潜污泵自耦装置稳定性研究

[摘 要]为了提高潜污泵自动耦合装置的稳定性和安装时的便捷性，主要围绕三点进行了讨论。首先在前言中介绍了潜污泵和耦合座的结合面设计成斜面对泵安装便捷的影响；在以耦合装置在工作受力时的情况为切入点来研究其余两点，正文用摩擦学的概念给出了潜污泵、耦合架悬挂在耦合座耦合斜面上保持稳定的条件，推导了自耦锁紧角θ的取值范围，得知在θ取值相同时，耦合斜面粗糙度越大，泵的稳定性越好；之后又从研究平面的力系平衡方程中推导出了潜污泵与耦合座的结合面无泄漏的条件，从中得知结合面的压力是决定泵有无泄漏的关键因素，结合面的压力越大密封性能越好，并详细介绍了耦合装置工作时的受力情况，及各个力的计算方程；在整个推导过程中以600QW3500-21-250潜污泵的耦合装置设计为例做了介绍。同时满足稳定性条件、无泄漏条件的耦合装置就可以保证耦合装置的稳定性。

[关键词]潜污泵；耦合装置；耦合座；自耦锁紧角；结合面

中图分类号：TP11 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0025-01

1、前言

潜污泵是泵与电机连成一体的流体机械，主要用于输送城市污水、粪便或液体中含有纤维、纸屑等固体颗粒的介质[1]。其结构紧凑、占地少、效率高、无堵塞，已成为输送污水的核心设备。随着国家对环境治理越来越重视，市政建设的快速发展，潜污泵市场前景非常广阔，今后的一段时间，潜污泵将会成为民用市场的主角，也是推动泵技术发展的强大动力。

潜污泵一般采用耦合安装方式[2]，安装的方法是利用耦合装置的耦合架自动卡位。耦合装置主要由耦合座、耦合架、导轨等组成，安装时首先将耦合座固定在池底，潜污泵在重力的作用下沿导轨滑下，通过导轨引导使耦合架和耦合座的自耦斜面的配合锁紧在

一起。此安装方式可避免检修人员进入污水池，既保护了环境，又降低了维护成本和工人的劳动强度[3]。

以往的耦合装置在使用中出现的问题主要有以下几点，1.泵安装时很难顺利下滑至完全卡位，法兰密封圈也易被剪切，影响密封效果；2.耦合结合面的漏水问题，耦合安装后产生泵法兰与耦合座的结合面漏水现象，使泵的流量扬程偏低，造成能量的浪费，如采用加大壁厚来提高强度，不仅不能解决泄露问题，还造成材料的浪费。

本文所述的潜污泵耦合装置对此做出重要改进，将耦合座与泵法兰的结合面设计成了斜面，通过此改进，使安装更快速，耦合效果更好，并且推导出了耦合装置稳定要满足的条件，全面系统总结了耦合装置的设计方法。

下面以潜污泵600QW3500-21-250的耦合为例，介绍了新型耦合的设计方法。泵的参数如下：额定流量Q=3500m3/h，扬程H=21m，电机功率N=250kw，转速n=740r/min。

2、耦合装置稳定的条件

2.1 自耦锁紧角的取值

潜污泵安装后，主要通过耦合座反作用于耦合架自耦斜面上的力，使泵悬挂在污水中。耦合座或耦合架的自耦斜面与竖直面所成的夹角为自耦锁紧角，合理的自耦锁紧角设计，需满足在耦合面方向的分量小于耦合面之间的静摩擦力，这样可以预防泵在运行中耦合架从耦合座上脱落，使泵防止发生侧翻。

2.2 耦合无泄漏满足的条件

将潜污泵和耦合架作为刚体进行受力分析，在研究的x，y平面上刚体主要承受6种外力的作用，分别是：

1）重力G；

2）流体对泵的浮力；

3）泵出口法兰和耦合座结合面间流体的压力；

4）流体动反力；

5）泵出口法兰和耦合座接触力；

6）耦合座作用在耦合架自耦斜面上的支持力；

其中是外力补偿力，当增大，减小，直到=0时，密封

失效，因此耦合结合面无泄漏的条件是>0。

同时要满足平面力系的平衡条件，即力系在平面任一点的主矢和主矩等于零.

其中：A为法兰中心到点O的距离，L为泵体中心到点O的距离。

降低耦合支点高度A。在实际中多采用降低高度A的方法，这样会让泵的整体结构更加紧凑。

2.2.1 电泵重力G

由公式：G=mg 式中m为电泵质量，4360kg；g为重力加速度，9.807m/s2。则G=42728N.

2.2.2 结合面间流体的压力

泵体法兰和耦合座的结合面上，由于流体的作用，将产生很大的压力。计算式为：

式中ρ为流体密度，1000kg/m3；r1为泵出口半径，0.3m；为泵设计扬程，21m。计算时以泵的最高扬程计算，取=1.3[8]，=27.3m，得=75600N.

2.2.3 流体动反力

泵内部的流体可以当成不可压缩的一元定场流动，根据动量定理可知.

式中ρ为流体密度，1000kg/m3；Q为泵设计流量，0.972m3/s；=4.9m/s；=3.4m/s；得到，=4763N，=3305N，.流体的动反力对小流量泵可不予考虑.

2.2.4 流体对泵的浮力

潜污泵工作时，泵体一般浸没在流体中，在实际设计中，考虑泵和电机完全浸没时所受流体的浮力最大。

式中：

（1）泵的体积：

式中，泵端质量M=1970kg；ρ铁为铸铁密度，7800kg/m3，=0.253m3；

（2）电机部分包括油室是一个密封的整体，根据电机外形尺寸可求出电机的排水体积，电机外形尺寸如图2，=0.848m3；于是，通过式（10）可计算浮力=10798N.

3 计算结果

本例耦合设计中L=1350mm，A=402mm，θ=10°和上述的计算结果一并将代入式（6）：

得=16980N0，说明泵与耦合的结合面紧密贴合在一起，不会发生泄漏。

参考文献

[1] 林海啸.潜污泵自动耦合装置设计研究，现代商贸工业，2009，21（13）：1-2.

[2] 付强，杨爱玲，陈娟，等.潜污泵自动耦合安装装置的有限分析，中国新技术新产品，2010（7），1.

[3] 王建楹，王建森，范玉涛，等.潜污泵自动耦合装置设计研究，实用科技，2013，1-2.

作者简介

张高正（1984―），男，安徽马鞍山人，助理工程师，主要从事水利用泵的技术研究和开发工作。