水煤浆输送用隔膜泵产品研究

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水煤浆输送用隔膜泵产品研究


摘
要: 结合国家重大科技攻关低压煤浆泵课题产品鉴定成果及对产品的开发研究!工业运行考核结果,阐述隔膜泵关键核心技术;指出水煤浆隔膜泵产品国产化的途径。
　　关键词: 水煤浆;隔膜泵;隔膜挠曲;磨损
　　1 、前言
　　隔膜泵属于国内外泵行业技术难度最大、产品附加值最高泵类产品之一。它采用隔膜将输送介质与驱动介质(油类)隔开,使输送介质不仅无外漏,更重要的是输送的颗粒性介质与泵活塞运动部件不接触,免除了固体颗粒对泵造成的严重磨损,从而使泵的性能稳定性及可靠性大幅度提高"由合肥通用机械研究所承担的国家“八五”重大科技攻关子专题“低压煤浆泵研制”产品具有独创性,并已于1999年初通过国家机械工业局鉴定。现对低压煤浆泵课题产品鉴定成果和水煤浆隔膜泵的隔膜液控系统设计及工业试验结果等介绍如下。
　　2、
隔膜控制系统设计
　　2.1 国外隔膜控制技术简介
　　隔膜泵与一般往复泵的根本区别就在于设有隔膜,其技术的核心就是隔膜控制技术,并确保隔膜有较长使用寿命。目前,国外各大往复隔膜泵生产商多采用的技术方案有:荷兰GEHO公司隔膜泵是通过与隔膜连成一体、由金属和非金属构成的控制杆来控制隔膜变形。当挠曲过大,隔膜偏离中间平衡位置,向前或向后并超过设计允许值时,通过电磁阀把多余的驱动液油排出去或把缺少的油补充进来,由此来保证隔膜两侧的压力平衡和隔膜的挠曲不超过设计允许值。该产品有多个电磁阀和一套油路系统,对电器元件的灵敏度和操作技能要求较高。
　　英国菲鲁瓦(FELUWA)公司采用软管筒状隔膜加片状隔膜的液压方案实现双重安全保证,这种型式对液压腔的油量平衡要求高,主要用于给电厂冶炼厂输煤浆、灰浆及矿浆。
　　2.2 隔膜控制系统设计及特点
　　合肥通用机械研究所研制的低压隔膜式煤浆泵采用国外截然不同的技术方案,即液压隔膜控制。为了确保隔膜使用寿命并保证隔膜在破裂瞬间报警,隔膜控制系统具有如下技术特点:

　　该泵采用纯机械式液压补偿机构,没有磁电转化控制过程,也没有相应的电磁阀及其配套的油路设备,机构简单、环节少,操作容易,而且经试验证明其实用可靠。
　　(1) 保证隔膜两侧动态压力平衡
　　虽然隔膜泵排出压力低于高压往复泵,其实隔膜两侧的作用力是很大的(压力为116MPa,有效尺寸为400mm的隔膜两侧作用力约为20t)。也就是说必须保持隔膜两侧(一则是驱动液体,另一侧是输送液体)的压差很小或近似等于零,使压力基本平衡。如果压力不平衡,隔膜在瞬间就会破坏。
　　由于活塞杆密封处泄漏、气体的吸入或因补偿系统补偿不足或过量,以及第一次注油过多或过少,活塞缸内的油量总是在不断的变化,这都将破坏隔膜两侧的压力平衡。
　　我们采用“液压隔膜泵用隔膜最大挠曲机械式自控机构”专利技术。设计采用一套完善的补偿系统,不论驱动液体(油)如何变化,本系统都能自动补偿,从而始终保证了隔膜两侧的动态压力平衡。并确保隔膜从中心平衡位置向两侧挠曲位移时,隔膜的最大挠曲值不会超过设计允许值;

　　(2) 采用预变形隔膜使挠曲变形所产生的内应力最小
　　隔膜是采用了预变形橡胶双层复合隔膜。所谓预变形隔膜是指隔膜的形状不是一块平板形隔膜,而是预先制成曲面,设计采用了耐油、耐磨又具有良好弹性的橡胶,经模具压制成设计给定的曲面,并使两层能很好的吻合在一起,构成了一块完整的隔膜,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,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,但因内应力很小或近于零,就可大大地延长隔膜的使用寿命。显然,这种隔膜的设计和制造比一般平板形隔膜复杂很多,但样机试验证明,这种隔膜更耐疲劳,寿命更长。
　　(3) 隔膜破裂报警技术的应用
　　虽然采取了上述措施后可以保障隔膜有较长寿命,但隔膜始终处于每秒1~2次的反复挠曲疲劳状态,加之磨砺性很强的浆液对它的磨损,总会有破坏的时候。而一旦隔膜破裂,浆液就有可能进入活塞缸,导致活塞与缸套严重磨损,这不仅要更换隔膜,而且还要更换活塞和缸套,为避免这种情况的出现该泵设置中采用了双层“夹心”隔膜,以便采用压敏技术的“隔膜破裂报警系统”,不论是与输送液体接触的还是与驱动液体接触哪一层破裂,液体压力迅速传到微压传感器及微动开关;使之可以在破裂后012秒之内发出声、光、电报警信号,警示隔膜已破,并可实施立即紧急停泵或停泵后立即启动备用泵,保证了设备和流程的运行安全。
　　(4) 隔膜形状及膜腔曲面优化设计
　　对液压驱动隔膜泵若设计活塞行程容积为Vs,隔膜设计最大允许挠曲容积Vm,隔膜膜腔形成容积Vq;则应遵循以下设计准则:Vq≥Vm>Vs

　　就橡胶与塑料等非金属隔膜而言,两侧即使有微小的压差,在隔膜面积上所产生的拉力都是材料本身无法承受的。通常我们认为其为柔韧性隔膜;近似为弯曲刚度为零即可忽略弹性变形时弯曲对隔膜平衡产生的影响。
　　根据圆形柔韧隔膜挠度理论,给出近似弹性曲面方程: W=W0[1-(r/R)2]

　　计算隔膜压差与最大挠度有以下方程:
　　式中 P－－隔膜两侧的压差
　　E－－材料的弹性模量
　　R－－隔膜有效半径
　　W0－－隔膜中心的挠曲度
　　h－－隔膜的厚度
　　L－－材料的泊松系数
　　r－－从隔膜对称轴到挠曲面上计算点的距离
　　按以上公式及经验综合确定最大工作挠度W0=35mm,隔膜有效直径2R=400mm"
　　计算出隔膜设计最大允许挠曲容积Vm(离开中间位置包围容积)为:
　　
　　使隔膜挠曲变形所产生的内应力最小,根据计算得出的隔膜膜腔曲线,采用预变形,隔膜形状及膜腔。
　　3 、水煤浆隔膜泵性能及工业试验
　　合肥通用机械研究所研制的低压隔膜式煤浆泵(Q=50m3/h、P=116MPa)于1998年9月在北京水煤浆示范厂安装调试完毕,调试期间运行累计46h。9月23日正式开始满载连续试验,至11月10日16时,该泵在排出压力116MPa下共连续累计运行1008h,连同调试运行46h共运行1054h。该泵在运行过程中油温、声响及隔膜均无异常,水煤浆粘度:2064mPa·s,实测流量:54.12m3/h,实用水煤浆的粘度范围是1000±200mPa·s。从9月23日至11月10日,经水煤浆厂检测共13次,水煤浆的灰份、浓度比较稳定,但因泵的不断循环输送,使介质粘度变化范围较大,最高粘度达4648mPa·s。经添加剂处理后粘度又降下来,最低粘度为504mPa·s。试验表明该泵工况适应能力很强,在输送浆液粘度最高达4648mPa·s仍能正常运行。
　　4 、结论
　　(1)本文介绍的低压隔膜式煤浆泵是采用专利技术“液压隔膜泵用隔膜最大挠曲机械式自控机构”自主开发的产品,具有独创性;

　　(2)经过长期试验研究及中间样机工业运行考核实践证明,本文介绍的低压隔膜式煤浆泵结构更简单,运行更可靠。
　　(3)利用现有隔膜泵机组的关键专利技术、低压隔膜式煤浆泵的成果,将大大推进我国隔膜泵国产化的进程。