一種水泵測試裝置的研究與設計

潘媛媛 王 培 吳俊河 張希荷 嚴平生 候威敏

（廣州擎天實業(yè)有限公司 廣州 510000）

引言

水泵往往是一些洗滌產(chǎn)品的一個關(guān)鍵零部件，其流量、揚程、出水壓力、功率、效率等主要參數(shù)指標對產(chǎn)品的各項性能指標有重要影響[1,2]。例如，洗碗機的洗滌泵對洗碗機的洗凈性能、能效指數(shù)起到非常重要的作用。由于需要儲備足夠量的水，所以一般水泵的測試設備往往需配備一個體積較大的水箱，使得水泵的整個測試系統(tǒng)占用較大空間[3,4]。而且，水泵不僅需要進行以上所說的流量、揚程等關(guān)鍵參數(shù)的測試，還需要進行長運測試、壽命測試。無人看管的情況下，水泵測試設備很可能在測試的過程中存在管道漏水等風險，此時如果泄漏的液體無法及時排出，可能會導致水泵被溢出的液體噴濺或浸沒，進而可能導致水泵電機燒壞，甚至引發(fā)著火等風險。因此，本文介紹了一種節(jié)省空間的、安全的簡易水泵測試裝置的設計方案。

1 水泵測試的原理

水泵的揚程H 等于水泵的出水口的總水頭與入口總水頭的差，即：

式中：

H—水泵揚程；

H1—水泵入水口總水頭高度；

H2—水泵出水口總水頭高度。

因為該水泵測試裝置使用的測試液體為水，其密度在整個測試過程中幾乎不會改變，所以：

式中：

Z1—進口壓力表到基準面的距離；

Z2—出口壓力表到基準面的距離；

p1—進水口壓力表處測得的壓力值；

p2—出水口壓力表處測得的壓力值；

v1—進水口壓力表處測得的液體流速；

v2—出水口壓力表處測得的液體流速；

ρ—液體密度。

水泵輸出功率等于其傳遞給液體的功率，即：

式中：

Po—水泵輸出功率；

Q—液體流量。

水泵的效率為：

式中：

η—水泵的效率；

Pi—水泵的輸入功率，可以通過功率計直接測試得到。

2 設計方案

根據(jù)以上原理，本文設計出一種水泵測試裝置，該水泵測試裝置的設計方案分為電路設計、結(jié)構(gòu)設計和系統(tǒng)設計三部分。

2.1 電路設計

本文所述的水泵測試裝置的電路系統(tǒng)由以下輸入、輸出負載組成，見表1。

控制器是整個設備的控制中心，檢測液位開關(guān)狀態(tài)、電磁閥的開度，并采集壓力表和流量計的數(shù)據(jù)，通過計算，得到被測水泵的流量、揚程、效率等參數(shù)，并在顯示屏上輸出水泵的揚程、流量等信息，并自動繪制曲線后顯示出來。

該水泵測試裝置還有兩個電磁閥中，其中一個安裝在連接待測水泵的進水管上，用于控制進水開關(guān)，另外一個安裝在連接待測水泵的出水管上，用于調(diào)節(jié)出水流量的大小。

液位開關(guān)安裝在最易積水的地方，用于檢測液體溢流、泄漏情況，如果發(fā)生液體溢流、泄漏的情況，會觸發(fā)水位開關(guān)動作。當控制器檢測到水位開關(guān)動作，則會控制電磁閥關(guān)閉，整個水泵測試設備停止工作。

該水泵測試裝置的電路設計原理如圖1 所示。

2.2 結(jié)構(gòu)設計

在結(jié)構(gòu)上，本文所述的水泵測試裝置主要由測試支架組件、管路、儲水箱和儲物箱組成，如圖2 所示。

圖2 水泵測試裝置組成圖

待測水泵安裝在測試支架組件的支撐架上，為了方便安裝和拆卸測試水泵樣品，支撐架需要有一定的高度，為了充分利用空間，在測試支架組件的下方設計一個儲物箱，這個儲物箱可以用于存放樣品等物品。因為該水泵測試裝置具有相當?shù)闹亓浚缘撞堪惭b四個萬向輪，以方便移動。

待測水泵放置于水泵支撐架上，所述水泵支撐架為有一定高度的網(wǎng)孔狀結(jié)構(gòu)，在有少量液體溢出時，能及時通過支撐架的網(wǎng)孔流出并將液體通過排水管排出，避免液體積在支撐架上浸泡電機帶來的危險。

連接水泵進水口的水管管路從靠近水箱下部的位置伸出，水泵出水口連接的出水水管向上延申安裝至水箱頂部，這樣可以實現(xiàn)測試用水循環(huán)利用，避免造成浪費。在水泵進水管上靠近水箱的地方安裝一個電磁閥，作為控制從水箱出水的電磁開關(guān)。在水泵進水管上靠近水泵的位置安裝一個壓力表，用于檢測水泵進水壓力。同時，在水泵出水管上距離水泵一定距離的位置安裝一個流量計和一個壓力表，用于檢測水泵出水流量和出水壓力。在水泵出水管尾端，再安裝一個電磁閥，用于控制水泵出水流量。

液位開關(guān)、電磁閥開關(guān)、待測水泵均通過連接導線連接到控制器上，當出現(xiàn)大量積液的情況時，液位開關(guān)動作信號會傳輸給控制器，控制器切斷水泵供電、控制水泵停止工作，避免水泵繼續(xù)工作造成的著火風險，并且控制電磁閥關(guān)閉以便液體停止從水箱中流出、避免測試臺液位繼續(xù)上升，造成液體從測試裝置溢出、造成實驗室地面被水浸泡。

水箱為長度和寬度較小、高度較高的長方體，可以減小該裝置的占地空間。并且該裝置的出水管路的長度較長，可以減少液體通過彎管時流量和壓力的變化對壓力和流量測量數(shù)據(jù)的偏差影響。

最后，該水泵測試裝置的3 D 設計效果圖如圖3 所示。

圖3 水泵測試裝置的3D 設計效果圖

2.3 系統(tǒng)設計

在本文所研究設計的水泵測試裝置中，進口壓力表到基準面的距離Z1=3 cm，出口壓力表到基準面的距離Z2=26 cm，進水管與出水管的內(nèi)直徑均為26.7 mm。液體流速等于液體的體積流量除以液體流過的水管的橫截面積[5]。

根據(jù)式（1）～（4），以及采集到的流量和壓力值，控制系統(tǒng)通過運算并輸出一個測試表格，其格式如圖4所示。

圖4 輸出表格格式

其中，電壓、頻率、電流、輸入功率均由多功能參數(shù)記錄儀測量并采集，進口壓力和出口壓力由壓力表測得，流量由流量計測得，轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速儀測得，揚程、泵輸出功率、總效率均通過系統(tǒng)計算得出，并且控制器輸出“流量-揚程-效率”以及“流量-轉(zhuǎn)速-輸出功率”性能曲線。

3 測試結(jié)果

以一款洗碗機洗滌泵為例，將其在本文所述的水泵測試裝置中進行測試，得到的數(shù)據(jù)與輸出性能曲線如圖5～7。

圖5 本文設計的水泵測試系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

圖6 “流量-揚程-效率”曲線

圖7 “流量-轉(zhuǎn)速-輸出功率”曲線

該洗碗機洗滌泵在第三方機構(gòu)測試的曲線如圖8 所示，通過對比可以看出，本文所設計的水泵測試裝置測得的數(shù)據(jù)與計算結(jié)果跟第三方機構(gòu)測試的結(jié)果基本一致。

圖8 第三方測試機構(gòu)的測試曲線

4 總結(jié)

本文所述的水泵測試裝置的寬度和厚度均較小，高度較高，節(jié)省地面安裝空間。在有液體溢出時，能及時通過水泵支撐架的網(wǎng)孔流出，避免液體積在支撐架上浸泡電機帶來的危險；當出現(xiàn)大量積液的情況時，液位開關(guān)動作信號會傳輸給控制器，控制器切斷水泵供電、控制水泵停止工作，避免水泵繼續(xù)工作造成的著火風險，并且控制電磁閥關(guān)閉以便液體停止從水箱中流出、避免測試臺液位繼續(xù)上升。經(jīng)過對比測試，本文所述的水泵測試裝置的測試數(shù)據(jù)與計算結(jié)果跟第三方機構(gòu)測試的結(jié)果基本一致，符合設計要求。