楊萬澤　史勇　王鈺鋒　宋玲

摘要：氣動隔膜泵是一種新型輸送機械，適于各種復(fù)雜環(huán)境下液體的輸送，但現(xiàn)有的氣動隔膜泵產(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)計缺陷，缺乏檢測膜片破損的裝置，影響氣動隔膜泵的疲勞壽命。設(shè)計一種新型氣動隔膜泵，對隔膜材料、生產(chǎn)工藝及壓蓋結(jié)構(gòu)進行改進，使之具有震動小、氣流控制精確、膜片破損可動態(tài)檢測等功能，提高氣動隔膜泵的疲勞壽命。

關(guān)鍵詞：氣動隔膜泵；檢測；改進；疲勞壽命

中圖分類號：S277.9+2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2019）02-0032-03

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，泵的使用日益增多。氣動隔膜泵是一種新型輸送機械，采用外來設(shè)備提供動力源，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)計缺陷，缺乏檢測膜片破損的裝置，影響氣動隔膜泵的疲勞壽命。據(jù)統(tǒng)計，國產(chǎn)氣動隔膜泵的疲勞壽命一般為300萬次。為了解決技術(shù)缺陷，設(shè)計出一種新型氣動隔膜泵，并對隔膜材料、工藝及壓蓋結(jié)構(gòu)進行了改進，膜片破損可實現(xiàn)動態(tài)檢測，氣流控制精確，提高了泵的使用壽命，在實際工業(yè)生產(chǎn)中具有應(yīng)用意義。

1 新型氣動隔膜泵工作原理及技術(shù)參數(shù)

新型氣動隔膜泵見圖1 ，其工作原理為：當(dāng)壓縮空氣從泵的氣門機構(gòu)7入口進入閥門后，2個工作室中的隔膜組件5開始移動。當(dāng)隔膜組件向左移動時，隔膜泵的左工作室上部球1與右工作室下部球8同時打開，液體通過左腔上部球閥2排出。與此同時，另一工作腔中的氣體因為容積增大、壓強較小，腔體下側(cè)球閥9被打開，介質(zhì)流入右側(cè)工作室。當(dāng)滑柱3到達(dá)行程末端時，氣門機構(gòu)自動將壓縮空氣引入另一個工作腔，推動隔膜組件向相反方向移動，從而實現(xiàn)2個隔膜的同步往復(fù)運動。每個工作室內(nèi)設(shè)有2個單向球閥，隔膜往復(fù)運動會引起工作室內(nèi)部容積的變化，迫使2個單向球閥交替開啟和關(guān)閉，從而連續(xù)吸入和排出液體。新型氣動隔膜泵主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.1 隔膜壓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計

隔膜壓蓋結(jié)構(gòu)見圖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)運動中，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)螺栓7、壓蓋6與隔膜5的連接處是應(yīng)力相對集中的地方，見圖3。如果隔膜壓蓋與隔膜接觸過緊，工作過程中壓蓋連續(xù)與隔膜產(chǎn)生摩擦，就會導(dǎo)致隔膜漸漸磨損。當(dāng)出現(xiàn)薄膜厚度不一時，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，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題，一是改進隔膜。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，且所有過渡圓角也適當(dāng)增加。同時，隔膜的橡膠材料應(yīng)選用進口橡膠，簾子布需嚴(yán)格控制硫化過程。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，隔膜在運動過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、震動的裝置設(shè)計

傳統(tǒng)的氣動隔膜泵在流體輸送時，隔膜的往復(fù)運動會造成壓力不穩(wěn)定，流體排出時容易產(chǎn)生震動。如果某些流體或工藝的要求較為嚴(yán)格，譬如流量均勻、變化較小等場合，則需在氣動隔膜泵的出口加恒壓閥，以確保輸出口的流體壓力穩(wěn)定。氣動隔膜泵的出口會有脈沖、噪音和管路振動現(xiàn)象，大氣量時這一現(xiàn)象特別明顯。而根據(jù)環(huán)保要求，氣動隔膜泵的排氣噪音必須予以消除，為此，對氣動隔膜泵進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，見圖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，設(shè)置了壓力測試裝置1，方便出口壓力檢測。當(dāng)泵起動時，調(diào)節(jié)手柄3逐漸開大，流量輸出慢慢增加，既不會造成液體沖擊，也不會損壞系統(tǒng)上的設(shè)備。當(dāng)泵關(guān)閉時，先關(guān)閥再停泵，實現(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、噪音和震動問題，又能調(diào)節(jié)泵出口壓力。

1.3 破膜檢測裝置的設(shè)計

氣動隔膜泵以壓縮空氣為動力源，通過隔膜往復(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，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)能及時檢測到隔膜破裂情況，并發(fā)出聲光報警，做出保護措施。新設(shè)計的破膜檢測裝置由光纖連接頭2、光纖3和光纖放大報警器5組成，如圖5所示。該裝置既能簡便快速地檢測膜片破損程度，且結(jié)構(gòu)簡單、零部件少、響應(yīng)速度快。

1.4 氣流控制器的設(shè)計

在氣動管路中，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，即氣室體積大則儲存能力大， 氣室體積小則儲存能力小。設(shè)計一種氣流控制器，見圖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，推動活塞在閥體內(nèi)運動，并驅(qū)動隔膜往復(fù)運動。氣流控制器可以通過控制閥門開度，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、維護方便、動作可靠、調(diào)節(jié)靈敏等特點。

2 新型氣動隔膜泵創(chuàng)新之處

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

改進前，隔膜推桿（見圖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， 因為隔膜桿很光滑，難以受力。為此，特在隔膜桿中部銑削2個對稱的小平面3，使用扳手拆卸快捷方便，如圖7所示。同時，采用側(cè)端接口歧管設(shè)計，不僅可以避免介質(zhì)泄漏污染氣閥，而且能夠保護氣體分配系統(tǒng)，使其免受管路連接處可能發(fā)生的泄露威脅。

3 結(jié)語

論述氣動隔膜泵的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過與現(xiàn)有隔膜泵對比，得出以下結(jié)論：新型氣動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)、無法快速檢測隔膜破損、隔膜推桿組件拆卸困難等問題；通過有限元分析，優(yōu)化了隔膜結(jié)構(gòu)和破膜檢測裝置設(shè)計，大大縮短了故障檢查時間，提高了氣動隔膜泵工作效率和使用可靠性。下一步還需多次試驗，以充分驗證氣動隔膜泵的性能，確定隔膜泵的最佳工藝參數(shù)，結(jié)合PLC可編程控制器實現(xiàn)精確控制，使氣動隔膜泵的性能更可靠、應(yīng)用更廣泛。

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