一、前言
潛水排污泵主要用于石油、化工、鋼鐵、冶金、電力、環(huán)保、市政及建筑等行業(yè)，用于輸送帶固體顆粒及各種長纖維的廢水、城市生活污水和雨水，還包括原水的輸送、水產(chǎn)養(yǎng)殖、灌溉等。配以特種材質(zhì)，可用于有一定腐蝕性介質(zhì)的場合。
潛水排污泵是一種泵與電動機(jī)連體，并同時(shí)潛入液下工作的泵類產(chǎn)品，與一般臥式泵或立式排污泵相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小；安裝維護(hù)方便；不用灌引水直接起動水泵;振動噪聲小、電動機(jī)溫升低、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到重視，使用范圍也越來越廣。本文淺談QW型潛水排污泵的設(shè)計(jì)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)者提供參考。
二、QW型潛水排污泵結(jié)構(gòu)
1.結(jié)構(gòu)概述
QW型潛水排污泵由葉輪、泵體、上下端蓋、電動機(jī)、保護(hù)裝置以及出線裝置等組成(見圖1)。上、下兩列軸承能承受所有的軸向和徑向負(fù)荷，并*與泵輸送的介質(zhì)分開。
2.保護(hù)裝置的保護(hù)特性
在水泵運(yùn)行發(fā)生異常時(shí)，通過保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警或者切斷電源，保護(hù)水泵。具體保護(hù)特性見下表。
三、潛水排污泵設(shè)計(jì)
1.提供設(shè)計(jì)用數(shù)據(jù)和要求
1)流量Q
2)揚(yáng)程H
3)轉(zhuǎn)速n(或由設(shè)計(jì)者確定)。
4)泵汽蝕余量或裝置汽蝕余量(也可給出裝置的使用條件)。
5)效率η(要求保證的效率)。
6)介質(zhì)的屬性(溫度、密度ρ、含雜質(zhì)情況、腐蝕性等)。
7)對特性曲線的要求(平坦、陡降、是否允許有駝峰或在全揚(yáng)程范圍內(nèi)運(yùn)行等)。
2..泵主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)方案的確定
1)泵的車由功率：P=ρgQH
2)原動機(jī)功率:Pg=kP/ηt
式中k—余量系數(shù);
ηt—傳動效率，由文獻(xiàn)[1]查取。
根據(jù)計(jì)算得到的原動機(jī)功率及選定的轉(zhuǎn)速，參照電動機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列，確定電動機(jī)功率，或者從能耗方面考慮,設(shè)計(jì)選配非標(biāo)電動機(jī)。
3)泵軸直徑初步計(jì)算。開始設(shè)計(jì)時(shí)，可按扭矩確定泵軸的zui小直徑。待泵轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)完成后，再對軸的強(qiáng)度、剛度和臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行詳細(xì)的校核。按扭矩計(jì)算泵軸直徑的公式為:
式中Mn—扭矩，單位為N·m
Pc計(jì)算功率，可取Pc=1.2P
[т]—材料的許用切應(yīng)力，單位為Pa，由文獻(xiàn)[1]查取。
[т]值的大小決定軸的粗細(xì)，軸細(xì)可以節(jié)省材料，提高葉輪水力和汽蝕性能；軸粗能增強(qiáng)泵的剛度，提高運(yùn)行可靠性。
4)葉輪水力尺寸的確定。由所提設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和要求，確定葉輪水力形式。可以采用相似設(shè)計(jì)法或速度系數(shù)法確定咔輪主要尺寸。相似設(shè)計(jì)法又稱模型換算法，此方法簡單可靠，成為泵的主要設(shè)計(jì)方法之一，得到廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)的大致步驟如下。
①按給定的參數(shù)(Q, H，n)動計(jì)算欲設(shè)計(jì)泵的ns。
②選擇性能良好的模型泵，模型泵的ns應(yīng)與設(shè)計(jì)泵的ns相等(或相近)
③按設(shè)計(jì)泵和模型泵的參數(shù)Q, H，n計(jì)算尺寸系數(shù)。
④實(shí)型泵的各尺寸按D=λDM計(jì)算。其中λ用λQ或λH均可，但一般選用其中較大的值或平均值。
5)確定結(jié)構(gòu)方案。通過上述確定的電動機(jī)、主軸及葉輪水力等尺寸，參照圖1所示結(jié)構(gòu)，初步確定潛污泵結(jié)構(gòu)形式及尺寸；然后根據(jù)文獻(xiàn)[1]中相關(guān)規(guī)定，分析各零件的受力情況，并校核其強(qiáng)度，zui終確定其結(jié)構(gòu)尺寸；zui后根據(jù)文獻(xiàn)[2]中相關(guān)規(guī)定，校核所選軸承的使用壽命是否滿足相關(guān)要求。
四、泵實(shí)際應(yīng)用中的問題及設(shè)計(jì)改進(jìn)
1.葉輪輪毅端部處主軸斷裂
葉輪與主軸的安裝形式如圖2所示，在使用過程中，特別是水泵偏大流量運(yùn)行時(shí)，在I處容易產(chǎn)生斷軸現(xiàn)象。
分析其產(chǎn)生的主要原因如下:
1)主軸退刀槽處應(yīng)力集中，特別是尺寸r過小或者干脆為直角。
2)主軸軸肩尺寸B過小，同時(shí)伴隨著葉輪輪毅端部的工藝倒角和裝配機(jī)械密封用的倒圓角R的存在，使該處的接觸面積過小，進(jìn)而導(dǎo)致葉輪在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生軸向竄動、位移。zui終的后果就是葉輪軸孔擴(kuò)大，該處主軸斷裂。
設(shè)計(jì)解決措施:
1)嚴(yán)格按照工藝要求加工零件，避免應(yīng)力集中等情況出現(xiàn)。
2)增大主軸軸肩尺寸B，一般取B≥5mm為宜。缺點(diǎn)是需要相應(yīng)增大主軸及機(jī)械密封等零件尺寸，增加產(chǎn)品成本。
3)將葉輪與主軸的配合由圓柱改為圓錐，如圖3所示。缺點(diǎn)是要保證錐度的通配性，必須在工藝工裝及設(shè)備上加大投入。可根據(jù)實(shí)際情況選擇設(shè)計(jì)方案，但必須保證葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)不出現(xiàn)軸向和徑向位移。
2.機(jī)械密封防護(hù)
輸送雨水及輕度污水的情況下，機(jī)械密封的布置形式采用如圖I所示結(jié)構(gòu)；當(dāng)所輸送的介質(zhì)中含有大量的泥沙或固體小顆粒時(shí)，應(yīng)當(dāng)對機(jī)械密封的布置形式重新設(shè)計(jì)，以提高泵的密封可靠性。
如圖4所示，將機(jī)械密封全部密閉于油腔內(nèi)，不與輸送介質(zhì)接觸，采用油潤滑冷卻，延長了機(jī)械密封的使用壽命。同時(shí)將副葉輪流體動力密封技術(shù)應(yīng)用到潛水排污泵中。
所謂的副葉輪流體動力密封是指在泵的葉輪后蓋板背面附近同軸反方向安裝一開式葉輪。當(dāng)泵工作時(shí)，副葉輪隨泵主軸一起旋轉(zhuǎn)，副葉輪中的液體也會一起美旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動的液體會產(chǎn)生一個向外的離心力，這個離心力一方面平衡流向機(jī)械密封處的壓力;另一方面阻止介
質(zhì)中的固體顆粒進(jìn)入機(jī)械密封的摩擦副中，減少機(jī)械密封的磨損，延長了使用壽命。副葉輪除了起到密封作用外，還可以起到降低軸向力的作用。但是使用副葉輪密封系統(tǒng)也有一個缺點(diǎn)，那就是在副葉輪上要捎耗一部分能量，一般在3%左右。
3.密封
潛水排污泵的密封一般有靜密封和動密封。其動密封如上所述的機(jī)械密封裝置，機(jī)械密封摩擦副的材料配置，一般浸在機(jī)械油中潤滑的，選為碳化鎢+石墨；靠輸送介質(zhì)潤滑的，選為碳化鎢+碳化硅。
潛水排污泵的靜密封有2種:
1)金屬與金屬結(jié)合面處的密封，一般采用非金震O形環(huán)密封，其密封性能好，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，裝拆方便(公眾號:泵管家)。
2)潛水電纜線的出線密封，如圖5所示。電纜線外部用進(jìn)線密封圈、壓緊圈、電纜線夾套住，給其施加一定的預(yù)緊力，使得電纜線夾、進(jìn)線密封圈緊緊抱住電纜。通過該兩層的密封使得泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中水不可能沿著電纜線外壁滲漏進(jìn)入電動機(jī)。另外將套在電纜線外部的電纜線護(hù)套壓緊，保證電纜線在裝配、運(yùn)輸 ,使用過程中，都不至于因微小疏忽而造成電纜損壞。上述措施有效杜絕了外部水或潮濕的空氣進(jìn)入接線腔以及電動機(jī)內(nèi)部。
4.通用性設(shè)計(jì)
系列化的產(chǎn)品，一定要注意零件的通用性設(shè)計(jì)，只有產(chǎn)品的零件通用性增強(qiáng)了，才能減少模具數(shù)量及零件種類、易于實(shí)現(xiàn)自動化批量生產(chǎn)、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)本降耗。
借鑒電動機(jī)軸承選配的特點(diǎn)：只要電動機(jī)機(jī)座號相同，即使功率和極對數(shù)不同，所配置的軸承基本相同。設(shè)計(jì)潛水排污泵時(shí)，其下端蓋以上部分(電動機(jī)殼、主軸、上端蓋和出線盒蓋等)基本可以設(shè)計(jì)成相同零件，即設(shè)計(jì)成通用件。但必須注意：1.需要根據(jù)水力性能特點(diǎn)，校核軸承使用壽命及各零件的強(qiáng)度。2.需要根據(jù)選用的電動機(jī)情況，校核電纜線線徑是否滿足使用要求。
5.安裝附屬件
潛水排污泵一般采用自動耦合式安裝。潛水排污泵的出口與耦合接口連接，兩根平行的導(dǎo)桿固定在耦合底座上，耦合接口能沿著導(dǎo)桿從泵坑頂部到耦合底座間自由地滑動。當(dāng)泵放下至zui下端時(shí)，其耦合接口與耦合底座緊密結(jié)合，依靠泵自身重量的壓力下就能*地密封。整個泵的重量由耦合底座承擔(dān)，泵體及泵底座小與泵坑接觸
當(dāng)泵坑較深而起重機(jī)起吊高度只夠起吊水泵的高度時(shí)，就需要增加相應(yīng)輔助設(shè)備來滿足裝拆要求。如配置起重用短環(huán)鏈，并且在短環(huán)鏈間設(shè)置中繼壞，方便起吊到限定高度時(shí)的換鉤，使水泵能順利地安裝檢修。
五、結(jié)語
針對潛水排污泵存在的安全運(yùn)行隱患，有些生產(chǎn)廠家把重點(diǎn)放在了開發(fā)泵的保護(hù)系統(tǒng)上：在水泵運(yùn)行發(fā)生異常時(shí)自動報(bào)警或者切斷電源，避免因設(shè)備故障引起安全事故的發(fā)生，雖然這種方法可以為水泵的安全運(yùn)行起到一定保障作用，而且這種保護(hù)保障也是必要的，但這并不是解決間題的根本方法，還是要把重點(diǎn)放在如何提高水泵的各種性能上，把問題從根本上解決。除此之外，產(chǎn)品的開發(fā)還要充分地考慮到環(huán)境問題，讓研發(fā)的產(chǎn)品更節(jié)能、更環(huán)保。
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