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真空设备/泵 |
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往复直动潜水泵的设计与分析 |
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作者：李强 李健忠 |
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摘要：论述了往复直动原理在浅表层机井提水泵中的应用，介绍了以电磁铁为动力驱动部分的新型提水泵的设计和工作过程，重点介绍了动力部件的原理、选型、结构设计；反弹簧的原理设计。
关键词：往复；直动；潜水泵
1 问题的提出
机井提水的主要工具是潜设电泵，它主要采用潜水电机和叶片泵、轴流泵结合的设计方式。由于制造工艺水平较低，干环绕电机密封问题未圆满解决，使用寿命短；由于密封结构复杂、成本高，使传动效率下降且使机体直径增大，因此现代潜水电机大多采用湿环绕。
潜水电机直径越小制造难度越大，湿环绕因绝力来复位，要造成空腔局部真空，回复必须要快，因此需要反弹簧提供回复力。在空间很小的条件下，一般缘层的增加使机体增大，同时增加了材料损耗，使成本提高。从机体允许直径、使用效率、维护、安全密封、动力部件等方面考虑，湿环绕叶片式和轴流式不适合超轻型的浅表层提水泵。
2 原理分析
往复直动泵结构简单、体积小、效率高、制造容易，成本低，适合于浅表层机井提水。往复直动设计通过改变容积，造成局部压力下降，在大气压作用下提升液体。直动设计保证了泵体适合机井管道。
3 结构设计
3.1 总体布置
往复泵大多体积庞大，活塞缸、提水部件结构形式多样、无法进入机井管道。浅层机井提水泵要求近圆柱形，直径小，外表简洁、平滑。参考泵的一般串接形式，浅表层提水泵采用直动往复结构，整机由动力部分、密封部分、提水部分组成，如图1所示。
1.图阀 2.提水部件 3.密封部件
4.轴 5.导水管 6.反弹簧 7.铁芯衔铁
图1 泵的总体结构
3.2 动力部件设计
本泵动力源采用通用交流220V电源，为在一定直径下解决直动往复传动，采用电磁铁驱动方式。
3.2.1 电磁铁的选型
在实际应用中要求电磁铁结构简单、吸力大，启动电流小。直动交流电磁铁结构分为：单E型、双E型、单U型、双U型、T型、甲壳螺管式。从吸力特性方面对上述结构进行比较，选定单U型电磁铁。
3.2.2 电磁铁设计
该泵设计要求为：扬程30m，极限扬程60m，流量0.5T，电磁铁激磁线圈额定电压200V，工作电流小于5A。根据结构要求确定出水口直径为14mm，活塞直径为58mm。由连通器原理可以计算出活塞极限压力。电磁铁既要推动活塞工作又要克服弹簧的反力和密封件的摩擦力。经试验，反弹簧的反力为400N，考虑损失，根据公式：
Fc≥kaFH
其中：Fc为临界吸力，ka为磁力启动器安全系数：1.2～1.5;FH为反弹簧拉力。可以确定电磁铁临界吸力；由一般计算公式可得铁芯柱截面积、激磁线圈匝数、激磁电流、导线直径。
根据泵体最大外形尺寸，为简化制造工艺，降低成本，使泵体具有良好的防磁性、导热性、散热性。泵壳体采用铝合金压力铸造。在保证压铸工艺和壳体强度、刚度条件下，内腔为长方形空间，因此电磁铁应为矩形磁体。根据线圈截面积、铁芯截面积，可分配长宽尺寸得到合理的骨架结构。
1.3 反弹簧设计
电磁铁带动活塞等提水部件，向上运动需要回复力来复位，要造成空腔局部真空，回复必须要快，因此需要反弹簧提供回复力。在空间很小的条件下，一般弹簧难以适用，同时电磁体的往复运动近乎于高频振荡。因此，我们设计了如图2所示反弹簧。该弹簧内部为铝合金骨架，外部为顺丁橡胶，在弹性变形范围内可承受高频往复运动，既满足了反力要求又解决了密封问题。弹簧所在位置如图1所示，结构如图2所示。该弹簧直径与泵体直径相同，骨架一侧开一出水孔，另开四个孔作为与泵体联接定位。为保证强度，骨架厚度为9mm,为保证回复力储能，弹簧中部采用锥形隆起。压铸时骨架与橡胶同轴度小于0.2mm，以防止高频工作时骨架内侧橡胶撕裂，以骨架内径及任一端面做定位基准进行硫化。
图2 反弹簧结构图
1.顺丁橡胶弹簧体 2.铝合金骨架
4 泵工作过程
得电后在电磁力作用下，铁芯7带动轴4上移，轴带动活塞上移使进水腔容积变大、压力下降。在气压作用下水由进水口顶开阀1进入进水腔；失电后，在反弹簧6作用下轴带动活塞迅速下降回位，阀1关闭，水由进水腔下部挤开活塞外沿进入进水腔上部。再次得电后，活塞上移，进水腔下部再次吸入水，挤入进水腔上部的水被活塞挤压提升进入导水管5，通过反弹簧的开孔向上进入导管，在高频往复中重复上述动作，水被提至地表。
5 结论
该泵体积小重量轻、结构简单、动作可靠、适合浅表层机井，经实验完全达到流量和设计扬程，因电流小可采用民用电源设计，除机井提水外可用于花园绿地的浇灌。泵结构中往复直动方式应用新颖、反弹簧设计独特，在小空间内解决了实际问题，值得借鉴。
参考文献
[1] 张展。非标准设备设计手册[M].北京：兵器工业出版社，1993.
[2] 金树德，陈次昌。现代水泵设计方法[M].北京：兵器工业出版社，1993.
[3] 张冠生。电器学[M].北京：机械工业出版社，1982.(end)
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(11/17/2004) |
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