水泵制造的工艺研究

【摘要】本文主要讨论水泵叶轮在做功工程中水力损失的大小与制造工艺之间关系的理论与实践方面的问题。主要有：同心度，水力光滑度，入流、出流的水力损失与加工精度，铸造精度，相关部委的几何形状等之间的关系。

【关键词】叶轮；同心度；水力损失等

概述

水泵是一种由动力机（一般为电动机、内燃机等）驱动，把能量传给液体，可称之为把“必要的一定数量”液体，连续提送到“欲达到的某一高度”的流体机械。

水泵按照提水原理的不同可以分为叶片型、容积型以及其他类型等三大类。其中容积型有往复泵、齿轮泵和螺旋泵等；其他类型泵有气泡泵、水锤泵、射流泵等。但在实际应用的广泛程度上，这两种类型泵都用得不太多，所以决定在此仅列举叶片泵。

叶片泵是靠叶轮的旋转作用，把能量传给液体的机械。根据其作用原理，可分为离心泵、混流泵、轴流泵三种类型。本文只对离心泵这一类型进行讨论分析。离心泵主要依靠叶轮的离心力，把压力能和速度能传递给水，因此，水流从与泵轴平行或者稍许倾斜的方向流进叶轮，沿叶轮径向流出，这样，叶轮分担的任务是把能量传递给水体起水泵提水的作用，泵壳的涡室则分担把水从叶轮获得的速度能最有效的转换为压力能的任务。了解了水泵的基本原理后，为了提高泵效，更好的发挥水泵的作用，下面单独对水泵的制造工艺进行深入的研究。

叶轮的做功能力，即是它产生出的理论扬程（Ht）的大小（国外称计算扬程Hn），它是在水力计算与设计时就决定了的。它与实际实现的有效扬程（H）存在一个差值（H），这个差值（H）小，水力效率（ηh）高，有效扬程高，则水泵效率（ηh）高。

差值（H）即损失扬程，与下列因素有关：叶轮旋转的稳定性，所谓流动稳定性从流体力学角度来讲，就是流动的连续性与无流动的断裂发生，它是水力设计上的重要课题。从制造工艺角度来讲，它是铸造模具制造正确性与机械加工工艺保障问题，其次则为流动过程中的水力损失，此主要指水力光滑度，即流道粗糙度大小与流速的关系。

1叶轮旋转的几何同心度

叶轮旋转几何同心度指其几何理想中心线与实际发生的旋转中心线重合的程度。实践证明这两者是永远也不能完全重合的，工艺方法在于保证其偏差最小。两者不重合的因素有两个方面：

1.1质量偏心及其控制

质量偏心是指过流叶轮质量重心的中心线与其几何中心线的偏差。此项偏差产生于叶轮的质量分布情况，例如：叶轮盖板的厚度不均匀，叶片分布不均匀及各叶片厚薄不一等。一个加工完成的叶轮，上述情况便已成定局，只能采取工艺措施，控制其偏差在一定允许范围内，此范围叫“允许偏心距”，一般作为水泵叶轮这样的“旋转圆盘”，选G6.3级精度进行计算最大外圆处允许偏心重即可满足，常说的叶轮静平衡试验就是这一工艺措施。

1.2组件的几何偏心及其控制

组件的几何偏心指叶轮理想几何中心与定位基准―止口中心线之间的偏差。此一偏差大小与泵体止口尺寸精度和形位公差精度有关系，这是机械加工最为关键的技术条件。要由正确的工艺过程保障它，严格的检测把关控制它。

组件几何偏心控制是技术设计中的重要课题，也是工艺保障的关键点。具体有尺寸公差精度，形位公差精度，形位基准选择等三项内容。水泵尺寸、形位公差精度的选择与下述情况有关：单级或者多级结构，组装方法，是否重复拆卸等。例如：井用潜水泵是多级结构，手锤装配，重复拆卸。因此它的配合方式是间隙定位配合，精度等级7～8级一般能保证要求，如H8/H7等。H（或h）级公差有一特点，其偏差值在“零”至一绝对值之间，如果适用独立原则时，公差为“零”的加工结果是合理的，这样会有“零碰零”的不利组装的后果，因此应贯彻“中差”的加工原则。

形位不正确是影响同心度的关键因素。形位的正确与设定的基准有关，三基面体系是较为合理的基准体系，对井泵导流壳而言，一个断面加止口中心线即构成三基面基准体系。形位公差精度等级，对多级结构的井用潜水泵而言，取精度等级7～8级，即可满足要求。

在泵壳端面上的为第一基准，在止口几何中心线上的为第二基准。所谓基准，即此部分的几何要素的形位是被检部位，同名几何要素形位正确性的依据。因此，在加工零件部件时，要根据图纸给定的基准进行校正零件在加工设备上的位置，在设计检具时，也要按照该给定基准，设计检具的检验基准。

这样设计、加工、检验“三基准统一”，才能保证零件形位的正确性，才能做到几何同心度达到设计要求。叶轮旋转的几何同心度是水泵运转稳定性的关键，其不能满足时，将产生机械摩擦，产生振动，噪音过大，水泵效率降低，电流加大，性能下降，严重者能烧毁电动机。

2水力光滑度

所谓水力光滑度是指在贴流道壁存在一很薄的层流层，当流道壁粗糙度平均高度不高出层流层厚度时，水力光滑度不被破坏。这一层流层厚度由流速确定，普佛莱德内尔教授给出了计算公式：kc/ψ≤100，式中：k―粗糙度平均高度，如12.5μm；c―平均流速；ψ―20℃水的运动粘度1.01×10-6m/s，当粗糙度平均高度为12.5μm时，由上式可以算得c=8m/s，即在此流速下水力光滑度不被破坏。此时，若平均流速为8m/s，则制造加工就要保证12.5μm的粗糙度。水力光滑度是关于流道沿程水力损失的要件。

3入流和出流

入流和出流的水力损失属于局部水力损失，其位阶大于沿程损失。它与设计、工艺加工情况均有关系，就流道而言有：叶轮入口（颈部入口）；叶片流道入口；叶轮出口；泵体入口；泵体出口。分别说明一下：

（1）叶轮入口，一般是由机加工出来的，系圆弧状，一般采取R3―R5弧；

（2）叶片流道入口，它是由叶片入口端形成的，由铸造成型，其残缺不全者，应该作废品处理；

（3）叶片流道出口，由机加工成型，应手工锉掉飞边毛刺，同时锉平盖板边缘因车刀挤压形成的卷口；

（4）泵体入口，对涡壳式泵，系隔舌口，由铸造成型。对导叶式泵，系入流圆的边缘，一般机加工成型，应做成不小于R3圆弧状，此项很重要，如为尖角边缘，水泵效率会降低2%左右；

（5）泵体出口，对涡壳式泵，系压出室，一般设计成锥形，出口断面积大小与扬水管口径一致，一般问题不大。对导叶式泵，是导叶片出口，铸造成型，导叶出口端之形状应系45°尖圆体。

上述讨论，系保证水泵水力性能的工艺方法问题，属于工艺原则自身正确性问题，它的正确将使正确的设计的一实现其设计目标，它的错误，将使正确的设计难以实现其设计目标。