一種基于單片機(jī)控制的真空自吸泵研究?

葉芳霞 楊文波

（1.西安文理學(xué)院陜西省表面工程與再制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710065）

（2.西安文理學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 西安 710065）

1 引言

自吸泵屬于特殊離心泵，它是指那些首次啟動前只需向泵體內(nèi)加入一定量的水，無需將進(jìn)水管充滿水，啟動后經(jīng)一定時間可將進(jìn)水管中的氣體排光，進(jìn)入正常工作的一類水泵［1～2］。自吸泵的泵體中設(shè)有儲水室（或稱氣水分離室）與止流閥，停泵之后會有一部分液體存留于泵腔內(nèi)，作為下次啟泵的引水［2］，所以，除第一次的手動灌泵外，自吸泵之后的使用都不需人工灌泵。但是，由于這樣的設(shè)計(jì)，自吸泵停泵之后泵腔內(nèi)存留液體，在低溫環(huán)境下，經(jīng)常出現(xiàn)泵腔內(nèi)的液體凍結(jié)，凍裂泵腔，影響自吸泵的再次使用，特別的液體凍結(jié)會凍結(jié)泵腔中的葉輪，與葉輪相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子繼而被固定，如果電機(jī)通電開機(jī)，短時間內(nèi)會造成電機(jī)燒壞。當(dāng)前，對于自吸泵泵腔防凍，主要有三類措施，一是于泵腔外加保暖層，如棉絮，稻草等；二是往泵腔內(nèi)加入高溫液體或在泵腔外加熱融化泵腔內(nèi)的凍結(jié)液體；三是每次使用時，進(jìn)行人工注水，使用完畢后放掉泵腔中的水［3］，三類方法都較為麻煩，且第一類方法可靠性差。

泵站在解決離心泵水力損失與引水困難問題上，常設(shè)計(jì)真空引水系統(tǒng)與離心泵搭配使用［4］，其可實(shí)現(xiàn)離心泵自動引水，相比自吸泵，取消底閥，減少了水力損失，提高了離心泵的效率。目前，真空引水系統(tǒng)主要為大中型離心泵設(shè)計(jì)［4］，用于大型輸水。有鑒于此，本設(shè)計(jì)中借鑒市面上的真空引水系統(tǒng)，將其應(yīng)用于小型自吸泵上，同時設(shè)計(jì)回流管，解決自吸泵在低溫環(huán)境下使用出現(xiàn)的上述情況；同時，由于當(dāng)前成熟的真空引水系統(tǒng)往往是由真空泵與真空罐組成，空間占用較大，投入成本較多不適用于小型引水，且真空泵與自吸泵電機(jī)不共用，對于資源是種浪費(fèi)。所以，本設(shè)計(jì)提出了一種新結(jié)構(gòu)的真空引水系統(tǒng)與自吸泵結(jié)合，減小了體積、縮減了成本。

自吸泵與普通離心泵相比，能夠?qū)崿F(xiàn)自吸，便于遠(yuǎn)程集中控制，實(shí)行自動化操作，因此應(yīng)用十分廣泛［5～6］，尤其在流動灌溉和消防系統(tǒng)上運(yùn)用最為廣泛，也最為適合［7～10］。本設(shè)計(jì)中加入引水系統(tǒng)，將大大縮減自吸時間，對于消防來說，自吸泵啟動不受低溫影響且啟動時間短，有助于及早的滅火，減少損失［11］；對于流動灌溉來說，低溫下自吸泵在間隔輸送水時，可免除清除泵腔凍體的困擾，提高了自吸泵的適用性。未來，如在研究凍體消融或者防凍方面取得比較大的進(jìn)步時，應(yīng)用于自吸泵，使其低溫下泵腔中引水不會凍結(jié)或者短時間內(nèi)消融泵腔中的凍體，則自吸泵的使用將非常的便捷，可極大地提高生產(chǎn)生活質(zhì)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是通過在自吸泵的基礎(chǔ)上設(shè)置抽氣裝置，在啟泵階段排出泵腔內(nèi)的氣體、使泵腔對外界成負(fù)壓狀態(tài)，進(jìn)而使進(jìn)水管口的液體在外界大氣壓的作用下流向泵腔，實(shí)現(xiàn)自動灌泵［12］；在泵腔的下方安裝回流管，保證停泵之后泵腔中無殘留液體，避免了在低溫環(huán)境下、自吸泵泵腔中由于存留引水凍結(jié)，導(dǎo)致其無法立即使用，及凍裂泵體，毀壞電機(jī)的現(xiàn)象。

裝置原理簡化如圖1所示，主要有泵腔，電機(jī)，抽氣裝置，引氣管，回流管、電磁閥、電磁離合器及進(jìn)水、出水管。

裝置的工作過程為：通電后，控制電路控制閥門1關(guān)閉，閥門3打開，同時控制離合器7閉合，緊接著，電機(jī)8通電運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動葉輪轉(zhuǎn)動，同時帶動抽氣裝置6運(yùn)作，通過引氣管4抽取泵腔9中的空氣，使泵腔9對外呈現(xiàn)出負(fù)壓，外界大氣壓促使進(jìn)水管11口的液體進(jìn)入到泵腔9中，在泵腔9的頂端設(shè)有浮球開關(guān)，當(dāng)泵腔9中充滿一定量的液體時，浮球上浮，浮球開關(guān)打開，控制電路接收到此變化量，切斷電磁離合器7，則抽氣裝置6停止工作，同時打開閥門1，關(guān)閉閥門3，電機(jī)8的動力全部輸出至葉輪之上，葉輪高速旋轉(zhuǎn)，帶動液體流出出水管2，之后，自吸泵正常輸送液體。當(dāng)停機(jī)后，泵腔9中存留的液體會經(jīng)由下方的回流管10回到水源，使的泵腔9中無殘留液體，則在低溫環(huán)境下泵腔9中不存在凍體，繼而不會存在葉輪被凍體固定、而導(dǎo)致自吸泵無法立即使用的窘境，同時也避免了凍裂泵體隱患及人工消融凍體的問題。

圖1 原理示意圖

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)各部件如圖2所示。其連接為：泵腔10與電機(jī)3固接，電機(jī)3驅(qū)動軸的一端通過聯(lián)軸器與泵腔10中的葉輪9連接，一端與電磁離合器6的吸盤連接，在電機(jī)3的側(cè)邊安裝有控制電路5板，電磁離合器6的驅(qū)動盤軸連抽氣裝置7，輔設(shè)軸承座，在泵腔10的頂端與抽氣裝置7的進(jìn)氣口之間連接有引氣管4，管路上設(shè)有電磁閥2與氣壓傳感器，氣壓傳感器位于電磁閥2與泵腔10頂端之間的引氣管4路上。在出水管13上設(shè)有電磁閥1，在泵腔10的底部與進(jìn)水管11處設(shè)有回流管14，方向水平。泵腔10的頂端還設(shè)有浮球開關(guān)12，在電磁離合器6吸盤的下方設(shè)有光電計(jì)速器8，用于采集電機(jī)3轉(zhuǎn)速，機(jī)械結(jié)構(gòu)中還有底座，用于固定。

2.2 電子電路設(shè)計(jì)

電子電路承擔(dān)著控制機(jī)械結(jié)構(gòu)的職能，以Msp430F149為控制中心，其他模塊有，電源模塊，采集模塊，報(bào)警模塊，電磁繼電器組模塊，其中電源模塊為220V交流轉(zhuǎn)直流24V及24V直流轉(zhuǎn)5V直流，24V供電電磁離合器，5V為其他模塊供電。采集模塊為液位采集及氣壓采集，采集泵腔中的液位與氣壓，報(bào)警模塊為聲光報(bào)警，通過單片機(jī)控制。電路原理連接如圖3。

圖3 電路原理連接圖

2.3 軟件原理

軟件編寫采用C語言，編寫及編譯環(huán)境采用IAR軟件，軟件的編寫依照流程圖，結(jié)合硬件電路，軟件流程圖如圖4。

圖4 軟件流程圖

3 實(shí)物組建

圖5 裝置外觀圖

實(shí)物組建參照圖2進(jìn)行，在電機(jī)上安裝有電路模塊，包括電源模塊、單片機(jī)模塊、電磁繼電器模塊，電路罩采用3D打印技術(shù)打印，安裝于模塊電路上。實(shí)物如圖5。

4 自吸時間計(jì)算

自吸時間主要與待排氣空間大小和抽氣裝置的抽氣速率有關(guān)。

粗算本裝置排氣末期時，泵腔中的壓強(qiáng)。

已知，大氣壓強(qiáng)為P0=1.01325×105Pa，水的密度為ρ=1×103Kg/m3，重力加速度g=9.8N/kg，抽水高度h=1.05m，忽略液體進(jìn)入進(jìn)水管，而導(dǎo)致的水源液面下降，設(shè)抽氣末期泵腔壓強(qiáng)為P1，結(jié)合圖6，由公式P0-P1=ρgh，計(jì)算得P1=9.1035×104Pa，即液體充滿泵腔時，抽氣裝置進(jìn)氣口的氣壓為9.1035×104Pa。

本裝置中的抽氣設(shè)備屬于油封機(jī)械真空泵，而油封機(jī)械真空泵的實(shí)際抽速S隨其入口壓強(qiáng)的降低而降低［13］。研究其抽速特性曲線發(fā)現(xiàn)，其實(shí)際抽速Q(mào)與其名義抽速Q(mào)1的近似關(guān)系是Q=Q1/M，式中系數(shù)M在不同壓力區(qū)間的取值如表1［13］。

表1 系數(shù)M在不同壓力區(qū)間的取值

結(jié)合計(jì)算可得出，當(dāng)抽水高度在1.05m的范圍內(nèi)時，抽氣設(shè)備的抽氣速率比較恒定且可取名義抽速。

根據(jù)公式［14］

計(jì)算自吸泵自吸時間。

式（1）中：V1為所需抽氣的管道和泵殼內(nèi)氣體總體積（m3）；S為管道的水平截面積（m2）；H1為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)下的水柱高（m）；H2為抽水末期管內(nèi)壓強(qiáng)下的水柱高（m）；K為考慮漏氣損失的備用系數(shù)，取K=1.6；T為抽氣所需時間（s）；Q為單位時間內(nèi)以壓強(qiáng)P通過抽氣裝置進(jìn)氣管截面的氣體體積（m3/s）。

在式（1）中，包含了管道水平截面積S這一項(xiàng)，本設(shè)計(jì)裝置中，水管與泵腔的截面積不同，不能直接采用本公式計(jì)算，采用以下分段計(jì)算的方式計(jì)算抽氣時間［14］。其中S1、S2為截面積不同的管道。

自吸泵的泵腔形狀非規(guī)則，通過向泵腔注水，測水的體積確定泵腔容積，同時為計(jì)算方便，對泵腔與進(jìn)水管進(jìn)行了等體積代換，代換如圖6，從左到右依次為代換圖，3與2的區(qū)別在于將泵腔放置與進(jìn)水管的上方，此做法與2相比忽略泵腔中空氣質(zhì)量帶來的重力（經(jīng)計(jì)算其值微小可忽略）而只考慮泵腔中空氣的壓強(qiáng)，做3的代換主要為適應(yīng)以上的自吸時間計(jì)算公式，所有的代換的前提為泵腔與水管的相對豎直高度和小于當(dāng)?shù)匾粋€大氣壓下的水柱高。

圖6 泵腔等體積代換圖

垂直水管的截面積

泵腔的形狀不太規(guī)則，下半部分與上半部分相差較大，為簡化計(jì)算，泵腔的水平截面積，用泵腔的容積除以泵腔的高度得

各壓力下需要抽氣的容積為

不同截面積下對應(yīng)的水柱高

抽氣裝置的名義抽速為3.6m3/h，

采用式（2）計(jì)算液體填滿進(jìn)水管所用的時間

液體填滿泵腔所用的時間

所以自吸時間T=T1+T2=2.9s

通過實(shí)驗(yàn)測試自吸時間，同時與理論計(jì)算進(jìn)行比對，實(shí)驗(yàn)中通過改變進(jìn)水管的容積（泵腔容積不變），進(jìn)行多組數(shù)據(jù)比對。

理論與實(shí)測數(shù)據(jù)的差異主要來源有以下幾方面：

1）液體在進(jìn)入裝置時，會引起水源液面下降，則液面到泵腔進(jìn)水口的距離變大，所要抽氣的體積變大，實(shí)際自吸時間變長。

表2 自吸時間的理論與實(shí)驗(yàn)值

2）抽氣裝置與泵腔之間的連接管，對氣體流動具有阻力，當(dāng)吸氣速率很大時，會有壓力損失，相關(guān)資料稱其為流阻［15］。

3）抽氣裝置的結(jié)構(gòu)采用油封旋片式，其本身的泵油內(nèi)泄、油膜間隙的回氣通道和油蒸汽的返流都會降低抽速，而其中的油蒸汽返流是造成抽速大幅度下降的主要根源［15］。

4）對泵腔體積進(jìn)行模擬代換，這部分為簡化計(jì)算，實(shí)際情況較為復(fù)雜，存在理論計(jì)算與實(shí)際情況的差異。

5）大氣通過各種真空密封的連接處，通過各種漏隙通道泄漏進(jìn)入真空室的漏氣，預(yù)估的漏氣備用系數(shù)與實(shí)際漏氣有差異［13］。

6）實(shí)際抽氣過程中，抽氣裝置的抽氣速率會隨著進(jìn)口壓強(qiáng)的變化，抽氣速率會有一定量的變

化［16］。

5 結(jié)語

本文采用微機(jī)控制、弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)自吸泵啟泵階段的排氣動作、正常輸液動作及突發(fā)缺水情況的斷電停泵動作，其在低溫環(huán)境下的使用不受影響，提升了自吸泵的實(shí)用性。

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