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摘要：阐述了凸轮转子泵的工作原理与结构特点，分析了其与离心泵的结构、能耗性能对比，以及泵的故障处理。介绍了凸轮泵在污水处理厂工艺流程上的应用范围与前景。
关键词：凸轮泵；容积泵；离心泵；机械密封；节能降耗
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号：
凸轮泵，又称转子泵、罗茨泵，属于容积泵的一种，其工作原理与罗茨风机相近。 目前，国外在食品加工、油脂生产、日用化学、污水处理等领域已经有较多应用，但在国内还只主要应用于输送油类、糖浆、石灰浆等带有粘性的物质，特别是在市政污水处理中，用于输送含水率在98%左右的浓缩污泥，其性能效果在设备维护、设备检修及故障维修等诸多方面都优于常用螺杆泵。但是，凸轮泵用于输送清水还是一种新的尝试。
某污水处理厂二氧化氯消毒接触池动力水泵，原设计运用卧式离心泵存在能耗大、故障率高、噪声大、振动大、维修不便等问题。通过技术改造对泵进行比选，最终采用了凸轮泵，运行效果良好，大大降低了能耗，笔者就其与离心泵的结构、能耗性能方面的差异进行了对比，介绍了凸轮泵在污水处理领域的应用范围与前景，并为污水处理厂泵的选型及改造提供了参考。
凸轮泵的结构与工作原理
凸轮泵的结构主要由电机、减速齿轮箱、联轴器、泵体组成，其中泵体由轴承、同步齿轮、隔离腔室、泵壳、衬板、轴封、转子、泵盖、泵轴等部件组成。由此可见，凸轮泵的驱动部分与离心泵基本相同，主要区别在于泵体。
在齿轮箱和泵腔之间有一个充满液体的隔离腔室，它将同步齿轮与泵腔相隔离，一方面保护同步齿轮免受流体的损坏，另一方面防止齿轮箱油渗入传输的介质中，腔内也装有润滑油，不断地润滑着转子与轴，保护轴不受浸蚀，同时，在长时间运行的过程中，可以保证转子易于更换，如若隔离腔发生泄漏，可以直观判断机械密封失效。
还有凸轮泵的转子材质和形式是可根据不同的过流介质，采用不同的材料与转子类型，有快速开启式泵盖可实现快速拆卸更换转子与泵腔内的保护衬板，维护维修方便的特点。
内部结构如图1：
图1
使用过程中两个同步转子并列朝向对方，将转子室分隔成几个小空间，并按一定次序运转，分别朝顺时针方向和逆时针方向旋转，构成排水腔，持续旋转会在吸入端口形成部分真空，使液体吸入泵内，通过转子顺着容积流动的方向被输送至出料口，当转子在排放端口重新啮合时形成压力，液体被排出，泵流量与转子转速成正比，并且流向可逆转，在停止时转子排列并且几乎是完美的密封状态。
凸轮泵与离心泵的性能比较
凸轮泵特性曲线图样例如图2，离心泵特性曲线图样例如图3所示：
图2 图3
图2、图3中，Q - 流量，P - 轴功率，n（rpm）- 转速，η - 效率，H - 扬程。
由图2可知，在凸轮泵出口压力恒定的情况下，流量、功率只与转速有关，转速与流量、功率成正比。转速恒定的情况下，泵出口压力与流量成反比，与功率成正比。
由图3可知，离心泵流量与功率成正比，与扬程成反比，泵效率达到一定值后缓慢下降。
性能对比总结为下表1所示：
表1
以上表1中列出了凸轮泵与离心泵的性能对比，可知，凸轮泵既能适用于输送高粘度的浓缩污泥，又能适用于输送清水介质。
改造方案说明
某污水处理厂二期接触消毒池二氧化氯发生器现场制备设备所配备的增压水泵，原设计采用卧式离心泵，参数：37kw,2950rpm,67.9A,50hz, 80m3/h, 55m，入口100mm，出口80mm，共6台，采用并联方式安装，由6条DN100mm管汇集至1条DN300mm管。厂区日常生产需要开启2台泵，供4台二氧化氯发生器使用。
该卧式离心泵采用2级电机，高转速运行，在泵运行的5个月中，6台泵相继出现故障，电机前后轴承磨损、橡胶联轴器磨损、传动轴磨损、叶轮断裂、机封失效磨损、风扇叶护罩螺栓孔磨损、电机单相接地等故障，该卧式离心泵在设备运行、维护保养、维修方面，存在故障率高，维修费时、费人工，设备现场维修难的问题。除此之外，6台泵是横跨安装于池体顶板之上的基础，设备振动大带动管路振动大，噪音大，经噪音计测试泵周围均高于115dB。
出于以上种种问题考虑，进行技术改造，更换其他的泵，最初意向于更换其他品牌的同类型离心泵，经过几个品牌卧式离心泵的对比，在同样参数要求下，卧式离心泵电机依然采用2级高转速电机，流量、扬程要求不可能降低，若采用相同类型的离心泵，必然存在故障的可能性。
为满足低转速、低噪音、低振动、及流量和扬程的要求，改造时我们选用了凸轮泵，并且凸轮泵在维修、维护上都简易于卧式离心泵，维护周期长，对凸轮泵进行了选型对比，选用80m3/h与160m3/h的，对应功率为22kw与37kw，扬程均为45m，若选用前者，与卧式离心泵达到的功能要求相同，若选用后者，可实现1台凸轮泵等用2台卧式离心泵，从电能能耗上可见，能节省37kw的能耗。因此，技术改造选用凸轮泵1台，参数：电机37kw，轴30.6kw,减速箱输入1475rpm,减速箱输出323rpm,功率因数0.87，69.8A,50hz,流量=160m3/h,扬程=45m，入口250mm，出口250mm。
施工改造过程主要分为电气部分与机械部分。
电气部分：由参数可知，2种泵的电机功率都是37Kw，原卧式离心泵控制采用软启动器(型号：SEC18C075，额定电压380V，电流75A，50Hz，控制器电压220V，由济南智海兴业工业设备有限公司生产)开泵，不能变频控制转速。现改为用ABB变频器（型号：ACS510，输入电压380V，电流72A，功率37Kw）開泵。
机械部分：由于凸轮泵进出口方向是左右，卧式离心泵进出口方向是上下，设备现场凸轮泵的进出口管安装位置限制，原有卧式离心泵基础是做在池体顶板上，打破池体顶板开孔会影响池体顶板强度，存在安全隐患。
凸轮泵在改造使用过程中存在振动大、噪声大、压力不足、管路蹩压的问题，针对这些问题，经过改造凸轮泵的进出口管径、管件及阀门，最终是拆除4#、5#、6#卧式离心泵，凸轮泵DN250mm入口管并联原4#、5#、6#离心泵DN150mm入口管，将原5#卧式离心泵DN150mm出口管更换成DN250mm出口管驳接至DN300mm主管，防止管路振动促使泵体振动，泵的出入口均安装DN250mm刚性接头。
改造前后如图4、图5所示：
图4
图5
最终，经过调试试机运行1个星期正常，开启1台凸轮泵可正常提供4台二氧化氯发生器使用，满足压力、流量需求，运行数据：频率50Hz，电流52A左右，电压380V，管路压力0.35MPa左右，管路、泵体振动小，经测试噪音值在90dB左右，满足生产运行。
改造完后2个月运行期间，凸轮泵机械密封磨损更换2个，中间隔离腔润滑油更换1次，更换机械密封使用专用工具，维修简便。
总结
由上述改造说明，通过对增压水泵的改造，实现了在正常满足二期接触消毒池二氧化氯发生器使用的情况下，原需开2台37Kw泵，现只需开1台37Kw凸轮泵，从长远生产需求的角度考虑，相对凸轮泵的故障率，离心泵的故障率更高，对生产产生的影响随之也增加。在当今节能降耗大潮流、环境水污染严重的形势下，污水处理过程中采用凸轮泵输送中水、污泥、污水不外乎是一种新的选择。
5、参考资料
[1]陈伟，等. 石油化工设备设计选用手册，机泵选用，第1篇,工业泵，北京：化学工业出版社，2009（2）：3-39.
[2]唐善华，郑竞成. 容积式凸轮泵的设计与应用，中国油脂，2007（5）：65-67.
[3]上海：博格泵亚洲有限公司，博格泵（亚洲）有限公司博格旋转凸轮泵，流程工业，2010（16）：43.
[4]上海：上海连成泵业制造有限公司，ZW系列自吸式无堵塞排污泵使用说明书， 2010（10）：1-15.
[5]上海：博格泵亚洲有限公司，博格选择凸轮泵FL系列运行和保养手册，2001（3）：1-25.
[6]上海：博格泵亚洲有限公司，博格系列产品设计选型手册，2001（3）：1-118.
关键词：凸轮泵；容积泵；离心泵；机械密封；节能降耗
中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号：
凸轮泵，又称转子泵、罗茨泵，属于容积泵的一种，其工作原理与罗茨风机相近。 目前，国外在食品加工、油脂生产、日用化学、污水处理等领域已经有较多应用，但在国内还只主要应用于输送油类、糖浆、石灰浆等带有粘性的物质，特别是在市政污水处理中，用于输送含水率在98%左右的浓缩污泥，其性能效果在设备维护、设备检修及故障维修等诸多方面都优于常用螺杆泵。但是，凸轮泵用于输送清水还是一种新的尝试。
某污水处理厂二氧化氯消毒接触池动力水泵，原设计运用卧式离心泵存在能耗大、故障率高、噪声大、振动大、维修不便等问题。通过技术改造对泵进行比选，最终采用了凸轮泵，运行效果良好，大大降低了能耗，笔者就其与离心泵的结构、能耗性能方面的差异进行了对比，介绍了凸轮泵在污水处理领域的应用范围与前景，并为污水处理厂泵的选型及改造提供了参考。
凸轮泵的结构与工作原理
凸轮泵的结构主要由电机、减速齿轮箱、联轴器、泵体组成，其中泵体由轴承、同步齿轮、隔离腔室、泵壳、衬板、轴封、转子、泵盖、泵轴等部件组成。由此可见，凸轮泵的驱动部分与离心泵基本相同，主要区别在于泵体。
在齿轮箱和泵腔之间有一个充满液体的隔离腔室，它将同步齿轮与泵腔相隔离，一方面保护同步齿轮免受流体的损坏，另一方面防止齿轮箱油渗入传输的介质中，腔内也装有润滑油，不断地润滑着转子与轴，保护轴不受浸蚀，同时，在长时间运行的过程中，可以保证转子易于更换，如若隔离腔发生泄漏，可以直观判断机械密封失效。
还有凸轮泵的转子材质和形式是可根据不同的过流介质，采用不同的材料与转子类型，有快速开启式泵盖可实现快速拆卸更换转子与泵腔内的保护衬板，维护维修方便的特点。
内部结构如图1：
图1
使用过程中两个同步转子并列朝向对方，将转子室分隔成几个小空间，并按一定次序运转，分别朝顺时针方向和逆时针方向旋转，构成排水腔，持续旋转会在吸入端口形成部分真空，使液体吸入泵内，通过转子顺着容积流动的方向被输送至出料口，当转子在排放端口重新啮合时形成压力，液体被排出，泵流量与转子转速成正比，并且流向可逆转，在停止时转子排列并且几乎是完美的密封状态。
凸轮泵与离心泵的性能比较
凸轮泵特性曲线图样例如图2，离心泵特性曲线图样例如图3所示：
图2 图3
图2、图3中，Q - 流量，P - 轴功率，n（rpm）- 转速，η - 效率，H - 扬程。
由图2可知，在凸轮泵出口压力恒定的情况下，流量、功率只与转速有关，转速与流量、功率成正比。转速恒定的情况下，泵出口压力与流量成反比，与功率成正比。
由图3可知，离心泵流量与功率成正比，与扬程成反比，泵效率达到一定值后缓慢下降。
性能对比总结为下表1所示：
表1
以上表1中列出了凸轮泵与离心泵的性能对比，可知，凸轮泵既能适用于输送高粘度的浓缩污泥，又能适用于输送清水介质。
改造方案说明
某污水处理厂二期接触消毒池二氧化氯发生器现场制备设备所配备的增压水泵，原设计采用卧式离心泵，参数：37kw,2950rpm,67.9A,50hz, 80m3/h, 55m，入口100mm，出口80mm，共6台，采用并联方式安装，由6条DN100mm管汇集至1条DN300mm管。厂区日常生产需要开启2台泵，供4台二氧化氯发生器使用。
该卧式离心泵采用2级电机，高转速运行，在泵运行的5个月中，6台泵相继出现故障，电机前后轴承磨损、橡胶联轴器磨损、传动轴磨损、叶轮断裂、机封失效磨损、风扇叶护罩螺栓孔磨损、电机单相接地等故障，该卧式离心泵在设备运行、维护保养、维修方面，存在故障率高，维修费时、费人工，设备现场维修难的问题。除此之外，6台泵是横跨安装于池体顶板之上的基础，设备振动大带动管路振动大，噪音大，经噪音计测试泵周围均高于115dB。
出于以上种种问题考虑，进行技术改造，更换其他的泵，最初意向于更换其他品牌的同类型离心泵，经过几个品牌卧式离心泵的对比，在同样参数要求下，卧式离心泵电机依然采用2级高转速电机，流量、扬程要求不可能降低，若采用相同类型的离心泵，必然存在故障的可能性。
为满足低转速、低噪音、低振动、及流量和扬程的要求，改造时我们选用了凸轮泵，并且凸轮泵在维修、维护上都简易于卧式离心泵，维护周期长，对凸轮泵进行了选型对比，选用80m3/h与160m3/h的，对应功率为22kw与37kw，扬程均为45m，若选用前者，与卧式离心泵达到的功能要求相同，若选用后者，可实现1台凸轮泵等用2台卧式离心泵，从电能能耗上可见，能节省37kw的能耗。因此，技术改造选用凸轮泵1台，参数：电机37kw，轴30.6kw,减速箱输入1475rpm,减速箱输出323rpm,功率因数0.87，69.8A,50hz,流量=160m3/h,扬程=45m，入口250mm，出口250mm。
施工改造过程主要分为电气部分与机械部分。
电气部分：由参数可知，2种泵的电机功率都是37Kw，原卧式离心泵控制采用软启动器(型号：SEC18C075，额定电压380V，电流75A，50Hz，控制器电压220V，由济南智海兴业工业设备有限公司生产)开泵，不能变频控制转速。现改为用ABB变频器（型号：ACS510，输入电压380V，电流72A，功率37Kw）開泵。
机械部分：由于凸轮泵进出口方向是左右，卧式离心泵进出口方向是上下，设备现场凸轮泵的进出口管安装位置限制，原有卧式离心泵基础是做在池体顶板上，打破池体顶板开孔会影响池体顶板强度，存在安全隐患。
凸轮泵在改造使用过程中存在振动大、噪声大、压力不足、管路蹩压的问题，针对这些问题，经过改造凸轮泵的进出口管径、管件及阀门，最终是拆除4#、5#、6#卧式离心泵，凸轮泵DN250mm入口管并联原4#、5#、6#离心泵DN150mm入口管，将原5#卧式离心泵DN150mm出口管更换成DN250mm出口管驳接至DN300mm主管，防止管路振动促使泵体振动，泵的出入口均安装DN250mm刚性接头。
改造前后如图4、图5所示：
图4
图5
最终，经过调试试机运行1个星期正常，开启1台凸轮泵可正常提供4台二氧化氯发生器使用，满足压力、流量需求，运行数据：频率50Hz，电流52A左右，电压380V，管路压力0.35MPa左右，管路、泵体振动小，经测试噪音值在90dB左右，满足生产运行。
改造完后2个月运行期间，凸轮泵机械密封磨损更换2个，中间隔离腔润滑油更换1次，更换机械密封使用专用工具，维修简便。
总结
由上述改造说明，通过对增压水泵的改造，实现了在正常满足二期接触消毒池二氧化氯发生器使用的情况下，原需开2台37Kw泵，现只需开1台37Kw凸轮泵，从长远生产需求的角度考虑，相对凸轮泵的故障率，离心泵的故障率更高，对生产产生的影响随之也增加。在当今节能降耗大潮流、环境水污染严重的形势下，污水处理过程中采用凸轮泵输送中水、污泥、污水不外乎是一种新的选择。
5、参考资料
[1]陈伟，等. 石油化工设备设计选用手册，机泵选用，第1篇,工业泵，北京：化学工业出版社，2009（2）：3-39.
[2]唐善华，郑竞成. 容积式凸轮泵的设计与应用，中国油脂，2007（5）：65-67.
[3]上海：博格泵亚洲有限公司，博格泵（亚洲）有限公司博格旋转凸轮泵，流程工业，2010（16）：43.
[4]上海：上海连成泵业制造有限公司，ZW系列自吸式无堵塞排污泵使用说明书， 2010（10）：1-15.
[5]上海：博格泵亚洲有限公司，博格选择凸轮泵FL系列运行和保养手册，2001（3）：1-25.
[6]上海：博格泵亚洲有限公司，博格系列产品设计选型手册，2001（3）：1-118.