浮动式消防泵的设计与运行稳定性测试

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浮动式消防泵是-种轻型消防泵，可以被广泛应用在林区、矿区、船舶等场所。使用时不需要排气引水装置，可以浮在水面上作业 ，体积小，便于携带，工作时不会搅起水下的泥沙和杂质，大大提高了泵的使用寿命，减小了故障率。

目前国内对浮动式消防泵的研究很少，产品基本都进口自国外，主要代表产品有美国 HEE12BSO型浮动泵和波兰尼加拉型浮动泵，它们大多重量较大，成本也较高。本文以北京林业大学工学院现有的 BJL5型三级离心泵为基础设计了-款全新的浮动式消防泵，通过测试表明其具有结构简单、重量轻、运行稳定性好等特点。

1 浮动泵水上振动特性已知 BJL5离心泵性能参数如表 1 J。

表 1 性能参数由于该型号泵重量仅有 18 kg，单人即可搬运和使用，而且在设计时已充分考虑森林消防泵要求的2013年2月6日收到 国家林业局 948引进项目(2008-4-51)资助第-作者简介：肖志远(1987-)，男，硕士研究生。研究方向：林火扑救技术。E-mail：pesedon1900###163.corl。

高扬程特点，符合浮动泵的使用要求，相比同类型泵，在重量和扬程上具有很明显的优势，因此选择该型号泵作为浮动泵的工作机体。浮动泵在水上漂浮时，承受的是 自身的重力和水的浮力，在平衡状态下，两者大小相等方向相反。以浮动泵在水上的平衡位置重心 0为原点，竖直向下方向为正，示意图 1。

o 2图 1 浮动泵在水面的平衡状态不意图当浮动泵脱离平衡状态时，假设此时它的竖直方向位移为 ，根据力学平衡原理列动力学方程如下 ：mg-( h)pSgm警。

U 式中：m为整机重量，kg；x为竖直方向位移，m；h为平衡状态下浮动底座的吃水深度，nl；P为水的密度，1 000 kg/m ；5为浮动底座与水接触的底面积，in ；g为重力加速度，9.8 m/s 。

式中：A为浮动泵在竖直方向上的振幅，in； 为初始相位角，rad。

4370 科 学 技 术 与 工 程 13卷由此可得浮动泵在竖直方向上作简谐运动，振动的固有圆频率 ∞ (pSg/m) ，单位为 rad/s。

根据计算结果可以得出，浮动泵在水上振动的固有特性与整机的质量和浮动底座与水接触部分的横截面积有关，质量越大，振动固有频率越低，周期越长；横截面积越大，振动的固有频率越高，周期越短。为了尽量减小浮动泵水上振动幅值和浮动底座体积，就需要合理的设计底座结构。

2 底座设计与浮体稳定性计算根据前文分析结果，综合考虑浮动泵底座的使用情况，得出底座结构设计需要满足的基本要求有如下几条：(1)满足整机布置方案要求；(2)体积足够，能满足整体排水量的要求；(3)水面截面积应满足使整机振动幅值尽量小的条件。

2.1 底座结构设计计算根据底座结构设计的要求，结合泵体部分的重量和尺寸等参数，可计算底座尺寸参数如下：(1)底座排水量为 ，( 。m )gPvg，其中，泵体质量m 已知为18 ，m：为底座质量。要使底座稳定在水上，底座的体积须大于排水体积，底座材料选熔苯乙烯泡沫塑料，密度为20 kg/m 。

(2)为了使浮动泵在水上重力分布均匀，也考虑到对称性和美观的因素，将底座设计成环绕机体布置的型式，塑料板中间镂空，留出机体放置的空间，测量得出机体的三围尺寸约为：468 mm×274mm×362 mm，再考虑吸水构件和连接支架所占用的空间，初步确定底座中空部分长宽尺寸600 mm x340 mm。

(3)浮动泵振动的主要激振源为汽油机的转动和离心泵叶轮转动，而泵轴与汽油机直接连接，所以振动激振频率可以看作-个与汽油机转速有关的已知量，n6 000 r/min，则激振频率 2wf628 rad/s，浮子振动固有频率∞ (pSg/m) ，要使浮子底座振动幅值降低，即要使激振频率与固有频率错开。

综合考虑上述因素与塑料板厚度的合理性，最终设计底座结构图如图2所示。

]图 2 浮动底 座结构 图代人数据计算得，底座质量 rn：0.792 kg，这里先不考虑联结部分的构件质量，初步有 (m m：)gJpS ，其中 S为底座水面截面积，约为0.6×0.66：0.396 m ，计算得底座吃水深度 H0.048 m，刚好约为底座厚度的-半，符合设计要求；底座振动固有圆频率 (pSg/m) 14.37rad/s，与激振频率相差很大，浮动泵在水上振动幅度较校得到浮动泵的三维装配图如图3。

图3 浮动泵三维示意图2.2 浮体稳定性计算浮动泵在水上不仅要求振动较小，还需要能受到-定的不稳定倾覆力时能回复平稳状态，因此还需要进行浮体稳定性的计算。根据浮体稳定性原理 J，浮体要在水面上保持平稳状态，-般要满足以下条件：(1)所受浮力等于 自身重力；(2)浮体浮心与重心的连线垂直于水平面。如果浮体偏离了此平衡位置，则作用于浮心的浮力与作用于重心的重力会构成-个力偶矩，促使浮体回复到平衡位置。

研究表明，浮体的稳定与其重心与定倾中心的相对位置有关。如图4所示。