IS50-32-200水泵性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)-畢業(yè)答辯教學(xué)講義

安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)IS50-32-200水泵性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：機(jī)設(shè)07-12班姓名：范祥雷指導(dǎo)老師：薛祖強(qiáng)畢業(yè)答辯本研究課題的主要內(nèi)容：本課題設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)等相結(jié)合的水泵系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)。主要完成如下內(nèi)容：實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵進(jìn)、出口壓力、流量、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。因此，本課題的主要任務(wù)是選用合適的測(cè)試手段與方法，進(jìn)行水泵性能參數(shù)試驗(yàn)臺(tái)的管路及軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與數(shù)據(jù)處理，完成水泵性能參數(shù)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理功能。水泵的性能指標(biāo)主要從以下幾個(gè)方面考慮：流量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速、效率。管路參數(shù)選擇根據(jù)水泵型號(hào)：IS50-32-200查閱有關(guān)資料得以下參數(shù)：葉輪名義直徑（mm)排出口直徑（mm）吸入口直徑（mm）單極單吸清水離心泵IS50–32–200對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)回路，國(guó)標(biāo)規(guī)定：若入口節(jié)流閥一直保持全開(kāi)狀態(tài)，入口等徑直管的長(zhǎng)度取用不小于7D（D為直管徑）；若入口節(jié)流閥任意開(kāi)度狀態(tài)，入口等徑直管的長(zhǎng)度應(yīng)不小于12D。我們從具有自由液面的水池引水，并要進(jìn)行試驗(yàn)，屬于任意開(kāi)度狀態(tài)。因此，入口等徑直管的長(zhǎng)度取20D=20x50=1000mm。并且我們采用以下措施來(lái)避免出現(xiàn)大的漩渦：（1）進(jìn)口處使用整流柵；（2）恰當(dāng)?shù)夭贾萌嚎?；?）置泵出口等徑管段長(zhǎng)度取用5D=5x32=160mm。水泵性能參數(shù)測(cè)試臺(tái)管路裝置按照國(guó)標(biāo)，水泵的實(shí)驗(yàn)裝置主要分為：開(kāi)式池式試驗(yàn)裝置和閉式回路試驗(yàn)裝置。（1）開(kāi)式池式試驗(yàn)裝置：進(jìn)口吸水和出口排水不在同一水源或者兩者相距較遠(yuǎn)，對(duì)水源相互的影響幾乎可以忽略。這種裝置可以保證吸入水流平穩(wěn)，有效地去除漩渦的影響，并且設(shè)備簡(jiǎn)單，適合不同型號(hào)水泵試驗(yàn)。但由于吸水和排水分開(kāi)，占地面積大，并且受到環(huán)境條件的限制。（2）閉式回路式試驗(yàn)裝置：進(jìn)口吸水和出口排水在同一水源，水循環(huán)使用，這種裝置由于容器有限，使得進(jìn)口進(jìn)水受到出口水流的影響，水流不平穩(wěn)，容易產(chǎn)生漩渦，但另一方面該裝置占地面積小，可在廠房?jī)?nèi)設(shè)置。在采取一定措施后也能保證試驗(yàn)精度。由于試驗(yàn)場(chǎng)地的限制，以及進(jìn)口吸水和出口排水在同一個(gè)水源，水可以循環(huán)使用且符合試驗(yàn)要求，故選擇方案2閉式回路試驗(yàn)裝置水泵閉式回路試驗(yàn)裝置示意圖CAD原圖系統(tǒng)總體方案流程圖無(wú)縫鋼管的選擇根據(jù)水泵進(jìn)出口口徑大小，查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4》得：（1）直管的選擇：選10號(hào)無(wú)縫鋼管，表號(hào)G30.吸入管內(nèi)徑50mm,外徑56mm,壁厚3mm;排出管內(nèi)徑32mm,外徑38mm,壁厚3mm.（2）彎管的選擇：公稱通徑(mm)外徑(mm)內(nèi)徑(mm)壁厚(mm)彎曲半徑(mm)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度(mm)吸入管50605247575排出管3242353.54848法蘭選擇根據(jù)直管公稱通徑的大小查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4》得：選用平面對(duì)焊鋼制管法蘭（摘自GB9113.3-88）公稱通徑(mm)法蘭外徑(mm)螺栓孔中心園外徑(mm)螺栓孔徑(mm)螺栓數(shù)量螺紋Th法蘭厚度(mm)出口法蘭32140100184M1618入口法蘭50165125184M1620水箱設(shè)計(jì)為了保證水泵測(cè)試裝置持續(xù)的水流，要求0.5h的時(shí)間，（所選IS50-32-200的流量為7.5）計(jì)算水箱體積為V=0.5x7.5=3.75≈4。設(shè)計(jì)水箱為方形，其參數(shù)為1800x1800x1500，體積為4.86，見(jiàn)CAD圖去除壁厚及管道體積，可知滿足要求。實(shí)物圖如下：墊片的選擇根據(jù)法蘭公稱通徑的大小，查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4》表32.6-12，選用GB9126.1-88，材料為石棉橡膠墊的平墊，即平面型鋼制管法蘭用石棉橡膠墊片。入口和出口墊片參數(shù)選擇如下：公稱通徑（mm)墊片內(nèi)徑(mm)墊片外徑(mm)螺栓孔中心園直徑(mm)螺栓孔徑(mm)螺栓孔數(shù)出口3243140100184入口5061165125184實(shí)物圖如下：閥門的選擇根據(jù)直管公稱通徑的大小，查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4》，選用Z15T-16型內(nèi)螺紋暗桿楔式閘閥：產(chǎn)品參數(shù)：品牌:英絡(luò)克，連接形式:螺紋，主體材料:鑄鐵，公稱通徑:15-50（mm），適用介質(zhì):水，材質(zhì):鑄鐵，密封形式:硬密封型，標(biāo)準(zhǔn):國(guó)標(biāo)，外形:中型，流動(dòng)方向:雙向，驅(qū)動(dòng)方式:手動(dòng)，零部件及配件:手輪，用途:放水，壓力環(huán)境:常壓，工作溫度:常溫，類型(通道位置):二通式，型號(hào):Z15T-16

型號(hào)公稱通徑(mm)管螺紋尺寸（mm)重量（kg）LHD0Z15T-163211/485145801.755021101901003.5水泵性能參數(shù)測(cè)量原理及傳感器選擇本次試驗(yàn)主要測(cè)量或計(jì)算5個(gè)參數(shù)：流量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速、效率。其中效率是由計(jì)算得到。根據(jù)《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗(yàn)規(guī)范精密級(jí)》要求，精密級(jí)試驗(yàn)不宜超過(guò)的最大不確定度值如右：量最大容許極限流量±1.5%揚(yáng)程±1%泵輸入功率±1.3%轉(zhuǎn)速±0.2%泵效率±2.25%（1）流量的測(cè)量：參照GB/T3214-91《水泵流量的測(cè)量方法》，由于渦輪流量計(jì)測(cè)量流量比較簡(jiǎn)單和普遍，而且便于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集，故我們選了渦輪流量計(jì)作為測(cè)試流量的傳感器。結(jié)構(gòu)圖如下：出口是傳感器殼體以螺紋和管道聯(lián)結(jié)（用于管徑40mm以下的聯(lián)結(jié)），入口是以法蘭聯(lián)結(jié)的形式聯(lián)結(jié)（用于管徑40mm以上的聯(lián)結(jié)）。渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示，渦輪轉(zhuǎn)軸的軸承由固定在殼體上的導(dǎo)流器所支承，流體順著導(dǎo)流器流過(guò)渦輪是，推動(dòng)葉片使渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與流量成一定的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)速即可確定對(duì)應(yīng)的流量。由于渦輪是被封閉在管道中，因此采用非接觸式磁電檢測(cè)器來(lái)測(cè)量渦輪的轉(zhuǎn)速。如圖所示，在不導(dǎo)磁的管殼外面安裝的檢測(cè)器是一個(gè)套有感應(yīng)線圈的永久磁鐵，渦輪的葉片是用導(dǎo)磁材料制成的。若渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片每次經(jīng)過(guò)磁鐵下面時(shí)，都要使磁路的磁阻發(fā)生一次變化，從而輸出一個(gè)電脈沖。顯然輸出脈沖的頻率與轉(zhuǎn)速成正比，測(cè)量脈沖頻率即可確定瞬時(shí)流量，若累計(jì)一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，便可得到這段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)流量。測(cè)試方框圖：渦輪流量計(jì)的測(cè)量原理簡(jiǎn)介：通過(guò)測(cè)量渦輪的轉(zhuǎn)速間接測(cè)量渦輪的流量，當(dāng)管道中的流體流過(guò)流量計(jì)時(shí)，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的旋轉(zhuǎn)引起磁場(chǎng)的變化，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)磁脈沖，然后通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成電脈沖，再經(jīng)過(guò)放大輸出到單片機(jī)中記錄并顯示。（2）揚(yáng)程的測(cè)量：揚(yáng)程就是單位重量的液體通過(guò)水泵后所獲得的能量，或者就是水泵的出口總水頭（動(dòng)能）與入口總水頭的代數(shù)差，通常用H（水柱高）表示，單位為m（米）。測(cè)量原理：對(duì)揚(yáng)程的測(cè)量實(shí)際上就是對(duì)壓力的測(cè)量，即對(duì)水泵進(jìn)口、出口壓力的測(cè)量。壓力的單位為Pa或者水柱高。常用壓力測(cè)量?jī)x表有很多，，下面以液柱式壓力計(jì)說(shuō)明水泵揚(yáng)程測(cè)量的基本原理。揚(yáng)程是表征液體經(jīng)過(guò)水泵后比能增值的一個(gè)參數(shù)，如果水流進(jìn)入水泵時(shí)所具有的比能為E1，流出水泵時(shí)所具有的比能為E2，則水泵的揚(yáng)程是H=E2-E1。泵進(jìn)口總水頭H1的表達(dá)式：

泵出口總水頭H2的表達(dá)式：由以上兩式可以推導(dǎo)出揚(yáng)程H的表達(dá)式：其中，P2、P1—水泵出口和進(jìn)口的液體壓力Z1、Z2—水泵出口和進(jìn)口的高度差c2、c1—水泵出口和進(jìn)口的液體流速，可以有流量除以進(jìn)出口截面面積分別得到。由此我們可知，水泵的揚(yáng)程可以通過(guò)測(cè)量水泵進(jìn)出口靜壓力、勢(shì)能水頭、平均流速，然后通過(guò)以上公式計(jì)算即可。對(duì)于水泵進(jìn)出口的勢(shì)能水頭Z1、Z2可通過(guò)測(cè)量水泵進(jìn)出口壓力傳感器的安裝高度即可；對(duì)于平均流速c1、c2是通過(guò)測(cè)量水泵的流量和水泵進(jìn)出口的管道幾何尺寸，用一下公式計(jì)算得：

式中S1、S2—水泵進(jìn)出口的截面面積（m2）(a)測(cè)量截面的選擇：測(cè)量的位置應(yīng)盡可能靠近泵的入口法蘭和出口法蘭處。入口和出口測(cè)量截面設(shè)在管路系統(tǒng)與法蘭相距最好至少等于兩倍管路直徑（即l≥2d）的直平行管路中，入口距離選l=200mm,出口距離選l=150mm。這樣可以減少因非對(duì)稱流或旋渦流所引起的誤差。(b)取壓孔的設(shè)置：通常應(yīng)在每一測(cè)量截面處管壁上設(shè)置4個(gè)取壓孔，這4個(gè)孔應(yīng)位于互成直角的兩條直徑上并且既不在橫截面的最高點(diǎn)或其近旁，也不在橫截面的最低點(diǎn)或其近旁，以避免在壓力連接管中形成氣囊或積聚污垢。開(kāi)在水管邊緣上的取壓孔用圓柱形孔直徑應(yīng)為3-6mm或等于0.08D，取兩者之小值，并且孔深至少應(yīng)是孔直徑的2.5倍，孔應(yīng)無(wú)毛刺和凹凸不平處，并垂直于管的內(nèi)壁；孔緣應(yīng)以半徑r≤d/4進(jìn)行倒圓或至少有小的倒角。壓力變送器一、主要技術(shù)指標(biāo)供電電壓：12～36VDC（一般24VDC）輸出信號(hào)：4～20mA兩線制負(fù)載電阻：一般采用250Ω精度：±0.5%FS工作溫度：-25～80℃環(huán)境溫度影響：0.35%FS/10K過(guò)壓極限：標(biāo)定壓力值的2倍壓力變送器選用上海龍瑞斯電子廠生產(chǎn)的7011GPT9NM10A80B1F接線及調(diào)試線路圖二、外形結(jié)構(gòu)及安裝方式下圖是壓力變送器的外形尺寸示意圖材質(zhì)：316L不銹鋼壓力接口：M20×1.5M12×1外螺紋規(guī)格。壓力變送器應(yīng)盡量安裝在溫度梯度和溫度波動(dòng)小的地方，同時(shí)還要避免振動(dòng)和沖擊。為確保變送器接頭密封，應(yīng)先在接頭處卷上密封膠帶，然后擰緊變送器。變送器應(yīng)直接安裝在測(cè)量點(diǎn)，但強(qiáng)腐蝕性的或過(guò)熱的介質(zhì)不應(yīng)與變送器接觸，需另定購(gòu)防腐型及高溫型變送器。溫度傳感器：根據(jù)實(shí)驗(yàn)的條件及其他傳感器的工作要求，本次試驗(yàn)選用上海龍瑞斯電子公司生產(chǎn)的型號(hào)為3140WB2A80B1L1000的溫度傳感器。3140系列溫度變送器是采用兩線制傳輸方式的現(xiàn)場(chǎng)一體化儀表，直接輸出4～20mA的信號(hào)，既節(jié)約了昂貴的補(bǔ)償導(dǎo)線費(fèi)用，又提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。該產(chǎn)品具有精度高、功耗低、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，作為新一代測(cè)溫儀表已廣泛用于石油、化工、冶金、輕工、造紙、紡織、食品、制藥、電力、國(guó)防等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體、氣體、蒸汽等的溫度測(cè)量和控制。主要技術(shù)指標(biāo)：

電源電壓精度等級(jí)負(fù)載電阻環(huán)境溫度溫度影響系數(shù)安裝方式24VDC±0.5%FS250Ω－25～75℃δ≤0.05%/℃螺紋連接實(shí)物圖如下：謝謝！參考文獻(xiàn)[1]全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站編.工業(yè)泵推薦產(chǎn)品樣本.化學(xué)工業(yè)出版社，2004.1[2]沙占友.中外集成傳感器實(shí)用手冊(cè).電子工業(yè)出版社,2005.9[3]張福學(xué).傳感器敏感元器件大全.電子工業(yè)出版社，1990.7[4]陳維健.礦山機(jī)械測(cè)試技術(shù)手冊(cè).中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1998.8[5]李科杰.新編傳感器技術(shù)手冊(cè).國(guó)防工業(yè)出版社，2002.1[6]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4.機(jī)械工業(yè)出版社，1991.9[7]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）1.化學(xué)工業(yè)出版社，2002.1[8]曾億山、郭永存.流體力學(xué).合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2008.8[9]唐文彥.傳感器（第四版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.12[10]熊詩(shī)波、黃倡藝.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2006.5[11][12][13]我國(guó)水泵產(chǎn)品質(zhì)量及其原因分析我國(guó)水泵制造業(yè)始于20世紀(jì)20年代，在建國(guó)后得到較快發(fā)展，特別是改革開(kāi)放以來(lái)的20年，我國(guó)水泵行業(yè)在規(guī)模、實(shí)力、科技基礎(chǔ)、人才等方面都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。目前我國(guó)水泵生產(chǎn)企業(yè)約3500家，生產(chǎn)的水泵品種約2200余種。據(jù)2003年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)水泵的產(chǎn)值為205億元。水泵行業(yè)有16家企業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品為免檢產(chǎn)品。有的產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國(guó)內(nèi)外。但是，與國(guó)外同行業(yè)相比，國(guó)內(nèi)水泵行業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量等還有很大的差距。國(guó)外水泵品種約為5000余種，國(guó)際水泵市場(chǎng)的總銷售額約為246億美元，市場(chǎng)銷售額每年增長(zhǎng)率約為7．5％。美國(guó)、日本、德國(guó)等為水泵的主要生產(chǎn)國(guó)和銷售國(guó)。美國(guó)ITT流體技術(shù)公司、古爾茲泵公司、