氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)啟停裝置的研究與應(yīng)用

張亮ZHANG Liang

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)有限公司礦山管理分公司，邯鄲 056000）

0 引言

目前，煤礦井下工作面排水方式多采用電動(dòng)排水和風(fēng)動(dòng)排水。但在井下由于地質(zhì)條件變化，造成巷道高低起伏較多，各個(gè)低洼點(diǎn)容易出現(xiàn)積水，不論采取哪種方式，均需要人員經(jīng)常觀察水位、水情，造成勞動(dòng)資源的浪費(fèi)；另外電動(dòng)排水由于動(dòng)力原因，耗能高，運(yùn)行過程中設(shè)備易損壞，維修費(fèi)用高，現(xiàn)場(chǎng)使用與風(fēng)動(dòng)排水相比較，局限性多。水害作為煤礦五大地質(zhì)災(zāi)害之一，防治水工作非常重要，水泵排水在煤礦始終作為一項(xiàng)重要工作來抓，才能保證現(xiàn)場(chǎng)正常生產(chǎn)。在水泵的選擇上，現(xiàn)場(chǎng)主要有電動(dòng)泵與風(fēng)動(dòng)泵兩種，電動(dòng)泵根據(jù)功率的不同適合不同的水倉使用，應(yīng)用范圍比較廣泛，但是存在一個(gè)弊端，電動(dòng)泵管理不當(dāng)容易燒壞，修復(fù)成本高且耗能量大，氣動(dòng)泵相對(duì)而言，動(dòng)力主要來于高壓風(fēng)力，揚(yáng)程較小，適合落差相對(duì)較小的巷道水倉使用，節(jié)能耐用，使用較為廣泛。

氣動(dòng)隔膜泵是一種小型排水設(shè)備，常用于井下涌水量不大的采掘工作面。采用壓縮空氣為動(dòng)力，適用于井下各類復(fù)雜和空間狹小的環(huán)境，在各種水質(zhì)中均能正常使用，氣動(dòng)隔膜泵自解決了傳統(tǒng)的以電為動(dòng)力的問題，在煤礦井下快速地推廣應(yīng)用。氣動(dòng)隔膜泵根據(jù)使用場(chǎng)合不同、排放的水質(zhì)不同，分別采用了丁晴橡膠、氯丁橡膠等材料制作。以更好地滿足不同場(chǎng)合的需要，均取得了滿意的效果。

由于上述氣動(dòng)隔膜泵排水方便、使用安全的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在煤礦井下水窩排水的工作中，氣動(dòng)隔膜泵采用壓縮空氣為動(dòng)力源，用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)中心泵軸在相對(duì)的兩個(gè)膜片之間頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過進(jìn)出口單向閥作用實(shí)現(xiàn)介質(zhì)輸送過程。氣動(dòng)隔膜泵工作利用壓縮空氣給泵提供動(dòng)力，當(dāng)水位低于一定程度時(shí)，泵已打不出水，但壓縮空氣還在給泵提供動(dòng)力，不僅浪費(fèi)了壓風(fēng)資源、增加了泵的磨損，對(duì)安全生產(chǎn)造成隱患。如何能夠在水位降低道要求范圍內(nèi)，自動(dòng)關(guān)閉壓縮空氣，停止泵的工作，使泵的使用壽命延長，研制出一種結(jié)構(gòu)簡單、可根據(jù)水位情況進(jìn)行自動(dòng)啟閉的全自動(dòng)控制氣動(dòng)隔膜泵是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的技術(shù)問題。

1 氣動(dòng)隔膜泵工作原理

井下高壓風(fēng)管中的壓縮氣體通過高壓氣動(dòng)閥門，將壓縮空氣輸入到氣動(dòng)隔膜泵，來驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)隔膜泵中間體內(nèi)連接軸來帶動(dòng)隔膜泵泵體介質(zhì)室內(nèi)的膜片工作，做往復(fù)拉伸運(yùn)動(dòng)來達(dá)到自吸介質(zhì)的作用。氣動(dòng)隔膜泵一般分兩種，一種是QBY氣動(dòng)隔膜泵，俗稱外置配氣閥隔膜泵，從外觀上看：泵體中間有一個(gè)配氣閥和一個(gè)導(dǎo)向閥，一般是被稱為：“氣室”，都設(shè)置在隔膜泵的中心部位。另一種是QBK氣動(dòng)隔膜泵，俗稱內(nèi)置配氣閥隔膜泵，因?yàn)閺耐庥^上看：只有中間一個(gè)配氣閥，其他和QBY氣動(dòng)隔膜泵相同，兩邊隔排立柱和上下進(jìn)出口管。介質(zhì)流動(dòng)通過兩個(gè)回流管和外隔膜室，稱為“介質(zhì)室”。介質(zhì)在通過隔膜泵時(shí)，軟密封球芯和閥座不停的開關(guān)動(dòng)作，使得每個(gè)外隔膜室內(nèi)的介質(zhì)只能單向地交替地填充和排出，球芯和閥座對(duì)通過的壓力差做出反應(yīng)。并且由于球芯和閥座的軟密封形式，還可以通過含小顆粒的介質(zhì)。

2 氣動(dòng)隔膜泵特性

①氣動(dòng)隔膜泵代替了傳統(tǒng)電泵，能夠在易燃易爆的環(huán)境中使用且成本低。②在各種惡劣的工作環(huán)境，如煤礦井下的積水排放、由于積水中的煤渣多，管路易于堵塞，這樣對(duì)電泵葉輪、泵體磨損較大，電機(jī)發(fā)熱易損。氣動(dòng)隔膜泵可通過較大顆粒煤渣，且排水流量可通過調(diào)節(jié)高壓進(jìn)氣閥進(jìn)行調(diào)整，管道堵塞時(shí)自動(dòng)停止工作，直至通暢。③用壓縮空氣作為動(dòng)力，流量隨出口阻力的變化而自動(dòng)調(diào)整，適合用于中高粘度的流體。而離心泵的工作點(diǎn)是以水為基準(zhǔn)設(shè)定好的，如果用于粘度稍高的流體，則需要配套相應(yīng)的泵體和電機(jī)，泵的制造成本大大提高。④氣動(dòng)隔膜泵體積小，適合于井下安裝條件受限的狹小空間，不需要專門打設(shè)底座，占地面極小，連接高壓進(jìn)氣管路和進(jìn)水、排水管路即可進(jìn)行工作?？勺鳛橐苿?dòng)式物料輸送泵。⑤由于氣動(dòng)隔膜泵的特殊結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑽锪显谳斔瓦^程中與外界隔離，適合使用在有危害性、腐蝕性的物料處理中。⑥氣動(dòng)隔膜泵的動(dòng)力部分和輸送部分互不連通，可用于輸送化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的流體。很多難以人工完成的工作都可以通過氣動(dòng)隔膜泵來完成，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，間接地保證了工人的人身安全。

3 氣動(dòng)隔膜泵優(yōu)點(diǎn)

氣動(dòng)隔膜泵具有質(zhì)量可靠使用震動(dòng)小、壽命長、噪音低、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，既能在干凈水質(zhì)環(huán)境下工作，又能在含有泥沙、腐蝕性水質(zhì)環(huán)境下工作，具有泥漿泵、離心泵、潛水泵等排水設(shè)備的許多優(yōu)點(diǎn)。

①使用范圍廣，對(duì)水質(zhì)要求低，能夠排放顆粒較大的雜質(zhì)以及泥沙較多的水質(zhì)，抽送泥漿、雜質(zhì)時(shí)，對(duì)泵磨損較小。②可通過控制閥門大小，來控制揚(yáng)程、流量。（氣壓調(diào)節(jié)在1-8.4bar之間）③采用壓縮空氣為動(dòng)力，在井下有有瓦斯涌出及無電源場(chǎng)所均可工作，安全性能高。④氣動(dòng)單向隔膜泵不需灌泵，吸程高達(dá)8.8米，揚(yáng)程達(dá)84米，出口壓力≧8.4bar。⑤氣動(dòng)隔膜泵抽送介質(zhì)與泵的運(yùn)動(dòng)部件完全隔開，輸送的介質(zhì)不會(huì)向外泄漏。因此抽送有毒、易揮發(fā)或腐蝕性介質(zhì)時(shí)，不會(huì)造成泵體的損壞。⑥體積小，適用于各種井下環(huán)境。⑦氣動(dòng)隔膜泵無須用油潤滑，即使空轉(zhuǎn)，對(duì)泵也無任何影響。⑧氣動(dòng)隔膜泵結(jié)構(gòu)簡單、安裝、維修方便，介質(zhì)不會(huì)接觸到配氣閥，聯(lián)桿等運(yùn)動(dòng)部件，杜絕了因部件的磨損而使工作性能下降。⑨能夠適應(yīng)粘稠度較高的水質(zhì)。（粘度在25000厘泊以下）⑩操作簡單、工作可靠、通過開、閉高壓控制閥門即可實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)隔膜泵的工作與停止，具有超載停機(jī)功能，如果出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象，保護(hù)動(dòng)作，氣動(dòng)隔膜泵停止工作，故障排除，負(fù)荷恢復(fù)正常后，自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。

對(duì)于涌水量不大，又需經(jīng)常進(jìn)行間歇性排水的地點(diǎn)，目前常用的做法是將位于礦井巷道內(nèi)的氣動(dòng)隔膜泵的壓風(fēng)供風(fēng)量閥門大小調(diào)到合適程度，一直供風(fēng)，氣動(dòng)隔膜泵24小時(shí)不間斷地進(jìn)行排水，這樣就導(dǎo)致了礦井壓風(fēng)的浪費(fèi)，造成壓風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)壓力不足，風(fēng)錘、風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)等風(fēng)動(dòng)工具不能正常使用，影響礦井采掘工作面正常的安全生產(chǎn)作業(yè)。即目前的排水方法浪費(fèi)了大量的礦井壓風(fēng)資源，同時(shí)也縮短了氣動(dòng)隔膜泵的使用壽命。

針對(duì)上述氣動(dòng)隔膜泵排水裝置資源浪費(fèi)嚴(yán)重，且易導(dǎo)致礦井壓風(fēng)壓力不足的缺陷，需要研制出根據(jù)水倉水位高低，控制氣動(dòng)隔膜泵的開啟和關(guān)閉，做到有水開泵，無水停泵，無需人工干預(yù)的氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置成為本次研究的課題。

4 研究及實(shí)施過程

為實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)水滿啟動(dòng)水少停泵的原則，我們組織技術(shù)人員及氣動(dòng)隔膜泵使用單位技術(shù)負(fù)責(zé)人在現(xiàn)場(chǎng)盯守觀察，經(jīng)過多次試驗(yàn)改進(jìn)，最終達(dá)到最佳使用效果。我們自行研發(fā)的氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)控制排水裝置，氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)控制排水裝置包括控制主機(jī)、浮漂、壓風(fēng)管、排水管、配重、連桿、氣動(dòng)閥、磁鐵、鋼珠等。

圖2 氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)控制裝置實(shí)物圖

氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)控制排水裝置特征是所述控制主機(jī)連接浮漂和配重，浮漂、配重和連桿位于控制主機(jī)的下方，主機(jī)閥門進(jìn)風(fēng)側(cè)連接進(jìn)風(fēng)管，主機(jī)閥門出風(fēng)側(cè)連接氣動(dòng)隔膜泵，主閥進(jìn)氣接頭為氣動(dòng)快插接頭，易于裝配，插接迅速。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是水位發(fā)生變化時(shí)，浮漂和配重根據(jù)浮力大小，隨水位高低上下浮動(dòng)，最終通過連桿機(jī)構(gòu)與主機(jī)內(nèi)磁鐵作用，控制主機(jī)氣動(dòng)閥的閥門開與關(guān)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)路的瞬通與瞬閉，杜絕了氣動(dòng)隔膜泵連續(xù)小風(fēng)量供風(fēng)而造成的資源浪費(fèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)隔膜泵的工作與停止，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)控制。

氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)控制裝置的工作原理：

①水倉水位上升，浮漂在浮力作用下帶動(dòng)配重和連桿向上移動(dòng)，連桿推動(dòng)空心杠桿向上抬起，在抬高到一定高度后，空心杠桿內(nèi)的滾珠在重力作用下向另一側(cè)滾動(dòng)，壓動(dòng)杠桿磁鐵一側(cè)下降，同時(shí)在磁鐵吸力的作用下快速下降，杠桿上滾輪向下移動(dòng)，壓住氣動(dòng)閥門開關(guān)，氣動(dòng)閥門打開，壓風(fēng)通過氣動(dòng)閥門進(jìn)入氣動(dòng)隔膜泵，氣動(dòng)隔膜泵工作開始排水。②隨著排水工作的進(jìn)行，水倉水位下降，浮漂沒有了浮力支撐，在配重的帶動(dòng)下開始隨著水面向下移動(dòng)，當(dāng)配重重力大于磁鐵吸引力時(shí)，杠桿帶動(dòng)滾輪向上抬起，松開氣動(dòng)閥門控制開關(guān)，氣動(dòng)閥門關(guān)閉，氣動(dòng)隔膜泵停止工作。③隨著時(shí)間推移，水倉內(nèi)水位又不斷上升，氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置重復(fù)步驟①和步驟②，實(shí)現(xiàn)水倉內(nèi)積水的間歇性排放。

圖3 氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)控制裝置原理結(jié)構(gòu)示意

氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置的研制成功，并投入使用以來，從運(yùn)行情況來看，既不用專人開停泵，又達(dá)到了節(jié)能的效果，大大節(jié)省了資金投入。并且減少了因人為操作不當(dāng)對(duì)設(shè)備造成的影響。通過本次嘗試，證明此項(xiàng)研發(fā)是成功的，值得大力推廣。

5 主要技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容

①氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)控制裝置在水位達(dá)到上限高度時(shí)開啟，水位降到下限高度時(shí)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)隔膜泵間歇性排水，與原有的排水裝置連續(xù)排水方式相比，大大節(jié)約了礦井壓風(fēng)的使用量、延長了氣動(dòng)隔膜泵的使用壽命。②不設(shè)置專人開停氣動(dòng)隔膜泵泵，降低了人力資源成本，減少了因人為操作不當(dāng)或責(zé)任心不到位造成的誤操作。③適用于各種有積水的采掘巷道，無需電源即可完成自動(dòng)控制排水，配合氣動(dòng)隔膜泵使用，能夠?qū)崿F(xiàn)氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)開停，做到有水排水無水停泵，杜絕了因氣動(dòng)隔膜泵長期小流量工作，減少了工作時(shí)間，有效降低了氣動(dòng)隔膜泵的磨損。

6 實(shí)踐檢驗(yàn)效果

氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置投入使用以來，克服了電泵易燒壞電機(jī)的弊端，符合了節(jié)能減排的要求，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)化控制，節(jié)省了勞動(dòng)用工，降低了能耗，同時(shí)減少了維修量，使用效果好，運(yùn)行穩(wěn)定良好，通過使用效果看，氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置技術(shù)研發(fā)是成功的。

7 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

實(shí)踐證明，氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置是切實(shí)可行的，氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置投入運(yùn)行以后，延長了設(shè)備使用壽命、減少了人員投入和維修投入，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有非常高的推廣價(jià)值。

7.1 經(jīng)濟(jì)效益

①氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置投入應(yīng)用后，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)隔膜泵間歇性排水，大大節(jié)約了礦井壓風(fēng)的使用量、延長了氣動(dòng)隔膜泵的使用壽命，此項(xiàng)預(yù)計(jì)每年可為礦節(jié)約材料費(fèi)和維修費(fèi)約30萬元。②實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)開停，做到有水排水無水停泵，無需人工干預(yù)，節(jié)約了工人工資，此項(xiàng)預(yù)計(jì)每年可減少工資費(fèi)用約35萬元。通過此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)，可為企業(yè)節(jié)省費(fèi)用：30萬元+35萬元=65萬元。

7.2 社會(huì)效益

氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置項(xiàng)目研發(fā)成功實(shí)施后，增加了排水的可靠性，減少事故隱患，為安全生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)節(jié)省了勞動(dòng)用工，降低了能耗，減少了氣動(dòng)隔膜泵維修工作量和維修費(fèi)用，受到了使用單位的一致好評(píng)。氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置投入使用后，大大減少了因設(shè)備停機(jī)而造成影響生產(chǎn)的時(shí)間，減少了經(jīng)濟(jì)損失，降低了維修成本，提高了工作效率。氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置實(shí)施后，大大節(jié)約了勞動(dòng)用工，降低了能源損耗，減少了勞動(dòng)力成本投入和資源的浪費(fèi)，提高了工作效率，延長了設(shè)備服務(wù)年限，提高了工作效率，大大提升了礦井的科技水平與社會(huì)形象。

8 技術(shù)總結(jié)

本課題研究能夠自動(dòng)開停氣動(dòng)隔膜泵的控制裝置，該氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)排水控制裝置包括氣動(dòng)隔膜泵和水位自動(dòng)控制排水裝置，水位自動(dòng)控制裝置包括氣動(dòng)控制閥、推桿和可漂浮于水中的浮漂，氣動(dòng)控制閥的進(jìn)氣端與氣源相連通，出氣端與氣動(dòng)隔膜泵的進(jìn)氣口相連通，連桿的底端與浮漂固定相連以使浮漂可推動(dòng)連桿升降，連桿的頂端置于控制閥控制端的下方，以使浮漂升起時(shí)推桿觸動(dòng)控制閥的啟、閉來控制控制氣動(dòng)隔膜泵開停；采用氣動(dòng)主閥和浮漂相結(jié)合，用連桿的升降控制氣動(dòng)主閥的通斷，使得水位下降至連桿脫離信號(hào)閥后氣動(dòng)主閥即關(guān)閉，避免氣動(dòng)隔膜泵空轉(zhuǎn)造成能源的浪費(fèi)和機(jī)器的損耗，提高設(shè)備使用壽命。本課題研究的創(chuàng)新成果在于：氣動(dòng)隔膜泵自動(dòng)啟停裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝、維修方便，根據(jù)水倉水位升降，利用控制器中的連桿機(jī)構(gòu)控制高壓氣動(dòng)閥門，可以做到水位升到一定高度后高壓氣動(dòng)閥門打開，自動(dòng)起動(dòng)氣動(dòng)隔膜泵，水位下降到設(shè)定高度后，自動(dòng)停泵。無需人工操作，減少了隔膜泵的空載損耗，既降低了勞動(dòng)力成本，又節(jié)約了壓風(fēng)資源，延長了氣動(dòng)隔膜泵的使用壽命。