劉 杰，丘銘軍，吳 偉，彭立廣，李 鵬

(中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隔膜泵廣泛應(yīng)用于有色、化工、煤炭、石油等行業(yè)內(nèi)，用于輸送高溫、高壓、高磨蝕固液兩相介質(zhì)，目前國內(nèi)現(xiàn)有隔膜泵產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)方式大多數(shù)使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)存在尺寸大，制造成本高和泵流量脈動(dòng)和壓力沖擊大等諸多問題。針對(duì)傳統(tǒng)隔膜泵動(dòng)力端不足，中國重型機(jī)械研究院股份公司針對(duì)某氧化鋁廠開發(fā)了一種工作隔膜泵動(dòng)力端液壓控制系統(tǒng)。該隔膜泵長行程、低沖次、輸出流量均勻、壽命長、故障率低。

1 傳統(tǒng)技術(shù)隔膜泵動(dòng)力端工作原理

圖1所示為傳統(tǒng)技術(shù)隔膜泵動(dòng)力端工作原理示意圖，電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥七M(jìn)液油缸的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞通過油液將隔膜推到右側(cè)，隔膜室容積增大，形成局部真空，出料閥關(guān)閉，進(jìn)料口的液體在壓差作用下，頂開進(jìn)料閥，液體進(jìn)入隔膜室。當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞通過油液將隔膜推至左側(cè)，隔膜室容積減少，壓力升高，進(jìn)料閥關(guān)閉，隔膜室內(nèi)的液體頂開出料閥，漿體排出到泵外。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力端由曲軸、連桿、十字頭、軸承等組成，動(dòng)力端采用這種結(jié)構(gòu)形式存在很多問題：一是成本高，曲軸作為隔膜泵中最重要的零部件，工作時(shí)受到周期性變化的輸送液體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力以及輸入扭矩的共同作用。為了保證較長的使用壽命，曲軸的尺寸通常比較大，相應(yīng)的其他零部件尺寸也會(huì)比較大，制造成本高，制造加工比較困難。一旦這些零部件出現(xiàn)故障或者損壞，其維修或者更換非常困難，而且費(fèi)用很高，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。二是由于使用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式，隔膜泵活塞的運(yùn)動(dòng)形式類似正弦曲線，導(dǎo)致泵的流量脈動(dòng)和壓力沖擊較大。圖2為傳統(tǒng)三缸單作用隔膜泵排量控制時(shí)序圖，雖然隔膜泵的流量脈動(dòng)可以在設(shè)計(jì)中采用多缸疊加等辦法來減小，但不能完全消除。三是在活塞直徑和隔膜泵外形體積不變情況下，需要提高泵的流量就要增加沖程，從而加快了各個(gè)部件的磨損，特別是進(jìn)、出料單向閥、隔膜的磨損而導(dǎo)致壽命縮短。

圖1 傳統(tǒng)技術(shù)隔膜泵工作原理示意圖

圖2 傳統(tǒng)三缸單作用隔膜泵排量控制時(shí)序圖

2 新型隔膜泵工作原理

為保證隔膜泵成本低、效率高，使軟管隔膜泵輸出總流量穩(wěn)定，同時(shí)延長進(jìn)、出料單向閥和軟管隔膜使用壽命。圖3所示為新型隔膜泵工作原理示意圖，用長行程液壓缸代替曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)液油缸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其主要技術(shù)參數(shù)：

推進(jìn)液油缸Φ250 mm×1250mm

液壓缸規(guī)格Φ250 mm×Ф180mm×1250mm

液壓缸數(shù)量 4件

無桿腔前進(jìn)速度 250 mm/s

有桿腔返回速度 320 mm/s

油缸最大工作壓力 30 MPa

油缸行程 1 250 mm

缸單獨(dú)動(dòng)作節(jié)湊 最快6次/min

工作時(shí)長行程液壓缸A和B作為一組，進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制，C和D液壓缸作為一組進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制，A和B液壓缸、C和D液壓缸分別按照設(shè)定周期執(zhí)行勻加速啟動(dòng)、勻速運(yùn)動(dòng)和勻減速運(yùn)動(dòng)，隔膜泵輸出總流量等于兩組油缸在單位時(shí)間內(nèi)輸出流量疊加之和。

壓料時(shí)，液壓缸伸出驅(qū)動(dòng)推進(jìn)液油缸前進(jìn)，此時(shí)高壓，隔膜受壓將料漿擠出，此時(shí)高壓出料單向閥打開，低壓進(jìn)料單向閥受壓關(guān)閉。進(jìn)料時(shí)，液壓缸帶動(dòng)推進(jìn)液返程，隔膜形成真空使低壓進(jìn)料單向閥打開，高壓出料單向閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)往復(fù)的進(jìn)料和壓料工況。

圖3 新型隔膜泵工作原理示意圖

圖4所示為新型隔膜泵控制時(shí)序圖，與傳統(tǒng)隔膜泵相比較，新型隔膜泵兩組長行程液壓缸在相同規(guī)格流量下，最大流量時(shí)單向閥每分鐘工作6次，在保持總輸出流量不變的情況下，降低了單向閥每分鐘的開關(guān)次數(shù)，從圖中可以看出總流量疊加輸出非常穩(wěn)定。這種液壓驅(qū)動(dòng)隔膜泵采用長行程小直徑液壓缸直接驅(qū)動(dòng)隔膜泵活塞缸，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，解決了目前傳統(tǒng)隔膜泵的成本高、流量脈動(dòng)大，進(jìn)出料單向閥壽命短的問題。

圖4 新型隔膜泵控制時(shí)序圖

3 新型隔膜泵動(dòng)力端液壓控制系統(tǒng)

圖5所示為新型隔膜泵動(dòng)力端液壓控制系統(tǒng)液壓原理圖，由比例變量泵，電磁溢流閥，恒壓變量泵，電磁溢流閥，單向閥，電磁換向閥，及液壓輔件組成。

工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)電氣功能模塊控制比例變量泵101的排量實(shí)現(xiàn)液壓缸的前進(jìn)勻加速，勻速和勻減速動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)四缸運(yùn)動(dòng)的交錯(cuò)往復(fù)控制，四缸輸出總速度始終穩(wěn)定，軟管隔膜泵流量脈動(dòng)小。對(duì)于不同流量規(guī)格的軟管隔膜泵通過增加或者減少比例變量泵101的數(shù)量和排量來實(shí)現(xiàn)，流量調(diào)節(jié)范圍大，控制系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，使用比例變量直接驅(qū)動(dòng)液壓缸，系統(tǒng)發(fā)熱小，節(jié)能效率高。

圖5 新型隔膜泵液壓控制系統(tǒng)原理

4 結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前隔膜動(dòng)力端存在的諸多問題，提出一種新型的隔膜泵動(dòng)力端，詳細(xì)敘述了其工作原理和特點(diǎn)。新型隔膜泵動(dòng)力端具有流量脈動(dòng)小、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能、一次性制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，提高了進(jìn)、出料單向閥壽命，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。