一種新型氣動(dòng)隔膜泵的設(shè)計(jì)

楊萬(wàn)澤　史勇　王鈺鋒　宋玲

摘要：氣動(dòng)隔膜泵是一種新型輸送機(jī)械，適于各種復(fù)雜環(huán)境下液體的輸送，但現(xiàn)有的氣動(dòng)隔膜泵產(chǎn)品技術(shù)尚不成熟，隔膜材料和工藝結(jié)構(gòu)存在一定設(shè)計(jì)缺陷，缺乏檢測(cè)膜片破損的裝置，影響氣動(dòng)隔膜泵的疲勞壽命。設(shè)計(jì)一種新型氣動(dòng)隔膜泵，對(duì)隔膜材料、生產(chǎn)工藝及壓蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使之具有震動(dòng)小、氣流控制精確、膜片破損可動(dòng)態(tài)檢測(cè)等功能，提高氣動(dòng)隔膜泵的疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)隔膜泵；檢測(cè)；改進(jìn)；疲勞壽命

中圖分類號(hào)：S277.9+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2019）02-0032-03

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，泵的使用日益增多。氣動(dòng)隔膜泵是一種新型輸送機(jī)械，采用外來(lái)設(shè)備提供動(dòng)力源，適于各種復(fù)雜環(huán)境下的液體輸送，腐蝕性液體和易揮發(fā)、易燃、劇毒液體，均可以抽光和吸凈。它區(qū)別于傳統(tǒng)泵，不需電源且質(zhì)量輕廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石化工業(yè)、食品工業(yè)等行業(yè)。

現(xiàn)有的氣動(dòng)隔膜泵產(chǎn)品技術(shù)尚不成熟，隔膜材料和工藝結(jié)構(gòu)存在一定設(shè)計(jì)缺陷，缺乏檢測(cè)膜片破損的裝置，影響氣動(dòng)隔膜泵的疲勞壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)產(chǎn)氣動(dòng)隔膜泵的疲勞壽命一般為300萬(wàn)次。為了解決技術(shù)缺陷，設(shè)計(jì)出一種新型氣動(dòng)隔膜泵，并對(duì)隔膜材料、工藝及壓蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，膜片破損可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，氣流控制精確，提高了泵的使用壽命，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中具有應(yīng)用意義。

1 新型氣動(dòng)隔膜泵工作原理及技術(shù)參數(shù)

新型氣動(dòng)隔膜泵見(jiàn)圖1 ，其工作原理為：當(dāng)壓縮空氣從泵的氣門機(jī)構(gòu)7入口進(jìn)入閥門后，2個(gè)工作室中的隔膜組件5開(kāi)始移動(dòng)。當(dāng)隔膜組件向左移動(dòng)時(shí)，隔膜泵的左工作室上部球1與右工作室下部球8同時(shí)打開(kāi)，液體通過(guò)左腔上部球閥2排出。與此同時(shí)，另一工作腔中的氣體因?yàn)槿莘e增大、壓強(qiáng)較小，腔體下側(cè)球閥9被打開(kāi)，介質(zhì)流入右側(cè)工作室。當(dāng)滑柱3到達(dá)行程末端時(shí)，氣門機(jī)構(gòu)自動(dòng)將壓縮空氣引入另一個(gè)工作腔，推動(dòng)隔膜組件向相反方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)隔膜的同步往復(fù)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)工作室內(nèi)設(shè)有2個(gè)單向球閥，隔膜往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起工作室內(nèi)部容積的變化，迫使2個(gè)單向球閥交替開(kāi)啟和關(guān)閉，從而連續(xù)吸入和排出液體。新型氣動(dòng)隔膜泵主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.1 隔膜壓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隔膜壓蓋結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。為增加隔膜的疲勞壽命，應(yīng)盡量減小隔膜的應(yīng)力集中。在隔膜4的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)螺栓7、壓蓋6與隔膜5的連接處是應(yīng)力相對(duì)集中的地方，見(jiàn)圖3。如果隔膜壓蓋與隔膜接觸過(guò)緊，工作過(guò)程中壓蓋連續(xù)與隔膜產(chǎn)生摩擦，就會(huì)導(dǎo)致隔膜漸漸磨損。當(dāng)出現(xiàn)薄膜厚度不一時(shí)，薄膜最薄處極易發(fā)生破裂。當(dāng)氣腔1內(nèi)發(fā)現(xiàn)許多粉末時(shí)，表明隔膜嚴(yán)重磨損且容易破裂。

解決隔膜磨損影響疲勞壽命問(wèn)題，一是改進(jìn)隔膜。只要隔膜安裝不受影響，波紋隔膜的波形半徑可盡可能增加，且所有過(guò)渡圓角也適當(dāng)增加。同時(shí)，隔膜的橡膠材料應(yīng)選用進(jìn)口橡膠，簾子布需嚴(yán)格控制硫化過(guò)程。二是壓蓋增大。液體接觸端為平坦壓蓋，隔膜內(nèi)側(cè)則為弧形壓蓋，這樣，隔膜在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與壓蓋的接觸始終沿著弧形壓蓋的弧形邊緣線接觸。

1.2 減小脈沖、噪音、震動(dòng)的裝置設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的氣動(dòng)隔膜泵在流體輸送時(shí)，隔膜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成壓力不穩(wěn)定，流體排出時(shí)容易產(chǎn)生震動(dòng)。如果某些流體或工藝的要求較為嚴(yán)格，譬如流量均勻、變化較小等場(chǎng)合，則需在氣動(dòng)隔膜泵的出口加恒壓閥，以確保輸出口的流體壓力穩(wěn)定。氣動(dòng)隔膜泵的出口會(huì)有脈沖、噪音和管路振動(dòng)現(xiàn)象，大氣量時(shí)這一現(xiàn)象特別明顯。而根據(jù)環(huán)保要求，氣動(dòng)隔膜泵的排氣噪音必須予以消除，為此，對(duì)氣動(dòng)隔膜泵進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，見(jiàn)圖4。

以彈性座封偏心旋塞閥4作為泵出口控制閥，兼具防回流、防液體沖擊和調(diào)水量的功能，同時(shí)，設(shè)置了壓力測(cè)試裝置1，方便出口壓力檢測(cè)。當(dāng)泵起動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)手柄3逐漸開(kāi)大，流量輸出慢慢增加，既不會(huì)造成液體沖擊，也不會(huì)損壞系統(tǒng)上的設(shè)備。當(dāng)泵關(guān)閉時(shí)，先關(guān)閥再停泵，實(shí)現(xiàn)分段關(guān)閉，使控制閥與泵關(guān)閉保持同步，可防止水流回流產(chǎn)生液體沖擊。利用旋塞閥的調(diào)流和截流功能，根據(jù)管理需要調(diào)節(jié)管路送水量，這樣既可解決脈沖、噪音和震動(dòng)問(wèn)題，又能調(diào)節(jié)泵出口壓力。

1.3 破膜檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)隔膜泵以壓縮空氣為動(dòng)力源，通過(guò)隔膜往復(fù)變形、體積變化頻繁工作，容易加快隔膜磨損。隔膜泵系統(tǒng)在輸送那些對(duì)人體危害較大、不便接觸或化學(xué)性質(zhì)較不穩(wěn)定的液體時(shí)，一旦發(fā)生隔膜破裂事故，后果嚴(yán)重。這就要求控制系統(tǒng)能及時(shí)檢測(cè)到隔膜破裂情況，并發(fā)出聲光報(bào)警，做出保護(hù)措施。新設(shè)計(jì)的破膜檢測(cè)裝置由光纖連接頭2、光纖3和光纖放大報(bào)警器5組成，如圖5所示。該裝置既能簡(jiǎn)便快速地檢測(cè)膜片破損程度，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少、響應(yīng)速度快。

1.4 氣流控制器的設(shè)計(jì)

在氣動(dòng)管路中，氣室有定容氣室和彈性氣室兩種形式。不同容積的氣室獲得相同的壓力增量，所需的氣體增量并不相同。容積大的氣室較容積小的氣室所需氣體增量顯然要大，即氣室體積大則儲(chǔ)存能力大， 氣室體積小則儲(chǔ)存能力小。設(shè)計(jì)一種氣流控制器，見(jiàn)圖6。

氣流控制器與控制閥鏈接，可連續(xù)、精確地調(diào)節(jié)進(jìn)氣口的氣體流量、壓力、溫度等，從而滿足工藝需求。控制閥由外部設(shè)備提供空氣，推動(dòng)活塞在閥體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)隔膜往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣流控制器可以通過(guò)控制閥門開(kāi)度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便、動(dòng)作可靠、調(diào)節(jié)靈敏等特點(diǎn)。

2 新型氣動(dòng)隔膜泵創(chuàng)新之處

多通式氣動(dòng)隔膜泵有主進(jìn)料口、側(cè)進(jìn)料口、主出料口和側(cè)出料口，每個(gè)進(jìn)出口均設(shè)有閥和閥塞，進(jìn)出料閥塞可與任意進(jìn)出料閥相連。其管路采用多個(gè)方向的進(jìn)料閥和出料閥，原料傳輸便捷，工作狀態(tài)穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)泵體造成不良影響。與傳統(tǒng)泵的最大區(qū)別在于沒(méi)有軸等旋轉(zhuǎn)部件，因而不會(huì)出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。多通式氣動(dòng)隔膜泵依靠隔膜將泵送介質(zhì)與泵運(yùn)動(dòng)部件完全分開(kāi)，因此，在泵送介質(zhì)時(shí)不會(huì)損壞運(yùn)動(dòng)部件，也不會(huì)向外泄漏。尤其在泵送有毒、易揮發(fā)或腐蝕性物質(zhì)時(shí)，不會(huì)造成環(huán)境污染和人身傷害。泵送食品等也比較安全可靠。

改進(jìn)前，隔膜推桿（見(jiàn)圖7）與2套隔膜組件連接，其中1套組件拆卸較為容易，但另一端的隔膜組件很難拆卸， 因?yàn)楦裟U很光滑，難以受力。為此，特在隔膜桿中部銑削2個(gè)對(duì)稱的小平面3，使用扳手拆卸快捷方便，如圖7所示。同時(shí)，采用側(cè)端接口歧管設(shè)計(jì)，不僅可以避免介質(zhì)泄漏污染氣閥，而且能夠保護(hù)氣體分配系統(tǒng)，使其免受管路連接處可能發(fā)生的泄露威脅。

3 結(jié)語(yǔ)

論述氣動(dòng)隔膜泵的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)與現(xiàn)有隔膜泵對(duì)比，得出以下結(jié)論：新型氣動(dòng)隔膜泵可有效解決傳統(tǒng)隔膜泵出現(xiàn)的噪音大、氣流控制不穩(wěn)、無(wú)法快速檢測(cè)隔膜破損、隔膜推桿組件拆卸困難等問(wèn)題；通過(guò)有限元分析，優(yōu)化了隔膜結(jié)構(gòu)和破膜檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)，大大縮短了故障檢查時(shí)間，提高了氣動(dòng)隔膜泵工作效率和使用可靠性。下一步還需多次試驗(yàn)，以充分驗(yàn)證氣動(dòng)隔膜泵的性能，確定隔膜泵的最佳工藝參數(shù)，結(jié)合PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)精確控制，使氣動(dòng)隔膜泵的性能更可靠、應(yīng)用更廣泛。

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