家用水泵行业研究论文

1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频恒压供水系统出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频恒压供水系统不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，s7-200具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。 图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的s7-200 plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。s7-200 plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。三相交流电与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接异步电动机，异步电动机带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到交流接触器，交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电，主要起接通或断开三相交流电与异步电动机。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。 图2 变频恒压供水系统的总体框图 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转速为： 其中： n0为异步电机同步转速；n为异步电机转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。 图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件电路设计 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、热继电器kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。 图4 系统主电路图 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的输入口相连接，当按下sb0时，为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。和的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。 图5 plc外围接线图5 程序设计 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。 图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”， 为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时为“1”，为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过a/d转换器得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置 6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.

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水泵设计中应该注意的问题的若干思考论文

水泵在现代工业生产中占据重要地位，但是在使用中会因为各种各样的问题影响其正常运行。本文从吸水管路的要求和尺寸确定，水管的安装方式，吸水管材料选择和引水方式的选择，压力水管的类型和铺设方式及支承方式，管道支撑方式设计对镇墩设计、支墩设计的要求方面进行探讨，并且简要分析水泵水击计算及其防护，从而进一步提高我国的水泵设计水平。

1 影响泵机运行效率的因素

泵机的选择

在泵站运行过程中，水泵的运行效率等于水力效率、泵的容积效率以及机械效率三者的乘积，因此水泵本身的运行效率决定整个泵站的运行效率。如果在设计之初，选用的水泵质量不合格，就会导致水泵叶轮的汽蚀情况加重，如果水泵的密封环在制造的时候间隙过大或者过小，会降低水泵的工作效率以及使用寿命。

水泵叶片的振动

水泵的叶片一般情况下都是单级叶片，为了更好地提高泵机的运行特性，泵机转子部分的直径一般远远小于泵机叶轮叶片的直径，这就导致变频送风机产生的不平衡质量以及惯性力矩都集中在叶轮叶片上。因此在设计的时候，叶轮叶片一般设计成对称结构。但是由于叶片的制造误差，一般情况下叶轮叶片很难做到完全对称，再加上有时泵机要进行高速运转，会造成巨大的惯性力矩。惯性力矩传递到叶片上以及曲轴上都会造成变频送风机振动过大。

泵机内部缺少润滑

泵机的运行特性导致泵机的工作不是完全固定的，从并且使得只用一个曲轴来尽可能地减小从泵机的设计点这个工作是不稳定的，可能通过这种不均匀带来了能量损耗。而泵机内部的旋转机械在长期的运转过程中，缺少润滑会导致旋转机械之间产生剧烈摩擦，这种摩擦不仅仅损害机械设备，同时也会造成水泵的效率大大降低。

2 吸水管设计要求

管道材料选择

吸水管道材料要具有气闭性较好、抗腐蚀能力强、安全可靠等特点，因此选取吸水管道材料时要考虑其综合性能。不锈钢管具有机械强度高、管壁壁薄、比重小、压力损失低等优点，再加上便于安装、检修以及更换，因此被广泛运用到泵站工程中。但是不锈钢管使用寿命一般只有20～30 年，在管道使用寿命即将达到期限时，要及时进行更换以及维修。橡胶管也是当前常用的吸水管道材料，长期性或者永久性的泵站吸水管多采用不锈钢管，而临时泵站一般选用橡胶管。

对进水管的要求

(1)不积气。吸水管的工作原理是根据水管内外的压力差(真空度)形成吸水的效果，当水泵吸水管内外的压力差降低到一定程度时， 因为管道内的真空度较小导致水中溶解的气体不断分离出来。如果设计的时候不认真考虑到这一因素对管道的影响，就会在吸水管道某段出现积气，形成气囊，从而影响水管的正常吸水。

(2)不漏气。吸水管靠水管内外的压力差进行水体循环，一旦吸水管路出现漏气现象， 就会使得水管产生较大的压力损失，使得水泵正常运行出现严重故障。同时水管出现漏气现象，管内的水流出来，外界的空气进入到水管内，水泵的出水量将减少，甚至出现吸不上水的情况。一般情况下吸水管路采用强度高、接口可焊接的钢管，深埋土中的钢管应该涂防腐层。

(3)不吸气。吸水管进口淹没水中的深度不够，就会在吸水管的进水口处产生较大的游涡， 而游涡会将大量的空气带入到吸水管内，严重时将影响水泵正常吸水。为了避免吸水井(建筑物)水面产生游涡，减少吸水口处空气的进入量，吸水管在最低水位下的淹没深度应该大于。如果环境条件不能满足最低的淹没深度，可以通过在吸水管进口末端安装水平隔板来减少空气的进入量。

引水方式的选择

(1)当泵站离水源较近，水源泥沙含量较低且水源的水位变化幅度基本不发生变化， 而同时泵站的引水流量不大时，可以可选用管道引水方式。水源岸坡较缓时，用斜杆管式引水方式，水源岸坡较陡时，采用直管式引水方式。

(2)当泵站离水源较近，水源含沙量较大且水源岸坡较陡时，可选用涵洞引水方式进行取水作业。

(3)当岸坡较缓，泵站等取水建筑离水源较远时，可以通过开挖渠道进行取水。开挖渠道可以缩短压力管道的使用长度，提升工程的经济效益。

穿墙管连接形式选择

(1)柔性连接。柔性安装是为了提高安装的弹性。对于水泵和动力机的均高于校核洪水位的泵站来说，为了降低冲击应力以及温度应力的影响，一般采取柔性的连接方式对穿墙管进行连接。以保证安装后的穿墙管道能够自由伸缩，有效地对抗冲击载荷以及温度应力。

(2)刚性连接。管道在进行连接的时候要充分考虑到螺纹连接和法兰连接这两种连接方式的异同点。螺纹连接比较简单，通过管螺纹进行连接再配合生料带密封就可以达到较好的密闭效果。在进行管螺纹连接时，要掌握螺纹松紧度，用手进行预紧的时候，将管螺纹拧紧后要保证管螺纹有一定的活动量。在二次拧紧中采用活动扳手拧紧的时候，要注意预紧力大小，不能因为过分拧紧而导致螺纹损坏。如果有条件，可以采用力矩扳手进行拧紧，能够保证预紧力大小满足要求。螺纹连接后应清除外露油麻和生料带，对于容易腐蚀的管道应该进行防腐处理。

3 压力水管设计要求

压力水管是指水泵到储水建筑物之间的出水管道，这一部分管道是保证水泵正常运行的重要因素。加压泵站和灌溉的高扬程泵站的压力水管一般都超过正常水管的范围，使得压力水管在泵站总投资成本中所占的比重较大。对于泵站的正常运行来说， 压力水管的长短和管径的大小对系统的影响是巨大的，尤其是水管内的水击压力甚至会给泵站带来致命的`影响，因此加强高扬程泵站和加压泵站压力水管设计是十分必要的。

对压力水管道的要求

(1)保证管道本身及其接头的强度，保证密封性能可靠;

(2)保证压力管道引起的能量消耗及投资最小;

(3)保证泵站正常运行时压力水管道稳定;

(4)在向管道内充水或泄空过程中，保证介质能自由出入压力水管道;

(5)管道突然破裂后保证泵房的安全;

(6)能够在检修时放空管道，保证检修工作顺利进行。

压力水管的材料选择

(1)压力水管水循环压力损失小、能耗低，确保水泵在各种情况下，均能按照标准工况运行，从而降低压力水管的维保费用;

(2)满足泵站不同用水要求，保证在不同的水管压力条件下能通过对应的设计流量;

(3)确保管道在较为恶劣的环境下，能够独立自主运行，不会产生位移变化、水击破坏以及滑移等现象;

(4)水管材料要便于运输、检修、安装、维护和管理，保证压力水管检修顺利;

(5)节省钢材、水泥、木材等材料，保证整个工程投资成本最低。

压力水管的安装

(1)安装原则。泵站压力水管多采用钢管，因此在安装的时候要注意以下几点：(1) 焊接钢管要注意焊接的密封性是否可靠，焊接结束后，焊缝处使用角磨机进行打磨。(2)压力水管的坡度设置应符合设计要求和国家标准，要保证设置出的坡度满足使用要求。(3)坐标和标高的允许偏差以及竖直管道的垂直度误差及水平管道纵横向弯曲误差应符合规范规定。(4)在进行法兰连接时，要对内螺纹及法兰封面上的铁锈等油污及灰尘进行清洗，确保连接时法兰表面的光洁程度。清除掉密封线圈上的密封中心线，调节管螺纹法兰中心线与管中心线两者之间的位置，保证相互垂直。

(2)安装方式。压力水管的安装方式可分为辐射状安装、平行安装、串联安装和并联安装四种。辐射状安装，管道的中心线随着逐渐偏离中心而减少。平行安装是指压力水管管道中心线始终保持为定值。对于短管道、低扬程的泵站来说，多将压力水管沿着平行于泵站机房铅垂轴线的方向布置，从而简化管道结构，保证压力水管运行可靠。串联安装，串联安装是针对相邻泵站之间无建筑物的压力水管安装方式。对于高扬程泵站来说，如果泵站之间无影响泵站安装的台地，可以采用串联方式将压力水管与下一级水管连接。并联安装，并联安装是指多个水共用一个压力水管，从而极大地减少压力水管的使用，降低泵站的建设成本，多用于高扬程、多泵机组、长管道的泵站建设。但是并联安装会增加许多配套建设，而且总管道检修时，所有的支管道都要停止运行。

4 管道支撑方式设计要求

镇墩设计

镇墩是用来固定压力水管，按照结构类型分为敞开式镇墩和封闭式镇墩。敞开式镇墩便于检修，但是由于敞开式结构受外界影响较大，容易导致管壁受力不均匀，因此该结构多用于低载荷的压力水管固定;封闭式镇墩结构较为简单，受外界影响较小，但是不易检修。镇墩是依靠自身重力来维持本身稳定的结构， 因此其设计要求以及内容与其他重力式结构基本相同，也就是需要计算极限情况下镇墩结构的抗滑和抗倾复稳定性、地基的稳定性。在实际情况中，各种不利极限情况一般不会同时发生，因此应参照水泵不同运行情况进行镇墩结构负载组合，保证镇墩的强度以及稳定性能够应对最不利的情况。泵机的正常设计是按照运行平稳、正常停机以及突发停机这三种情况进行载荷分析， 将温度变化以及各种摩擦阻力考虑进去，从而保证设计能够使泵机达到最佳的运行状态。

支墩设计

支墩是承接压力水管中间部分的载荷，减少压力水管在各种载荷影响下产生的屈曲变形。对于压力水管来说，为了适应温度变化产生的热循环应力对压力水管的强度冲击，可以利用压力水管沿管轴方向在支墩上的自由移动来抵消热应力带来的位移。支墩只承受垂直于管轴的法向力，水平方向上的作用力主要由镇墩承担。

5 结语

泵机是生产过程中非常重要的设备， 对国家的科技自动化、现代工业水平发展等有着重要的作用。然而在泵机使用过程中，会因为作业环境或操作人员等因素的影响而出现各种故障。对泵机进行设计时，应尽可能将影响泵机运行的因素考虑进去，从而避免设备发生故障，确保泵机处于正常稳定的运行状态。