沖壓焊接離心泵的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

許立，任衛(wèi)星，施志輝，李小松

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116028)*

0 引言

泵屬于通用機(jī)械，應(yīng)用面廣，凡是有流體工作的地方大多有泵的存在.目前中小型泵的零件大部分是通過鑄造生產(chǎn)的，鑄件比較粗糙，泵的效率比較低.泵是高耗能產(chǎn)品，每年發(fā)電量的20% ～25%都消耗在泵上，泵的生產(chǎn)、制造方面節(jié)約能源是泵產(chǎn)品研究的重要課題.沖壓焊接離心泵結(jié)構(gòu)緊湊，外型美觀，工作噪音低，有良好的可靠性和可維修性，生產(chǎn)過程具有高效節(jié)能、節(jié)材的特點(diǎn)，目前已有逐漸取代鑄造離心泵的趨勢(shì).

1 沖壓焊接離心泵的性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

沖壓焊接離心泵采用沖壓、焊接工藝制造，葉輪、泵殼各部分零件均通過沖壓模具沖壓而成，零件材料選用不銹鋼SUS304板材，離心泵內(nèi)部表面粗糙度較好，過流通道光滑;采用扭曲的葉片和導(dǎo)葉，適合離心泵水流特性，使得水力損失、容積損失小，水利性能較為穩(wěn)定，效率比一般的鑄造離心泵要高5%～6%，因此對(duì)于沖壓焊接離心泵而言，同等性能參數(shù)其所配用電機(jī)可以比鑄造離心泵要小一些［1］.

沖壓工藝加工零件材料利用率高，選不銹鋼板材為原料在滿足使用性能前提下可以加工很薄的零件，節(jié)約材料，同時(shí)生產(chǎn)的泵體體積小(空間比同型號(hào)鑄造泵節(jié)約50%)、重量輕(是同型號(hào)鑄造泵重量的1/8)、強(qiáng)度高(壽命較同型號(hào)鑄造泵長)、外形美觀(外表面可進(jìn)行拋光處理);沖壓工藝生產(chǎn)過程耗能較少，是同型號(hào)泵鑄造方法生產(chǎn)耗能的10%.

沖壓工藝生產(chǎn)的零件尺寸、形狀精度高，一方面裝配時(shí)零件配合精密，密封效果好，不易產(chǎn)生汽蝕、泄露現(xiàn)象;另一方面零件的互換性好，便于維修更換.

沖壓焊接離心泵在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了產(chǎn)品生產(chǎn)、使用過程中的環(huán)保問題，原材料不銹鋼板材的生產(chǎn)減少了鑄造生產(chǎn)釋放的污染氣體;零件生產(chǎn)的沖壓過程減少了鑄造翻砂、清砂過程所造成的污染;不銹鋼泵體使用過程中材料耐腐蝕，減少了泵體腐蝕對(duì)于清水的污染［2］.

沖壓焊接離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常適合裝配成為多級(jí)離心泵，當(dāng)客戶需求揚(yáng)程變化時(shí)，能夠迅速地做出反應(yīng)，只要在泵體中間部位串聯(lián)裝配增加多個(gè)葉輪、泵殼即可提高離心泵的揚(yáng)程，操作簡單.

2 多級(jí)離心泵的結(jié)構(gòu)分析

2.1 多級(jí)離心泵及其工作過程

把兩個(gè)以上葉輪安裝在同一個(gè)泵軸上，每個(gè)葉輪與其外周的液體導(dǎo)流裝置形成一個(gè)獨(dú)立的泵室，這個(gè)泵室與葉輪組成的系統(tǒng)可以認(rèn)為是一個(gè)單級(jí)離心泵，每個(gè)泵室前后串聯(lián)，就構(gòu)成了多級(jí)泵.多級(jí)離心泵除了能完成單級(jí)離心泵的用途之外，最大的優(yōu)點(diǎn)就是揚(yáng)程高.

多級(jí)離心泵的工作過程:當(dāng)多級(jí)離心泵電機(jī)帶動(dòng)軸上的葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，充滿在葉輪內(nèi)的液體在離心力的作用下，從葉輪中心沿著葉片間的流道甩向葉輪的四周，由于液體受到葉片的作用，使壓力和速度同時(shí)增加，經(jīng)過導(dǎo)輪的流道而被引向下一級(jí)的葉輪，這樣，逐次地流過所有的葉輪和導(dǎo)輪，進(jìn)一步使液體的壓力能量增加，將每個(gè)葉輪逐級(jí)疊加之后，就獲得一定揚(yáng)程.具體如圖1所示.

圖1 多級(jí)離心泵結(jié)構(gòu)及流體流向

2.2 多級(jí)離心泵的結(jié)構(gòu)功能

多級(jí)離心泵多采用串聯(lián)形式，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是每一級(jí)由一個(gè)位于體內(nèi)的葉輪組成，加上導(dǎo)輪，形成一級(jí)完整的泵室，將多個(gè)泵室串聯(lián)在一根泵軸上，再加上其他輔助的進(jìn)出水口、電機(jī)座、拉緊裝置、軸承、螺栓等零件共同裝配成一個(gè)多級(jí)離心泵.葉輪、導(dǎo)輪、泵軸、吸入口、蝸殼.

(1)葉輪

多級(jí)離心泵也是離心泵，則其最核心的零件就是葉輪，靠葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)甩出液體才能實(shí)現(xiàn)離心泵的功能.在多級(jí)離心泵中，采用多級(jí)串聯(lián)式的方法，將多個(gè)葉輪串聯(lián)地安裝在一根泵軸上，間隔距離相等分布.葉輪有開式、半閉式、閉式三種結(jié)構(gòu)形式，通常多級(jí)離心泵選取的是用鑄鐵或鑄鋼通過鑄造方法生產(chǎn)的整體型閉式葉輪，葉輪的葉片兩側(cè)均有蓋板，如圖2所示，效率高，廣泛應(yīng)用于輸送比較清潔的液體(如清水).

圖2 整體型閉式葉輪

圖3 導(dǎo)輪

(2)導(dǎo)輪

在多級(jí)離心泵中段采用導(dǎo)輪做換能裝置，它的作用是把葉輪甩出來的液體收集起來，使液體的流速降低，把部分速度能頭轉(zhuǎn)換為壓力能頭后，再均勻地引入下一級(jí)或者經(jīng)過擴(kuò)散管排出.它是一個(gè)固定不動(dòng)的圓盤，正面有包在葉輪外緣的正向?qū)~，這些導(dǎo)葉構(gòu)成了一條條擴(kuò)散形流道，背面有將液體引向下一級(jí)葉輪人口的反向?qū)~，如圖3所示.液體從葉輪甩出后，平緩地進(jìn)入導(dǎo)輪，沿著正向?qū)~繼續(xù)向外流動(dòng)，速度逐漸降低，動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，液體經(jīng)導(dǎo)輪背面的反向?qū)~被引入下一級(jí)葉輪.

(3)蝸殼

蝸殼是指葉輪出口到下一級(jí)葉輪入口或到泵的出口管之間截面積逐漸增大的螺旋形流道，其流道逐漸擴(kuò)大，出口為擴(kuò)散管狀.在多級(jí)泵中首段和尾段即進(jìn)、出水口處采用蝸殼來做換能裝置，將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能.蝸殼一般為鑄鐵鑄造而成.液體從葉輪流出后，其流速可以平緩地降低，使很大一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，輸送至目的地;進(jìn)水口之所以采用蝸殼，因其末端開口比較大，整體又呈螺旋形流道進(jìn)入離心泵越來越小，水流可以平穩(wěn)地進(jìn)入葉輪.

除了三個(gè)主要零件以外，多級(jí)離心泵的零件還有泵軸、電機(jī)支座、泵座、密封環(huán)、軸承、聯(lián)軸器、螺栓等.

3 基于沖壓工藝的離心泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沖壓焊接離心泵通過運(yùn)用沖壓工藝代替鑄造工藝生產(chǎn)出離心泵的零件，然后使用焊接工藝將各零件焊接成部件，最后裝配成完整的離心泵.

沖壓加工工藝方法種類很多，概括起來可以分為分離工序與成形工序兩大類.分離工序是指板料或坯料受力后，應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限，而是板料或坯料發(fā)生剪裂或局部剪裂而分離，從而獲得一定形狀、尺寸和切斷面質(zhì)量的沖壓件的工序，主要包括落料、沖孔、剪裁、切邊、切口等.成形工序是指板料或坯料受力后，應(yīng)力超過了材料的屈服極限點(diǎn)，經(jīng)過塑性變形后而獲得一定形狀和尺寸的沖壓件的工序，主要包括拉深、彎曲、翻邊、脹形、縮口等［3］.

下面根據(jù)沖壓工藝的要求，并考慮多級(jí)離心泵的功能，對(duì)沖壓焊接離心泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):

(1)葉輪

閉式葉輪因其空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)整體閉式葉輪的沖壓.從閉式葉輪的工作過程可知，首先葉片是其最基本的零件，要形成閉合性葉片需要上下兩個(gè)蓋板，這兩個(gè)蓋板與葉片要緊密接觸進(jìn)行焊接聯(lián)接;然后葉片和蓋板要想實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)必然和軸聯(lián)接，這就需要中間有個(gè)軸套之類的零件，葉片、上下蓋板、中間軸套四者焊接在一起才能實(shí)現(xiàn)葉輪最基本的功能.這四個(gè)零件均可以使用沖壓工藝生產(chǎn)出高精度的制件.上下蓋板可以通過簡單的落料→拉深→沖孔→切邊來完成;葉片由于是空間曲面，要多出彎曲一道工序才能生產(chǎn);中間軸套是通過機(jī)加工生產(chǎn)的.最后通過焊接將四者聯(lián)接在一起，這就構(gòu)成了沖壓焊接離心泵整體式閉式葉輪，如圖4所示.

(2)整體導(dǎo)葉

鑄造多級(jí)離心泵中的導(dǎo)流裝置由導(dǎo)葉和導(dǎo)葉套兩部分組成，它們與泵殼進(jìn)行固定連接，導(dǎo)葉可以使液體流動(dòng)更加順暢，導(dǎo)葉套則能減少泵殼對(duì)液體能量的損失.

沖壓焊接離心泵中對(duì)導(dǎo)葉和導(dǎo)葉套進(jìn)行合并，用沖壓加工一個(gè)內(nèi)殼、一個(gè)外殼、六條導(dǎo)葉、一個(gè)中間軸承座，再將這些零件按照正確的位置關(guān)系用激光焊接起來形成一個(gè)整體導(dǎo)葉.裝配時(shí)也可以簡單一些，少了調(diào)整導(dǎo)葉、導(dǎo)葉套的相對(duì)位置這一步驟，節(jié)約了時(shí)間，同時(shí)這種設(shè)計(jì)也使得泵體更加緊湊.

(3)其它

圖4 沖壓式葉輪

除了葉輪和導(dǎo)葉這兩個(gè)主要部件，沖壓焊接離心泵還有一些其它部分，用于支撐并防止液體從側(cè)面泄漏，將支撐設(shè)計(jì)成泵外殼，將泵外殼和導(dǎo)葉用激光焊焊接在一起就成了一個(gè)完整的泵殼，如圖5所示.沖壓焊接多級(jí)離心泵中的每一級(jí)都需要一個(gè)葉輪、一個(gè)泵殼，上下泵殼之間可以用密封環(huán)密封.泵殼中的導(dǎo)葉、上外殼、下外殼、軸承架等零件均可以通過落料→拉深→翻邊工藝來完成.

圖5 沖壓式泵殼

多級(jí)沖壓焊接離心泵結(jié)構(gòu)組成中還有泵座、電機(jī)座、蝸殼、泵軸，其中泵座、電機(jī)座、蝸殼是采用鑄造件來生產(chǎn)，可以起到減震作用，對(duì)減少離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲有益處［4］.最終裝配成形的離心泵如圖6所示.

圖6 沖壓焊接離心泵結(jié)構(gòu)

4 基于CFD的離心泵內(nèi)部壓力場(chǎng)分析

對(duì)于一個(gè)離心泵設(shè)計(jì)的好壞，其評(píng)價(jià)主要由離心泵的內(nèi)部流動(dòng)情況及外特性判定.表征離心泵內(nèi)部流動(dòng)情況的一個(gè)重要指標(biāo)就是離心泵的壓力場(chǎng).外特性則是指離心泵的性能參數(shù)，例如流量、揚(yáng)程、軸功率和效率等.離心泵的內(nèi)部流動(dòng)情況對(duì)外特性有著重要的影響［5］.為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的離心泵的性能，現(xiàn)應(yīng)用CFD軟件對(duì)所設(shè)計(jì)離心泵進(jìn)行壓力場(chǎng)分析并探討其在不同工況(0.5Q，Q，1.5Q;Q=16 m3/h)下，壓力場(chǎng)變化趨勢(shì).由于沖壓式多級(jí)離心泵的葉輪和導(dǎo)葉的流動(dòng)區(qū)域幾何非常不規(guī)則，所以采用了適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并對(duì)流動(dòng)較為復(fù)雜葉輪葉片部位的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，葉輪內(nèi)流體模型網(wǎng)格劃分如圖7所示.

圖7 葉輪內(nèi)流體模型網(wǎng)格劃分

圖8 不同工況下葉輪靜壓分布云圖

圖8分別為不同工況下離心泵X=0截面的靜壓分布云圖.由工況下的靜壓分布云圖可以得到，沿著流體流動(dòng)的方向，壓力逐漸增加，并呈現(xiàn)階梯狀.在葉輪的進(jìn)口處壓力最小，在出口處壓力最大，在進(jìn)口靠近吸力面處出現(xiàn)低壓.這符合離心泵葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)工作規(guī)律.

對(duì)于三種不同的流量工況的靜壓分布云圖比較可知，隨著流量的增加，進(jìn)水口吸力面低壓區(qū)的面積變小，這說明在小流量時(shí)容易發(fā)生氣蝕，在大流量時(shí)不容易發(fā)生氣蝕.小流量(0.5Q)工況，可以發(fā)現(xiàn)流道內(nèi)靠近葉輪出口及泵殼附近，壓力分布非常不均勻，這主要是由于葉輪轉(zhuǎn)數(shù)高，流量小所導(dǎo)致.另外隨著流體流量的增加，流體會(huì)對(duì)導(dǎo)葉和泵殼的沖擊增大，容易造成離心泵內(nèi)出現(xiàn)明顯的局部低壓，對(duì)泵的性能產(chǎn)生不良影響，但是由圖可以看出，本文設(shè)計(jì)的沖壓焊接離心泵并沒用出現(xiàn)明顯的低壓區(qū)，說明導(dǎo)葉和泵殼設(shè)計(jì)比較合理.

5 結(jié)論

沖壓焊接離心泵主要由葉輪、泵殼及其他零件組成.葉片、上下蓋板、中間軸套四者焊接成為葉輪;導(dǎo)葉、導(dǎo)輪內(nèi)外殼等零件通過激光焊接成為泵殼，將二者和其他零件裝配形成沖壓焊接多級(jí)離心泵.基于CFD軟件對(duì)葉輪內(nèi)流體分析了沖壓焊接離心泵進(jìn)行了靜壓力的分布分析.

［1］龍海勇，鄭澤春，羅喬軍.沖壓焊接離心泵的研制與開發(fā)［J］.流體機(jī)械，2011，32(5):35-37.

［2］劉永艷.沖壓焊接離心泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造工藝研究［D］.山東:山東理工大學(xué)，2010.

［3］朱立義.冷沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2006:1-5.

［4］孫保群，王瓊.沖壓工藝在泵類產(chǎn)品制造上的應(yīng)用［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(7):797-800.

［5］馮俊，鄭源.基于CFD的軸流泵三維湍流數(shù)值模擬［J］.流體機(jī)械，2012(40):33-36.