论压力波
主要介绍了生活中常用泵的发展历史、分类、工作原理及相关应用，并大胆展望了泵的发展方向。
关键词:发展历史、分类、原理、应用、方向。
简介:泵是一种输送或加压液体的机器。它将原动机的机械能或其他外部能量传递给液体，增加了液体的能量。泵主要用于输送液体，包括水、油、酸碱液体、乳液、悬浮乳液和液态金属等。它们也可以运输液体、气体混合物和含有悬浮固体的液体。在日常生活和工业生产中，我们离不开泵。
泵的发展历史
水的改善对人类的生活和生产非常重要。在古代，已经出现了各种提水器具，如埃及链泵(公元前17世纪)、中国橙(公元前17世纪)、风车(公元前11世纪)、水车(公元1世纪)。更著名的是公元前三世纪阿基米德发明的螺杆，它可以平稳连续地将水提升到几米高，其原理至今仍被现代螺杆泵所沿用。
公元前200年左右，古希腊工匠克特西比乌斯发明的消防泵是最原始的活塞泵，具有典型活塞泵的主要部件，但活塞泵是在蒸汽机出现后才迅速发展起来的。
1840-1850年，沃辛顿发明了泵缸和蒸汽缸相对的活塞泵，标志着现代活塞泵的形成。19世纪是活塞泵发展的高潮，当时用于液压机等机械。但随着需水量的急剧增加，从20世纪20年代开始，流量受到极大限制的低速活塞泵逐渐被高速离心泵和转子泵所取代。但在高压小流量领域，往复泵仍占据主要地位，尤其是隔膜泵和活塞泵，具有独特的优势，被越来越多地使用。
转子泵的出现与工业上对液体输送日益多样化的要求有关。早在1588年就有了四叶叶片泵的记载，其他各种转子泵也相继出现，但直到19世纪，转子泵仍然存在着泄漏量大、磨损大、效率低等缺点。20世纪初，人们解决了转子润滑和密封问题，采用高速电机驱动转子泵，适用于高压、中小流量和各种粘性液体。旋转泵的种类和适合输送的液体种类是其他泵无法企及的。
利用离心力送水的想法最早出现在列奥纳多？在达芬奇的素描中。1689年，法国物理学家帕潘发明了四叶片蜗壳离心泵。但更接近现代离心泵的是美国1818年出现的所谓径向直叶片、半开式双吸叶轮、蜗壳的马萨诸塞泵。从1851到1875，带导叶的多级离心泵相继被发明，使高扬程离心泵的发展成为可能。
虽然早在1754年，瑞士数学家欧拉就提出了叶轮水力机械的基本方程，为离心泵的设计奠定了理论基础，但直到19年底，高速电机的发明使离心泵获得了理想的动力源，其优势才得以充分发挥。基于英国雷诺、德国Pfleidrell等众多学者的理论研究和实践，离心泵的效率大大提高，其性能范围和应用领域也日益扩大，成为近代应用最广泛、产量最大的泵。
泵的分类
泵通常按工作原理分为容积式泵、动力泵和其他类型的泵，如喷射泵、水锤泵、电磁泵和气举泵。泵除了工作原理外，还可以用其他方法分类和命名。比如按驱动方式，可分为电动泵和液压泵；按结构可分为单级泵和多级泵；按用途可分为锅炉给水泵和计量泵；按输送液体的性质可分为水泵、油泵和泥浆泵。
泵的工作原理
3.1容积式泵
容积式泵的流量在一定速度或往复次数下是恒定的，几乎不随压力变化；往复泵的流量和压力波动较大，应采取相应措施减小脉动；旋转泵一般没有脉动或只有很小的脉动；自吸能力，可将管道内的空气抽出，并在泵启动后吸入液体；启动泵时，排放管道的阀门必须完全打开；往复泵适用于高压小流量；转子泵适用于中小流量和高压力；往复泵适用于输送清洁的液体或气液混合物。一般来说，容积式泵的效率高于动力泵。动力泵通过快速旋转的叶轮的作用，将机械能传递给液体，使其动能和压力能增加，然后通过泵筒将大部分动能转化为压力能，实现输送。动力泵又称叶轮泵或叶片泵。离心泵是最常见的动力泵。
3.2动力泵
动力泵在一定转速下产生的升力有一个限定值，升力随流量而变化；运行稳定，输送连续，流量和压力无脉动；一般没有自吸能力，需要给泵灌满液体或者给管道抽真空才能开始工作；适用性能范围广；适用于输送低粘度的清洁液体，特殊设计的泵可输送泥浆、污水等。、或水来输送固体。动力泵主要用于供水、排水、灌溉、工艺液体输送、电站储能、液压传动和船舶喷射推进。
3.3其他
其他类型的泵是指以其他方式传递能量的泵。如喷射泵依靠高速喷出的工作流体将待输送的流体吸入泵内，通过两种流体混合进行动量交换来传递能量；水锤泵利用流水急刹车时产生的能量，使部分水压上升到一定高度；电磁泵使带电的液态金属在电磁力的作用下流动，实现输送；气升泵通过导管将压缩空气或其他压缩气体送到液体底部，形成比液体轻的气液混合流体，然后利用管外液体的压力将混合流体向上压。
4.泵在生产和生活中的应用
4.1不锈钢冲压离心泵在水系统中的应用
不锈钢冲压离心泵，液压阀止回阀泵站，主要用于小流量、高扬程的水系统，如饮用水供水系统、压力锅炉供水系统、高纯水净化系统，以及医药、食品、精细化工、造纸等行业的洗涤和喷淋过程。国家经贸委节能信息传播中心近日将不锈钢冲压离心泵列为“最佳节能实践案例”，并对该设备的应用及效益进行了分析。
据了解，传统的铸造泵通过制模、充模、机加工等复杂工艺制造，耗电、耗料多，劳动强度大，严重污染环境，无法铸造出口宽度窄的小流量叶轮。不锈钢冲压离心泵采用冲压焊接工艺制造，替代了传统的铸造工艺。泵体的生产可节约70%以上的材料，提高效率3%-5%，容易实现机械化、自动化批量生产，减少环境污染，降低劳动强度。
冲压离心泵生产厂家，生产不锈钢冲压离心泵2082台。与传统工艺相比，新工艺节约不锈钢材料3.47吨，降低铸造电耗7634千瓦时。对于洗瓶灌装机的用户来说，水泵的实际运行功率也从2.18kW下降到了2.11kW，每台机器节电3.2%。
此外，由于重量轻、体积小、整体结构合理、维护方便，也降低了维护成本。据国家统计局和中国机械工业联合会统计，我国铸造泵年需求量为457万台，合金铸造小流量泵年需求量为38万台以上。不锈钢冲压离心泵比铸造泵外形轻巧美观，效率高，价格低，是进口泵的一半。经济效益显著，应用范围广，市场前景广阔。
4.2液压水锤泵原理及应用实例
4.2.1液压水锤泵的工作原理及提水性能
液压水锤泵自动供水设备是利用液压冲击原理和液压传动原理设计制造的液压能量升级转换装置。主要设备由三部分组成:脉冲发生器、能量耦合器和蓄能器。它是新型微型液压站的主要设备。这种液压泵本质上是一种特殊的往复泵或泵组，它利用液压能的传递特性，整体上形成一种特殊类型的变排量液压机械。
在液压系统中，由于某种原因，液体压力突然升高，产生一个很高的压力峰值，这种现象称为液压冲击。液压冲击的峰值压力往往比正常压力高出许多倍。水锤泵利用的是水力冲击的原理，即水在正常流动过程中突然关闭出水阀时，会在泵体内产生很大的冲击。利用这种冲击力，水可以被送到很高的地方。水力冲击为非恒定流，压力波沿进水动力管道(长引水管)以速度c来回传播，在水锤泵设计中，一般以阀门突然关闭后管道压力的最大增量δP作为泵的抽水动力。因为水力冲击是一个衰减过程，所以研究的是压力上升的第一波到达管道入口时的情况。
假设管道截面积为a，管道长度为l，管道内液体的初速度为v，液体密度为ρ，压力波从排水冲击阀传播到上游供水池入口的时间为t，此时应用动量方程:
δP？答？T=ρALV
所以δ p = ρ LV/t = ρ V。
其中C=L/T为压力波在水中的传播速度，c = 1400 m/s。
你可以计算水从2m高处通过长引水管进入水锤泵后，排水冲击阀突然关闭引起的最大上升压力δP，根据能量守恒定律计算水流的初速度v:
mgh=mV？V/2，
那么v = (2gh) 0.5 = (2 * 9.8 * 2) 0.5 ≈ 6.3m/s。
因此，当冲击阀突然关闭时，最大上升压力δP为:
δP = cρV = 1400 * 1000 * 6.3 = 8.8 MPa
然后计算将水提升100米所需的压力P:
p =ρGH = 1000 * 9.8 * 100 = 0.98 MPa
可以看出，δP远大于P，所以理论上，利用水力冲击原理，用水锤泵把2米落差流的部分水量提升到100米的高度，是不成问题的。
简单来说，泵装置由泵室、泵座和蓄能器组成。泵房内有两个阀门:一个是排水冲击阀W，一个是输水阀d，两个阀门组成一个组合式自动阀。组合式自动阀在水头水流的作用下自动开启和关闭，产生水力脉冲:从进水管抽出的水进入冲击阀W后排出。当排放速度达到设计值时，冲击阀W突然关闭，从而产生助推波。在此高压下，输水阀门D打开，一部分运动水流入空气罐，再从空气罐流向使用点或高位蓄水池。进水管的质量流动能因输水而耗尽，使水暂时停止。此时压力波衰减，由于上下部分的压力差，输水阀门D自动关闭。由于进水管路和水柱的弹性，在提水冲击减弱后，水柱沿流向略有回摆，于是泵壳内出现负压，促使冲击阀W自行开启。打开冲击阀W继续排水，然后重复上述过程提水。为了获得连续和均匀的水流，水收集器，也称为收集器，安装在水输送侧。所以水锤泵在结构上由两个核心部件组成:蓄能器和组合式自动阀。
泵结构中最重要的往复运动部件是冲击阀和输水阀的结构和特点。通过改进自动阀，可以提高泵的工作性能。水锤泵是在无控制的情况下工作的，因此要求各部分的动作及时、准确、安全、可靠。
根据资料，水锤泵的冲击阀最好至少开关40次/分钟。从水锤泵的工作过程可以看出，要使泵正常工作，设计和制造一种能自动启闭并快速反应的组合阀是非常重要的。
水锤泵的水力冲击公式为:△P=CρV=LV/t，其中△P为冲击压力；l是冲击波的传播距离；v是冲击前水管中的平均速度；t是冲击阀的关闭时间。从公式中可以看出，为了提高水力冲击的压力，需要提高冲击前水管中的平均速度V，缩短冲击阀的关闭时间T，增加冲击波的传播距离L。在水锤泵站已经建成(H、L、V固定)的前提下，要产生明显的水力冲击，兼顾泵站效率，主要是减少冲击阀的关阀时间t。
|^7
水锤泵的组合式自动阀是两个特殊的阀门，其工作动力只有水流的脉冲动力和自身重量。从自动阀的力学分析可以看出，冲击阀的关闭时间主要取决于是否有增速机构、垫片的弹性、阀盘的重量、出口的流量等因素。冲击阀的开启时间主要取决于泵壳内的负压、垫片的回弹力、阀瓣的重量和出水口的流量。
武汉润泽水利技术中心研制的液压水锤泵，其自动冲击阀在结构上无需轴承即可自行启闭，力求防止阀杆磨损。另外，为了防止冲击阀关闭时产生的冲击和振动，在结构上采用了缓冲结构，所以泵壳内的冲击力、与泵相连的进水管的应力和作用在基础上的冲击力都很小。研发中采用特征线法对水力冲击和柔性水锤进行了计算机分析，从材料和强度方面进行了全面的实验研究和理论分析。液压水锤泵通过液压能量传递特性的合理设计，增加能量流动密度，精确设计脉冲发生组件的液压冲击波的脉冲泵送功能，加快液压水锤泵的加载加载，使脉冲发生组件能自动冲击阀门(包括辅助增速阀盘装置)达到每分钟30 ~ 300次的切换频率，实现中高频运行。
下落的水从1至7米高度的取水池(泵站供水池)流出，再通过长引水管进入基地灌满泵房，直至到达取水池水位，此时自动阀关闭。为了启动水锤泵，需要用手多次打开冲击阀W，以进一步增加蓄能器中空气室的压头。当气室中的压力达到落差的3倍左右时，进水管的水柱摆动产生的压力足以使输出阀自行打开，使水锤泵动作。此时，气室的压头不断增加，直到达到水管出口顶部的压头值，然后压头基本稳定。当水头和压头较高时，一般蓄能器的气室中的空气逐渐被高压水吸收，使气室最终失效，压力峰值不断上升，会造成机械事故。因此，在高扬程的应用中，需要对水锤泵的液压蓄能器组件进行重新设计，主要采用气囊蓄能器，或者采取手动或自动向储气罐补气的措施。
滴水源的扬程和流量是决定水泵扬程和抽水能力的重要因素之一。此外，泵的工作性能还受导流管的安装角度、导流管和立管的口径和长度、冲击阀的开关次数等因素的影响。经过多次工程试验和现场安装应用试验，得出以下经验公式:
(1)扬程H与水流落差H的关系:H/H = 10-50；
②将液压水锤泵视为动力机和水泵的组合，其效率可由下式定义:
η=qh/(QH)
η是泵的效率；q是泵送流量；h为提升高度；q为进水管的进水流量；h是落差。
泵效的经验公式:
1、η=(1.17-1.37)-0.2((H-H)/H)0.5
(h-H)/H=3-17(使用各种储气罐作为液压蓄能器)
2.90%≥η≥60%，(h-h)/h = 2 ~ 49(液压蓄能器采用隔膜蓄能器)。
③水锤泵的泵送能力Q: Q = η hq/(h-h+η h)
④导流管长度L: L = 7-12h(数值随落差变化)。
⑤导流管安装角度α:仰角应大于5°小于20°，7-15°为最佳安装角度。
⑥.引水管直径D: D = 0.3 (60Q) 0.5 (Q为水源进入泵的常年保证流量)。
⑦.提升管直径d: d=0.5-0.1D(该值随落差比h/H而变化)。水锤泵性能的主要技术指标是其功率和效率。但由于安装场地、地形条件和水源的限制，设计中要综合考虑各种因素，如供水量、水头、进水管长度、提水高度、提水流量等。
据资料显示，国外水锤泵最长工作寿命可达100年以上，其易损件只有橡胶垫、密封件和螺栓。
4.2.2使用液压水锤泵带来的优势
1.液压水锤泵通过液压能量传递特性的合理设计，增加能量流动密度，精确设计脉冲发生组件的液压冲击波的脉冲泵送功能，加快液压水锤泵的加载加载，使脉冲发生组件能自动冲击阀门(包括辅助增速阀盘装置)达到每分钟30 ~ 300次的切换频率，实现中高频运行。
。
根据资料，水锤泵自动冲击阀的开关频率最好不低于每分钟40次。工程应用数据表明，国内同类产品普遍运行频率较低(每分钟仅20-40次，不超过60次)。
2.运行噪音低。新型RZ-50饮用水液压水锤泵运行噪音小于80分贝，国内同类新产品(如德国进口的BIL系列水锤泵)运行噪音高达105-130分贝。
3.“液压水锤泵”采用不锈钢等耐腐蚀材料制作蓄能器缸体，避免水锤泵微型液压站提升水流的锈蚀污染。
4.液压蓄能器的有效容积可以通过简单的措施如(包括手动)充气装置得到有效保证，特别是气室容积和储能在长期运行中不会损失；液压蓄能器的空气供应不需要排空，这不会导致水锤泵停止。国内同类产品(如德国进口的BIL系列水锤泵)多采用半蓄压器(无气体预压措施的蓄压器)，在排气和补气时会造成水锤泵停机。
5.液压蓄能器组件采用等温加载循环工作方式，减少了中高频快速加载工作中脉冲发生组件自动冲击阀门可能造成的液压蓄能器气室热损失，取消了传统水锤消除器(气囊蓄能器，采用绝热加载循环工作方式)缸体内表面的聚丙烯套筒隔离件，降低了加工难度和制造成本。
6.“液压水锤泵”，全称是“模块化复合液压传动式水锤泵”，由脉冲发生部件、能量耦合部件和储能部件三部分组成。液压水锤泵利用能量耦合元件作为特殊的能量转换器实现能量耦合，可以实现DC/交流液压工作模式的转换。液压水锤泵自动供水设备——新RZ系列饮用水液压水锤泵是利用液压冲击原理和液压传动原理设计制造的一种液压能量升级转换装置。因此，液压水锤泵的设计原理不同于传统的仅采用水锤原理的水锤泵。
5.泵的发展趋势
泵的技术发展和其他行业的发展一样，都是由市场需求推动的。如今，历史已经进入21世纪，在环保、电子等领域的高科技发展和世界可持续发展产生巨大需求的背景下，人们给包括泵行业在内的许多行业或领域带来了日新月异的技术变革和发展。
泵的技术发展趋势主要包括以下几个方向:
(1)产品多样化
产品的生命力在于市场需求。如今的市场需求是要有自己的特色，与众不同；正是这一点造就了泵产品的多样化趋势。其多样性主要体现在泵输送介质的多样性、产品结构的差异和操作要求的差异。
从输送介质的多样性来看，最早的泵可以输送单一的水和其他可流动的液体、气体或泥浆，现在可以输送固液混合物、气液混合物、固液气混合物，直至可以输送土豆、鱼等活体。不同的输送对象对泵的内部结构有不同的要求。
除了输送对象对泵的结构有不同的要求外，从安装形式、管路布置形式、维护等方面对泵的内部或外部结构都提出了新的要求。同时，各厂商在结构设计上也加入了自己的想法，进一步提高了泵结构的多样化。
基于可持续发展和环境保护的总体背景，泵的运行环境对泵的设计提出了许多要求，如减少泄漏、降低噪声和振动、提高可靠性和延长寿命等。，这都提出了不同的重点或几个重点并行考虑，必然会形成多元化的泵的形式。
(2)泵设计水平提高与制造技术优化的有机结合。
在信息时代，泵的设计人员早已利用计算机技术开发设计产品(如CAD的使用)，大大提高了设计本身的速度，缩短了产品设计周期。在生产型制造业中，以数控技术CAM为代表的制造技术已经深入到泵的生产中。但是，从目前国内的情况来看，数控技术CAM主要用于批量产品的生产。对于单件或小批量的生产，CAM技术目前在泵行业还没有得到广泛的实施，单件小批量的生产仍然主要基于传统的生产设备。
由于市场要求制造商尽可能缩短交货期，特别是对于特殊产品(根据用户要求生产的产品)，必然要求泵制造商加速使用CAM技术，甚至计算机集成制造系统(CIMS)和柔性制造(FMC和FMS)，以协调的方式处理从设计到制造模具和零件加工的所有环节，以保证一旦设计完成，产品零件的加工趋于同时完成，从而保证产品的生产周期缩短。
同时，除了计算机绘图之外，还将在计算机的载体上实现产品的强度分析、可靠性预测和三维设计，将生产中需要发现和解决的工艺问题、局部结构问题和装配问题做好生产前的预防工作，缩短产品的试制周期。
(3)产品的标准化和模块化
在产品多元化的同时，作为通用产品，泵的总量仍然巨大。在市场上，除了技术竞争，产品的价格竞争，尤其是通用产品的价格竞争是必然趋势。在产品多样化的趋势下，需要实现产品价格的竞争优势，提高产品零部件的标准化程度，实现产品零部件的模块化。许多零件模块化后，通过组合不同的模块或改变单个零件的特性，可以使产品多样化。同时，只有提高了零部件的标准化程度，才有可能真正实现基于产品多样化的零部件生产规模化，从而降低生产成本，形成产品的竞争优势，也有可能进一步缩短基于产品多样化的产品交付周期。
(4)改善泵的内在特性，追求外在特性。
所谓泵的固有特性，是指产品的固有特性，包括产品性能、零件质量、整机装配质量、外观质量等。，或者干脆叫质量。在这一点上，许多泵制造商对此表示关注，并努力加以改进。事实上，我们可以发现，很多产品在出厂测试并交付给用户后，达不到出厂检验的效果，出现过载、噪音增大、使用不理想或使用寿命降低等一些问题。实践中泵的工作点或特性称为泵的外特性或系统特性。
在设计一个产品的时候，技术人员往往会花很多心思在提高一个产品百分之一的效率上。但如果泵的运行偏离了设计的高效点，实际运行效率会降低1%以上。目前泵厂家为用户提供控制设备和包括变频在内的成套设备，实际上已经涉及到对泵的外特性的追求。在此基础上，更应重视泵的集中控制系统，通过上一层楼，提高整个泵和泵站的运行效率，这是对泵外特性的追求。
从销售的角度来看，卖产品就是卖泵的固有特性；注重泵的外部特性，就是厂家不仅仅是卖产品，更是卖泵站(成套工程)。
从使用的角度来说，好的产品一定是适合使用环境的产品，而不是经过工厂测试和判断的产品。
(5)机电一体化的进一步发展。
就像科技的发展，现阶段科技领域的交叉学科和边缘学科越来越多，交叉学科的研究非常普遍，泵产品的技术开发也是如此。以屏蔽泵为例，取消泵的轴封问题必须从电机结构入手，仅仅局限于泵本身是不可能实现的；解决泵的噪声问题，不仅要解决泵的流型和振动，还要解决电机叶片的噪声和电磁场的噪声。为了提高潜水泵的可靠性，潜水电机必须增加漏电保护和过载保护等措施。要提高水泵的运行效率，必须依靠控制技术等的应用。这些都说明，要发展泵的技术水平，必须同时从配套电机和控制技术等方面入手，综合考虑，最大限度地提高机电一体化的综合水平。
参考
[1]刘芸，姜培正主编，过程流体机械。北京化学工业出版社2009
[2]孙启才，金定武主编，离心机原理、结构与设计计算。北京:机械工业出版社，1987。
[3]关，主编，现代泵技术手册，北京:航空航天出版社，1995。