蒸微一體機(jī)雙向水泵的研究

楊 均 姚 青 付遠(yuǎn)華 王武剛 鄭 鑫

（1.寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315336）

0 引言

泵是我國三大機(jī)械產(chǎn)品之一，它是以液體為工作介質(zhì)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。不同類型的泵都有其不同的性能特點(diǎn)，以滿足不同場景的需要。目前市場上電蒸箱類的產(chǎn)品中使用的水泵基本為單向水泵，一個(gè)單向水泵只能將水箱中的水抽至蒸汽發(fā)生器中，無法實(shí)現(xiàn)將水路系統(tǒng)中的余水回抽至水箱，時(shí)間久了水路系統(tǒng)中的余水會(huì)腐壞變質(zhì)，影響烹飪。隨著技術(shù)的發(fā)展，雙向水泵的應(yīng)用日趨廣泛，市場上的雙向水泵一般用于水缸的供水和抽水，但是水缸上使用的雙向水泵不僅噪聲大，價(jià)格高，而且在吸程、水溫、使用壽命、水垢等方面無法滿足電蒸箱類產(chǎn)品的使用要求。該文結(jié)合這類產(chǎn)品的特點(diǎn)提出一種雙向水泵，可達(dá)到一個(gè)水泵同時(shí)滿足進(jìn)水和回水的要求。

1 雙向水泵系統(tǒng)的組成

在蒸微一體機(jī)中，雙向水泵系統(tǒng)的主要作用是將水箱中的水供給到蒸汽發(fā)生器中，由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行烹飪，并在烹飪結(jié)束后將蒸汽發(fā)生器、儲(chǔ)水盒中殘留的水抽回水箱，整個(gè)過程如圖1所示。

圖1 蒸微一體機(jī)水路系統(tǒng)

供水過程：用戶往水箱中裝滿水，并放入水箱座中，水箱座的側(cè)壁安裝有水位檢測板，可以檢測水箱中的水位是否低于最低水位。然后點(diǎn)擊機(jī)器控制面板開啟烹飪，電磁閥通電，閥芯打開，雙向水泵開始工作，水箱中的水被依次抽到雙向水泵、電磁閥、儲(chǔ)水盒、蒸汽發(fā)生器。當(dāng)蒸微一體機(jī)烹飪結(jié)束，為了防止剩余的水在水路系統(tǒng)中腐壞變質(zhì)，需要將殘留水回抽至水箱。

回水過程：蒸汽發(fā)生器停止工作，電磁閥打開，雙向水泵開始工作，水從蒸汽發(fā)生器中依次經(jīng)過儲(chǔ)水盒、雙向水泵、電磁閥回收至水箱。

2 雙向水泵的工作原理

雙向水泵通過兩個(gè)齒輪嚙合過程中輪齒之間的空腔容積的動(dòng)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)吸水和出水功能。以齒輪外嚙合為例，齒輪在嚙合過程中，即將嚙合的輪齒形成的空腔的容積減小，形成出水腔；退出嚙合的輪齒形成的空腔的容積增大，形成吸水腔。輪齒在不斷外嚙合的過程中，水源源不斷地由吸水腔流動(dòng)到出水腔，形成水流，完成水的輸送。改變齒輪外嚙合的轉(zhuǎn)向，前述的吸水腔的輪齒由退出嚙合狀態(tài)變?yōu)榧磳Ш蠣顟B(tài)，形成出水腔。同理，前述的出水腔變?yōu)槲唬渌骷捶聪蜉斔汀Ｒ虼耍p向水泵中的主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪互相外嚙合，水泵電機(jī)工作時(shí)，主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)水流輸送的方向?yàn)檫M(jìn)水方向；當(dāng)要回水時(shí)，改變電流的方向，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪即反向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)從動(dòng)輪反向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)水流輸送的方向?yàn)榛厮较颉?/p>

由于該雙向水泵將用于家庭用蒸微一體機(jī)，因此根據(jù)整機(jī)的結(jié)構(gòu)布局以及相關(guān)使用場景，該雙向水泵需要滿足以下條件：

揚(yáng)程≥250mm； 吸程≥200mm；流量450mL/min；使用溫度5℃～80℃；噪聲≤50dB；壽命≥500h。

3 雙向水泵的結(jié)構(gòu)

如圖2、圖3所示，該雙向水泵由12V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)輸出軸上安裝有主動(dòng)磁輪，由圖4可知，主動(dòng)齒輪上有4個(gè)圓形孔，圓形孔上安裝有4個(gè)磁鐵，主動(dòng)磁輪上磁鐵的N極朝上，與之對(duì)應(yīng)的從動(dòng)磁輪上的4個(gè)磁鐵的S極朝下。主動(dòng)磁輪通過磁鐵間的吸力帶動(dòng)從動(dòng)磁輪同向旋轉(zhuǎn)，為了保證密封效果，齒輪支架固定在雙向水泵上部，在主動(dòng)齒輪和帶動(dòng)主動(dòng)齒輪的輸出軸支架上安裝有密封圈，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)水區(qū)域完全隔絕，保證了水泵的密封性能。該文中的雙向水泵適用于家用電蒸箱、蒸微一體機(jī)等烹飪器具，對(duì)吸程、流量、噪聲等參數(shù)有一定的要求。由于雙向水泵的吸程、揚(yáng)程和傳動(dòng)齒輪的大小、電機(jī)的轉(zhuǎn)速、進(jìn)出水口直徑等相關(guān)，為滿足家用電蒸箱、蒸微一體機(jī)的使用要求，直流電機(jī)采用12V直流驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)電壓6V，同時(shí)初始轉(zhuǎn)向時(shí)的引線以紅色正極、黑色負(fù)極進(jìn)行區(qū)分。雙向水泵外形不宜過大，進(jìn)出水口的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為2mm，為保證較好的輸水效果，進(jìn)水口和出水口位于一條直線上。主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪的大小和輪齒數(shù)量一致，輪齒數(shù)量設(shè)計(jì)為12個(gè)，模數(shù)為0.65mm，可使整水泵的整體尺寸和噪聲較小，同時(shí)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為4000r/min，主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪可保證雙向水泵整體尺寸不大的基礎(chǔ)上，保持足夠的流量。

圖2 雙向泵爆炸圖

圖3 雙向泵剖視圖

圖4 雙向泵主動(dòng)磁輪和從動(dòng)磁輪

雙向水泵安裝在家用電蒸箱、蒸微一體機(jī)上時(shí)，通過電源板輸出12V直流電，接入雙向水泵引出線，直流電機(jī)開始工作，直流電機(jī)的輸出軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸與主動(dòng)磁輪的中心孔為過盈配合，帶動(dòng)主動(dòng)磁輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)從動(dòng)磁輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)。從動(dòng)磁輪中心軸連接上方的主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將水從水箱吸入蒸汽發(fā)生器中；反之，當(dāng)電源板切換12V直流電的方向時(shí)，主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪均反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)將水從蒸汽發(fā)生器吸入水箱，防止蒸汽發(fā)生器中殘余水變質(zhì)，保證水路系統(tǒng)的清潔。

4 雙向泵的主要特點(diǎn)

普通的雙向水泵基本是通過電機(jī)輸出軸直接帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙向進(jìn)出水，但是該結(jié)構(gòu)容易造成水漏進(jìn)電機(jī)而失效。該雙向水泵電機(jī)并不直接帶動(dòng)齒輪，而是通過電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)磁輪、主動(dòng)磁輪帶動(dòng)從動(dòng)磁輪轉(zhuǎn)動(dòng)從動(dòng)磁輪帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)出水的，主動(dòng)磁輪腔體與從動(dòng)磁輪腔體完全隔開，從而完全避免了電機(jī)漏水的問題。主動(dòng)磁輪上的4個(gè)圓柱形的磁鐵與從動(dòng)磁輪上的1個(gè)圓柱形磁鐵形成互相吸引的磁場，從而實(shí)現(xiàn)由主動(dòng)磁輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)磁輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于該雙向泵在家庭電蒸箱上使用，因此從顧客使用舒適度的角度來考慮，噪聲必須要低。然而市場上大部分雙向泵的噪聲較高，其主要原因是其齒輪使用了金屬不銹鋼材質(zhì)，相互嚙合時(shí)金屬與金屬碰撞就會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，并且轉(zhuǎn)速越高、噪聲越大。該文雙向泵齒輪控制噪聲的措施主要有如下幾點(diǎn)。1）主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、密封蓋均為塑料PPS材質(zhì)，相比金屬與金屬之間的碰撞，塑料材質(zhì)之間的碰撞產(chǎn)生的噪聲會(huì)低很多。2）主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、密封蓋采用精密模具制作，主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪之間、齒輪與密封蓋之間的配合間隙公差控制在0.05mm以內(nèi)，從而只需要較低轉(zhuǎn)速即可滿足水泵吸程和揚(yáng)程的要求，轉(zhuǎn)速低，噪聲也就相應(yīng)較低。3）如圖1所示，在水箱座側(cè)面設(shè)置有水位檢測板，當(dāng)水箱中的水低于最低水位時(shí)，蒸微一體機(jī)顯示屏上會(huì)提示顧客“請(qǐng)加水”，從而避免雙向水泵空抽，而一般水泵空抽時(shí)的噪聲會(huì)比正常抽水時(shí)的噪聲要大。

由于齒輪以及密封蓋均由PPS塑膠制作，具有良好的耐磨性，保證了該雙向水泵500h以上的使用壽命；，其具有良好的耐溫性，保證了該雙向水泵5℃～80℃的使用環(huán)境；具有良好的尺寸精度和穩(wěn)定性，保證了該雙向水泵的吸程和揚(yáng)程能夠滿足要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證雙向水泵的可靠性

結(jié)合雙向水泵在蒸微一體機(jī)中的應(yīng)用場景，需考慮水垢、油污、高溫以及低溫對(duì)其的影響，同時(shí)在滿足功能的基礎(chǔ)上需考慮用戶實(shí)際體驗(yàn)感，因此需測量水泵在實(shí)際工作過程中的噪聲大小。

5.1 試驗(yàn)一（水垢試驗(yàn)）

試驗(yàn)步驟如下。1） 取雙向水泵3只，測量雙向水泵的流量大小并記錄（在設(shè)計(jì)高度下測量）。2） 搭建測試系統(tǒng)（水泵工作設(shè)計(jì)：供水8s，回水8s）。3） 水路回路中加入“水垢”。4） 通電，直到雙向水泵工作≥163h。5） 測量雙向水泵的流量，對(duì)比前后流量，無明顯差異，為合格。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 雙向泵水垢試驗(yàn)前后流量對(duì)比

試驗(yàn)分析：通過試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)前后水泵的流量基本沒有發(fā)生變化。水泵存在以下三種情況：1） 雙向水泵里沒有水垢形成。2） 雙向水泵里有水垢產(chǎn)生，但產(chǎn)生的水垢積累到一定程度后，經(jīng)過后續(xù)的供給水，水垢會(huì)被排出，水流量又恢復(fù)原先水平。3） 雙向水泵里有水垢產(chǎn)生，但產(chǎn)生的水垢在要求的時(shí)間內(nèi)對(duì)水泵流量沒有影響。

試驗(yàn)結(jié)論：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，水垢對(duì)雙向水泵的流量并無較大影響，雙泵能滿足相關(guān)要求。

5.2 試驗(yàn)二（油污試驗(yàn)）

試驗(yàn)步驟如下。1） 取雙向水泵3只，測量雙向水泵的流量大小并記錄（在設(shè)計(jì)高度下測量）。2） 搭建測試系統(tǒng)（水泵工作設(shè)計(jì)：供水8s，回水8s）。3） 水路回路中加入“動(dòng)物油”。4） 通電，直到雙向水泵工作≥163h。5） 測量雙向水泵的流量，對(duì)比前后流量，無明顯差異，為合格。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 雙向泵油污試驗(yàn)前后流量對(duì)比

試驗(yàn)分析：從3只水泵試驗(yàn)前后流量的對(duì)比可以看出，油污對(duì)水泵流量產(chǎn)生了一定的影響，但影響不大，雙向水泵能滿足功能要求。

試驗(yàn)結(jié)論：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，油污對(duì)雙向水泵的流量無較大影響，雙向水泵能滿足相關(guān)要求。

5.3 試驗(yàn)三（高溫老化試驗(yàn)）

試驗(yàn)步驟如下。1） 取雙向水泵12只，分別檢測雙向水泵的流量（在設(shè)計(jì)高度下測量）。2） 搭建測試平臺(tái)。3） 供水 20s，停10s；回水20s，停10s（供回水都為80℃）。4） 163h后，測量雙向水泵的流量，對(duì)比前后流量，無明顯差異，為合格。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 雙向泵高溫老化試驗(yàn)前后流量對(duì)比

試驗(yàn)分析：從12只水泵試驗(yàn)前后流量的對(duì)比可以看出，高溫對(duì)水泵流量基本沒有影響。

試驗(yàn)結(jié)論：12個(gè)水泵測試前后流量無差異，水泵耐高溫80℃。

5.4 試驗(yàn)四（低溫老化試驗(yàn)）

試驗(yàn)步驟如下。1） 取雙向水泵12只，分別檢測雙向水泵的流量（在設(shè)計(jì)高度下測量）。2） 搭建測試平臺(tái)。3） 供水 20s，停10s；回水20s，停10s（供回水都為5℃）。4） 163h后，測量雙向水泵的流量，對(duì)比前后流量，無明顯差異，為合格。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 雙向泵高溫老化試驗(yàn)前后流量對(duì)比

試驗(yàn)分析：從12只水泵實(shí)驗(yàn)前后流量的對(duì)比可以看出，低溫對(duì)水泵流量基本沒有影響。

試驗(yàn)結(jié)論：12個(gè)水泵測試前后流量無差異，水泵耐低溫5℃。

5.5 試驗(yàn)五（噪聲試驗(yàn)）

試驗(yàn)步驟如下。1） 雙向水泵3只，分別檢測雙向水泵的空抽和正常抽水時(shí)的噪聲。2） 在靜音室搭建測試平臺(tái)，噪聲探頭距離水泵30cm。3） 空抽3min之后再正常抽水3min，檢測過程中的最大噪聲值，要求≤55dB為合格。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 雙向泵噪聲試驗(yàn)前后噪聲大小對(duì)比

試驗(yàn)分析：3只水泵空抽時(shí)的噪聲均比正常抽水時(shí)噪聲大，但都滿足≤55dB的要求。

試驗(yàn)結(jié)論：水泵不同工況下（空抽、正常抽水）的噪聲均滿足相關(guān)要求。

6 結(jié)論

該文通過主動(dòng)磁輪和從動(dòng)磁輪的磁鐵將雙向水泵的電機(jī)部分和進(jìn)出水齒輪部分分開，杜絕了電機(jī)部分進(jìn)水的可能。經(jīng)過水垢試驗(yàn)、油污試驗(yàn)、高低溫老化試驗(yàn)驗(yàn)證了該雙向水泵的可靠性。該雙向水泵應(yīng)用于蒸微一體機(jī)，不但可降低產(chǎn)品的成本，還可滿足該產(chǎn)品水路系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水、回水以及噪聲的要求。