CN110185652A - 一种水环式自吸泵耐磨口环制作方法 - Google Patents

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陈树红
周庆余
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Abstract

本发明属于水泵技术领域，具体公开了一种水环式自吸泵耐磨口环制作方法，本发明的过程为：以聚醚醚酮为基体，以木质素碳纤维为增强材料，采用精密热压膜或注塑成型的方式制备水环式自吸泵耐磨口环的复合材料；基于有限元方法分析碳纤维主要参数对复合材料的力学性能和摩擦磨损性能的影响，得到一种力学性能和摩擦磨损性能均最优的碳纤维主要参数组合；试制水环式自吸泵耐磨口环，并采用电子显微镜和示差扫描量进行试验分析；采用CFD方法找出容积效率最高的水环式自吸泵口环间隙值；制作水环式自吸泵耐磨口环，并通过试验与传统水环式自吸泵的性能进行对比分析。本发明不仅能提高口环耐磨性及泵效率，还能进一步改善泵轴偏心时泵的运行稳定性。

Description

一种水环式自吸泵耐磨口环制作方法
技术领域
本发明属于水泵技术领域，特指涉及一种水环式自吸泵耐磨口环制作方法。
背景技术
水环轮式自吸泵是将水环轮和水泵叶轮组合在一个壳体内，借助水环轮将气体排出，实现自吸。当泵正常工作后，通过控制阀关闭水环轮和水泵叶轮的通道，并且放掉水环轮内的液体。而口环是易损件，其主要作用是保护水环式自吸泵叶轮和泵体的磨损。在口环磨损后，可以修复或更换口环、恢复正常装配间隙，便于检修的同时降低了维修成本。
水泵口环的材质要比过流部件的材质低一个等级，一般为灰铸铁HT200、铸钢、不锈钢、搪瓷、或石墨。目前，泵口环的研究大都是口环间隙对泵性能和内部流动的影响、以及口环的结构形式。排灌机械工程学报《叶轮口环间隙对井用潜水泵性能的影响》(2013年第8期)研究了不同口环间隙大小对井用潜水泵外特性和内部流场的影响；排灌机械工程学报《口环间隙对高速泵泵腔内流动特征的影响》(2017年第4期)分析了口环间隙变化对设计工况下高速泵性能及泵腔内流场结构的影响；中国专利文献记载的无密封自吸泵新型口环【申请号：CN200720073793.5】给出了一种无密封自吸泵新型口环，在泵体口环的下顶端有一凹槽，叶轮口环的下顶端位于凹槽内，泵体口环的凹槽与叶轮口环的下顶端之间的间隙构成一U字形流道；多级泵叶轮口环密封结构【申请号：CN201520374701.1】设计了一种多级泵叶轮口环密封结构，其中呈圆环状的密封本体的密封部的横截面呈U型；不锈钢多级泵的中段口环【CN201320226752.0】给出了不锈钢多级泵的中段口环，在管体的一端一体设置有法兰，且管体的内侧壁上设置若干均布的螺纹槽。
目前聚醚醚酮是韧性和刚性兼备的特种高分子材料，在耐疲劳性、自润滑性、耐腐蚀性、耐剥离性、阻燃性等方面的性能远超于同类材料。特别是当聚醚醚酮使用了碳纤维作为增强材料后，其机械性能和耐疲劳性等都得到了质的飞跃，已广泛应用于航空航天、汽车和医疗等领域。虽然尚未见到采用碳纤维增强聚醚醚酮复合材料制作水泵耐磨口环的公开报道，但采用复合材料来研制耐磨口环以提高泵效率和运行稳定性是一个跨学科的研究方向。
为此，本发明提出了一种水环式自吸泵耐磨口环制作方法，旨在对水环式自吸泵耐磨口环进行研究，从而进一步提高水环式自吸泵的效率及改善泵轴偏心时水环式自吸泵的运行稳定性。
发明内容
本发明旨在提供一种水环自吸泵耐磨口环制作方法，通过采用试验、有限元方法和CFD方法来解决水环式自吸泵耐磨口环的复合材料和间隙值问题，可以充分利用复合材料的特性，在提高泵效率的同时改善泵轴偏心时水环式自吸泵的运行稳定性。
为达到以上目的，采用如下技术方案：
一种水环式自吸泵耐磨口环制作方法，其特征在于：包含以下具体步骤：
(1)以聚醚醚酮为基体，以木质素碳纤维为增强材料，采用精密热压膜或注塑成型的方式制备水环式自吸泵耐磨口环的复合材料；
(2)基于有限元方法分析碳纤维主要参数对复合材料的力学性能和摩擦磨损性能的影响，得到一种适用于制作水环式自吸泵耐磨口环的力学性能和摩擦磨损性能均最优的碳纤维主要参数组合；
(3)试制水环式自吸泵耐磨口环，并采用电子显微镜分析水环式自吸泵耐磨口环的复合材料表面形态、磨损表面形貌和磨损次表面层硬度变化，同时基于示差扫描量热仪分析冷却速度对复合材料性能的影响；
(4)采用CFD方法研究口环间隙对水环式自吸泵容积效率的影响，找出容积效率最高的水环式自吸泵口环间隙值；
(5)水环式自吸泵泵盖的引流槽的圆弧半径R＝0.025～0.035Dj、槽深L＝0.025～0.035Dj、与叶轮进口边的倾角α＝15-30°，其中Dj为泵盖进口直径；
(6)制作水环式自吸泵耐磨口环，并通过试验与传统水环式自吸泵的性能进行对比分析。
作为优选的实施例，所述的碳纤维主要参数包含碳纤维的刚度及强度、纤维体积分数、长径比和取向分布。
作为优选的实施例，通过试验与传统的水环式自吸泵性能进行对比分析的具体步骤如下：
(1)在泵轴不偏心的情况下，试验测量采用耐磨口环的水环式自吸泵和传统水环式自吸泵的扬程、功率、效率、振动及噪声，并进行对比分析；
(2)在泵轴偏心0.05mm的情况下，试验测量采用耐磨口环的水环式自吸泵和传统水环式自吸泵的扬程、功率、效率、振动及噪声，并进行对比分析。
本发明的优点在于：
(1)采用复合材料制备的水环式自吸泵耐磨口环，口环间隙比传统金属口环减小50％以上，有利于提高泵的容积效率。
(2)不仅能够提高水环式自吸泵的效率，还可以改善泵轴偏心时泵的运行稳定性。
附图说明
图1为一种水环自吸泵耐磨口环制作方法的流程图；
图2为本发明实施例的总装图；
图3为本发明实施例的局部放大图；
图中：1泵盖，2口环，3叶轮。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例：
一台比转速为50的水环式自吸泵，其设计参数为：设计流量Qd＝30m3/h，扬程H＝50m，转速n＝2950r/min。叶轮出口直径D2＝195mm，叶片出口宽度b2＝8.5mm，泵盖的进口直径Dj＝60mm。
制作该水环自吸泵耐磨口环的具体步骤如下：
(1)以聚醚醚酮为基体，以木质素碳纤维为增强材料，采用精密热压膜方式制备水环式自吸泵耐磨口环的复合材料。
(2)基于有限元方法分析刚度及强度、纤维体积分数、长径比和取向分布等碳纤维主要参数对复合材料的力学性能和摩擦磨损性能的影响，得到一种力学性能和摩擦磨损性能均最优的碳纤维主要参数组合；
(3)试制水环式自吸泵耐磨口环，并采用电子显微镜分析水环式自吸泵耐磨口环的复合材料表面形态、磨损表面形貌和磨损次表面层硬度变化，同时基于示差扫描量热仪分析冷却速度对复合材料性能的影响。
(4)采用CFD方法研究口环间隙对水环式自吸泵容积效率的影响，找出容积效率最高的水环式自吸泵口环间隙值。计算得到的水环式自吸泵口环间隙的最优值为0.1mm。
(5)水环式自吸泵泵盖的引流槽的圆弧半径R＝1.75mm、槽深L＝2mm、与叶轮进口边的倾角α＝25°。
(6)制作水环式自吸泵耐磨口环(如图2、图3所示)。
在泵轴不偏心的情况下，试验测量采用耐磨口环的水环式自吸泵和传统水环式自吸泵的扬程、功率、效率、振动及噪声，并进行对比分析；在泵轴偏心0.05mm的情况下，试验测量采用耐磨口环的水环式自吸泵和传统水环式自吸泵的扬程、功率、效率、振动及噪声，并进行对比分析。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种水环式自吸泵耐磨口环制作方法，其特征在于：包含以下具体步骤：
(1)以聚醚醚酮为基体，以木质素碳纤维为增强材料，采用精密热压膜或注塑成型的方式制备水环式自吸泵耐磨口环的复合材料；
(2)基于有限元方法分析碳纤维主要参数对复合材料的力学性能和摩擦磨损性能的影响，得到一种适用于制作水环式自吸泵耐磨口环的力学性能和摩擦磨损性能均最优的碳纤维主要参数组合；
(3)试制水环式自吸泵耐磨口环，并采用电子显微镜分析水环式自吸泵耐磨口环的复合材料表面形态、磨损表面形貌和磨损次表面层硬度变化，同时基于示差扫描量热仪分析冷却速度对复合材料性能的影响；
(4)采用CFD方法研究口环间隙对水环式自吸泵容积效率的影响，找出容积效率最高的水环式自吸泵口环间隙值；
(5)水环式自吸泵泵盖的引流槽的圆弧半径R＝0.025～0.035Dj、槽深L＝0.025～0.035Dj、与叶轮进口边的倾角α＝15-30°，其中Dj为泵盖进口直径；
(6)制作水环式自吸泵耐磨口环，并通过试验与传统水环式自吸泵的性能进行对比分析。
2.根据权利要求1所述的水环式自吸泵耐磨口环制作方法，其特征在于：所述的碳纤维主要参数包含碳纤维的刚度及强度、纤维体积分数、长径比和取向分布。
3.根据权利要求1或2所述的一种水环式自吸泵耐磨口环制作方法，其特征在于：通过试验与传统的水环式自吸泵性能进行对比分析的具体步骤如下：
(1)在泵轴不偏心的情况下，试验测量采用耐磨口环的水环式自吸泵和传统水环式自吸泵的扬程、功率、效率、振动及噪声，并进行对比分析；
(2)在泵轴偏心0.05mm的情况下，试验测量采用耐磨口环的水环式自吸泵和传统水环式自吸泵的扬程、功率、效率、振动及噪声，并进行对比分析。
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