密封的重任。我们指导老师有着丰富

17、的一线经验，所以果断想到用密封欧形圈更加紧密的、方便的装配。将端盖做成凹槽式，将泵体包紧密封并且在端盖内边缘车出槽，用来放置橡胶密封圈。其次，端盖与泵体的连接采用标准8mm螺钉连接，为防止其漏水配上橡胶槽与橡胶垫圈。快换接头与端盖的连接等同于螺钉固定灌溉的方法。3.3支架结构优化支架作为支撑性的零件，与泵体相配套，所以在支架最初的设计尺寸来自泵体，也就是说支架套住泵体，然后用螺丝紧固。但是这样做所带来的后果就是真正起到支撑紧固作用只有几个螺丝的顶点，紧固作用不明显，而且可能会使泵体受到应力，造成工作腔形变等严重的后果。在对支架进行完善设计的时候我们想到在原有的支架主体基础上锯开一个开口，使原来

18、的大环套小环变成了大环紧贴小环。因为支架可以随着泵体直径改变而改变。同时为了紧固泵体，我们在支架垂直于轴线位置钻个通孔，并配有拉伸螺杆，使拉伸螺杆在拧死的时候能够使支架牢牢地套住泵体。根据题目要求，在对泵体进行检测时，水泵主题的中心轴线距离工作台面的垂直高度是100mm，所以在最初设计的时候我们严格把握支架的高度，但是由于加工误差和ABS工程塑料本身的形变，所以最后只能通过垫金属片的方式调节中心轴线高度。利用金属片虽然能够相当准确的调节轴线高度，但是这种方法速度慢，稳定性差，不够严谨，所以针对如何方便快捷调节轴线高度的问题上进行思考，最终决定在支架主体部分和支架底座的连接上加以改进。支架主体部

19、分与支架底座的连接使用的是普通的螺钉螺母连接，需要在主体和底座的相应位置钻孔，为了使水泵的轴线位置能够调整，我们把支架主体部分的连接孔由圆孔做成长圆孔，使支架主体和底座的相对位置能够调整，这样，在装配的时候就能根据实际高度选择合适的相对位置，从而使支架更能够适应不同的环境，有效解决加工误差和塑形变形等问题。3.4柱塞连接优化柱塞的数量为3-4个，工作于不同的内腔孔内，并且需要相同的工作频率和工作行程。柱塞连接板的作用就是把这几个柱塞连接起来，使之变成一个整体，在连接问题上，应该注意以下几个问题：1、连接的目的是使几个柱塞拥有统一的工作频率和工作行程，使这几个柱塞拥有相同的速度。2、连接要能够传

20、递动力，将驱动杆的动力有效的传递到每个柱塞，并且要确保驱动力能够沿着每个柱塞的轴线传至各各柱塞，以免受力不平衡。3、在连接过程应注意同轴度，无论是柱塞与柱塞之间还是柱塞与连接板上连接杆的轴线之间甚至是柱塞与驱动杆之间都要注意同轴度的问题。4、要确保连接之后柱塞有一定的自动调整余量，能够让每个柱塞进行少许自动调整，为柱塞的自我找正提供一定的误差余量，从而避免出现拉缸的不良后果。5、在能够满足以上几个要求的基础上应尽量保持连接方式的可靠性、简洁性、易加工性、易装配性。出于以上几点考虑，我们最终舍弃的连接销、连接螺钉、螺纹等方式的连接，选择采用卡簧式连接方法，卡簧连接有一下几个优点：卡簧连接能够有效约束几个柱塞，使其拥有统一的工作频率和工作行程。能够有效传递动力，在推动柱塞的过程主要靠连接板端面和柱塞台阶的挤压传递动力，这两个平面都垂直于轴线，所以能够准确保证所传递的动力。使每个柱塞深入连接盘上连接孔部分的直径比连接孔的直径略小0.1mm，便于装配，也便于柱塞的自我找正。卡簧属于标准件，采用标准件设计能够使设计更规范、更科学、更方便设计和加工，采用卡簧连接只需要在柱塞上使用切车刀车出一个卡簧槽，加工方便，装配简单。