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.

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(空間比同型號鑄造泵節(jié)約50%)、重量輕(是同型號鑄造泵重量的1/8)、強(qiáng)度高(壽命較同型號鑄造泵長)、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 多級離心泵的結(jié)構(gòu)分析

2.1 多級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)單級離心泵，每個(gè)泵室前后串聯(lián)，就構(gòu)成了多級泵.多級離心泵除了能完成單級離心泵的用途之外，最大的優(yōu)點(diǎn)就是揚(yáng)程高.

多級離心泵的工作過程:當(dāng)多級離心泵電機(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)葉輪逐級疊加之后，就獲得一定揚(yáng)程.具體如圖1所示.

圖1 多級離心泵結(jié)構(gòu)及流體流向

2.2 多級離心泵的結(jié)構(gòu)功能

多級離心泵多采用串聯(lián)形式，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是每一級由一個(gè)位于體內(nèi)的葉輪組成，加上導(dǎo)輪，形成一級完整的泵室，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)多級離心泵.葉輪、導(dǎo)輪、泵軸、吸入口、蝸殼.

(1)葉輪

多級離心泵也是離心泵，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.在多級離心泵中，采用多級串聯(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)~被引入下一級葉輪.

(3)蝸殼

蝸殼是指葉輪出口到下一級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，并考慮多級離心泵的功能，對沖壓焊接離心泵進(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液體能量的損失.

沖壓焊接離心泵中對導(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.沖壓焊接多級離心泵中的每一級都需要一個(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)部壓力場分析

對于一個(gè)離心泵設(shè)計(jì)的好壞，其評價(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.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軟件對所設(shè)計(jì)離心泵進(jìn)行壓力場分析并探討其在不同工況(0.5Q，Q，1.5Q;Q=16 m3/h)下，壓力場變化趨勢.由于沖壓式多級離心泵的葉輪和導(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，流體會對導(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離心泵.基于CFD軟件對葉輪內(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.

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［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.

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