CN108331763A - 一种提高使用寿命的耐用型泥泵的设计实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高使用寿命的耐用型泥泵的设计实现方法，属于泥泵设计技术领域。本发明在泥泵原有设计基础上对应力集中和磨损严重的位置进行合理的加厚来提高泥泵的使用寿命；主要包括蜗壳和叶轮局部区域的加厚，其中蜗壳的加厚主要通过对磨损严重的隔舌和蜗壳轴断面的加厚来进行，根据隔舌和各个轴断面磨损的严重程度，调整各个断面壁厚的大小；叶轮的加厚在叶片的吸力面上，主要对叶片吸力面靠近进出口边附近进行加厚，该区域也是磨损和应力集中的区域。通过改变壁厚设计出来的泥泵具有较长的使用寿命，可以避免因局部位置出现磨穿或断裂现象而导致泥泵无法正常工作的现象。

Description

一种提高使用寿命的耐用型泥泵的设计实现方法

技术领域

本发明属于泥泵设计领域，涉及一种提高使用寿命的耐用型泥泵的设计实现方法，针对泥泵内各部件失效的特点来进行局部加厚。

背景技术

泥泵是疏浚工程中的关键一环，泥泵的疏浚物中成分复杂多样，有的包含了粒径较大的砾石或尖锐的岩石块，这些疏浚物在和泥泵碰撞的过程中会对泥泵产生严重破坏；有的为粘土夹砂或粘土夹砾石，容易快速磨损泥泵；有的为中粗砂，容易造成泥泵磨损。根据泥沙在泵内的流动情况，可以发现泥泵内的磨损是非均匀的，会在局部区域极为严重。同时，由于泥泵工作时内部压力分布不均，泥泵各部位的受力不同，局部区域会产生应力集中现象。而这些磨损严重区域和应力集中的区域的寿命就是泥泵的使用寿命。

目前，泥泵的设计均采用相同壁厚的设计方法，当泥泵局部区域出现失效破坏时，虽然其他大部分区域仍然能满足使用要求，但也只能更换泥泵失效的部件，尤其当叶轮或蜗壳出现失效破坏时，更换这些部件会是一件极其繁杂的事，这将导致极大的经济损失和工期延长。目前，通过使用更好的材料和增加泥泵的整体壁厚来延长使用寿命是主要的方法，但该方法经济效益低，成本高。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种提高使用寿命的耐用型泥泵的设计实现方法，以提高泥泵易磨损区域和应力集中区域的寿命。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

通过Euler-Lagrange方程对泥泵内的固液两相流进行有限元计算，在此基础上加入finnie冲蚀方程可以得到泥泵内的磨损情况，发现蜗壳(泥泵壳体)磨损较为严重的区域是在隔舌、蜗壳底部和两侧区域，而顶部和蜗壳出口区域的磨损较少，这是因为泥沙在重力作用的影响下对蜗壳底部和斜下方区域的冲击较多，对蜗壳顶部的冲击较少，而隔舌的磨损是因为泥沙在流出蜗壳前，必然会有大量泥沙冲击隔舌；而泥沙在蜗壳内逐渐扩压，流速降低，在蜗壳出口位置的流速较低，该区域的磨损也较少。

对蜗壳壳体的设计是在蜗壳水力设计的基础上进行的，在蜗壳水力设计的平面图上，将蜗壳以基圆圆心为轴心分为数个轴断面，根据蜗壳内磨损的情况，对各轴断面的壁厚采用非均匀加厚的设计方法，由于隔舌的磨损最为严重，蜗壳底部和两侧区域的磨损较为严重，而蜗壳出口部分和蜗壳顶部磨损较少，因此设计为隔舌的壁厚最大，而蜗壳出口部分和顶部区域的厚度采用基本厚度即可。

按照上述方式对各轴断面和隔舌进行加厚，将加厚度后的位置在蜗壳平面图上点出，然后光滑连接所得点，这样就得到蜗壳外壁面。

进一步，通过Euler-Lagrange方程对泥泵内的固液两相流进行有限元计算，在此基础上加入finnie冲蚀方程，可以得到泥泵内各水力部件的应力情况和泥泵磨损情况，可以发现叶轮上应力集中的区域为叶片的进口边和前后盖板连接处，而叶轮上磨损较为严重的区域为叶片进口边和出口边，泥沙在进入叶轮后会首先对进口边进行冲击，泥沙在叶轮内流速逐渐增加，当流出叶轮时，会对叶片出口边进行冲击，这些原因导致叶片进口和出口部分会被磨穿，大幅降低泥泵效率，因此本发明对叶片进口和出口部分进行加厚处理。

对叶轮加厚的区域是在叶片吸力面上，仅在进出口20％左右的位置加厚，这样对泥泵的输送性能影响较小且能够大幅度提高叶轮的使用寿命。

具体的，在本发明中，首先，将蜗壳分为数个轴断面，根据蜗壳内磨损的严重情况，对各轴断面的壁厚采用非均匀加厚设计；其中隔舌的磨损最为严重，蜗壳底部和两侧区域的磨损较为严重，蜗壳出口部分和蜗壳顶部磨损较少，因此隔舌的壁厚为(1.4-1.5)*t，蜗壳底部和两侧区域的壁厚为(1.1-1.3)*t，蜗壳出口部分和顶部区域的厚度采用蜗壳壳体的基本厚度t；当输送的泥沙多为粗砂或者无法长期在高效区运行时，各区域的厚度取各自范围内的较大值。然后，在蜗壳水力设计的平面图上，将所有轴断面、蜗壳出口和隔舌增加厚度后的位置在蜗壳平面图上点出，然后光滑连接所得点，这样就得到蜗壳的外壁面。

作为举例而非限定，在蜗壳水力设计的平面图上，将蜗壳以基圆圆心为轴心分为7个轴断面，根据蜗壳水力设计平面图型线对蜗壳进行加厚，蜗壳断面的断面厚度σ在7个蜗壳断面上是各不相同的，首先计算壳体的基本厚度t。

根据蜗壳基圆直径、比转速、材料的许用应力等参数按照公式(1)初步确定蜗壳壳体的基本厚度t。

式中：t为蜗壳壳体的基本厚度，单位为m；D为蜗壳基圆直径，单位为m；[σ]为许用应力，单位为Mpa；n_s为比转速，无量纲；a为泥泵的厚度系数，通过下表来确定。

其中，蜗壳基圆直径D越小，厚度系数a取值越大。

当输送的泥沙为多为粉土和细砂时，a取各自范围内的较小值；

当输送的泥沙多为粗砂时，a取各自范围内的较大值。

当设计的泥泵需要用来长期输送大粒径颗粒，例如粗砂，块石等，蜗壳壳体的基本厚度t取各自范围内的较大值。

根据蜗壳内的磨损情况，对各轴断面的壁厚采用非均匀加厚的设计方法，第Ⅰ轴断面处的厚度为t，第Ⅱ轴断面的厚度为(1.2-1.3)*t,第Ⅲ轴断面至第Ⅵ轴断面的厚度为(1.3-1.4)*t，第Ⅶ轴断面的厚度为(1.1-1.2)*t；隔舌处的厚度为(1.4-1.5)*t。当输送的泥沙多为粗砂或者无法长期在高效区运行时，轴断面的厚度取各自范围内的较大值，蜗壳出口处的厚度为t。

在蜗壳水力设计的平面图上，将7个轴断面、蜗壳出口处和隔舌处增加厚度后的位置在上述平面图上点出，然后光滑连接所得点，这样就得到蜗壳外壁面。

进一步，在本发明中，叶片加厚是通过改变叶片原吸力面型线来完成的，β为原吸力面型线弧度，夹角α为原吸力面进口部分型线的弧度，将叶片进口边沿圆周方向增加厚度b，b的取值范围为(0.5-0.8)*t，沿着原吸力面进口部分型线向叶片外缘方向逐渐减小，形成新进口部分吸力面型线，夹角α的取值为(0.15-0.25)*β；夹角θ为原吸力面出口部分型线弧度，其中原吸力面出口部分型线在叶片外缘处沿圆周方向增加厚度d，d的取值范围为(0.8-1)*t，沿着原吸力面出口部分型线向叶片进口边方向逐渐减小，形成新吸力面出口部分型线，夹角θ的取值范围是(0.2-0.25)*β。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

在实际疏浚工程中，现有泥泵的寿命通常只有2至4个月，当疏浚物中含有大量砾石等大粒径颗粒时，泥泵寿命会大幅度减小，施工船上进行泥泵更换也需要数天时间。使用本发明设计的泥泵能提高泥泵40％左右的使用寿命，减少泥泵更换的次数。

附图说明

图1为蜗壳断面图。

图2为叶片平面图。

图3为蜗壳和叶轮的结构图。

附图标记说明

1-隔舌；2-蜗壳外壁面；3-蜗壳水力设计平面图型线；4-蜗壳出口；5-蜗壳断面；6-叶片进口边；7-原吸力面进口部分型线；8-新吸力面进口部分型线；9-原吸力面进口部分型线；10-新吸力面出口部分型线；11-叶片外缘；12-原吸力面型线；σ-断面厚度；α-原吸力面进口部分型线弧度；θ-原吸力面出口部分型线弧度；β-为原吸力面型线弧度；b-进口边加厚宽度；d-出口边加厚宽度。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的一种提高使用寿命的耐用型泥泵的设计实现方法的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1所示，在蜗壳水力设计的平面图上，将蜗壳以基圆圆心为轴心分为7个轴断面，根据蜗壳水力设计平面图型线3对蜗壳进行加厚，蜗壳断面5上断面厚度σ在7个蜗壳断面上是各不相同的，首先根据方程(1)计算壳体的基本厚度t。

当输送的泥沙为多为粉土和细砂时，a取各自范围内的较小值；

当输送的泥沙多为粗砂时，a取各自范围内的较大值。

根据蜗壳内磨损的严重情况，对各轴断面的壁厚采用非均匀加厚的设计方法，第Ⅰ轴断面处的厚度为t，第Ⅱ轴断面的厚度为(1.2-1.3)*t,第Ⅲ轴断面至第Ⅵ轴断面的厚度为(1.3-1.4)*t，第Ⅶ轴断面的厚度为(1.1-1.2)*t；隔舌1处的厚度为(1.4-1.5)*t。当输送的泥沙多为粗砂或者无法长期在高效区运行时，轴断面的厚度取各自范围内的较大值，蜗壳出口处的厚度为t。

在蜗壳的平面图上，将7个轴断面、蜗壳出口4和隔舌1增加厚度后的位置在蜗壳平面图上点出，然后光滑连接所得点，这样就得到蜗壳外壁面2。

如图2所示，本发明所述的叶片加厚是通过改变叶片原吸力面型线12来完成的，β为原吸力面型线弧度，夹角α为原吸力面进口部分型线7的弧度，将叶片进口边6沿圆周方向增加厚度b，b的取值范围为(0.5-0.8)*t，沿着原吸力面进口部分型线7向叶片外缘11方向逐渐减小，形成新进口部分吸力面型线8，夹角α的取值为(0.15-0.25)*β；夹角θ为原吸力面出口部分型线弧度，其中原吸力面出口部分型线9在叶片外缘11处沿圆周方向增加厚度d，d的取值范围为(0.8-1)*t，沿着原吸力面出口部分型线9向叶片进口边6方向逐渐减小，形成新吸力面出口部分型线10，夹角θ的取值范围是(0.2-0.25)*β。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (3)

1.一种提高使用寿命的耐用型泥泵的设计实现方法，其特征在于：在原有泥泵设计基础上，对泥泵应力集中和磨损严重区域进行非均匀局部加厚。

2.如权利要求1所述的一种提高使用寿命的耐用型泥泵的设计实现方法，其特征在于，对蜗壳进行的非均匀局部加厚设计为：

将蜗壳分为数个轴断面，根据蜗壳内磨损的严重情况，对各轴断面的壁厚采用非均匀加厚设计；其中隔舌的磨损最为严重，蜗壳底部和两侧区域的磨损较为严重，蜗壳出口部分和蜗壳顶部磨损较少，因此隔舌的壁厚为(1.4-1.5)*t，蜗壳底部和两侧区域的壁厚为(1.1-1.3)*t，蜗壳出口部分和顶部区域的厚度采用蜗壳壳体的基本厚度t；当输送的泥沙多为粗砂或者无法长期在高效区运行时，各区域的厚度取各自范围内的较大值；

在蜗壳水力设计的平面图上，将所有轴断面、蜗壳出口和隔舌增加厚度后的位置在蜗壳平面图上点出，然后光滑连接所得点，这样就得到蜗壳外壁面。

3.如权利要求1所述的一种提高使用寿命的耐用型泥泵的设计实现方法，其特征在于，对叶轮进行的非均匀局部加厚设计为：

对叶片加厚是通过改变叶片原吸力面型线来完成的，β为原吸力面型线弧度，夹角α为原吸力面进口部分型线的弧度，将叶片进口边沿圆周方向增加厚度b，b的取值范围为(0.5-0.8)*t，沿着原吸力面进口部分型线向叶片外缘方向逐渐减小，形成新进口部分吸力面型线，夹角α的取值为(0.15-0.25)*β；夹角θ为原吸力面出口部分型线弧度，其中原吸力面出口部分型线在叶片外缘处沿圆周方向增加厚度d，d的取值范围为(0.8-1)*t，沿着原吸力面出口部分型线向叶片进口边方向逐渐减小，形成新吸力面出口部分型线，夹角θ的取值范围是(0.2-0.25)*β。