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东北大学硕士学位论文 摘要 水泵性能自动测试系统研究与开发 摘要 水泵种类繁多、使用广泛，属于通用类机械。在生产实践中，为了正确选择、使用 水泵，我们必须了解其性能特点。出于水泵理论至今仍不十分完善，目前获得水泵性能 参数及这些参数之闻的相互关系，主要依赖于性能试验。 目前国外水泵测试系统的产品己经比较成熟，国内水泵性能参数测试仍主要以手动 操作试验过程、手工测量试验数据、手工记录试验数据和绘制曲线，存在测量手段落后， 测量精度不高和劳动强度高等缺点。因此，开发出一套适合我国国情、能够在众多中小 型厂家推广的水泵性能测试系统，对于提高产品质量、减少返修率以及节约能源都有重 要意义。本文即在这方面作了深入探讨和尝试。 本文首先介绍了目前水泵测试技术的发展概况及测试的理论依据，然后分别从测试 系统的软件和硬件两个方面详细阐述了水泵性能自动测试系统的开发。本系统试验台选 择开式池式装置，现场传感器获得水泵运行的实时性能参数，通过r s 一4 8 5 信号传输给 i - 7 0 0 0 系列数据采集模块，数据采集模块将信号转变为r s 2 3 2 信号，再由c o m 口传输 给p c 机进行数据的纪录、分析和曲线拟合；应用软件以v b6 0 为开发平台，实现了对 水泵运行的实时监控和对试验数据的自动采集、分析、查询和存储等功能。对系统进行 误差分析表明，达到了国家规定的b 级精度要求。最后，通过对f f c _ 8 0 6 5 1 6 0 型磁力 驱动离心泵的模拟实验，绘制出了性能曲线图。通过对所绘曲线进行分析和与原试验所 绘曲线进行对比，得出本次模拟试验结果满足要求的结论，验证了本系统的使用价值。 本系统除了可以完成水泵的性能试验及汽蚀试验外。还实现了对泵在输送不同粘性 液体时的性能换算，使得本系统在对以输送其他介质为主的泵进行试验时非常方便，从 而更加完善了水泵测试系统的功能。 关键词：水泵：测试系统：性能试验；模块；串行通讯 垄! ! 墨堂堑主堂堡垒圭 垒! 堕型 s t u d ya n dd e v e l o p m e n to u t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo ft h e w a t e rp u m p a b s t r a c t a sag e n e r a lm a c h i n e ，t h e r ea r es om a n yk i n d so fp u m p s ，a n dt h e ya r eu s e di nm a n y f i e l d s i no r d e rt oc h o o s et h er i g h tm o d e lp u m pt ou s e ，w en e e dt ol e a r nt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ep u m p ，w h i c hi sm a t e r i a l i z e db yi t sf l u x ，p r e s s ，p o w e ra n de f f i c i e n c y , a n dt h e s e c h a r a c t e r i s t i c sa r ei n f l u e n c e db ye a c ho t h e r , e v e r yp a r a m e t e rw i l lb ei n f l u e n c e da st h ef l u x c h a n g e d f r o mn o wo nt h e r ea r en on i c e t yt h e o r ya b o u tt h ep u m p ，s ow en e e dt od o e x p e r i m e n t a t i o nt oa c q u i r et h er e l a t i o n s h i po f e a c hp a r a m e t e r d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f t h ew a t e rp u m pi sv e r yp o p u l a ra b r o a d b u ti no u rc o u n t r y , w e h a v et od os u c ht e s tb yh a n d s ，r e g i s t e rt h ed a t ab yp e n , r e a dt h ed a t ab y0 1 1 1 e y e s ，a n da f t e rt h e t e s t ，w eh a v et oa n a l y s i st h ed a t ab yo u r s e l v e s ，w h i c hi si n e f f i c i e n ta n dh e a v y , a n dt h e p r e c i s i o ni sv e r yl o w s oi ti sn e c e s s a r yt om a k eas y s t e ma c c o r dt oo u rp r a c t i c e ，w h i c hc a l lb e u s e di nm o s to ft h em i n it y p ec o m p a n yi no u rc o u n t r y b yt h i s ，w ec a nm a k et h er e p a i r i n gg o d o w n ，s a v em o r ee n e r g y , a n di m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y t h et h e s i si sa t t e n t i o no nt h i sf i e l d ， a n dih a v es o m ea t t e m p t i n gi nt h es y s t e m t h i st h e s i si sb a s e do nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n de m p o l d e ro ft h ea p p l i c a t i o n p a c k a g e a tt - n s t , ii n t r o d u c et h ec o m p l e x i o ni n o u rc o u n t r ya n do v e r s e a s ，a n dg i v et h e s t a n d a r d sw h i c hw em u s tf o l l o w t h et e s t e ri sb u i l dw i 血ap 0 0 1 w eg e tt h ed a t ab y w a n s d u c e r sw h i c hw e r ei n s t a l l e di nt h es y s t e m a n dt h ed a t aw i l lb et r a n s m i t t e dt ot h ed a t a c o l l e c t i o nm o d u l eo fi - 7 0 0 0b yr s - 4 8 5s i g r l a l ，t h ed a t ac o l l e c t i o nm o d u l eo fi - 7 0 0 0w i l la l s o t r a n s f e rt h es i g n a li n t or s 一2 3 2s i g n a la n dt r a n s m i ti tt ot h ec o m p u t eb yc o m p o r t t h e c o m p u t ew i l ls a v ea n da n a l y z et h ed a t a , ac h a r tw i l lb eg i v e na tt h es a m et i m e w ec h o o s e v b 6 0a st h et o o lt ow r i t et h ea p p l i c a t i o np a c k a g e ，w h i c hc a nw a t c ht h ep u m pp e r f o r m a n c e ， c o l l e c t i o nt h ed a t a ，a n a l y z e ，s a v et h ed a t a a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i n g ，t h i ss y s t e mp r e c i s i o n i sr e a c hbl e v e l a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t ee x a m i n a t i o na tf f c 一8 0 6 5 - 1 6 0p u m p ，w e g e tt h ep e r f o r m a n c ec u r v e w em a k eac o n t r a s tf r o mo l i rp e r f o r m a n c ec u r v ea n dt h e ) u r v e w h i c hg i v e nb yt h ep r i m a r yt e s t ，a n df i n dt h a tt h ep e r f o r m a n c ec u r v ew eg o ti sf i g h t ，a n da l s o w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ea p p l i c a t i o np a c k a g ei su s e f u l n e s s b e s i d e s ，t h es y s t e mc a nc o n v e r s i o nv i s c i d i t y , s ow ec a nt e s tm o r ep u m p se x p e d i e n t l y , e v e ni ti sn o td e s i g n e dt og e ta w a yw a t e r t h i ss y s t e mm a k et h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f t h e - i - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rp u m pm o r ec o n s u m l i l a t e k e yw o r d s ：p u m p ；t e s ts y s t e m ；p e r f o r m a n c et e s t ；m o d u l e ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：省。锂问9 日期：抽b6 、工2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水泵产品的应用与主要性能指标 泵和风帆是人类最早用来把自然能转变为有用功的发明，而风帆不属于机器类，所 以泵作为最早的机器，是无可怀疑的。这种机器可以代替肌肉的力量来转变自然能使之 满足人们的需要。 根据各种文献的记载【”，对目前所知的最早的泵，说法不一。人们所熟知的早期的 泵一阿基米德螺旋提升泵，直到现在还在使用。就自古以来的全部技术发展来说，泵在 应用数量上仅次于电动机而属于第二位最通用的机器。 随着现代工业的蓬勃发展，水泵产品使用面越来越广，种类也越来越多。在采矿、 冶金、电力、石油、化工、市政以及农林等部门中，各种形式的泵类产品应用很多，其 规模和投资越来越大，功能分类越来越细。水泵产品在国民生产中占有重要地位f 2 】。 水泵的应用如此广泛，为了正确使用它，我们必须了解其性能特点。水泵的性能主 要从以下几个方面来考虑： 1 ) 流量q ：水泵在单位时间内所输送的液体数量。常用的体积流量单位是m 3 s ， 或l s 。常用的重量流量单位是t h 。 2 ) 扬程h ：又称水头，它是指被输送的单位重量的液体从水泵进口到出口所增加的 能量。单位为米。 3 ) 功率p ：是指机械在单位时间( 每秒) 内做功的大小。单位用瓦( w ) 或千瓦( 肼) 表示。在水泵铭牌或有关资料上，常见的有“有效功率”、”轴功率”、“配套功率”等。 4 ) 效率r l ：效率是表示水泵能量利用的指标。水泵在工作时，由于轴承填料和水 泵轴等机械运动的摩擦及水泵内的涡流现象，都要损失一部分能量。所以，动力机传给 水泵轴的功率，不可能全部变成有效功率。有效功率和轴功率的比值就是水泵的效率。 农用水泵的效率一般在6 5 8 5 之间。 5 ) 转速r l ：转速是指泵轴( 叶轮) 每分钟的转数，常用转分钟( r r a i n ) 为单位 表示。水泵的额定转速，一般为4 8 5 、7 3 0 、9 7 0 、1 4 5 0 、2 9 0 0 转分钟。水泵的额定转 速、实际达到的转速的高低对泵的出水量、扬程、功率都有直接影响。这是水泵性能中 一个很重要的指标。水泵转速改变后，出水量、扬程、轴功率都随之改变。 6 ) 汽蚀余量n p s h ：是指水面到抽水泵体叶轮的最大高程差( m ) 。一般水泵的允许 吸上真空度在8 米水柱以内。如果泵轴中心距动水位的垂直高度加上吸水管路损失扬程 小于水泵允许吸上真空度，可以保证水泵正常出水量；若超过水泵的允许吸上真空高度 值，水泵出水量就会减少；超过越多，汽蚀现象越严重，水泵也就抽不上水来。甚至出 查苎垄芏翌主堂竺垒墨 现一定的损坏。 第一章绪论 1 2 水泵产品测试系统概况 水泵的性能是以输送流量、产生全压、所需功率及使用效率来体现的，这些工作参 数之间存在着相应的关系，当流量与转速变化时，会引起其他参数相应的变化。为了正 确选择、使用水泵，必须了解这些参数之间的相互关系。由于水泵理论至今仍不十分完 善，所以水泵性能参数的获取主要依赖于性能试验。 自从首次采用泵装置输送和提升水开始。就出现了这样或那样的泵试验手段。对泵 装置的每一次改进只有经过试验后才被接受，这种试验证明了这一改进的价值。随着泵 设备的日趋精制，泵的试验方法也越来越完善，在制造厂或试验室和使用现场的情况都 是如此。对于很大的泵，则采用模型试验对原型设计进行优化改近。 每一台泵，不论其大小或种类如何，都应经过某种形式的试验之后才能被用户接受。 如果不这样，用户就无法知道该产品是否满足全部要求、采用哪种试验、以及采用什么 方法进行试验，这要根据试验的最终目的而定。试验的最终目的一般有以下一个或两个： 设计或操作上的改进进行检验； 验产品是否达到合同规定的性能指标，从而对要求的、预测的和实际的性能进行比较。 1 2 1 自动测试技术发展概况 自动测试系统的发展可以分为四个过程【3 】。在五十年代末期出现了一种集中式的半 自动数据采集系统，其主要功能是对测量结果进行统计、处理和间接测量的计算等；到 六十年代末和七十年代初，随着检测技术和计算机的进一步结合，出现了所谓的第二代 计算机测试系统，即使用计算机的数据采集系统、数据自动分析系统和自动检测系统， 其特点是检测过程可以对数据进行处理并将结果存储、显示、打印或形成文件；到七十 年代中期又产生了第三代计算机自动测试系统，由于通用标准接口总线的出现，解决了 仪器仪表相互之间和仪器仪表与计算机之间的联系问题，这样就形成了以计算机为核 心，由多台可程控的仪器和仪表按积木的方式组合成成套装置，这种测试系统占领了仪 器仪表市场，而且还在不断的完善和发展：目前正在发展的以微处理机为基础的智能化 测试系统是属于第四代计算机测试系统，这种测试系统的特点是把微处理机和仪器仪表 结合在一起并构成一个整体，其特点是许多仪表中的硬件功能可以由软件代替，这样不 仅使系统大大简化、降低成本、减小体积和重量以及提高系统的可靠性，而且由于软件 编程工作具有很大的灵活性，因此可以使系统的功能大大加强。这种智能仪表一般具有 与计算机相连的标准接口，作为一台智能程控仪表单元接入系统从而构成功能更强。规 模更大的检侧系统，还可以通过软件编程将各种数据处理技术应用于检测系统中，使系 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 统精确性进一步得到提高。可以肯定的是，随着计算机技术的进一步发展，传感器等信 号采集技术的进一步完善，自动测试系统的性能还将进一步提高。 1 2 2 国外水泵测试技术概况 水泵行业的工程技术人员在长期的产品设计实践中，积累了大量工程设计理论和经 验，然而传统的工程试验方法不可避免的存在重复性试验、计算和数据处理工作量大、 效率低、精度差和周期长等弊病。随着计算机技术的发展，计算机辅助试验的方法被广 泛应用于各行各业，完成复杂重复的试验过程，达到降低设计开发周期和成本的目的。 国外在水泵测试领域研究起步较早，测试系统的产品己经比较成熟。由于泵测试技 术的重要性，国内外在致力于泵研究、设计、加工的同时，也相继建立了一些相配套的 泵试验台。有资料表明【4 】，目前在一些国家，尤其在美国、德国、日本等发达国家，微 机水泵性能测试与试验装置均己普遍化，其测试精度、自动化程度均比较高。1 9 7 3 年， 美国a c 公司就初步实现水泵模型试验台的数据采集与计算机处理：日本以富士重工为代 表的水泵生产厂家也建立了以计算机为中心的水轮机模型实验室。同类产品还有英国的 c u s s o n st e c h n o l o g y 公司生产的p 6 2 5 0 齿轮泵、轴流泵、离心泵和活塞泵测试平台等【5 1 。 这类水泵测试装置尽管具有高集成、小体积、可移动、多功能、设备全、易操作等优点， 但在数据处理方面尚显的功能薄弱，缺少嵌入式的数据处理分析系统，效率不高。 针对以上的不足，另外一种基于计算机的测试系统孕育而生。例如美国的h g r i t e c h n o l o g y 公司开发的p t e s t 水泵测试系统，该系统在w i n d o w s 或d o s 环境下工作，操作者 将观测到的数据输入计算机，p t e s t 系统根据水泵测试的公式、算法及i s 0 标准，计算 出相关参数，拟合曲线、保存数据并生成打印报表。此外，还有美国的s c i e n t i f i cs o f t w a r e 集团开发的i n f i n i t ee x t e n t 等水泵测试系统。 1 2 3 国内水泵测试技术发展现状 长期以来，我国的水泵测试手段比较落后。本人曾于2 0 0 5 年8 月去沈阳水泵厂调研。 作为水泵测试的国家试验中心，其水泵性能参数测试设备仍主要以手动操作试验过程、 手工测量试验数据、手工记录试验数据和绘制曲线，存在测量手段落后，测量精度不高 和劳动强度高等缺点。其实，这种状况在我国还相当普遍。 从2 0 世纪八十年代末九十年代初，随着电子技术、传感器技术、计算机技术、自控 技术的飞跃发展，在水泵参数的自动采集和测试方面，我国取得了一定的进步。江苏理 工大学、山东农业大学、华北水利电力学院等单位相继对水泵试验装置进行了研究与开 发，建立了各具特色的试验装置，他们为水泵自动测试系统的不断完善发挥了先导作用。 如江苏理工大学t p 自动化研发中心开发的泵参数综合测量仪则结构紧凑，安装方便。 在我国，许多厂家是由国有企业改制后的中、小型企业，或者是乡镇企业、民营企 业，其生产规模一般不大，而且产品多样，甚至许多水泵厂家是按照用户的需求生产， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 所以很难形成统一的系列。 对于这种需求现状，目前的测试系统中存在着一些不足，例如：参数测量不完整； 系统过于庞大且复杂，造价太高而不能为众多小型水泵生产厂家所采用；功能单一不易 推广等等。因此，在大多数小型泵厂，其型式试验和出厂试验仍然靠手工操作为主。那 么，如何按照国家标准的要求，利用高技术、低成本的手段实现水泵性能的自动测试与 分析已成为国内众多水泵生产厂家及研究单位的迫切需求。 1 2 4 7 k 泵测试技术的发展趋势 1 ) 高精度、高自动化 传统的人工测量系统进行水泵测试时，测量一个单项参数一般需要多个测量人员参 与，测试周期较长，测量效率很低，而且人工读数( 采集数据) 及原始测量数据处理也容 易带来随机误差、粗大误差和计算误差，从而使水泵测试精度大大降低，与此相反，以 微机控制系统为核心的数据采集、数据的实时处理装置往往能实现以较少的测试人员、 较短的测试周期并能避免测试过程中人为因素造成的误差。因此，现代水泵测试系统有 必要实现测试过程的微机化、自动化。并且，精度低的测试系统还不能鉴别水泵设计上 的微小差异，这很容易埋没水泵开发人员在水力模型上花费的大量研究工作。所以，对 水泵性能参数测量试验还必须力求高精度化。 2 ) 多功能化 多功能化是水泵测试的发展方向。以计算机辅助测试的水泵试验装置可进行型式试 验、出厂试验，同时也自动完成性能曲线和测试报告。除此而外，还应该可以同时进行 轴向力测定、振动试验以及流速分布、压力脉动、汽蚀等内特性的测试研究。因此作为 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、多功能性。 3 ) 灵活性、实用化 根据我国存在许多生产规模不大，且产品多样厂家的现状，要求水泵性能测试系统 具有灵活性、实用化的特点： ( 1 ) 投资少，适合小企业的推广使用； ( 2 ) 测试系统调整或升级容易，适用不同类型泵类产品测试要求； ( 3 ) 尽量满足不同工况测试需求，能为水泵改型提供参考； ( 4 ) 操作简单、易行，可靠性高。 1 3 本课题研究内容及意义 1 3 1 课题研究内容 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 本课题利用计算机技术、传感器技术、数据采集技术等，开发出水泵测试系统应用 软件及模拟试验台。本套计算机辅助水泵自动测试与分析系统可实现如下功能： 1 ) 在线实时监测功能：可实现对水泵流量、扬程、进出口压力、泵轴转速、电机电 流、电压以及功率的实时监测功能； 2 ) 性能曲线绘制：包括对扬程曲线，功率曲线，效率曲线的绘制； 3 ) 汽蚀试验； 4 ) 对不同介质情况下的泵性能进行换算； 5 ) 对试验历史数据的存储及查询； 6 ) 试验数据报告及打印输出。 因此，本课题的主要任务是以计算机软件为开发平台，选用合适的测试手段与测试 方法，进行水泵性能参数试验台的管路及软硬件设计，实现实验数据自动采集与数据处 理并最终生成水泵的基本性能曲线，完成水泵性能参数测试及数据处理，最终得到试验 报告。 1 3 2 课题研究意义 i ) 本测试系统特点 本课题采用模块技术及v b 6 o 软件，在p c 机环境中实现对数据的处理、转换、曲线 绘制、数据存储、界面显示、报表打印等功能。这样，测试系统一方面减少硬件需求， 只需要数据传输模块，基本管路和传感器：p c 机在试验时使用，平时还可以用在日常办 公，因此，降低了开发成本。同时，本系统可以通过试验对不同介质情况下的泵性能曲 线进行绘制，使得测试系统功能更加完善。 2 ) 研究意义 水泵作为仅次于电机的第二大通用机械，在国民生产中占有极其重要的地位，因此， 开发出一套适合我国国情、能够在众多中小型厂家推广的水泵性能测试系统，对于提高 产品质量、减少返修率以及节约能源都有重要意义。本文即在这方面作了深入探讨和尝 试。同时，本文在水泵测试系统功能多样化等方面所作的一些尝试和创新，对今后水泵 试验台的建设具有借鉴意义。 东北大学硕士学位论文 第二章水泵测试原理 2 1 理论依据 第二章水泵测试原理 水泵测试过程中，需要遵照以下几个国家标准： g b t 3 2 1 4 8 2 水泵流量测量方法1 6 1 g b t 3 2 1 6 8 2 离心泵、轴流泵和旋涡泵试验方法 ，j g b t 5 6 5 7 1 9 9 5 离心泵技术条件 s l g b t 1 3 0 0 6 9 1 离心泵、混流泵和轴流泵汽蚀余量【9 j g b t 1 3 0 0 7 9 1 离心泵、效率1 1 0 l g b t 1 0 3 2 1 9 8 5 三相异步电动机试验方法 1 1 】 2 2 水泵试验内容 因为流体在水泵中的运动过程十分复杂，目静还无法完全用完整的数学解析式来描 述水泵在不同工作状态下的运动特征，所以，目前还必须利用试验的方法来测量水泵的 重要技术指标，尤其是测量水泵的流量、扬程、轴功率、效率、转速等参数，并以测量 结果作为评判该泵在性能上是否达到规定的设计要求。 泵的试验应分为以下几种： 工厂试验：也称作实验室试验、制造厂试验或工厂验收试验。这种试验在制造厂按 几何相似原则，在理想的控制条件下进行。一般认为这种试验是最为精确的试验。 现场试验；是泵装置在现场安装后，在已存的现场条件或在最终条件下运行时进行 的试验。现场试验的准确性和可靠性与所用仪表、装置设置和泵装置设计阶段的布置有 关。经过双方协议，现场试验可以作为验收试验。 指标试验：是现场试验的一种形式。通常作为对磨损情况、条件的变化或检修评价 进行比较的标准。可能的话，指标试验应始终采用相同的方法、相同的仪表和相同的人 员进行，并且要对试验情况做好准确记录咀保留尽量完整和具有可比性的历史数据。 模型试验：是在样机设计之前进行的试验，通常十分精确。模型试验是产品原型现 场试验的补充和完善。样机是根据模型建造的。模型试验的目的必须在设计阶段尽早确 定，最好是在技术说明或竟标书中确定。在涉及很大的机组或需对数个模型的性能进行 比较以及而要进行先进的样机设计时都有可能用到模型试验。 比较以及而要进行先进的样机设计时都有可能用到模型试验。 东北大学硕士学位论文第二章水泵测试原理 2 3 水泵性能参数的测量原理 2 3 1 流量的测量原理 在现代业生产和日常生活中，常常遇到流体( 气体或液体) 的输送计量和控制，需 要测量流体的速度或者流量，因此流量的测量和控制是测试技术的一个重要环节【1 2 1 。流 量即流经管道横截面的流体量与该量通过该截面所花费的时间之商。流量的表达式为： 鼽= - g = 谢( 2 - 1 ) g r2 2 谢 ) 旷詈= 刖( 2 - 2 ) 9 m2 百。刖 式中：q v 体积流量，r r l 3 s ； q 。质量流量，k g s ： 卜流体体积，m 3 ； m 一流体质量。k g ； t 时间，s ： p 流体密度k g m 3 ； v 管道内平均流速，m s ： a 管道横截面面积，m 2 ； 总量又称累积流量，是在一段时问内流过管道横截面的流体量。在数值上它等于流 量对时间的积分，总量的表达式为： 矿= f 2 9 ，d t ( 2 3 ) m = f 2 d t ( 2 - 4 ) 2 3 2 扬程的测量原理 扬程是判断水泵性能优劣的一项重要指标。泵的扬程是指泵的出口法兰处与入口法 兰处的总水头差，即h 等于泵的出口总水头与入口总水头的代数差： 胃= 马一蜀( 2 5 ) 式中： 日，一入口总水头，i 1 1 。 i = z l + 旦+ ( 2 6 ) n gz g 其中：z i 入口平面与基准面之间的高度差，m ： 东北大学硕士学位论文 第二章水泵测试原理 p ，入口平面相对与大气压力的有效压力，p a ； n 一入口处液体密度，k g m 3 。 日2 一出口总水头，m 。 日：z ，+ 且+ 生 ( 2 7 ) 2 。p 2 92 9 其中：z ，出i s i 平面与基准面之间的高度差，m ； p ，出口平面相对与大气压力的有效压力，p a ； a 出口处液体密度，k g m 3 。 如果泵输送液体的密度改变不大，则： = 警- i - ( z 2 - z 1 ) + 警 沼8 ) 店z g 如果泵输送液体的密度改变显著，则p 应该以平均值代替： a = 旦兰 ( 2 9 ) 但在有些情况下，泵的扬程可以用一个压差计来直接进行测量。如认为更适合，泵 的扬程可以用泵输送液体的比能增量来表达。比能的增量可以由上述的泵扬程公式两边 乘以g 得出： y = g h ( 2 1 0 ) 式中：y - 一比能：每单位质量液体的能量， j k g 。 泵扬程是指泵的出口法兰处与入口法兰处的总水头差，而测压点通常离入口法兰和 出口法兰有一定距离，因此，在测量的泵扬程中需要将测压点至泵法兰之间由于摩阻所 造成的水头损失加上。但是对于b 级泵产品，只有当h n + h 口0 0 0 2 h 时才进行这种 修正。 由以上分析可知，对泵扬程的测量实际就是对入口压力和出口压力的测量，因此测 量扬程时采用的仪器主要是压力传感器。 2 3 3 轴功率的测量原理 水泵轴功率就是指水泵轴从原动机( 异步电机) 中得到的功率，单位用k w 来表示。 轴功率是水泵的基本参数之一。泵的轴功率应通过测定转速和扭转力矩得出，或由测量 与泵直接连接的己知效率的电动机的输入功率来确定。根据水泵和配套动力机的类型和 结构形式的不同，轴功率常用以下两种测试方法测试。 1 ) 扭转力矩测量法： 测量扭转力矩可采用天平式测功计和扭转式测功计。测量扭转力矩时应同时测定转 速。按泵的规定点轴功率选用天平式测功计和扭矩传感器时，其值应在测功计或扭矩传 感器额定值的1 3 以上。转速的测量有专门的转速测量仪器。 9 东北大擘硕士学位论文 第二章水泵测试原理 由扭转力矩和转速即可求出轴功率： n ：坠：m 翌：m 国( 2 1 1 ) d td t 式中：n i 一轴功率，w ； a 一扭转力矩做功，j ； t 时间，s ； m 一扭转力矩，n m ： 国一角速度，r a d y s 。 2 ) 电机功率测量法 通过对已知电机功率的测量，可以得到电机功率p ，由此可求出水泵轴功率： p = r g r , 。p o ( 2 1 2 ) 式中：p 一轴功率，w ； r g 一电动机效率，； r 。一传动效率，。 2 3 4 水泵效率计算 水泵效率是评判水泵性能优劣的一个重要技术指标。其计算公式为： p r 2 子1 0 0 ( 2 - 1 3 ) a 式中：r 泵效率，； 只，一水泵有效功率，k w ； p a 一泵轴功率，k w 。 泵轴功率p l 可以通过电测法测得，而p u 为水泵有效功率，即水泵的输出功率，它 是表征水泵内流水通过泵出后实际得到的能量，即泵传递给流体的功率。其大小可根据 水泵的流量和扬程计算而得： p u = p q h g 1 0 0 0 ( 2 1 4 ) 式中：p 一输送液体密度，k g m 3 ： 口一泵的流量，r f l 3 s ； h 一泵的总扬程，m ： g 一重力加速度，9 8 m s 2 。 2 3 5 转速的测量原理 电机转速是反映水泵机组在运行中的一个重要物理参数，目前其测试方法有很 多，按照测量设备不同，可以分为离心式、磁性转速表、电动式、磁电式、闪光式转速 表等方法。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章水泵测试原理 1 ) 离心式转速表：利用离心力与拉力的平衡来指示转速。离心式转速表是最传统 的转速测量工具，是利用离心力原理的机械式转速表；测量精度一般在卜2 级，一般就 地安装。一只优良的离心式转速表不但有准确直观的特点，还具备可靠耐用的优点。但 是结构比较复杂。 2 ) 磁性转速表：利用旋转磁场，在金属罩帽上产生旋转力，利用旋转力与游丝力 的平衡来指示转速。磁性转速表，是成功利用磁力的一个典范，是利用磁力原理的机械 式转速表。一般就地安装，用软轴可以短距离异地安装。 3 ) 电动式转速表：由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流 发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，驱动小型交流电动机。小型交流电动机的转 速与被测轴的转速一致。磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起，磁性表头指 示的转速自然就是被测轴的转速；电动式转速表，异地安装非常方便，抗振性能好，广 泛运用于柴油机和船舶设备。 4 ) 磁电式转速表：是根据电磁感应定律把被测参数变换为感应电动势的传感器， 异地安装非常方便。磁电式转速表，因结构简单，目前应用非常普遍。 5 ) 闪光式转速表：利用视觉暂留的原理。闪光式转速表，除了检测转速( 往复速 度) 外，还可以观测循环往复运动物体的静像，对了解机械设备的工作状态，是一必不 可少的观测工具。 2 4 水泵的汽蚀试验 2 4 1 水泵汽蚀现象的产生及测量原理 汽蚀现象又称空蚀现象、空泡现象，在流体机械中，汽蚀现象经常发生，其基本过 程是水泵通过叶轮的转动，对流体做功，使液体的流速和压力值发生变化。在泵的叶轮 入口处是压力最低，即真空度最高的地方，如果使这个地方的压力达到足以使流动着的 液体产生汽泡的饱和蒸汽压时，即可在液体内迅速形成无数小汽泡。这些小汽泡随液流 进入叶轮的较高压区，由于此时汽泡内外存在着压力差，外面的压力大于汽泡内部的压 力，在这个压差的作用下，汽泡凝缩、溃灭，从而原汽泡周围的液体质点相互撞击，并 迅速占领这个空间，此时质点就像无数小弹头一样，连续打击在金属表面上。随着时间 的推移，金属表面就逐渐会因疲劳而损坏，而且在产生的汽泡中还夹杂蓍一些活性气体， 借助汽泡破裂、重新凝结时所放出热量，又引起金属的化学腐蚀。上述两种作用，通常 称为汽蚀破坏现象，简称汽蚀。对于汽蚀破坏的机理，到目前为止，研究尚不充分，还 有待于更深入的研究和探索。 泵开始发生汽蚀肘，汽蚀区域比较小，对泵的正常工作没有明显的影响，泵的性能 也没有明显的变化，只有当汽蚀发展到一定的严重程度时，汽泡便大量产生，影响了液 东北大学硕士学位论文 第二章水泵测试原理 体的正常流动，甚至造成液流中断，并伴随着振动和噪声，这时泵的外特性参数( 如流 量、扬程、轴功率等) 值也明显下降。所以水泵汽蚀不仅使泵性能下降，而且损坏叶轮， 影响整个系统的正常运行。由此可见，正确知道泵在主要工况点的汽蚀情况及临界汽蚀 余量值( n s p h ) 的大小，对水泵生产及用户使用都非常重要。 泵的汽蚀余量又称为动压降，汽蚀余量有必需汽蚀余量和有效汽蚀余量之分。必需 汽蚀余量是指叶轮进口前单位质量的水流所具有的超过当时水温度下汽化压力的富余 能量。该余量是为了满足水流从叶轮进口处到被叶轮增压莳所产生的压力下降的需要。 有效汽蚀余量则为水泵装置能够向泵提供的单位质量液体的超出于当时水温度下汽化 压力部分的能量。要使水泵不发生汽蚀，有效汽蚀余量必须大于必需汽蚀余量。汽蚀余 量按下式计算： n p s h ：h + 1 0 0 0 ( p o - p v ) ( 2 一1 5 ) pg 式中：n p s h _ 汽蚀余量，m ； h l 入口总水头，m ； p 0 试验时大气压力，k p a = p 、试验温度下水的饱和蒸汽压力，( 绝对压力) ，k p a 。 为了确定水泵具体汽蚀余量值，进行汽蚀试验是目前唯一办法。其实作水泵汽蚀性 能试验就是为了建立水泵汽蚀余量与流量的实验关系曲线，同时判断被测泵汽蚀余量 ( n s p h ) 值是否小于规定的必需的汽蚀余量( n s p h ) ，这样，我们方面可以验证试 验泵在汽蚀性能上是否满足设计要求，另一方面，由得到临界汽蚀余量( n s p h ) 值， 给出一个安全余量，作为用户确定水泵几何安装高度的重要依据。如果测得泵的临界汽 蚀余量值( n s p h ) 不大于泵的必需汽蚀余量值( n s p h ) 时，可认为该被测泵的汽蚀性 能满足要求。 2 4 2 汽蚀试验类型 汽蚀试验是为了确定泵的临界汽蚀余量与流量之间的关系，或者是验证泵的 卤界汽 蚀余量小于或等于规定的必需汽蚀余量值。汽蚀试验有如下两种不同类型：一种是仅作 校核试验以证明泵在规定的性能和n p s h 下运转时自可靠她避免汽蚀；另一种是通过减 小n p s h 直至可以测出汽蚀对泵性能的影响。这种试验可以较圆满地测得泵的汽蚀性 能。 1 ) 规定的流量和n p s h 下的试验 这种试验仅证明泵在规定的性能和n p s h 下运转时能可靠地避免汽蚀。如果对于同 一流量点，在较低n p s h 下的一次试验得出与规定n p s h 下试验相同的扬程，则可以认 为泵满足不发生汽蚀的要求。 2 ) 确定临界汽蚀余量的试验 - 1 2 - 东北走学硕士学位论文 第二章水泵测试原理 通常保持流量等于常数，逐渐降低泵入口压力。改变n p s h 值至首级叶轮扬程降低 量达到( 2 + k ，2 ) h ( k 为水泵的型式数) ，此时的n p s h 即为临界汽蚀余量( n p s h ) 。这 种试验可以确定在各种偏离规定的n p s h 值的情况下泵的特性。 2 4 3 改变n p s h 的方法 可以采用下述方法改变n p s h ： 1 ) 采用在吸入管路中增加阻力的方法进行。例如，在吸入管路上装设节流阀进行 调节。对于节流阀引起的汽蚀，有时可以用串联安装两个或多个节流阀来加以避免，或 者让液体通过节流阀后，直接进入一个封闭容器或大口径管中来加以消除。容器和管安 装在节流阀与泵的入口之间。此时需要设导流片以及用来抽走容器中空气的装置，特别 是在低汽蚀余量时。 当节流阀处于半开且与泵入口法兰相距小于1 2 倍入口管径时，必须确保入口的取 压孔所在管路是充满液体的。 2 ) 改变自由液面高度。泵从液位可以调节的水池中，必须采用横截面无节流的吸 入管抽吸液体。 3 ) 设置闭式回路系统。在保证泵扬程或流量不变的条件下，可以改变系统中压力， 或通过调节液温改变汽化压力，使泵内发生汽蚀。出口和入口调节阀中的汽蚀，可能使 这种试验较为困难而需要采用特殊的阀。 为了保持需要的温度，须有对回路中的液体进行冷却或加温的装置，而且还须有 个气体分离罐。分离罐要有足够的尺寸，并且要设计得能防止气体被裹挟到泵的吸入液 流中去。 如果泵实际用于输送除汽水，那么也必须用除汽水作汽蚀试验。 2 4 4 泵临界汽蚀余量( n p s h ) 的测定及误差限 1 ) 泵的临界汽蚀余量( n p s h ) 的测定 试验时可以采用上述的任何一种方法改变n p s h ，并可选用其中任何一种改变参数 的方法。一般大都采用在试验过程中改变两个调节参数使流量保持恒定的方法。 2 ) 在泵的工作范围内，应包括小流量点、规定流量点和大流量点3 个以上不问流量 点进行汽蚀试验。对于采用使流量保持恒定的试验方法时，对每一个流量点应逐渐降低 n p s h ，不同的n p s h 值不宜少于1 5 个，并在试验曲线即将出现断裂的区域应有较密集的 试验点。 测量误差限 对b 级试验定为实铡n p s h 的3 或0 1 5 m ，取两者中的大者。对c 级试验定为实 测n p s h 的5 3 或0 2 m ，取两者中的大者。 当用高温液体或接近临界点的液体做试验时，要特别注意测量误差限。 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章水泵测试原理 2 5 试验数据分析 2 5 1 数据处理 按扬程、有效功率、汽蚀余量公式分别计算水泵在试验转速的扬程h 、有效功率p 、 汽蚀余量n p s h 。如果试验转速不等于额定转速，则按水泵比例律公式把扬程、有效 功率、轴功率、汽蚀余量换算到额定转速。 水泵比例律公式： 盟：墨l ( 2 1 6 ) q 2n 2 旦l ：f 旦l 1 ( 2 1 7 ) h 2 l n 2 n _ ：l n = 器qh = 沼 222i n 2j 式中：q 1q2 流量；m 3 s ： h ，h ，扬程，i l l ： n 】n2 功率，k w ； n n ，转速，r m i n 。 然后根据额定转速的参数按效率公式计算效率百分值。同时将以上各计算值按照流 量从小到大的顺序，保存到水泵测试系统数据库中。 2 5 2 拟合性能曲线 泵的性能曲线图采用横坐标轴上表示流量q ，纵坐标上分别表示扬程h ，轴功率p a 和效率n 。根据测定与计算得出数据绘制曲线，曲线应该圆滑。绘制的性能曲线应当是 规定转速下的性能曲线。 在对一组数据进行拟和处理时，可以通过数据拟合法求拟合函数，或者采用插值法 求插值函数。这两类函数最大的不同之处是，对拟合函数不要求它通过所有的数据点， 而插值函数则必须通过每个数据点。 根据试验结果绘制曲线时，任何一个点都有可能会有误差，但所有的点则应该形成 一种趋势。如果没有某种外界引入的因素来引起突然的变化，那么根据所绘出的点就能 够绘出一条光滑的曲线，这条曲线没有必要通过每一个点。因此在拟和水泵性能曲线时， 我们选择拟和函数法。 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章水泵测试原理 2 6 泵输送粘性液体时的性能换算【1 ，1 当泵输送粘度大于水的石油产品或其他流体时，一般用输送水的性能换算确定泵输 送粘性液体时的性能。近半个世纪以来，石油化工系统在预估油泵的性能和选择油泵时 一直延用苏联国家石油机械研究院的foct 方法，而后又采用美国水力学会公布的 a h i 方法。其方法一般为图表法。图表换算法具有快速直观的特点，精确度不是很高， 但其性能换算偏差仍能控制在许用的误差范围内，适于一般用泵的选型。