一种水泵测试装置的研究与设计

潘媛媛 王 培 吴俊河 张希荷 严平生 候威敏

（广州擎天实业有限公司 广州 510000）

引言

水泵往往是一些洗涤产品的一个关键零部件，其流量、扬程、出水压力、功率、效率等主要参数指标对产品的各项性能指标有重要影响[1,2]。例如，洗碗机的洗涤泵对洗碗机的洗净性能、能效指数起到非常重要的作用。由于需要储备足够量的水，所以一般水泵的测试设备往往需配备一个体积较大的水箱，使得水泵的整个测试系统占用较大空间[3,4]。而且，水泵不仅需要进行以上所说的流量、扬程等关键参数的测试，还需要进行长运测试、寿命测试。无人看管的情况下，水泵测试设备很可能在测试的过程中存在管道漏水等风险，此时如果泄漏的液体无法及时排出，可能会导致水泵被溢出的液体喷溅或浸没，进而可能导致水泵电机烧坏，甚至引发着火等风险。因此，本文介绍了一种节省空间的、安全的简易水泵测试装置的设计方案。

1 水泵测试的原理

水泵的扬程H 等于水泵的出水口的总水头与入口总水头的差，即：

式中：

H—水泵扬程；

H1—水泵入水口总水头高度；

H2—水泵出水口总水头高度。

因为该水泵测试装置使用的测试液体为水，其密度在整个测试过程中几乎不会改变，所以：

式中：

Z1—进口压力表到基准面的距离；

Z2—出口压力表到基准面的距离；

p1—进水口压力表处测得的压力值；

p2—出水口压力表处测得的压力值；

v1—进水口压力表处测得的液体流速；

v2—出水口压力表处测得的液体流速；

ρ—液体密度。

水泵输出功率等于其传递给液体的功率，即：

式中：

Po—水泵输出功率；

Q—液体流量。

水泵的效率为：

式中：

η—水泵的效率；

Pi—水泵的输入功率，可以通过功率计直接测试得到。

2 设计方案

根据以上原理，本文设计出一种水泵测试装置，该水泵测试装置的设计方案分为电路设计、结构设计和系统设计三部分。

2.1 电路设计

本文所述的水泵测试装置的电路系统由以下输入、输出负载组成，见表1。

控制器是整个设备的控制中心，检测液位开关状态、电磁阀的开度，并采集压力表和流量计的数据，通过计算，得到被测水泵的流量、扬程、效率等参数，并在显示屏上输出水泵的扬程、流量等信息，并自动绘制曲线后显示出来。

该水泵测试装置还有两个电磁阀中，其中一个安装在连接待测水泵的进水管上，用于控制进水开关，另外一个安装在连接待测水泵的出水管上，用于调节出水流量的大小。

液位开关安装在最易积水的地方，用于检测液体溢流、泄漏情况，如果发生液体溢流、泄漏的情况，会触发水位开关动作。当控制器检测到水位开关动作，则会控制电磁阀关闭，整个水泵测试设备停止工作。

该水泵测试装置的电路设计原理如图1 所示。

2.2 结构设计

在结构上，本文所述的水泵测试装置主要由测试支架组件、管路、储水箱和储物箱组成，如图2 所示。

图2 水泵测试装置组成图

待测水泵安装在测试支架组件的支撑架上，为了方便安装和拆卸测试水泵样品，支撑架需要有一定的高度，为了充分利用空间，在测试支架组件的下方设计一个储物箱，这个储物箱可以用于存放样品等物品。因为该水泵测试装置具有相当的重量，所以底部安装四个万向轮，以方便移动。

待测水泵放置于水泵支撑架上，所述水泵支撑架为有一定高度的网孔状结构，在有少量液体溢出时，能及时通过支撑架的网孔流出并将液体通过排水管排出，避免液体积在支撑架上浸泡电机带来的危险。

连接水泵进水口的水管管路从靠近水箱下部的位置伸出，水泵出水口连接的出水水管向上延申安装至水箱顶部，这样可以实现测试用水循环利用，避免造成浪费。在水泵进水管上靠近水箱的地方安装一个电磁阀，作为控制从水箱出水的电磁开关。在水泵进水管上靠近水泵的位置安装一个压力表，用于检测水泵进水压力。同时，在水泵出水管上距离水泵一定距离的位置安装一个流量计和一个压力表，用于检测水泵出水流量和出水压力。在水泵出水管尾端，再安装一个电磁阀，用于控制水泵出水流量。

液位开关、电磁阀开关、待测水泵均通过连接导线连接到控制器上，当出现大量积液的情况时，液位开关动作信号会传输给控制器，控制器切断水泵供电、控制水泵停止工作，避免水泵继续工作造成的着火风险，并且控制电磁阀关闭以便液体停止从水箱中流出、避免测试台液位继续上升，造成液体从测试装置溢出、造成实验室地面被水浸泡。

水箱为长度和宽度较小、高度较高的长方体，可以减小该装置的占地空间。并且该装置的出水管路的长度较长，可以减少液体通过弯管时流量和压力的变化对压力和流量测量数据的偏差影响。

最后，该水泵测试装置的3 D 设计效果图如图3 所示。

图3 水泵测试装置的3D 设计效果图

2.3 系统设计

在本文所研究设计的水泵测试装置中，进口压力表到基准面的距离Z1=3 cm，出口压力表到基准面的距离Z2=26 cm，进水管与出水管的内直径均为26.7 mm。液体流速等于液体的体积流量除以液体流过的水管的横截面积[5]。

根据式（1）～（4），以及采集到的流量和压力值，控制系统通过运算并输出一个测试表格，其格式如图4所示。

图4 输出表格格式

其中，电压、频率、电流、输入功率均由多功能参数记录仪测量并采集，进口压力和出口压力由压力表测得，流量由流量计测得，转速由转速仪测得，扬程、泵输出功率、总效率均通过系统计算得出，并且控制器输出“流量-扬程-效率”以及“流量-转速-输出功率”性能曲线。

3 测试结果

以一款洗碗机洗涤泵为例，将其在本文所述的水泵测试装置中进行测试，得到的数据与输出性能曲线如图5～7。

图5 本文设计的水泵测试系统测试数据

图6 “流量-扬程-效率”曲线

图7 “流量-转速-输出功率”曲线

该洗碗机洗涤泵在第三方机构测试的曲线如图8 所示，通过对比可以看出，本文所设计的水泵测试装置测得的数据与计算结果跟第三方机构测试的结果基本一致。

图8 第三方测试机构的测试曲线

4 总结

本文所述的水泵测试装置的宽度和厚度均较小，高度较高，节省地面安装空间。在有液体溢出时，能及时通过水泵支撑架的网孔流出，避免液体积在支撑架上浸泡电机带来的危险；当出现大量积液的情况时，液位开关动作信号会传输给控制器，控制器切断水泵供电、控制水泵停止工作，避免水泵继续工作造成的着火风险，并且控制电磁阀关闭以便液体停止从水箱中流出、避免测试台液位继续上升。经过对比测试，本文所述的水泵测试装置的测试数据与计算结果跟第三方机构测试的结果基本一致，符合设计要求。