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1、安徽理工大学毕业设计,IS50-32-200水泵性能测试系统设计 学院：机械工程学院 专业：机设07-12班 姓名：范祥雷 指导老师：薛祖强,毕业答辩,本研究课题的主要内容：本课题设计利用计算机技术、传感器技术、数据采集技术等相结合的水泵系统测试台。主要完成如下内容：实现对水泵进、出口压力、流量、转速、电流、电压、功率的实时监测功能。因此，本课题的主要任务是选用合适的测试手段与方法，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，完成水泵性能参数测试及数据处理功能。水泵的性能指标主要从以下几个方面考虑：流量、扬程、功率、转速、效率。,管路参数选择,根据水泵型号：IS5
2、0-32-200 查阅有关资料得以下参数：,叶轮名义直径（mm)排出口直径（mm）吸入口直径（mm）单极单吸清水离心泵,IS 50 32 200,试验管路的安装,根据GB3216-89规定，对于标准的试验装置必须采取一切有效措施来保证通过测量截面的液流具有如下特性：（1）轴对称的速度分布；（2）等静压分布；（3）无装置引起的旋涡。装置的几何形状和泵两者都可能影响入口和出口测量截面处流型的完整性。对于从具有自由液面的池中或从设在闭式回路上液面静止的大容器中引水的标准试验回路，建议入口直管段长度L按下式确定：L（1.5K+5.5）D式中：L入口直管段长度；1 D管路内直径；K型式数。,对于标准试验
3、回路，国标规定：若入口节流阀一直保持全开状态，入口等径直管的长度取用不小于7D（D为直管径）；若入口节流阀任意开度状态，入口等径直管的长度应不小于12D。我们从具有自由液面的水池引水，并要进行试验，属于任意开度状态。因此，入口等径直管的长度取20D=20 x50=1000mm。并且我们采用以下措施来避免出现大的漩涡：（1）进口处使用整流栅；（2）恰当地布置取压孔；（3）置泵出口等径管段长度取用5D=5x32=160mm。,水泵性能参数测试台管路装置,按照国标，水泵的实验装置主要分为：开式池式试验装置和闭式回路试验装置。（1）开式池式试验装置：进口吸水和出口排水不在同一水源或者两者相距较远，对水
4、源相互的影响几乎可以忽略。这种装置可以保证吸入水流平稳，有效地去除漩涡的影响，并且设备简单，适合不同型号水泵试验。但由于吸水和排水分开，占地面积大，并且受到环境条件的限制。（2）闭式回路式试验装置：进口吸水和出口排水在同一水源，水循环使用，这种装置由于容器有限，使得进口进水受到出口水流的影响，水流不平稳，容易产生漩涡，但另一方面该装置占地面积小，可在厂房内设置。在采取一定措施后也能保证试验精度。由于试验场地的限制，以及进口吸水和出口排水在同一个水源，水可以循环使用且符合试验要求，故选择方案2闭式回路试验装置,水泵闭式回路试验装置示意图,CAD原图,系统总体方案流程图,无缝钢管的选择,根据水泵进
5、出口口径大小，查询机械设计手册4得：（1）直管的选择：选10号无缝钢管，表号G30.吸入管内径50mm,外径56mm,壁厚3mm;排出管内径32mm,外径38mm,壁厚3mm.（2）弯管的选择：,法兰选择,根据直管公称通径的大小查询机械设计手册4得：选用平面对焊钢制管法兰（摘自GB9113.3-88）,水箱设计,为了保证水泵测试装置持续的水流，要求0.5h的时间，（所选IS50-32-200的流量为7.5）计算水箱体积为V=0.5x7.5=3.75 4。设计水箱为方形，其参数为1800 x1800 x1500，体积为4.86，见CAD图去除壁厚及管道体积，可知满足要求。,实物图如下：,垫片的选
6、择,根据法兰公称通径的大小，查询机械设计手册4表32.6-12，选用GB9126.1-88，材料为石棉橡胶垫的平垫，即平面型钢制管法兰用石棉橡胶垫片。入口和出口垫片参数选择如下：,实物图如下：,阀门的选择,根据直管公称通径的大小，查询机械设计手册4，选用Z15T-16型内螺纹暗杆楔式闸阀：,产品参数：品牌:英络克，连接形式:螺纹，主体材料:铸铁，公称通径:15-50（mm），适用介质:水，材质:铸铁，密封形式:硬密封型，标准:国标，外形:中型，流动方向:双向，驱动方式:手动，零部件及配件:手轮，用途:放水，压力环境:常压，工作温度:常温，类型(通道位置):二通式，型号:Z15T-16,水泵性能
7、参数测量原理及传感器选择,本次试验主要测量或计算5个参数：流量、扬程、功率、转速、效率。其中效率是由计算得到。根据离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范 精密级要求，精密级试验不宜超过的最大不确定度值如右：,（1）流量的测量：,参照GB/T3214-91水泵流量的测量方法，由于涡轮流量计测量流量比较简单和普遍，而且便于计算机数据采集，故我们选了涡轮流量计作为测试流量的传感器。结构图如下：出口是传感器壳体以螺纹和管道联结（用于管径40mm以下的联结），入口是以法兰联结的形式联结（用于管径40mm以上的联结）。,涡轮流量计的结构如图所示，涡轮转轴的轴承由固定在壳体上的导流器所支承，流体顺着导流器流
8、过涡轮是，推动叶片使涡轮转动，其转速与流量成一定的函数关系，通过测量转速即可确定对应的流量。由于涡轮是被封闭在管道中，因此采用非接触式磁电检测器来测量涡轮的转速。如图所示，在不导磁的管壳外面安装的检测器是一个套有感应线圈的永久磁铁，涡轮的叶片是用导磁材料制成的。若涡轮转动，叶片每次经过磁铁下面时，都要使磁路的磁阻发生一次变化，从而输出一个电脉冲。显然输出脉冲的频率与转速成正比，测量脉冲频率即可确定瞬时流量，若累计一定时间内的脉冲数，便可得到这段时间内的累计流量。,测试方框图：,涡轮流量计的测量原理简介：通过测量涡轮的转速间接测量涡轮的流量，当管道中的流体流过流量计时，推动涡轮旋转，涡轮的旋转引
9、起磁场的变化，产生一个个磁脉冲，然后通过磁电转换装置转换成电脉冲，再经过放大输出到单片机中记录并显示。,（2）扬程的测量：,扬程就是单位重量的液体通过水泵后所获得的能量，或者就是水泵的出口总水头（动能）与入口总水头的代数差，通常用H（水柱高）表示，单位为m（米）。测量原理：对扬程的测量实际上就是对压力的测量，即对水泵进口、出口压力的测量。压力的单位为Pa或者水柱高。常用压力测量仪表有很多，下面以液柱式压力计说明水泵扬程测量的基本原理。扬程是表征液体经过水泵后比能增值的一个参数，如果水流进入水泵时所具有的比能为E1，流出水泵时所具有的比能为E2，则水泵的扬程是H=E2-E1。泵进口总水头H1的表
10、达式：泵出口总水头H2的表达式：,由以上两式可以推导出扬程H的表达式：其中，P2、P1水泵出口和进口的液体压力Z1、Z2水泵出口和进口的高度差c2、c1水泵出口和进口的液体流速，可以有流量除以进出口截面面积分别得到。由此我们可知，水泵的扬程可以通过测量水泵进出口静压力、势能水头、平均流速，然后通过以上公式计算即可。对于水泵进出口的势能水头Z1、Z2可通过测量水泵进出口压力传感器的安装高度即可；对于平均流速c1、c2是通过测量水泵的流量和水泵进出口的管道几何尺寸，用一下公式计算得：式中S1、S2水泵进出口的截面面积（m2）,(a)测量截面的选择：测量的位置应尽可能靠近泵的入口法兰和出口法兰处。入
11、口和出口测量截面设在管路系统与法兰相距最好至少等于两倍管路直径（即l2d）的直平行管路中，入口距离选l=200mm,出口距离选l=150mm。这样可以减少因非对称流或旋涡流所引起的误差。(b)取压孔的设置：通常应在每一测量截面处管壁上设置4个取压孔，这4个孔应位于互成直角的两条直径上并且既不在横截面的最高点或其近旁，也不在横截面的最低点或其近旁，以避免在压力连接管中形成气囊或积聚污垢。开在水管边缘上的取压孔用圆柱形孔直径应为3-6mm或等于0.08D，取两者之小值，并且孔深至少应是孔直径的2.5倍，孔应无毛刺和凹凸不平处，并垂直于管的内壁；孔缘应以半径rd/4进行倒圆或至少有小的倒角。,压力变
12、送器,一、主要技术指标 供电电压：1236VDC（一般24VDC）输出信号：420mA 两线制 负载电阻：一般采用250 精 度：0.5%FS 工作温度：-2580 环境温度影响：0.35%FS/10K 过压极限：标定压力值的2倍,压力变送器选用上海龙瑞斯电子厂生产的7011GPT9NM10A80B1F,接线及调试线路图,二、外形结构及安装方式 下图是压力变送器的外 形尺寸示意图 材 质：316L不锈钢 压力接口：M201.5 M121外螺纹规格。压力变送器应尽量安装 在温度梯度和温度波动小的地方，同时还要避免振动和冲击。为确保变送器接头密封，应先在接头处卷上密封胶带，然后拧紧变送器。变送 器
13、应直接安装在测量点，但强腐蚀性的或过热的介质不应与变送器接触，需另定购防腐型及高温型变送器。,温度传感器：,根据实验的条件及其他传感器的工作要求，本次试验选用上海龙瑞斯电子公司生产的型号为3140WB2A80B1L1000的温度传感器。3140 系列温度变送器是采用两线制传输方式的现场一体化仪表，直接输出420mA 的信号，既节约了昂 贵的补偿导线费用，又提高了信号远距离传输过程中的抗干扰能力。该产品具有精度高、功耗低、稳定性好的 特点，作为新一代测温仪表已广泛用于石油、化工、冶金、轻工、造纸、纺织、食品、制药、电力、国防等领 域，实现对液体、气体、蒸汽等的温度测量和控制。主要技术指标：,实物
14、图如下：,谢谢！,参考文献,1全国化工设备设计技术中心站编.工业泵推荐产品样本.化学工业出版社，2004.12沙占友.中外集成传感器实用手册.电子工业出版社,2005.93张福学.传感器敏感元器件大全.电子工业出版社，1990.74陈维健.矿山机械测试技术手册.中国矿业大学出版社,1998.85李科杰.新编传感器技术手册.国防工业出版社，2002.16徐灏.机械设计手册4.机械工业出版社，1991.97成大先.机械设计手册（第四版）1.化学工业出版社，2002.18曾亿山、郭永存.流体力学.合肥工业大学出版社，2008.89唐文彦.传感器（第四版）.机械工业出版社，2007.1210熊诗波、黄
15、倡艺.机械工程测试技术.机械工业出版社，2006.5111213,我国水泵产品质量及其原因分析,我国水泵制造业始于20世纪20年代，在建国后得到较快发展，特别是改革开放以来的20 年，我国水泵行业在规模、实力、科技基础、人才等方面都取得了长足进步。目前我国水泵生产企业约3 500家，生产的水泵品种约2 200余种。据2003年统计，全国水泵的产值为205亿元。水泵行业有16家企业的主导产品为免检产品。有的产品远销国内外。但是，与国外同行业相比，国内水泵行业在产品结构、生产规模、技术水平、产品质量等还有很大的差距。国外水泵品种约为5 000余种，国际水泵市场的总销售额约为246亿美元，市场销售额
16、每年增长率约为75。美国、日本、德国等为水泵的主要生产国和销售国。美国ITT流体技术公司、古尔兹泵公司、日本荏原公司、德国凯士比公司、瑞士苏尔寿公司、丹麦格兰富公司等为世界的主要泵生产厂家，其中美国ITT流体技术公司是世界上最大的泵公司，1999年销售总额为21亿美元。目前我国普通水泵产品供大于求，高水平、高质量的产品供不应求，还需从国外大量进口，产品的技术水平与用户要求差距较大。水泵行业的产业结构和产品结构不合理的现象尤为明显，产品达到当代世界先进水平的极少，大部分仅达到20世纪80年代末90年代初的水平，不能适应市场需求结构的变化，主要体现在产品的性能、寿命、可靠性和自动化等方面，如效率一般比国外先进水平低2一3。与国外动态差距并没缩小，形势不容乐观。,
