潛水排污泵設(shè)計(jì)及應(yīng)用問題解決

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(dòng)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??；安裝維護(hù)方便；不用灌引水直接起動(dòng)水泵;振動(dòng)噪聲小、電動(dòng)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(dòng)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，并完全與泵輸送的介質(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(dòng)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(dòng)機(jī)功率:Pg=kP/ηt
式中k—余量系數(shù);
ηt—傳動(dòng)效率，由文獻(xiàn)[1]查取。
根據(jù)計(jì)算得到的原動(dòng)機(jī)功率及選定的轉(zhuǎn)速，參照電動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列，確定電動(dòng)機(jī)功率，或者從能耗方面考慮,設(shè)計(jì)選配非標(biāo)電動(dòng)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最小直徑。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。

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?？梢圆捎孟嗨圃O(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(dòng)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(dòng)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，最終確定其結(jié)構(gòu)尺寸；最后根據(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(dòng)、位移。最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?？筛鶕?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(dòng)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(dòng)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(huì)一起美旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的液體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向外的離心力，這個(gè)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(gè)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(dòng)密封。其動(dòng)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(hào):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(dòng)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(dòng)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(dòng)化批量生產(chǎn)、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)本降耗。
借鑒電動(dòng)機(jī)軸承選配的特點(diǎn)：只要電動(dòng)機(jī)機(jī)座號(hào)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)。當(dāng)泵放下至最下端時(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完全地密封。整個(gè)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(dòng)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。