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摘要：针对传统铸造工艺制造的潜污泵高耗材、高耗能、低效率及密封不可靠等状况，本文对阳江市汉能工业有限公司和广东永力泵业有限公司合作研发的一种基于冲压焊接工艺的潜污泵进行了泵体分析，从高效、轻型和可靠密封3个方面着手设计，研发的产品与国外同类先进产品相比，相同功率、潜水深度和可通颗粒直径下，本产品的流量和扬程能接近国外同类先进产品的水平。
关键词：潜污泵； 冲压焊接； 设计
0 引言
潜污泵是一种泵与电机连成一体的流体机械，其用途广泛主要包括废水处理、建筑工地、污水池与防洪应急排水、储罐排空以及普通污水作业。传统潜污泵的叶轮、泵体等核心组件是采用铸造和机械加工相结合的工艺方法制造出，导致工人劳动强度大，材料利用率低，耗电量大且排放出有毒气体[1]，从而造成过多的能源消耗及空气污染。同时，因泵的零部件通过砂型鑄造出来，所以泵的过流部件表面质量差，流道粗糙，泵产品性能往往得不到保证[1]。而且目前潜污泵的密封形式大多采用普通密封电缆在电缆头加密封结构的形式，当电缆外皮破损时，水会沿着电缆外皮和芯线外包覆甚至芯线的线芯进入到电机端，影响电机寿命和整泵性能，工作时容易发生事故。
本文针对传统铸造工艺制造的潜污泵提出了一些改进措施，解决目前潜污泵制造高耗材、高耗能、低效率以及密封不可靠等状况，对于进一步推进我国泵业制造技术升级具有重要的实际意义。
1 泵体分析
本产品是一种基于冲压焊接工艺的潜污泵，该焊接泵主要包括泵体、叶轮、泵壳和潜水电机，其主要结构如图1所示。潜污泵的工作原理大致为：潜水电机5通过泵轴7带动叶轮2高速旋转，液体在离心力的作用下加速，高速液体飞离叶轮向外射出且在泵壳扩散室内速度逐渐变慢，随着压力的累积，液体从泵出口的排出管流出。潜水泵的设计出发点是能潜入较大深度水中吸排含污物、大颗粒固体和长纤维杂质缠绕物，保证“不缠绕、不堵塞”。同时，潜水泵设计要求效率高，而影响其效率的主要原因有叶轮的设计、密封装置（密封压盖4和机械密封8）、焊接和装配工艺等。此外，为保证潜污泵设计结构紧凑、轻便和噪声小，需设计一种轻型化整体结构优化的泵。
2 潜污泵的设计
2.1 设计的基本原则
为保证潜污泵的高效作业，泵体部件设计需满足以下要求：
1）足够的强度和刚度。由于潜污泵作业时，潜入很深的污水下吸排含污物、大颗粒固体和长纤维杂质缠绕物，为保证泵体部件不变形需确保其具备足够的强度和剛度；
2）设计合理。采用Fluent软件对作业时的零部件进行模拟，使整体结构紧凑，轻便，噪声小，节能省材；
3）定位精准。准确的定位可避免较大的安装误差达到最优的整体性能；
4）密封良好。泵体密封包括机械密封和压盖密封，良好的密封是保证潜污泵高效作业的前提；
5）良好焊接。传统潜污泵制造工艺中，叶轮、泵体等核心组件是通过铸造和机械加工相结合的方法，其中每片叶轮是单独成型，焊接麻烦，制作效率不高。为得到良好焊接，泵体、后盖和叶轮等均采用冲压和焊接成型；
6）工艺性好。所设计的泵体部件应便于制造、安装、操作、检验、维修和更换等。
2.2 高效设计
叶轮是泵最重要的工作元件，是过流部件的心脏。泵的扬程、流量、效率、抗汽蚀能力和特性曲线的形状主要取决于叶轮的水力设计[2]。叶轮的主要结构型式有很多，主要包括闭式、开式、半开式叶轮和旋流式。潜污泵要求防缠性能良好，采用的是半开式涡流叶轮，其相邻两块叶片由一块金属板冲压而成，相邻两块叶片之间的金属板有一定体积，与叶轮的后盖板焊接，叶片工作曲面采用多段圆弧构成，为空间扭曲叶型[3]。
目前，叶轮制造技术成熟、性能稳定、高效区宽和效率高[4]。半开式叶轮叶片端的轴向视图如图2所示，基于“粘性流”理论将叶片1设计成双圆弧形状，该叶片设计出的叶轮进口角大，可以更易吸入固体和杂物并能防止缠绕和堵塞。冲压焊接的叶轮与传统铸造相比，不但材料利用率提高，叶轮轻巧美观，而且叶轮加工的工作效率及产品的合格率得到了很大的提升。
2.3 轻型设计
传统潜污泵的叶轮、泵体等核心组件是采用铸造和机械加工相结合的工艺方法制造出。铸造工艺时，泵的零部件通过砂型铸造出来，泵的过流部件表面质量差，流道粗糙，体积大。本文的泵体、后盖和叶轮等均采用冲压和焊接成型。以叶轮为例，冲压工艺是叶轮成型的主要工艺。叶轮各个部分的形状及精度靠模具来实现。模具的结构设计不仅要合理，而且要具有良好的通用性和互换性[5]。冲压焊接叶轮的制造通常采用铆焊或点焊工艺。激光焊工作时，应注意选择合适的激光功率。良好的冲压焊接的叶轮应符合：后盖板在焊接后基本不产生变形，焊接处焊缝平整、宽度小、结构强度高、焊接表面光滑，水力损失小[5]。将泵体、后盖和叶轮采用冲压和焊接成型得到的潜污泵整体结构紧凑，体积小，轻便，噪声小，节能省材，运行效率高。
2.4 可靠密封设计
潜污泵的可靠密封设计结构采用分段胶水粘合式密封电缆密封头和双端面机械密封结构。密封电缆密封头方面，采用若干股线芯并绕时在长度方向每隔一定距离加有能将每股线芯粘合牢固及能将每股线芯与芯线外包覆粘合牢固的密封胶层的结构，即使电缆外皮或芯线外包覆破损，水也不会沿电缆外皮或芯线外包覆及线芯进入电机里面，而且剥去主电缆外皮和芯线外包覆即可进行接线，不需外加任何的防水装置，具有密封可靠、接线操作方便等优点。双端面机械密封结构如图3所示。叶轮2装设于由泵体和后盖4连接而形成的密封空间内，中央处设有用于安装机械密封和密封压盖3的圆柱形凹槽，密封压盖3与后盖4的凹槽的外表面结合，并由叶轮2的轮毂顶紧，从而保证机械密封的可靠性。
3 整体性能分析
3.1 性能指标
本文的冲压焊接式潜污泵相比传统铸造潜污泵，输送介质的最大固体物可达50mm，最大潜水深度 10m，节材70%以上，且效率提高3%-5%。
3.2 技术指标
潜污泵的技术指标主要包括流量、扬程、功率、潜水深度和可通颗粒直径，本文将国外同类先进产品与本产品进行对比，其具体技术指标如表1所示：
从表1可以看出，相同功率、潜水深度和可通颗粒直径下，本产品的流量和扬程能接近国外同类先进产品的水平，但稳定性还需进一步测试改进。
4 结论
本文对阳江市汉能工业有限公司和广东永力泵业有限公司合作研发的一种基于冲压焊接工艺的潜污泵进行了泵体分析，从高效、轻型和可靠密封3个方面着手设计，研发的产品与国外同类先进产品相比，相同功率、潜水深度和可通颗粒直径下，本产品的流量和扬程能接近国外同类先进产品的水平，但稳定性还需进一步测试改进。
参考文献：
[1] 雷利利. 冲压焊接离心泵叶轮设计方法和成型工艺的研究[D].江苏大学，2006.
[2] 李传君. 潜水排污泵的CAD/CAM[D].江苏大学，2002.
[3] 梁元敏. 一种冲压焊接食品泵[P]. 中国： ZL200610033320.2， 2006.
[4] 许元兰. 半开式叶轮的设计[J]. 农机化研究，2004，（05）：170-171+173.
[5] 雷利利，王洋. 泵叶轮冲压焊接工艺[J]. 农业机械学报，2006，（09）：190-192+189.
关键词：潜污泵； 冲压焊接； 设计
0 引言
潜污泵是一种泵与电机连成一体的流体机械，其用途广泛主要包括废水处理、建筑工地、污水池与防洪应急排水、储罐排空以及普通污水作业。传统潜污泵的叶轮、泵体等核心组件是采用铸造和机械加工相结合的工艺方法制造出，导致工人劳动强度大，材料利用率低，耗电量大且排放出有毒气体[1]，从而造成过多的能源消耗及空气污染。同时，因泵的零部件通过砂型鑄造出来，所以泵的过流部件表面质量差，流道粗糙，泵产品性能往往得不到保证[1]。而且目前潜污泵的密封形式大多采用普通密封电缆在电缆头加密封结构的形式，当电缆外皮破损时，水会沿着电缆外皮和芯线外包覆甚至芯线的线芯进入到电机端，影响电机寿命和整泵性能，工作时容易发生事故。
本文针对传统铸造工艺制造的潜污泵提出了一些改进措施，解决目前潜污泵制造高耗材、高耗能、低效率以及密封不可靠等状况，对于进一步推进我国泵业制造技术升级具有重要的实际意义。
1 泵体分析
本产品是一种基于冲压焊接工艺的潜污泵，该焊接泵主要包括泵体、叶轮、泵壳和潜水电机，其主要结构如图1所示。潜污泵的工作原理大致为：潜水电机5通过泵轴7带动叶轮2高速旋转，液体在离心力的作用下加速，高速液体飞离叶轮向外射出且在泵壳扩散室内速度逐渐变慢，随着压力的累积，液体从泵出口的排出管流出。潜水泵的设计出发点是能潜入较大深度水中吸排含污物、大颗粒固体和长纤维杂质缠绕物，保证“不缠绕、不堵塞”。同时，潜水泵设计要求效率高，而影响其效率的主要原因有叶轮的设计、密封装置（密封压盖4和机械密封8）、焊接和装配工艺等。此外，为保证潜污泵设计结构紧凑、轻便和噪声小，需设计一种轻型化整体结构优化的泵。
2 潜污泵的设计
2.1 设计的基本原则
为保证潜污泵的高效作业，泵体部件设计需满足以下要求：
1）足够的强度和刚度。由于潜污泵作业时，潜入很深的污水下吸排含污物、大颗粒固体和长纤维杂质缠绕物，为保证泵体部件不变形需确保其具备足够的强度和剛度；
2）设计合理。采用Fluent软件对作业时的零部件进行模拟，使整体结构紧凑，轻便，噪声小，节能省材；
3）定位精准。准确的定位可避免较大的安装误差达到最优的整体性能；
4）密封良好。泵体密封包括机械密封和压盖密封，良好的密封是保证潜污泵高效作业的前提；
5）良好焊接。传统潜污泵制造工艺中，叶轮、泵体等核心组件是通过铸造和机械加工相结合的方法，其中每片叶轮是单独成型，焊接麻烦，制作效率不高。为得到良好焊接，泵体、后盖和叶轮等均采用冲压和焊接成型；
6）工艺性好。所设计的泵体部件应便于制造、安装、操作、检验、维修和更换等。
2.2 高效设计
叶轮是泵最重要的工作元件，是过流部件的心脏。泵的扬程、流量、效率、抗汽蚀能力和特性曲线的形状主要取决于叶轮的水力设计[2]。叶轮的主要结构型式有很多，主要包括闭式、开式、半开式叶轮和旋流式。潜污泵要求防缠性能良好，采用的是半开式涡流叶轮，其相邻两块叶片由一块金属板冲压而成，相邻两块叶片之间的金属板有一定体积，与叶轮的后盖板焊接，叶片工作曲面采用多段圆弧构成，为空间扭曲叶型[3]。
目前，叶轮制造技术成熟、性能稳定、高效区宽和效率高[4]。半开式叶轮叶片端的轴向视图如图2所示，基于“粘性流”理论将叶片1设计成双圆弧形状，该叶片设计出的叶轮进口角大，可以更易吸入固体和杂物并能防止缠绕和堵塞。冲压焊接的叶轮与传统铸造相比，不但材料利用率提高，叶轮轻巧美观，而且叶轮加工的工作效率及产品的合格率得到了很大的提升。
2.3 轻型设计
传统潜污泵的叶轮、泵体等核心组件是采用铸造和机械加工相结合的工艺方法制造出。铸造工艺时，泵的零部件通过砂型铸造出来，泵的过流部件表面质量差，流道粗糙，体积大。本文的泵体、后盖和叶轮等均采用冲压和焊接成型。以叶轮为例，冲压工艺是叶轮成型的主要工艺。叶轮各个部分的形状及精度靠模具来实现。模具的结构设计不仅要合理，而且要具有良好的通用性和互换性[5]。冲压焊接叶轮的制造通常采用铆焊或点焊工艺。激光焊工作时，应注意选择合适的激光功率。良好的冲压焊接的叶轮应符合：后盖板在焊接后基本不产生变形，焊接处焊缝平整、宽度小、结构强度高、焊接表面光滑，水力损失小[5]。将泵体、后盖和叶轮采用冲压和焊接成型得到的潜污泵整体结构紧凑，体积小，轻便，噪声小，节能省材，运行效率高。
2.4 可靠密封设计
潜污泵的可靠密封设计结构采用分段胶水粘合式密封电缆密封头和双端面机械密封结构。密封电缆密封头方面，采用若干股线芯并绕时在长度方向每隔一定距离加有能将每股线芯粘合牢固及能将每股线芯与芯线外包覆粘合牢固的密封胶层的结构，即使电缆外皮或芯线外包覆破损，水也不会沿电缆外皮或芯线外包覆及线芯进入电机里面，而且剥去主电缆外皮和芯线外包覆即可进行接线，不需外加任何的防水装置，具有密封可靠、接线操作方便等优点。双端面机械密封结构如图3所示。叶轮2装设于由泵体和后盖4连接而形成的密封空间内，中央处设有用于安装机械密封和密封压盖3的圆柱形凹槽，密封压盖3与后盖4的凹槽的外表面结合，并由叶轮2的轮毂顶紧，从而保证机械密封的可靠性。
3 整体性能分析
3.1 性能指标
本文的冲压焊接式潜污泵相比传统铸造潜污泵，输送介质的最大固体物可达50mm，最大潜水深度 10m，节材70%以上，且效率提高3%-5%。
3.2 技术指标
潜污泵的技术指标主要包括流量、扬程、功率、潜水深度和可通颗粒直径，本文将国外同类先进产品与本产品进行对比，其具体技术指标如表1所示：
从表1可以看出，相同功率、潜水深度和可通颗粒直径下，本产品的流量和扬程能接近国外同类先进产品的水平，但稳定性还需进一步测试改进。
4 结论
本文对阳江市汉能工业有限公司和广东永力泵业有限公司合作研发的一种基于冲压焊接工艺的潜污泵进行了泵体分析，从高效、轻型和可靠密封3个方面着手设计，研发的产品与国外同类先进产品相比，相同功率、潜水深度和可通颗粒直径下，本产品的流量和扬程能接近国外同类先进产品的水平，但稳定性还需进一步测试改进。
参考文献：
[1] 雷利利. 冲压焊接离心泵叶轮设计方法和成型工艺的研究[D].江苏大学，2006.
[2] 李传君. 潜水排污泵的CAD/CAM[D].江苏大学，2002.
[3] 梁元敏. 一种冲压焊接食品泵[P]. 中国： ZL200610033320.2， 2006.
[4] 许元兰. 半开式叶轮的设计[J]. 农机化研究，2004，（05）：170-171+173.
[5] 雷利利，王洋. 泵叶轮冲压焊接工艺[J]. 农业机械学报，2006，（09）：190-192+189.