矿用主排水泵综合性能试验台设计.docx

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矿用主排水泵综合性能试验台设计

摘要

主排水泵是保证煤矿安全生产的关键设备，对每台泵进行性能测试是生产厂家必经的产品最终质量控制手段。

其次，煤矿主排水系统是煤矿能耗大户，也是煤矿投资的主要领域之一，因此用户运用科学原理，合理选择水泵型号，节约能源对于降低煤矿生产成本也具有重要意义。

同时，随着科学技术的进步，水泵测试系统正朝着采用高精度、自动化的智能测试技术，深入进行内特性方面的测试和多功能化的方向发展。

鉴于以上诸因素，并结合水泵厂试泵车间的现场技术调研的结果，我对被测泵的性能参数进行分析，依据国家标准、行业标准及文献资料，经过对元配件的设计计算，设计了一套大容量主排水泵性能台。

试验台设计了传统和现代两套测试手段，达到国家2级精度要求，可精确测量矿用大流量、大扬程的多级离心水泵。

试验台选用先进的自动控制设备，提高了测试系统的自动化程度和精确性，为实现远程操作提供了基础，提高了测试人员的安全性。

并且编写试验台的操作规范和试验记录表，便于操作人员进行测试。

关键词：

主排水泵性能曲线性能测试测试系统

ABSTRACT

Themaindrainagepumpisthekeyequipmenttoensuresafeproductionincoalmines,theperformancetestofeachpumpisthemanufacturerofthefinalproductmustpassthroughqualitycontrol.Secondly,coalminemaindrainagesystemisamajorenergyconsumer,isalsooneofthemainareasofinvestmentincoalmines,sousersusescientificprinciples,areasonablechoiceofpumptypeandsavingenergycostsforreducingcoalproductionarealsoimportant.Meanwhile,withthescientificandtechnologicalprogress,thepumptestsystemismovingwithhighprecisionandautomatedintelligenttestingtechnology,in-depthinternalcharacteristicsofthetestandmulti-orienteddirection.

Inviewoftheabovefactors,combinedwiththeresultsoftechnicalresearchofwaterpumpfactorytestpumpshop,Ianalyzetheperformanceparameterofthemeasuredpump,accordingtothenationalstandards,industrystandardsandliteraturedata,throughthedesignoftheelementpartsofthecalculation,Ihavedesignedalargecapacityofmaindrainagepumpperformancetestsystem,withtwosetsofexperimentalmeanswhichistraditionalandmodern.Itreachedthenational2levelprecisioncantestmultistagecentrifugalpumpwithprecisemeasurementoflargeflow,highliftformine.Teststationsusetheadvancedautomaticcontrolequipment,improvethedegreeofautomationtestsystemandaccurate,andprovidesabasisforremoteoperation,improvesthesafetytestingpersonnel.Atthesametime,Iwritetestbenchoftheoperationstandardandtestrecordform,sooperationpersonnelcantestconvenient.

Keywords：

maindrainagepumpperformancecurvetestforperformance

testsystem

1绪论

1.1课题来源及意义

本毕业设计的题目为《矿用主排水泵综合性能试验台设计》，本题目主要是设计一个综合实验台，对矿用多级离心泵各个方面的性能进行测试和计量，用以为用户选择水泵型号提供科学依据，合理选择水泵型号，节约能源。

水泵测试台对于水泵基础理论的研究与发展、水泵性能改进、水泵设计方法的完善，为用户选择水泵型号提供科学依据，合理选择水泵型号，节约能源都有着极其重要的作用，因此，水泵综合参数测试系统的研究已经成为工业界广泛关注的课题之一。

目前，国内水泵测试精度低、实时性和可靠性差，很多还是传统的半自动化形式，其测位分散，全部测量信号没有综合管理，而且人机界面不够友好。

与国外性比，技术水平相对落后。

煤矿主排水系统是煤矿能耗大户，也是煤矿投资的主要领域之一，因此用户运用科学依据，合理选择水泵型号，节约能源对于降低煤矿生产成本具有重要意义。

因此，这就需要从根本出发，找到问题解决的办法，循序渐进，才能有新的突破。

因此，现阶段我们开展水泵综合参数的测试的研究，有助于提高泵产品的研发效率、改善产品的性能水平，具有较高的实用价值，对于降低煤矿生产成本，提高我国煤矿企业的竞争力也具有现实意义。

本文正是针对这种情况，对水泵的测试原理和方法进行研究和分析，并确保系统的稳定性和可靠性。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

在国外，欧美等发达国家关于泵的相关研究起步较早，在特殊泵的制造，泵的内特性测试等方面仍领先于国内。

对泵的外特性测试装置而言，早在1961年，英国国立工程试验室（NEL）立了自己的水力机械试验台，可用于水泵和模型水轮机（最大转轮直径0.5m）的性能试验，可以在开式和闭式两种循环方式进行效率和气蚀试验，部分参数是先半自动控制，试验数据由计算机自动采集和处理，并能自动绘制试验曲线和打印试验结果。

大量外文书刊级互联网资料显示，目前国外水泵测试系统的产品已经比较成熟，美国，德国等发达国家已经普遍化，并呈现高集成，小体积，可移动，多功能，设备全，易操作等特点。

例如美国TecQuipmentInc.生产的CentrifugalPumpTestSet，是一台用于离心泵测试的装置，为研究离心泵在不同扬程，流量和转速下的特性提供了一种新的测试方法。

尽管这类水泵测试装置具有高集成，小体积，可移动，多功能，设备全，易操作等优点，但在数据处理方面功能薄弱，缺少嵌入式的数据处理分析系统，效率不高。

1.2.2国内研究现状

在国内，泵测试技术的发展历程可以简单的划分为两个阶段：

20世纪70年代，20世纪80年代至今。

29世纪70年代属于指针式测试系统时期，泵的测试基本采用分立式仪器和仪表来测量各种物理量。

例如，用水银压力计，弹簧压力计等测量压力，用文土里流量计，涡轮流量计等测量流量，用电流表，电压表等测量电力参数。

测试仪表体积庞大，成本高，可靠性低，试验人员多，工作量大，效率低等都是这一时期水泵测试系统存在的问题。

一般情况下，整整一天时间内很难做完水泵的所有试验，为了得到性能优良的水力模型，往往需要进行多次模型试验，效率极低。

20世纪80年代至今属于测试系统的自动化时期。

换代速度加快，市场对产品种类等方面已经难以满足泵产品研制合计顺改造的要求。

而这个时期正是计算机技术，通讯技术和智能控制技术高速发展的时期。

自动控制领域日新月异，智能仪表，先进的控制系统层出不穷。

这给水泵测试技术带来了契机，人们面临的困难迎刃而解。

智能电磁流量计，超声波流量计，微光流量计，智能电容式压力变送器，转矩转速传感器，微机扭矩仪，电子计算机、单片机等先进的智能电子装置迅速的被应用于新一代的水泵测试系统中，极大地提高了水泵测试系统自动化程度、测试精度、响应速度和人工效率。

尽管如此，这种测试系统仍然存在着部分参数手动控制，费时费力，调节精度不高，系统庞大，接口复杂，连线众多，计算机接口资源紧张，维护困难，程序编写难度高和应用软件界面不友好等特点。

在这一时期中后期，这种系统进建立在一些科研单位、高校和主要生产单位。

例如，江苏大学。

华北水利电力学院、清华大学、浙江机械研究所、东方电机厂等。

据调研资料表明，很多水泵测试系统还是传统的半自动化，其测位分散，全部测量信号没有综合管理，而且软件界面不够有好，真正建立有水泵微机自动化辅助测试平台的厂家还不是很多。

1.2.3水泵测试系统发展趋势

随着工业技术的发展，我国水泵企业对测试设备的自动化、智能化要求与日俱增。

一方面，要求测试系统具有更高的速度、精度、可靠性和自动化水平，以便减少人力和提高工作效率；另一方面，要求测试系统具有更大的灵活性和适应性。

总体来说，水泵测试系统正朝着以下几个方向发展：

（1）采用高精度、自动化的智能测试技术

传统的方式中，由于缺乏先进的控制方法，使得测量精度的提高进一步受到限制，不能鉴别设计上的微小改善，尤其是对流量这个非线性、时变、难以建立精确数学模型的控制对象，通常的方法是：

由人工进行工况调节，完全依靠工作人员的经验，调节费时、费力、稳定性差且精度不高。

随着科学技术的发展，尤其是自适应控制、鲁棒控制、非线性控制、大系统理论和预测控制等现代理论的出现，以及仪器仪表的高度自动化和信息管理的现代化，使得对流量的自动调节成为可能。

一些先进的控制方法和模糊控制不依赖于被控对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，也能利用人的经验知识来设计模糊控制器来完成任务。

与传统的PID控制相结合，也可以扬长避短，提高控制精度。

因此水泵测试系统应该打破传统的测试方法，综合采用现代的检测技术、智能控制技术、网络技术和电子计算机及其外部设备自动进行参数测试、传输和处理。

采用实时调节，实时测试，能快速采样和测试参数，从而提高测试系统的精度和自动化程度。

（2）深入进行内特性方面的测试

深入进行水泵流道内不同工况下流速分布、压力分布、压力脉动、气蚀形态、气蚀强度、气蚀侵蚀部位等内特性研究，对全面测试水泵的性能、发展水泵理论和提高设计水平有重要意义，因此国外一些厂家和高等院校对内特性的研究十分重视。

目前高速摄影技术、流场显示技术、热膜探针、电子探针以及激光测速仪等新技术和仪表均已得到应用。

电子计算机在流态分析中也得到了应用。

（3）多功能化

一个功能完善的微机水泵综合测试系统一般应能对多型式、多种规格的水泵进行测试，以此增加试验装置的适应性和多功能性。

此外，还要求尽量缩短研制周期和降低成本。

1.3离心泵基础知识

1.离心泵的基本结构离心泵的基本构造是由六部分组成的，分别是叶轮，泵体，泵轴，轴承，密封环和填料函。

（1）叶轮是离心泵的核心部分，它转速高出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在装配前要通过静平衡试验。

叶轮上的内外表面要求光滑，以减少水流的摩擦损失。

（2）泵体也称泵壳，它是水泵的主体。

起到支撑固定作用，并与安装轴承的托架相连接。

（3）泵轴的作用是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转距传给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。

（4）轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种。

滚动轴承使用牛油作为润滑剂加油要适当一般为2/3～3/4的体积太多会发热，太少又有响声并发热。

滑动轴承使用的是透明油作润滑剂的，加油到油位线。

太多油要沿泵轴渗出并且漂溅，太少轴承又要过热烧坏造成事故。

在水泵运行过程中轴承的温度最高在85度一般运行在60度左右，假如过高就要查找原因并及时处理。

（5）密封环又称减漏环。

叶轮进口与泵壳间的间隙过大会造成泵内高压区的水经此间隙流向低压区，影响泵的出水量，效率降低。

间隙过小会造成叶轮与泵壳摩擦产生磨损。

为了增加回流阻力减少内漏，延缓叶轮和泵壳的所使用寿命，在泵壳内缘和叶轮外援结合处装有密封环，密封的间隙保持在0.25～1.10mm之间为宜。

（6）填料函主要由填料，水封环，填料筒，填料压盖，水封管组成。

填料函的作用主要是为了封闭泵壳与泵轴之间的空隙，不让泵内的水流不流到外面来也不让外面的空气进入到泵内。

始终保持水泵内的真空。

当泵轴与填料摩擦产生热量就要靠水封管住水到水封圈内使填料冷却。

保持水泵的正常运行。

所以在水泵的运行巡回检查过程中对填料函的检查是非常重要的。

图1-1离心泵结构示意图

2.离心泵的过流部件离心泵的过流部件有：

吸入室，叶轮，压出室三个部分。

叶轮室是泵的核心，也是流部件的核心。

泵通过叶轮对液体的作功，使其能量增加。

叶轮按液体流出的方向分为三类：

（1）径流式叶轮液体是沿着与轴线垂直的方向流出叶轮。

（2）斜流式叶轮液体是沿着轴线倾斜的方向流出叶轮。

（3）轴流式叶轮液体流动的方向与轴线平行的。

叶轮按吸入的方式分为二类，分别是单吸叶轮和双吸叶轮。

叶轮按盖板形式分为三类，分别是封闭式叶轮、敞开式叶轮和半开式叶轮。

其中封闭式叶轮应用很广泛，前述的单吸叶轮双吸叶轮均属于这种形式。

1.4离心泵工作原理

离心泵所以能把水送出去是由于离心力的作用。

水泵在工作前，泵体和进水管必须罐满水行成真空状态，当叶轮快速转动时，叶片促使水很快旋转，旋转着的水在离心力的作用下从叶轮中飞去，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分形成真空区域。

水源的水在大气压力的作用下通过管网压到了进水管内。

这样循环不已，就可以实现连续抽水。

在此值得一提的是：

离心泵启动前一定要向泵壳内布满水以后，方可启动，否则将造成泵体发热，震动，出水量减少，对水泵造成损坏造成设备事故。

离心泵的种类很多，分类方法常见的有以下几种方式：

（1）按叶轮吸入方式分：

单吸式离心泵和双吸式离心泵。

（2）按叶轮数目分：

单级离心泵和多级离心泵。

（3）按叶轮结构分：

敞开式叶轮离心泵、半开式叶轮离心泵和封闭式叶轮离心泵。

（4）按工作压力分：

低压离心泵、中压离心泵和高压离心泵。

（5）按泵轴位置分：

卧式离心泵和边立式离心泵。

1.5离心泵主要参数及性能曲线

水泵的性能参数如流量Q扬程H轴功率N转速n效率η之间存在的一定的关系。

他们之间的量值变化关系用曲线来表示，这种曲线就称为水泵的性能曲线。

水泵的性能参数之间的相互变化关系及相互制约性是以该水泵的额定转速为先决条件的。

1.5.1离心泵性能参数

泵的主要性能参数有流量Q、扬程H、功率P、效率η和汽蚀余量∆h。

这些参数之间有着一定的相互联系，而反映这些性能参数间变化关系的曲线，称为性能曲线。

性能曲线通常是指在一定转速下，以流量Q为横坐标，扬程H、功率P、效率η、汽蚀余量∆h为纵坐标，可绘制出Q-H、Q-P、Q-η及Q-∆h等不同的性能曲线。

这些曲线直观地反映了泵的总体性能。

性能曲线对泵的选型，经济合理的运行都起着十分重要的作用。

离心泵的性能参数：

（1）流量

流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量，一般采用体积流量Q来表示，常用单位为m3/s、m3/h、L/s。

（2）扬程

扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量，H表示，用单位为m。

（3）转速

泵轴每分钟的转数称为转速，用n表示，单位是r/min。

（4）功率

泵的功率可分为有效功率、轴功率和原动机功率。

单位时间内通过泵的流体所获得的功率，即输出功率称为有效功率，Pe表用示。

原动机传递给泵转轴上的功率，即输入功率称为轴功率，用P表示。

原动机功率一般指原动机的输出功率，即原动机所具备的对外做功能力，用Pg表示。

因此，它与输入原动机的功率是不同的。

（5）损失和效率

在泵的运行过程中，存在多种能量损失。

按照其性质可分为机械损失、容积损失和流动损失三种。

轴功率减去这三部分损失所对应的功率即等于有效功率。

机械损失主要包括轴端密封于轴承的摩擦损失及叶轮前后盖板外表面与流体之间的圆盘摩擦损失两部分。

机械损失功率∆Pm为上述两种损失之和，机械损失用机械效率ηm来衡量。

机械效率用下式表示：

（1-1）

式中∆Pm——机械损失功率，kW。

泵由于转动部件与静止部件之间存在间隙，当叶轮转动时，在间隙两侧产生压力差，因而使部分由叶轮获得能量的流体从高压侧通过间隙向低压侧泄露，这种损失称为容积损失或泄露损失。

容积损失用容积效率ηV来衡量，容积效率用下式表示：

（1-2）

式中∆PV——容积损失功率，kW。

流动损失发生在吸入室、叶轮流道、导叶和壳体中。

流体和各部分流道壁面摩擦会产生摩擦损失；流道断面变化、转弯等会使边界层分离、产生二次流而引起扩散损失；由于工况改变，流量偏离设计流量时，入口流动角与叶片安装角不一致，会引起冲击损失。

影响泵效率最主要的因素是流动损失，即在所有的损失中，流动损失最大。

流动损失用流动效率ηh来衡量。

流动效率用下式表示：

（1-3）

式中∆Ph——流动损失功率，kW。

（6）泵的总效率

总效率是衡量泵经济性的重要技术指标。

泵的总效率等于有效功率与轴功率之比，即：

（1-4）

由上式可知，泵的总效率等于流动效率ηh、容积效率ηV和机械效率ηm三者的乘积。

1.5.2离心泵性能曲线

水泵性能曲线主要有三条曲线：

Q-H曲线，Q-P曲线，Q-η曲线。

图1-2离心泵性能曲线

（1）Q-H曲线

它是离心泵的基本的性能曲线。

比转速小于80的离心泵具有上升和下降的特点，称驼峰性能曲线。

比转速在80～150之间的离心泵具有平坦的性能曲线。

比转数在150以上的离心泵具有陡降性能曲线。

一般的说，当流量小时，扬程就高，随着流量的增加扬程就逐渐下降。

（2）Q-P曲线

轴功率是随着流量而增加的，当流量Q=0时，相应的轴功率并不等于零，而为一定值。

这个功率主要消耗于机械损失上。

此时水泵里是布满水的，假如长时间的运行，会导致泵内温度不断升高，泵壳，轴承会发热，严重时可能使泵体热力变形，我们称为“闷水头”，此时扬程为最大值，当出水阀逐渐打开时，流量就会逐渐增加，轴功率亦缓慢的增加。

（3）Q-η曲线

它的曲线像山头外形，当流量为零时，效率也等于零，随着流量的增大，效率也逐渐的增加，但增加到一定数值之后效率就下降了，效率有一个最高值，在最高效率点四周，效率都比较高，这个区域称为高效率区。

以上几个方面了解了离心泵构造，工作原理、特性曲线以后，如何合理配置电机水泵的功率，是保证水泵的安全运行，优质供水，降低生产成本的关键。

合理配置水泵功率，发挥水泵最佳工作区域的安全运行，才符合设备合理配置的可靠性和经济性原则。

随着科技的不断发展，水泵的现代化程度也不断提高，减少了许多的人为治理操作。

现在大多采用计算机监控的自动操作模式，这也就对操作人员的自身素质提出了更高的要求。

因为一台水泵的异常状况会影响到整各供水系统的网络，造成严重后果。

在生产中把所学的知识运用到实践工作中去，合理安排好水量的分配和调度，利用各台水泵的特性使用最少的功率达到水泵的最大出水量，达到最佳运行状态，并做到安全，优质，低耗供水，这样就是我们所应该追求的目标。

2系统总体方案设计

2.1设计目标参数

矿用水泵综合性能测试台是一个可以完成针对大流量高扬程的矿用多级泵的性能测试的设计，我们最终要使其能够完成以下主要功能：

（1）测量矿用水泵的测试参数（包括：

入口压力、出口压力、流量、转速、扭矩、扬程、轴功率和效率等），其中入口压力、出口压力、流量、转速、扭矩为原始数据，扬程、轴功率和效率通过原始数据计算得到；

（2）绘制性能曲线，确定泵的出厂参数。

主要设计参数为：

（1）最大流量：

800m3/h

（2）最大扬程：

700m；

（3）最大功率：

1600kW；

（4）最大出口压力：

10MPa；

（5）进口压力范围：

-0.1~0MPa；

（6）转速：

1450r/min；

（7）精度要求：

二级。

2.2方案比较

2.2.1方案一

此方案中的布局与测试设备的选择是参照神华重型机械水泵测试站设计的，是一种常见的手动测试平台的设计方案。

主要由水泵、电动机、真空表、压力表、手动截止阀、涡轮流量计、水堰、水池、潜水泵组成一个测试回路。

图2-2方案一示意图

1一水泵；2一电动机；3一真空表；4一压力表；5、9一手动截止阀；

6一涡轮流量计；7一水堰；8一水池；10—潜水泵

水泵的测试是通过人为的控制手动截止阀5和9，来实现对水泵运行工况的改变，通过人工读取压力表、真空表的读数来获得水泵进出口的压力，通过涡轮流量计读取一定工况下的流量，最后运用相关公式计算出相应结果，从而获得测试水泵的性能。

方案分析

优势：

（1）结构简单，便于搭建和维护；

（2）造价成本低，初期投入少。

缺点：

（1）由于是手动调节，自动化程度地；

（2）阀门的开闭程度不够准确，容易造成失误和误差；

（3）由于测试的水泵出口处的水为高压，高流量，有发生爆管的危险，威胁测试人员的人身安全；

（4）由于采用的是涡轮流量计，出口管路水平段较长，导致测试台占地面积大，浪费空间。

2.2.2方案二

此方案中的布局与测试设备的选择是参照神华重型机械水泵测试站设计的，是一种常见的手动测试平台的设计方案。

主要由水泵、电动机、真空表、压力表、电动调节阀、电磁流量计、水堰、水池、底阀组成一个测试回路。

图2-3离心泵性能测试装置示意图

1一水泵；2一电机；3一真空表；4一压力表；5、9一电动调节阀；

6一流量计；7一水堰；8一水池；10一底阀

水泵的测试是通过控制面板控制电动调节阀5和9，来实现对水泵运行工况的改变，通过读取控制面板上的传感器示数和人工读取压力表、真空表的示数来获得水泵进出口的压力，通过电磁流量计读取一定工况下的流量，最后运用相关公式计算出相应结果，从而获得测试水泵的性能。

方案分析

优势：

（1）采用电动调节阀、压力和流量传感器，实现了测试台的远程控制；

（2）通过远程调节，电动控制，很大程度上提高了测试台的自动化程度；

（3）自动化程度的提高，避免了测试人员的手动控制，保证了测试人员的安全；

（4）调节设备的自动化，实现了工况调节的准确性；

（5）由于选用的是电磁流量计，大大缩短了水泵出口段水平管路的长度，减小了测试站的占地面积；

（6）出口管路的缩短，减小了管路的损失，增加了测试的精确度；

（7）充分利用已有设备，采用正压灌水，在一定程度上减少了设备的复杂程度和造价。

缺点：

（1）由于选用了许多电动控制设备，导致造价成本偏高；

（2）电动控制设备的增加，增加了设备的复杂程度和维护成本。

2.3.3总体方案选定

方案一虽然造价低，维护成本低，但存在测试精度低，存在安全隐患，空间利用率低的不足。

方案二虽然存在造价成本和维护成本高的不足，但实现了远程控制，自动化程度高，控制精准，保证了测试人员的安全。

另外，测试设备紧凑，空间使用效率