單向閥疊加在往復(fù)式三缸單作用活塞隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

王小磊

（中國(guó)有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

單向閥疊加在往復(fù)式三缸單作用活塞隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

王小磊

（中國(guó)有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110144）

本文首先概述了往復(fù)式三缸單作用活塞隔膜泵的主要組成部分，其次通過介紹超壓保護(hù)系統(tǒng)引申出單向閥，接著介紹了單向閥在系統(tǒng)中的作用，并對(duì)其功能參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究，進(jìn)而通過試驗(yàn)詳細(xì)分析了單向閥疊加的性能，論證了單向閥疊加的使用穩(wěn)定性，最后對(duì)錐型單向閥在各行業(yè)隔膜泵設(shè)備中的應(yīng)用做了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)由單向閥引起的常見故障做了簡(jiǎn)要總結(jié)。

單向閥；疊加；隔膜泵；超壓保護(hù)

0.引言

往復(fù)式三缸單作用活塞隔膜泵由動(dòng)力端、液力端、液壓系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)5大部分組成。動(dòng)力端主要包含曲軸、箱體、連桿、十字頭、介桿、軸承等零部件；液力端包含隔膜室、油缸、腔體、進(jìn)料單向閥、出料單向閥、進(jìn)料管、出料管、進(jìn)料補(bǔ)償裝置、出料補(bǔ)償裝置等；液壓系統(tǒng)包含液壓油箱、隔膜行程控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、沖洗系統(tǒng)、超壓保護(hù)系統(tǒng)及控制儀表；動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器及底座構(gòu)成；電控系統(tǒng)由拖動(dòng)單元、控制單元、監(jiān)控和操作單元、儀表和傳感器單元以及數(shù)據(jù)采集和分析單元構(gòu)成。往復(fù)式活塞隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)由電氣和機(jī)械兩級(jí)配置構(gòu)成雙重保護(hù)，本文重點(diǎn)對(duì)機(jī)械式超壓保護(hù)系統(tǒng)中關(guān)鍵元件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

1.往復(fù)式三缸單作用活塞隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)概述

1.1功能簡(jiǎn)介

往復(fù)式活塞隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)于隔膜泵液力端上用來防止泵過載運(yùn)行而設(shè)定的自動(dòng)泄壓裝置，是避免隔膜泵超負(fù)荷運(yùn)行而損壞其他零部件的最后一道保障措施。當(dāng)隔膜泵出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況時(shí)，觸發(fā)電氣保護(hù)系統(tǒng)，使得隔膜泵報(bào)警、停車，但是在負(fù)載作用力和慣性力作用下隔膜泵不能完全停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)自動(dòng)開啟機(jī)械式超壓保護(hù)系統(tǒng)，達(dá)到穩(wěn)定停車的效果，保護(hù)液力端承壓零部件不受損壞。

圖1　往復(fù)式活塞隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)

1.2主要構(gòu)成

如圖1所示，隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)是開式、柔性系統(tǒng)，主要由單向閥、安全閥、蓄能器、壓力表及管路構(gòu)成。

1.3原理簡(jiǎn)介

圖2　鋼球式單向閥

當(dāng)隔膜泵負(fù)載壓力超過額定設(shè)計(jì)壓力，達(dá)到安全閥開啟壓力（通常設(shè)定為高于額定壓力的10%～20%）時(shí)，液力端油液在負(fù)載壓力作用下打開單向閥2，油液經(jīng)管路開啟安全閥5，安全閥5卸荷，將油液排回液壓油箱。

2.單向閥疊加研究與分析

前述超壓保護(hù)系統(tǒng)主要構(gòu)成零件中單向閥是與液力端油液的第一接觸者，其受外界條件因素的影響最大，單向閥工作性能的好壞關(guān)系到后續(xù)零件的使用情況，最后直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，可以說如果單向閥發(fā)生故障，整個(gè)超壓保護(hù)系統(tǒng)已起不到保護(hù)作用。

2.1單向閥性能

超壓保護(hù)系統(tǒng)對(duì)單向閥的基本要求是：正向流動(dòng)阻力損失小，反向時(shí)密封性好，動(dòng)作靈敏。由于隔膜泵多為中低壓、大流量設(shè)備，因此系統(tǒng)中此處單向閥可選用加工精密、工況穩(wěn)定的板式液壓?jiǎn)蜗蜷y，單向閥在此作為背壓閥使用，來平衡隔膜泵輸出壓力和安全閥調(diào)定壓力。單向閥在系統(tǒng)中只允許液流沿一個(gè)方向通過，反方向流動(dòng)則被截止。其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示有鋼球式和錐閥式兩種，鋼球式單向閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但密封性不如錐閥式，所以在此主要對(duì)錐閥式單向閥進(jìn)行分析研究。

在此以三缸單作用160/14.5隔膜泵為例，其單向閥結(jié)構(gòu)為錐閥式，性能參數(shù)見表1。

圖3　錐閥式單向閥

表1　錐閥式單向閥性能參數(shù)表

2.2單向閥疊加分析

超壓保護(hù)系統(tǒng)中單向閥疊加是將兩件性能相同的單向閥采用連接件串聯(lián)在一起，并具有可靠密封的裝置，如圖4所示。

2.2.1單向閥試驗(yàn)

以三缸單作用160/14.5隔膜泵為載體泵對(duì)單向閥進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)通過安裝一個(gè)單向閥和單向閥疊加安裝的數(shù)據(jù)對(duì)比來進(jìn)行結(jié)果分析。按照?qǐng)D5原理完成試驗(yàn)件安裝后，觀察記錄壓力表3讀數(shù)來分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。靜態(tài)試驗(yàn)都分別進(jìn)行8h，結(jié)果如圖5所示，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)都分別進(jìn)行24h，結(jié)果如圖6所示。

2.2.2結(jié)果分析

由圖5可看出，無論一個(gè)單向閥試驗(yàn)還是單向閥疊加試驗(yàn)其靜壓穩(wěn)定性都比較良好，但是從動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，一個(gè)單向閥時(shí)在泵壓力升到9.5MPa以后出現(xiàn)背壓壓力與泵壓力隨動(dòng)現(xiàn)象，又泵壓力與背壓壓力唯一的連接接口是單向閥，此時(shí)可判定為單向閥已出現(xiàn)閥芯常開情況。而單向閥疊加在整個(gè)試驗(yàn)過程中都維持了比較穩(wěn)定的背壓壓力。如圖7所示，液流經(jīng)過閥口時(shí)，由于流動(dòng)方向和流速的變化造成液體動(dòng)量的改變，因此閥芯上會(huì)受到液動(dòng)力的作用，最終造成兩種試驗(yàn)結(jié)果的差異性。

一件單向閥時(shí)，如圖7所示，作用于錐閥上的液動(dòng)力，其液流方向是由外向內(nèi)，在閥口以下沿壁面及閥芯底面取控制面積（圖中方框處），根據(jù)動(dòng)量定理，流入、流出控制體積的液流方向及流速的改變所產(chǎn)生的液動(dòng)力的數(shù)值為：

式中：

Ks-液動(dòng)力系數(shù)，Ks=CdCvπdmsin2β；

dm—平均直徑，；

因此上式可以寫成：

圖4　疊加單向閥裝配結(jié)構(gòu)

圖5　靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

圖6　動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

圖7　

表1　行業(yè)應(yīng)用

圖8　

表2　故障分析與解決

該式括號(hào)前為平均直徑dm的面積與壓差的乘積，即壓差造成的液壓作用力，括號(hào)內(nèi)的數(shù)值可以看作一個(gè)系數(shù)，式中負(fù)號(hào)只代表液流方向，不表示數(shù)值大小。

圖7所示結(jié)構(gòu)中，不管液體的由內(nèi)向外流或是由外向內(nèi)流，控制體積對(duì)閥芯的液動(dòng)力始終是使閥芯趨于關(guān)閉。

控制體積B的上端面邊界屬于閥芯，下端面邊界屬于閥體，因此，它造成的軸向液動(dòng)力對(duì)閥芯就會(huì)產(chǎn)生影響，并且這一影響隨容腔B的形狀、尺寸而不同，難以計(jì)算閥芯、閥體的受力分配，由于此時(shí)控制面積B產(chǎn)生的液動(dòng)力使閥芯趨于開啟，所以它對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)是一個(gè)不穩(wěn)定的因素。

對(duì)于疊加單向閥，如圖8所示，液流經(jīng)過Ⅰ單向閥后，進(jìn)入C腔，油液進(jìn)入C腔產(chǎn)生一定的壓降，而且C腔在徑向液壓力和軸向液動(dòng)力作用下使B腔體積趨于減小，使Ⅰ單向閥閥芯趨于關(guān)閉，作用于D腔的液動(dòng)力使Ⅱ單向閥閥芯趨于關(guān)閉，因此疊加單向閥結(jié)構(gòu)有比較可靠的工作穩(wěn)定性。

3.行業(yè)應(yīng)用及故障分析

如表1所示，目前，該試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)在石化、氧化鋁、礦山及其他特殊化工行業(yè)中得到多次實(shí)踐應(yīng)用，流量從12m3/h～650m3/h，壓力從1.2MPa～35MPa，有一件單向閥結(jié)構(gòu)型式，有疊加單向閥結(jié)構(gòu)形式，單件單向閥通過與其他零部件配合使用，在實(shí)際中也保持了較穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

隔膜泵設(shè)備中常見由單向閥故障引起超壓保護(hù)系統(tǒng)工作異常及排除方法見表2。

結(jié)語

從以上試驗(yàn)分析可得出，如果設(shè)計(jì)隔膜泵壓力P額≤42MPa，采用一件單向閥結(jié)構(gòu)時(shí)，要使超壓保護(hù)系統(tǒng)長(zhǎng)期處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)增加背壓壓力補(bǔ)充油泵，當(dāng)發(fā)現(xiàn)背壓壓力有下降時(shí)，啟動(dòng)油泵將背壓壓力補(bǔ)足。如果設(shè)計(jì)隔膜泵壓力P額≤42MPa，采用單向閥疊加結(jié)構(gòu)時(shí)，通常不需補(bǔ)充背壓壓力，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)前打足背壓壓力即可。

單向閥疊加與隔膜泵液力端直接連接使用，不僅增加了隔膜泵超壓保護(hù)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，而且能增加液力端零部件的柔性，避免零部件剛性損壞。

單向閥疊加在高壓、有壓力波動(dòng)、有壓力沖擊等工況下使用，相對(duì)一件單向閥結(jié)構(gòu)能達(dá)到較高的工作穩(wěn)定性。

單向閥疊加結(jié)構(gòu)不需要在系統(tǒng)中增加關(guān)聯(lián)使用零部件，從而在設(shè)計(jì)、維護(hù)技術(shù)難度和設(shè)計(jì)成本上都有所降低。

[2]王益群，高殿榮．液壓工程師技術(shù)手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

[3]中國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編·液壓與氣動(dòng)裝置卷[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

[4]王亞平，韓桂華，焦衛(wèi)兵．液壓泄露防治技術(shù)[J]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

[5]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

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