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(cháng)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(chǎng)合。
潛水排污泵是一種泵與電動(dòng)機連體，并同時(shí)潛入液下工作的泵類(lèi)產(chǎn)品，與一般臥式泵或立式排污泵相比，具有結構緊湊、占地面積??；安裝維護方便；不用灌引水直接起動(dòng)水泵;振動(dòng)噪聲小、電動(dòng)機溫升低、對環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到重視，使用范圍也越來(lái)越廣。本文淺談QW型潛水排污泵的設計及相關(guān)經(jīng)驗，為設計者提供參考。
二、QW型潛水排污泵結構
1.結構概述
QW型潛水排污泵由葉輪、泵體、上下端蓋、電動(dòng)機、保護裝置以及出線(xiàn)裝置等組成(見(jiàn)圖1)。上、下兩列軸承能承受所有的軸向和徑向負荷，并完全與泵輸送的介質(zhì)分開(kāi)。
2.保護裝置的保護特性
在水泵運行發(fā)生異常時(shí)，通過(guò)保護裝置可實(shí)現自動(dòng)報警或者切斷電源，保護水泵。具體保護特性見(jiàn)下表。
三、潛水排污泵設計
1.提供設計用數據和要求
1)流量Q
2)揚程H
3)轉速n(或由設計者確定)。
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(xiàn)的要求(平坦、陡降、是否允許有駝峰或在全揚程范圍內運行等)。
2..泵主要參數和結構方案的確定
1)泵的車(chē)由功率：P=ρgQH
2)原動(dòng)機功率:Pg=kP/ηt
式中k—余量系數;
ηt—傳動(dòng)效率，由文獻[1]查取。
根據計算得到的原動(dòng)機功率及選定的轉速，參照電動(dòng)機的標準尺寸系列，確定電動(dòng)機功率，或者從能耗方面考慮,設計選配非標電動(dòng)機。
3)泵軸直徑初步計算。開(kāi)始設計時(shí)，可按扭矩確定泵軸的最小直徑。待泵轉子設計完成后，再對軸的強度、剛度和臨界轉速進(jìn)行詳細的校核。按扭矩計算泵軸直徑的公式為:
式中Mn—扭矩，單位為N·m
Pc計算功率，可取Pc=1.2P
[т]—材料的許用切應力，單位為Pa，由文獻[1]查取。
[т]值的大小決定軸的粗細，軸細可以節省材料，提高葉輪水力和汽蝕性能；軸粗能增強泵的剛度，提高運行可靠性。
4)葉輪水力尺寸的確定。由所提設計數據和要求，確定葉輪水力形式?？梢圆捎孟嗨圃O計法或速度系數法確定咔輪主要尺寸。相似設計法又稱(chēng)模型換算法，此方法簡(jiǎn)單可靠，成為泵的主要設計方法之一，得到廣泛應用。設計的大致步驟如下。
①按給定的參數(Q, H，n)動(dòng)計算欲設計泵的ns。
②選擇性能良好的模型泵，模型泵的ns應與設計泵的ns相等(或相近)
③按設計泵和模型泵的參數Q, H，n計算尺寸系數。
④實(shí)型泵的各尺寸按D=λDM計算。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)確定結構方案。通過(guò)上述確定的電動(dòng)機、主軸及葉輪水力等尺寸，參照圖1所示結構，初步確定潛污泵結構形式及尺寸；然后根據文獻[1]中相關(guān)規定，分析各零件的受力情況，并校核其強度，最終確定其結構尺寸；最后根據文獻[2]中相關(guān)規定，校核所選軸承的使用壽命是否滿(mǎn)足相關(guān)要求。
四、泵實(shí)際應用中的問(wèn)題及設計改進(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(guò)程中，特別是水泵偏大流量運行時(shí)，在I處容易產(chǎn)生斷軸現象。
分析其產(chǎn)生的主要原因如下:
1)主軸退刀槽處應力集中，特別是尺寸r過(guò)小或者干脆為直角。
2)主軸軸肩尺寸B過(guò)小，同時(shí)伴隨著(zhù)葉輪輪毅端部的工藝倒角和裝配機械密封用的倒圓角R的存在，使該處的接觸面積過(guò)小，進(jìn)而導致葉輪在旋轉過(guò)程中產(chǎn)生軸向竄動(dòng)、位移。最終的后果就是葉輪軸孔擴大，該處主軸斷裂。
設計解決措施:
1)嚴格按照工藝要求加工零件，避免應力集中等情況出現。
2)增大主軸軸肩尺寸B，一般取B≥5mm為宜。缺點(diǎn)是需要相應增大主軸及機械密封等零件尺寸，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備上加大投入?？筛鶕?shí)際情況選擇設計方案，但必須保證葉輪在旋轉時(shí)不出現軸向和徑向位移。
2.機械密封防護
輸送雨水及輕度污水的情況下，機械密封的布置形式采用如圖I所示結構；當所輸送的介質(zhì)中含有大量的泥沙或固體小顆粒時(shí)，應當對機械密封的布置形式重新設計，以提高泵的密封可靠性。
如圖4所示，將機械密封全部密閉于油腔內，不與輸送介質(zhì)接觸，采用油潤滑冷卻，延長(cháng)了機械密封的使用壽命。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(kāi)式葉輪。當泵工作時(shí)，副葉輪隨泵主軸一起旋轉，副葉輪中的液體也會(huì )一起美旋轉，轉動(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)入機械密封的摩擦副中，減少機械密封的磨損，延長(cháng)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)密封如上所述的機械密封裝置，機械密封摩擦副的材料配置，一般浸在機械油中潤滑的，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(cháng)，結構緊湊，裝拆方便(公眾號:泵管家)。
2)潛水電纜線(xiàn)的出線(xiàn)密封，如圖5所示。電纜線(xiàn)外部用進(jìn)線(xiàn)密封圈、壓緊圈、電纜線(xiàn)夾套住，給其施加一定的預緊力，使得電纜線(xiàn)夾、進(jìn)線(xiàn)密封圈緊緊抱住電纜。通過(guò)該兩層的密封使得泵在運轉過(guò)程中水不可能沿著(zhù)電纜線(xiàn)外壁滲漏進(jìn)入電動(dòng)機。另外將套在電纜線(xiàn)外部的電纜線(xiàn)護套壓緊，保證電纜線(xiàn)在裝配、運輸 ,使用過(guò)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(xiàn)腔以及電動(dòng)機內部。
4.通用性設計
系列化的產(chǎn)品，一定要注意零件的通用性設計，只有產(chǎn)品的零件通用性增強了，才能減少模具數量及零件種類(lèi)、易于實(shí)現自動(dòng)化批量生產(chǎn)、縮短生產(chǎn)周期、節本降耗。
借鑒電動(dòng)機軸承選配的特點(diǎn)：只要電動(dòng)機機座號相同，即使功率和極對數不同，所配置的軸承基本相同。設計潛水排污泵時(shí)，其下端蓋以上部分(電動(dòng)機殼、主軸、上端蓋和出線(xiàn)盒蓋等)基本可以設計成相同零件，即設計成通用件。但必須注意：1.需要根據水力性能特點(diǎn)，校核軸承使用壽命及各零件的強度。2.需要根據選用的電動(dòng)機情況，校核電纜線(xiàn)線(xiàn)徑是否滿(mǎn)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，兩根平行的導桿固定在耦合底座上，耦合接口能沿著(zhù)導桿從泵坑頂部到耦合底座間自由地滑動(dòng)。當泵放下至最下端時(shí)，其耦合接口與耦合底座緊密結合，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，泵體及泵底座小與泵坑接觸
當泵坑較深而起重機起吊高度只夠起吊水泵的高度時(shí)，就需要增加相應輔助設備來(lái)滿(mǎn)足裝拆要求。如配置起重用短環(huán)鏈，并且在短環(huán)鏈間設置中繼壞，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、結語(yǔ)
針對潛水排污泵存在的安全運行隱患，有些生產(chǎn)廠(chǎng)家把重點(diǎn)放在了開(kāi)發(fā)泵的保護系統上：在水泵運行發(fā)生異常時(shí)自動(dòng)報警或者切斷電源，避免因設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行起到一定保障作用，而且這種保護保障也是必要的，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(wèn)題從根本上解決。除此之外，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)還要充分地考慮到環(huán)境問(wèn)題，讓研發(fā)的產(chǎn)品更節能、更環(huán)保。
