潜水排污泵设计及应用问题解决-上海意嘉泵业【官方网站】

一、前言
潜水排污泵主要用于石油、化工、钢铁、冶金、电力、环保、市政及建筑等行业，用于输送带固体颗粒及各种长纤维的废水、城市生活污水和雨水，还包括原水的输送、水产养殖、灌溉等。配以特种材质，可用于有一定腐蚀性介质的场合。
潜水排污泵是一种泵与电动机连体，并同时潜入液下工作的泵类产品，与一般卧式泵或立式排污泵相比，具有结构紧凑、占地面积小；安装维护方便；不用灌引水直接起动水泵;振动噪声小、电动机温升低、对环境无污染等优点，越来越受到重视，使用范围也越来越广。本文浅谈QW型潜水排污泵的设计及相关经验，为设计者提供参考。

二、QW型潜水排污泵结构
1.结构概述
QW型潜水排污泵由叶轮、泵体、上下端盖、电动机、保护装置以及出线装置等组成(见图1)。上、下两列轴承能承受所有的轴向和径向负荷，并完全与泵输送的介质分开。

2.保护装置的保护特性
在水泵运行发生异常时，通过保护装置可实现自动报警或者切断电源，保护水泵。具体保护特性见下表。

三、潜水排污泵设计

1.提供设计用数据和要求
1)流量Q
2)扬程H
3)转速n(或由设计者确定)。
4)泵汽蚀余量或装置汽蚀余量(也可给出装置的使用条件)。
5)效率η(要求保证的效率)。
6)介质的属性(温度、密度ρ、含杂质情况、腐蚀性等)。
7)对特性曲线的要求(平坦、陡降、是否允许有驼峰或在全扬程范围内运行等)。

2..泵主要参数和结构方案的确定
1)泵的车由功率：P=ρgQH

2)原动机功率:Pg=kP/ηt
式中k—余量系数;
ηt—传动效率，由文献[1]查取。
根据计算得到的原动机功率及选定的转速，参照电动机的标准尺寸系列，确定电动机功率，或者从能耗方面考虑,设计选配非标电动机。

3)泵轴直径初步计算。开始设计时，可按扭矩确定泵轴的最小直径。待泵转子设计完成后，再对轴的强度、刚度和临界转速进行详细的校核。

4)叶轮水力尺寸的确定。由所提设计数据和要求，确定叶轮水力形式。可以采用相似设计法或速度系数法确定咔轮主要尺寸。相似设计法又称模型换算法，此方法简单可靠，成为泵的主要设计方法之一，得到广泛应用。设计的大致步骤如下。
①按给定的参数(Q, H，n)动计算欲设计泵的ns。
②选择性能良好的模型泵，模型泵的ns应与设计泵的ns相等(或相近)
③按设计泵和模型泵的参数Q, H，n计算尺寸系数。
④实型泵的各尺寸按D=λDM计算。其中λ用λQ或λH均可，但一般选用其中较大的值或平均值。

5)确定结构方案。通过上述确定的电动机、主轴及叶轮水力等尺寸，参照图1所示结构，初步确定潜污泵结构形式及尺寸；然后根据文献[1]中相关规定，分析各零件的受力情况，并校核其强度，最终确定其结构尺寸；最后根据文献[2]中相关规定，校核所选轴承的使用寿命是否满足相关要求。

四、泵实际应用中的问题及设计改进
1.叶轮轮毅端部处主轴断裂
叶轮与主轴的安装形式如图2所示，在使用过程中，特别是水泵偏大流量运行时，在I处容易产生断轴现象。
分析其产生的主要原因如下:
1)主轴退刀槽处应力集中，特别是尺寸r过小或者干脆为直角。
2)主轴轴肩尺寸B过小，同时伴随着叶轮轮毅端部的工艺倒角和装配机械密封用的倒圆角R的存在，使该处的接触面积过小，进而导致叶轮在旋转过程中产生轴向窜动、位移。最终的后果就是叶轮轴孔扩大，该处主轴断裂。

设计解决措施:
1)严格按照工艺要求加工零件，避免应力集中等情况出现。
2)增大主轴轴肩尺寸B，一般取B≥5mm为宜。缺点是需要相应增大主轴及机械密封等零件尺寸，增加产品成本。
3)将叶轮与主轴的配合由圆柱改为圆锥，如图3所示。缺点是要保证锥度的通配性，必须在工艺工装及设备上加大投入。可根据实际情况选择设计方案，但必须保证叶轮在旋转时不出现轴向和径向位移。

2.机械密封防护
输送雨水及轻度污水的情况下，机械密封的布置形式采用如图I所示结构；当所输送的介质中含有大量的泥沙或固体小颗粒时，应当对机械密封的布置形式重新设计，以提高泵的密封可靠性。
如图4所示，将机械密封全部密闭于油腔内，不与输送介质接触，采用油润滑冷却，延长了机械密封的使用寿命。同时将副叶轮流体动力密封技术应用到潜水排污泵中。
所谓的副叶轮流体动力密封是指在泵的叶轮后盖板背面附近同轴反方向安装一开式叶轮。当泵工作时，副叶轮随泵主轴一起旋转，副叶轮中的液体也会一起美旋转，转动的液体会产生一个向外的离心力，这个离心力一方面平衡流向机械密封处的压力;另一方面阻止介
质中的固体颗粒进入机械密封的摩擦副中，减少机械密封的磨损，延长了使用寿命。副叶轮除了起到密封作用外，还可以起到降低轴向力的作用。但是使用副叶轮密封系统也有一个缺点，那就是在副叶轮上要捎耗一部分能量，一般在3%左右。

3.密封
    潜水排污泵的密封一般有静密封和动密封。其动密封如上所述的机械密封装置，机械密封摩擦副的材料配置，一般浸在机械油中润滑的，选为碳化钨+石墨；靠输送介质润滑的，选为碳化钨+碳化硅。
    潜水排污泵的静密封有2种:
    1)金属与金属结合面处的密封，一般采用非金震O形环密封，其密封性能好，寿命长，结构紧凑，装拆方便(公众号:泵管家)。
2)潜水电缆线的出线密封，如图5所示。电缆线外部用进线密封圈、压紧圈、电缆线夹套住，给其施加一定的预紧力，使得电缆线夹、进线密封圈紧紧抱住电缆。通过该两层的密封使得泵在运转过程中水不可能沿着电缆线外壁渗漏进入电动机。另外将套在电缆线外部的电缆线护套压紧，保证电缆线在装配、运输 ,使用过程中，都不至于因微小疏忽而造成电缆损坏。上述措施有效杜绝了外部水或潮湿的空气进入接线腔以及电动机内部。

4.通用性设计
系列化的产品，一定要注意零件的通用性设计，只有产品的零件通用性增强了，才能减少模具数量及零件种类、易于实现自动化批量生产、缩短生产周期、节本降耗。
借鉴电动机轴承选配的特点：只要电动机机座号相同，即使功率和极对数不同，所配置的轴承基本相同。设计潜水排污泵时，其下端盖以上部分(电动机壳、主轴、上端盖和出线盒盖等)基本可以设计成相同零件，即设计成通用件。但必须注意：1.需要根据水力性能特点，校核轴承使用寿命及各零件的强度。2.需要根据选用的电动机情况，校核电缆线线径是否满足使用要求。

5.安装附属件
潜水排污泵一般采用自动耦合式安装。潜水排污泵的出口与耦合接口连接，两根平行的导杆固定在耦合底座上，耦合接口能沿着导杆从泵坑顶部到耦合底座间自由地滑动。当泵放下至最下端时，其耦合接口与耦合底座紧密结合，依靠泵自身重量的压力下就能完全地密封。整个泵的重量由耦合底座承担，泵体及泵底座小与泵坑接触
当泵坑较深而起重机起吊高度只够起吊水泵的高度时，就需要增加相应辅助设备来满足装拆要求。如配置起重用短环链，并且在短环链间设置中继坏，方便起吊到限定高度时的换钩，使水泵能顺利地安装检修。

五、结语
针对潜水排污泵存在的安全运行隐患，有些生产厂家把重点放在了开发泵的保护系统上：在水泵运行发生异常时自动报警或者切断电源，避免因设备故障引起安全事故的发生，虽然这种方法可以为水泵的安全运行起到一定保障作用，而且这种保护保障也是必要的，但这并不是解决间题的根本方法，还是要把重点放在如何提高水泵的各种性能上，把问题从根本上解决。除此之外，产品的开发还要充分地考虑到环境问题，让研发的产品更节能、更环保。