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    浅论隔膜泵中提高隔膜寿命的方法.pdf

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    浅论隔膜泵中提高隔膜寿命的方法.pdf

    第 33 卷 2005 年第 5 期71Mining Processing Equipment71连续输送隔 膜泵是国外上世纪六七十年代在泥浆泵的基础上开发的一种新型机电一体化产品。隔膜泵与油隔离泵相比具有设计结构合理、控制系统可靠、运行平稳、噪声低、维修方便、易损件寿命长及节油、节电、节备件等特点。因此,隔膜泵在矿山、冶金、电站、石油及化工等行业使用相当广泛。1 隔膜泵的结构原理图 1 所示的隔膜泵为卧式双作用往复泵,它由电动机带动皮带轮使偏心轮带动连杆,使十字头、活塞杆和活塞作往复运动。活塞的运动通过其两端的推进液 (液压油) 使隔膜产生周期性的往复运动。当隔膜向左运动时,隔膜腔下端的进料阀打开而吸入输送介质;当隔膜向右运动时,隔膜腔上部的出料阀打开而排出输送介质。由图 1 可知,隔膜泵中的隔膜不仅起着密封作用,可以将泵的轴密封,使液压油和输送液体分离开来,而且作为泵的排放膜,还与泵的排量有着密切关系。由此可见,隔膜寿命的长短是影响隔膜泵正常工作时间和工作效率的关键因素之一。2 影响隔膜寿命的因素隔膜寿命的长短主要取决于隔膜运动过程中隔膜的几何形状和尺寸、隔膜的材质和隔膜的受力状态。2.1 隔膜的几何形状和尺寸隔膜的几何形状和尺寸,特别是隔膜边缘几何形状的设计对隔膜寿命的影响很大,一方面需防止应力集中,另一方面还要考虑其密封性,避免液压油与输送介质之间的互渗。2.2 隔膜的材质不同材质的抗疲劳损坏和耐磨蚀的特性差异很大。长期运行在固体颗粒浓度较大的输送介质中的隔膜,尤其是在含大颗粒矿浆时磨损剧烈。有些输送介质腐蚀性强、温度高,会严重影响隔膜寿命。如兰州石油化工机器总厂橡胶制品厂在采用航一 8 配方生产 200 m 3 隔膜泵隔膜时,在 80 ~ 90 ℃ 的工况条件下,隔膜使用寿命为 1 000 h 左右,而温度超过 90 ℃时 , 隔膜寿命只有 100 多 h [1] 。2.3 隔膜的受力状态隔膜的受力状态设计是隔膜设计中最复杂的一项,要考虑的因素很多,在隔膜的几何形状和尺寸确定后,主要受隔膜变形和隔膜腔外型的影响。从理论上分析,只要隔膜凹凸变形包容的输送介质体积等于活塞吸入或排出的液压油的体积,即可防止隔膜产生拉伸变形。但是,泵实际运行时,活塞和活塞杆经过一段时间的运行后会产生磨损,从而增大活塞与缸体及活塞杆与缸体的间隙造成漏油现象,经过一段时间的积累后,油液的泄漏就会促使隔膜在凹凸变形中出现拉伸应力,加速隔膜材料疲劳损坏,从而影响隔膜寿命。3 提高隔膜寿命的方法3.1 选取合适的几何形状尺寸隔膜凹凸变形过程中只有弯曲变形,而没有拉伸变形,按弹性薄壳无矩理论,这种弯曲变形产生的内力极小,甚至可以忽略不计,这就是隔膜长寿命的根本原因。在目前使用的隔膜泵中,一般采用锥台形状、韧性好、厚度薄的隔膜,这样可尽量满足弹性薄壳无矩理论的适用条件 如图 2 所示 。这样从理论上可以实现隔膜的长寿命,但是其缺点是自动补偿能力很差。由于实际的输送介质在输送过程中随机波动时有发生,而自动控制反馈系统往往滞后,这就容易使隔膜因超载而被鼓破。为此,将隔膜变为预变形隔膜,即隔膜的形状不是一块平板形隔膜 如图 2 所示 ,而是预先制成波纹曲面,设计采用耐油、耐磨又具有良好弹性的橡胶,经模具压制成设计给定的波纹曲面 如图 3 所示 。这样一来,隔膜在1 . 活塞 2 . 导杆 3 . 探头 4. 隔膜 5. 进出料阀图 1 隔膜泵的工作原理图1. 探杆 2. 平板隔膜 3. 出料阀 4. 进料阀图 2 锥台隔膜结构原理图1. 探杆 2. 波纹隔膜 3. 出料阀 4. 进料阀图 3 波纹隔膜结构原理图论文编号 1001-3954200505-0071-02浅论隔膜泵中提高隔膜寿命的方法陈岁繁 陈燎原安徽理工大学机械工程系 安徽淮南 232001浅论隔膜泵中提高隔膜寿命的方法第 33 卷 2005 年第 5 期连续输送72Mining Processing Equipment72ababababababababababababababababababababababababababababab往复凹凸运动中自动补偿能力大大提高,不再易被鼓破。3.2 隔膜的材质隔膜材质的改进一般以改善配方为主。如以丁腈胶为主体,加入碳黑及其它防老化剂等。根据输送介质条件选择以定应力为主,按温度、耐碱、耐油等确定的配方,或以定应变为主,按温度、耐碱、耐油等确定的配方等。从结构角度看,可在系统中考虑于输送介质与隔膜之间建立温度缓冲段,使高温的输送介质不直接接触隔膜,而从缓冲段上方排出,以彻底解决耐高温问题。同时还可在流程设计中考虑增加料罐及降低温度梯度的可控冷却装置来解决耐高温的问题。3.3 隔膜受力状态的改进3.3.1 控制隔膜变形方法的改进1 通过设置隔膜行程控制系统,调整活塞与隔膜之间的油量,保证隔膜运动过程中不出现拉伸。因为隔膜的拉伸变形无法检测,可以设置探杆 如图 2 所示 来检测探杆行程,从而检测隔膜位移状态,再通过控制单元来调整油箱中的油量,以防止隔膜拉伸。2 采用预变形橡胶双层复合隔膜。一般的隔膜只有一层,在实际工作中因存在随机振动,其受力状态不好控制。可采用将两层预变形橡胶隔膜很好地吻合在一起的方法,构成一块完整的隔膜,且具有一定的厚度以保证有足够的磨损周期,使得当隔膜从中心平衡位置向两侧挠曲变形到最大允许挠度时,正好使隔膜的曲面伸展成盆状,不产生附加的拉伸应力,使挠曲变形所产生的内应力几乎等于零。这样一来,虽然隔膜在工作状态下不断地从中心平衡位置向两侧做反复挠曲位移,但因内应力近于零,就可大大地延长隔膜的使用寿命。3.3.2 隔膜腔腔形设计的改进对于不同的隔膜泵可以根据泵的具体要求来改进隔膜腔。如如果固定冲程隔膜泵的隔膜在启动前置于前支撑面,泵启动后,活塞驱动液压油作用在隔膜上,使隔膜继续往前运动,对其产生过大应力,很易造成破裂。因此,为了保证泵启动前隔膜置于后支撑面,德国勒瓦公司在隔膜泵型号为 G3F M 514ZS 的泵头上增加一个辅助阀 如图 4 所示 ,并将其安装在液压腔的壳体上。辅助阀能使液压腔和液压油箱连通,形成液压油旁路。通过一个电磁阀使0.3 ~ 0.7 MPa 的空气进入辅助阀活塞的下面,活塞克服弹簧力向上运动,顶开球阀A,使液压室和液压油箱之间连通。泵体引液后,靠操作室中输送液体的压力推动隔膜向后运动,使隔膜置于后支撑面,实现隔膜定位,同时液压室中的液压油通过辅助阀回流到液压油箱。该辅助阀除了有隔膜定位的作用外,还有启动辅助的功能。它保证了膜片在启动泵时位于后支撑面,使膜片受力均匀,避免隔膜因应力过大而破裂,有效地保护了隔膜,同时实现了隔膜泵低负荷启动,降低了启动电流,保护了电机 [2] 。参 考 文 献1 丁宏铃 . 200m 3 隔膜泵隔膜的研制 . 世界橡胶工业, 200242 高秀学 . 固定冲程隔膜泵的结构改进 . 设备管理与维修, 20031 □ 收稿日期 2004-12-20 上接第 70 页 也就是说增加了缓冲托辊的柔性。2.2 缓冲托辊的设计制造改进后的缓冲托辊如图 4 所示。装配后,在托辊自重的作用下,缓冲弹簧被压缩在两个挡片之间,并产生动态的平衡。在这里,最主要的问题是如何确定弹簧的倔强系数 m,以使得在抛落冲击力的作用下弹簧能起到应有的缓冲作用。由于抛落冲击力 f H 、 v、 Q 、 a ,具体的计算很复杂,并且也不易准确计算出来。在这里,主要考虑 H 、 v、 Q 三方面的影响,以静态的条件下很容易计算出来冲击力 f 的大小,然后再考虑托辊的自重q ,利用杠杆的比例原理,也很容易计算出弹簧所承受的压力 F ,这样就很容易确定出所需弹簧的倔强系数 m,具体的计算不再详说。需要说明的是这里计算出来 的 F 和 m 只是个参考值。 另 外, 为使弹簧能产生合适的弹力,还必须对其压缩量进行调解,也就是说在设计时还要考虑弹簧压缩量的可调性。从图 4 可以看出,该改进设计过程比较简单,只是利用滑杆 L 2 上面的弹簧进行二次缓冲,就使得煤炭抛落产生的对胶带、托辊的冲击力得到有效的缓解,对原来缓冲托辊的外形尺寸基本上不会产生较大的改动,有利于保持原来托辊的安装结构。另外,在增加少量的附件后,缓冲托辊的缓冲功能得到了比较大的提高,并且加工装配也比较简单,制造成本并不会明显增大。4 具体应用及反馈改进问题该缓冲托辊经过具体的设计制造,已在甘肃华亭、平煤集团等多家煤矿新制造的各型带式输送机上 如大型带式输送机的 f 155 缓冲托棍 使用,后经多家用户反映,采用的缓冲弹簧倔强系数偏小,也就是说弹簧偏软,后再通过加大弹簧直径的方法使得问题得以解决。根据最近几年的使用,最终反映该缓冲托辊比原来普遍使用的缓冲托辊有明显的缓冲保护作用。参 考 文 献1 孙 恒, 傅则绍 . 机械原理 . 北京 高等教育出版社, 1995. □ 收稿日期 2004-12-20图 4 设计制造示意图图 4 辅助阀机构图浅论隔膜泵中提高隔膜寿命的方法

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