水循環沖壓式排污泵的設計

□ 楊 文

上海熊貓機械(集團)有限公司 上海 201700

1 設計背景

隨著國家環保法的出臺及人們對環境保護意識的不斷增強,排污泵已經成為日常生活中不可或缺的排污設備,被廣泛應用于城市污水處理場合和雨水泵站等場所。排污泵工作和介質條件復雜,工況變化范圍廣[1],經常運行在工況特別惡劣的環境中,并且長期處于高溫狀態下運行。溫度對電機絕緣壽命有直接影響,高溫會加快絕緣材料的物理變化和化學反應速度,使絕緣材料老化加速。電機內部溫度一旦升高,水泵軸承的壽命也將受到影響。高溫使軸承在運行過程中的徑向力增大,精度降低,軸承性能惡化。軸承溫度異常升高,還容易使潤滑劑黏度下降,承載能力減弱[2],振動和噪聲增大,加速軸承的磨損和材料退化。電機的大量熱量無法散發,會直接影響裝置運行,同時還會縮短電機的使用時長,甚至導致電機損壞[3]。

筆者對排污泵散熱問題進行研究,通過對排污泵的結構進行設計,來優化排污泵的散熱效果。與此同時,對排污泵樣機進行測試,最終測試參數達到設計指標要求。

2 結構

為了便于研究測試,筆者選取功率相對較小的排污泵進行優化,型號為50XWQ23-15-2.2。優化后水循環沖壓式排污泵的設計參數見表1,電機絕緣等級為IP68。

表1 水循環沖壓式排污泵設計參數

50XWQ23-15-2.2水循環沖壓式排污泵的結構如圖1所示。該泵采用兩個獨立的單端面機械密封內裝式串聯安裝[4],單端面機械密封由靜環密封和動環密封組成。浸在機械油中潤滑的單端面機械密封,其靜環為碳化鎢材質,動環為石墨材質。依靠輸送介質潤滑的單端面機械密封,其靜環為碳化鎢材質,動環為碳化硅材質[5]。

電機的密封方式采用徑向密封。為了提升散熱效果,電機殼采用壁厚為2 mm的薄壁沖壓管制件。通過設置邊界條件,應用單層圓筒壁單位長度熱流量計算式,計算出優化后的電機殼熱流量為優化前的1.17倍[6],再應用有限元分析軟件進行強度校核,最終結果滿足散熱及設計要求。

電機的外部設計有循環外筒,通過水循環冷卻系統,利用泵體內輸送的部分介質在電機殼和循環外筒夾層之間流動,將電機所產生的熱量帶走,以降低電機溫升的速度,最終使水泵穩定在一個相對較低的溫度下運行[7]。

采用防塵密封式深溝球軸承,具備低摩擦特性,轉速高,能夠同時承受徑向和軸向載荷。在上軸承端增加波形彈簧片,減小電機振動[8],對轉子軸因發熱膨脹而產生軸向位移起減緩作用。

后泵蓋采用內凹式設計,密封件嵌入后泵蓋內部,防止雜物纏繞機械密封,造成損壞。

▲圖1 水循環沖壓式排污泵結構

O形圈密封槽設計時,參考標準GB/T 3452.3—2016《液壓氣動用O形橡膠密封圈溝槽尺寸和設計計算準則》。

水循環沖壓式排污泵的葉輪采用PCAD泵計算機輔助設計軟件進行水力設計,通過SolidWorks軟件進行三維設計,再運用流體仿真軟件對模型進行有限元分析[9]。通過模擬數據對葉輪進口直徑、出口直徑、葉片出口寬度、葉片出口安放角、葉片包角進行調整[10],確保泵高效率運行。葉輪水力模型和葉輪實體模型如圖2所示。

▲圖2 葉輪模型

3 試驗驗證

小批量試制六臺水循環沖壓式排污泵,在標準試驗臺上進行各項試驗驗證。整泵防水性能測試執行標準GB/T 4942.1—2006《旋轉電機整體結構的防護等級(IP代碼) 分級》,最終結果為電機腔能承受壓力0.2 MPa、歷時3 min的氣壓試驗而無泄漏現象,密封裝置能承受壓力0.2 MPa、歷時3 min的氣壓試驗而無泄漏現象?？蛰d性能測試執行標準GB/T 755—2019《旋轉電機 定額和性能》,最終結果為三相電阻不平衡度相互差值不大于最小值的5%,僅為0.245%;定子繞組能承受歷時1 min的耐電壓試驗不發生擊穿,冷態繞組絕緣電阻值不低于50 MΩ,熱態繞組絕緣電阻值不低于1 MΩ,電機三相空載電流中任何一相與三相平均值的偏差不大于三相平均值的10%。水泵性能測試執行標準GB/T 3214—2007《水泵流量的測定方法》和GB/T 3216—2016《回轉動力泵 水力性能驗收試驗 1級、2級和3級》,水力性能曲線如圖3所示,滿足設計要求。

▲圖3 水力性能曲線

為了驗證散熱效果,選取同參數普通排污泵、水循環排污泵、水循環沖壓式排污泵進行溫升對比測試。測試條件為室溫15.3 ℃、介質溫度13.7 ℃,運行液位電機殼下端至泵體上端,最終測得溫升曲線,如圖4所示。

▲圖4 溫升曲線

普通排污泵最終用時26 min左右,溫度接近120 ℃,觸發過熱保護裝置。水循環排污泵最終用時133 min左右,溫度穩定在65.5 ℃,溫度達到平衡,不再上升。水循環沖壓式排污泵最終用時125 min左右,溫度穩定在57.5 ℃,溫度達到平衡,不再上升。

4 結束語

通過對水循環沖壓式排污泵的設計和測試數據表明,水循環沖壓式排污泵性能完全達到設計參數要求,各綜合數據指標符合相關國家標準規定,結構的散熱性能優于普通排污泵,可以使電機保持在一個較低的溫度下運行,并且使經濟成本降低。