水循环冲压式排污泵的设计

2021-08-23□杨文

机械制造 2021年7期

□ 杨文

上海熊猫机械(集团)有限公司上海 201700

1 设计背景

随着国家环保法的出台及人们对环境保护意识的不断增强,排污泵已经成为日常生活中不可或缺的排污设备,被广泛应用于城市污水处理场合和雨水泵站等场所。排污泵工作和介质条件复杂,工况变化范围广[1],经常运行在工况特别恶劣的环境中,并且长期处于高温状态下运行。温度对电机绝缘寿命有直接影响,高温会加快绝缘材料的物理变化和化学反应速度,使绝缘材料老化加速。电机内部温度一旦升高,水泵轴承的寿命也将受到影响。高温使轴承在运行过程中的径向力增大,精度降低,轴承性能恶化。轴承温度异常升高,还容易使润滑剂黏度下降,承载能力减弱[2],振动和噪声增大,加速轴承的磨损和材料退化。电机的大量热量无法散发,会直接影响装置运行,同时还会缩短电机的使用时长,甚至导致电机损坏[3]。

笔者对排污泵散热问题进行研究,通过对排污泵的结构进行设计,来优化排污泵的散热效果。与此同时,对排污泵样机进行测试,最终测试参数达到设计指标要求。

2 结构

为了便于研究测试,笔者选取功率相对较小的排污泵进行优化,型号为50XWQ23-15-2.2。优化后水循环冲压式排污泵的设计参数见表1,电机绝缘等级为IP68。

表1 水循环冲压式排污泵设计参数

50XWQ23-15-2.2水循环冲压式排污泵的结构如图1所示。该泵采用两个独立的单端面机械密封内装式串联安装[4],单端面机械密封由静环密封和动环密封组成。浸在机械油中润滑的单端面机械密封,其静环为碳化钨材质,动环为石墨材质。依靠输送介质润滑的单端面机械密封,其静环为碳化钨材质,动环为碳化硅材质[5]。

电机的密封方式采用径向密封。为了提升散热效果,电机壳采用壁厚为2 mm的薄壁冲压管制件。通过设置边界条件,应用单层圆筒壁单位长度热流量计算式,计算出优化后的电机壳热流量为优化前的1.17倍[6],再应用有限元分析软件进行强度校核,最终结果满足散热及设计要求。

电机的外部设计有循环外筒,通过水循环冷却系统,利用泵体内输送的部分介质在电机壳和循环外筒夹层之间流动,将电机所产生的热量带走,以降低电机温升的速度,最终使水泵稳定在一个相对较低的温度下运行[7]。

采用防尘密封式深沟球轴承,具备低摩擦特性,转速高,能够同时承受径向和轴向载荷。在上轴承端增加波形弹簧片,减小电机振动[8],对转子轴因发热膨胀而产生轴向位移起减缓作用。

后泵盖采用内凹式设计,密封件嵌入后泵盖内部,防止杂物缠绕机械密封,造成损坏。

▲图1 水循环冲压式排污泵结构

O形圈密封槽设计时,参考标准GB/T 3452.3—2016《液压气动用O形橡胶密封圈沟槽尺寸和设计计算准则》。

水循环冲压式排污泵的叶轮采用PCAD泵计算机辅助设计软件进行水力设计,通过SolidWorks软件进行三维设计,再运用流体仿真软件对模型进行有限元分析[9]。通过模拟数据对叶轮进口直径、出口直径、叶片出口宽度、叶片出口安放角、叶片包角进行调整[10],确保泵高效率运行。叶轮水力模型和叶轮实体模型如图2所示。

▲图2 叶轮模型

3 试验验证

小批量试制六台水循环冲压式排污泵,在标准试验台上进行各项试验验证。整泵防水性能测试执行标准GB/T 4942.1—2006《旋转电机整体结构的防护等级(IP代码) 分级》,最终结果为电机腔能承受压力0.2 MPa、历时3 min的气压试验而无泄漏现象,密封装置能承受压力0.2 MPa、历时3 min的气压试验而无泄漏现象。空载性能测试执行标准GB/T 755—2019《旋转电机定额和性能》,最终结果为三相电阻不平衡度相互差值不大于最小值的5%,仅为0.245%;定子绕组能承受历时1 min的耐电压试验不发生击穿,冷态绕组绝缘电阻值不低于50 MΩ,热态绕组绝缘电阻值不低于1 MΩ,电机三相空载电流中任何一相与三相平均值的偏差不大于三相平均值的10%。水泵性能测试执行标准GB/T 3214—2007《水泵流量的测定方法》和GB/T 3216—2016《回转动力泵水力性能验收试验 1级、2级和3级》,水力性能曲线如图3所示,满足设计要求。