王小磊（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧　沈陽　110144）

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往復(fù)式活塞隔膜泵氣動系統(tǒng)誤動作分析與研究

王小磊
（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧沈陽110144）

摘要：往復(fù)式活塞隔膜泵氣動系統(tǒng)誤動作發(fā)生后必將導(dǎo)致隔膜泵設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而對于成套管道工藝系統(tǒng)，其中一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障將會導(dǎo)致工藝系統(tǒng)中其它設(shè)備進(jìn)入癱瘓狀態(tài)，因此，避免誤動作對提高單臺設(shè)備和整套工藝設(shè)備的工作效率及改善經(jīng)濟(jì)性有積極的推動作用。本文從往復(fù)式活塞隔膜泵氣動系統(tǒng)的基本原理、構(gòu)成和控制過程開始，系統(tǒng)的分析了引起往復(fù)式活塞隔膜泵氣動系統(tǒng)誤動作的各種原因及避免誤動作發(fā)生的解決方法。

關(guān)鍵詞：隔膜泵；氣動系統(tǒng)；誤動作

1 前言

往復(fù)式活塞隔膜泵作為一種高效率礦漿輸送設(shè)備，目前已經(jīng)將其使用場合由最初的氧化鋁和礦山行業(yè)拓展到了石油化工、遠(yuǎn)距離輸送、市政工程等多個應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前往復(fù)式活塞隔膜泵最大流量已經(jīng)可設(shè)計達(dá)到650m3/h，最高設(shè)計壓力可達(dá)35MPa?？刂葡到y(tǒng)作為往復(fù)式活塞隔膜泵中重要的組成部分，是影響整套隔膜泵設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，而氣動系統(tǒng)是控制隔膜泵自動補(bǔ)排油的核心部分之一，其工作穩(wěn)定性、響應(yīng)快速性和動作準(zhǔn)確性直接關(guān)系到補(bǔ)排油系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行，進(jìn)而起到保護(hù)隔膜泵橡膠隔膜的作用。

2 系統(tǒng)介紹

往復(fù)式活塞隔膜泵氣動系統(tǒng)是由二次壓力控制回路和換向回路構(gòu)成的開式系統(tǒng)，主要由氣源部分、信號輸入部分、信號處理部分和命令執(zhí)行部分組成。

2.1 系統(tǒng)組成及控制過程

氣源部分主要包含：空氣壓縮機(jī)、氣動三聯(lián)件及管件?？諝鈮嚎s機(jī)是氣壓傳動與控制的動力源，常用1MPa壓力等級的氣壓作為輸出動力源；氣動三聯(lián)件主要用來進(jìn)行管路空氣過濾，壓力調(diào)節(jié)和油霧潤滑；管件包含快速接頭、螺旋軟管等連接件。

信號輸入部分主要通過隔膜泵液力端信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，壓力傳感器傳送壓力控制信號。

信號處理由電氣控制，PLC來進(jìn)行控制與處理。

命令執(zhí)行主要通過二位三通電磁閥接受了信號處理后被命令去控制兩位兩通閥組的啟閉。

系統(tǒng)的整個控制過程如圖1所示。

2.2 工作原理

以三缸單作用往復(fù)式活塞隔膜泵為例，其氣動系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖2所示，由氣源1（空氣壓縮機(jī)）供給的壓縮空氣經(jīng)截止閥2，管件3、4進(jìn)入氣源調(diào)節(jié)裝置5，經(jīng)氣源調(diào)節(jié)裝置過濾、調(diào)壓、穩(wěn)定后的壓縮空氣通過單向閥8進(jìn)入處理元件二位三通電磁閥9，由二位三通電磁閥9的自動換向來控制液壓兩位兩通閥組的啟閉，從而起到自動補(bǔ)排油作用。壓力表6用來監(jiān)測就地壓力讀數(shù)，系統(tǒng)壓力值通過壓力傳感器反饋給PLC，當(dāng)空氣壓力低（L）時，PLC控制發(fā)出報警信號，當(dāng)空氣壓力繼續(xù)降低，達(dá)到低低（LL）設(shè)定值時，PLC控制隔膜泵整體停機(jī)。

3 系統(tǒng)分析

往復(fù)式活塞隔膜泵通常將氣動系統(tǒng)連鎖條件設(shè)定為低壓（L）報警，低低壓（LL）停車，對于引起氣動系統(tǒng)誤動作的原因，本文從兩方面進(jìn)行分析研究，首先從氣源供氣和管路布置兩方面考慮，對系統(tǒng)進(jìn)行分析計算。其次，對控制點(diǎn)位置進(jìn)行現(xiàn)場試驗驗證。

3.1 系統(tǒng)分析計算

3.1.1 空壓機(jī)計算

往復(fù)式活塞隔膜泵氣源通常為空氣壓縮機(jī)，當(dāng)空壓機(jī)選用能力不足或所取裕量偏小，不能滿足設(shè)備在高峰負(fù)載時的耗氣值，都可能發(fā)生供氣壓力不足，由壓力傳感器反饋輸出動作信號，從而發(fā)生報警或停車狀況?？諌簷C(jī)具體選型計算如下。

圖1　往復(fù)式活塞隔膜泵氣動系統(tǒng)控制過程

圖2　三缸單作用隔膜泵氣動系統(tǒng)原理圖

表1

壓機(jī)的輸出壓力pc：

pc＝p＋∑△p（MPa）

pc——空壓機(jī)的輸出壓力；

p——?dú)鈩訄?zhí)行元件的最高使用壓力，MPa；

∑△p——?dú)鈩酉到y(tǒng)的總壓力損失，MPa；

一般情況下，令∑△p＝0.15MPa～0.2MPa。

②空壓機(jī)的吸入流量qc：

qc＝kqb（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

（a）不設(shè)氣罐，qb＝gmax

（b）設(shè)氣罐，qb＝qsa

qc——空壓機(jī)的吸入流量，（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

qb——向氣動系統(tǒng)提供的流量，（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

gmax——?dú)鈩酉到y(tǒng)的最大耗氣量，（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

qsa——?dú)鈩酉到y(tǒng)的平均耗氣量，（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

k——修正系數(shù)，一般可令k＝1.3～1.5。

而對于三缸單作用氣動系統(tǒng)每分鐘最大耗氣量（Q）為：

d1——執(zhí)行元件缸徑，mm；

S——執(zhí)行元件行程，mm；

③空壓機(jī)的功率N：

p1——吸入空氣的絕對壓力，MPa；

pc——輸出空氣的絕對壓力，MPa；

κ——等熵指數(shù)，κ＝1.4；

n——中間冷卻器個數(shù)。

另外，空壓機(jī)自身故障，也可能導(dǎo)致其無法正常供氣，引發(fā)信號誤動作，如空壓機(jī)中有關(guān)鍵零部件損壞或閥門位置不正確等等。

3.1.2 管路計算

隔膜泵氣動系統(tǒng)管路是輸送氣體的重要通道。由主管路、分支管路、管接頭組成，如圖2三缸單作用隔膜泵氣動系統(tǒng)原理圖所示，氣源1到單向閥8之間為主管路，其余為分支管路。如果管路通徑偏小而輸送距離較長時，必將導(dǎo)致供氣不足。

氣源系統(tǒng)中的管路直徑與其通過的流量、工作壓力、管路長度和壓力損失等因素有關(guān)。

式中：

d——管路內(nèi)經(jīng)，m；

p1——工作壓力，bar；

△p——壓力損失，Pa，應(yīng)該不超過0.1bar；

L——管道的名義長度，m；

V——流量，m3/s。

為使執(zhí)行元件正常工作，氣流通過各種元件、輔件到到執(zhí)行元件的總壓力損失必須滿足下式：

K△p∑△pξ2≤[∑△p]

式中：

∑△pξ2——流經(jīng)元、輔件的總壓力損失；

K△p——壓力損失簡化修正系數(shù)，K△p＝1.05～1.3。

如果驗算的總壓力損失K△p≤[∑△p]，則上邊初步選定的管徑可定位所需要的管徑。如果總壓力損失∑△p＞[∑△p]，必須加大管徑或改進(jìn)管道的布置，以降低總壓力損失，直到∑△p＜[∑△p]為止。

在無油壓縮機(jī)中，空氣中吸入的油霧會導(dǎo)致油污殘渣，這些油污會造成敏感部件的阻塞。同樣，對有油潤滑的壓縮機(jī)，在高溫壓縮下，油污將產(chǎn)生焦油和炭顆粒，這些產(chǎn)生物會對元件造成更大的傷害。因此，為保證設(shè)備連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，壓縮空氣的凈化和預(yù)處理也是設(shè)計研發(fā)過程中需要考慮的重要問題。

3.2 控制點(diǎn)選取試驗

控制取樣點(diǎn)的合理選取直接關(guān)系到數(shù)據(jù)輸出的準(zhǔn)確性，因此，在隔膜泵氣動系統(tǒng)中采用試驗的方法選擇最佳壓力取樣點(diǎn)，來避免連鎖控制誤動作。

3.2.1 試驗條件

如圖2所示的三缸單作用隔膜泵氣動系統(tǒng)原理圖，在a，b，c三處分別安裝儀表檢測元件來進(jìn)行壓力取樣，分別在空載和加載情況下進(jìn)行試驗。儀表所用技術(shù)參數(shù)見表1。

3.2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

（1）當(dāng)有1個二位三通電磁閥動作時，a（前端）、b（中間）、c（后端）3處壓力數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，如圖3所示。

（2）當(dāng)有2個二位三通電磁閥動作時，a（前端）、b（中間）、c（后端）3處壓力數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，如圖4所示。

（3）將件8單向閥去掉后，有2個二位三通電磁閥動作時，a（前端）、b（中間）、c（后端）3處壓力數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，如圖5所示。

（4）將負(fù)載升到6.4MPa后，有2個二位三通電磁閥動作時， a（前端）、b（中間）、c（后端）3處壓力數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，如圖6所示。

圖3

圖4

圖5

圖6

表2

3.3.3 試驗結(jié)果

將各試驗結(jié)果下限數(shù)據(jù)匯總后，見表2。

由表2可得出，amin中數(shù)據(jù)無論在空載和加載情況下相對最穩(wěn)定，但是其數(shù)據(jù)為氣源出口處未經(jīng)壓力調(diào)定的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映氣動控制閥和執(zhí)行元件的實際運(yùn)行狀況，因此a處數(shù)據(jù)只作為保留數(shù)據(jù)。bmin中數(shù)據(jù)在空載情況下相對平穩(wěn)，在加載后其壓力值反而上升，而且觀察其輸出曲線，較其它2條曲線，b處曲線波動最小，所以b處可作為取樣點(diǎn)之一。cmin中多次出現(xiàn)小于0.4MPa數(shù)據(jù)，而0.4MPa正是隔膜泵空氣連鎖壓力數(shù)據(jù)下限值，因此c處取樣點(diǎn)不可選。

從以上試驗過程同時可得出，外部氣動元器件對壓力控制點(diǎn)的正確選取也有影響，在研發(fā)設(shè)計中應(yīng)全面考慮各環(huán)節(jié)的構(gòu)成情況及正反效應(yīng)。

結(jié)論

引發(fā)往復(fù)式活塞隔膜泵氣動系統(tǒng)誤動作的情況可歸納為四大類：

（1）氣源選型計算合理性和完整性。

（2）管路計算及系數(shù)裕度選取合理性。前兩條屬于基礎(chǔ)性問題，對于該類問題在研發(fā)設(shè)計中應(yīng)當(dāng)充分考慮各因變量與變量之間的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)選取合理的系數(shù)裕度，絕對避免誤差放大。

（3）壓力控制點(diǎn)位置選取合理性。首先應(yīng)明確該壓力控制點(diǎn)的控制目標(biāo)和控制作用，其次對其控制方法及控制參數(shù)作出合理設(shè)計，最后應(yīng)當(dāng)選擇最佳控制點(diǎn)作為數(shù)據(jù)反饋的出發(fā)點(diǎn)。

（4）其它影響條件。如壓縮空氣的凈化和預(yù)處理。在一些特殊環(huán)境，如高海拔、低溫、高濕度、多粉塵環(huán)境中，必須充分考慮內(nèi)因和外因的影響因素，才能保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

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中圖分類號：TH38

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A