往复式活塞隔膜泵及其应用

往复式活塞隔膜泵及其应用1.引言2.工作原理3.基本性能参数及主要特征4.结构特点及核心技术5.隔膜泵的应用6.SGMB、DGMB系列隔膜泵1.引言固—液两相介质的输送广泛应用于黑色、有色冶金、煤炭、电力、化工、建材、环保、矿山等诸多领域，其中输送泵是心脏设备。由于往复式活塞隔膜泵（以下简称隔膜泵）综合了活塞泵压力高、坚固耐用的优点，克服了活塞泵活塞密封件易磨损的缺点，成为输送流量大、输送压力高、输送高温、高磨蚀固液两相介质理想的新一代往复泵，并得到广泛应用。1活塞2导杆3信号发生器4隔膜5进出料阀图1隔膜泵工作原理图2.工作原理隔膜泵工作原理如图1所示，电动机通过传动系统带动曲柄连杆机构，使旋转运动转变为直线运动，带动活塞进行往复运动。当活塞向左运动时，活塞借助油介质将隔膜吸到左方向，借助矿浆喂料压力打开进料阀，吸进矿浆充满隔膜室。当活塞向右运动时，活塞借助油介质将隔膜推至右方方向运动，同时通过出料阀将矿浆排出到泵外。由于矿浆不接触活塞等运动部件，减少了这些部件的磨蚀。同时，通过设置灵敏、可靠的检测自动化控制系统，保证了橡胶隔膜的长使用寿命，成为高磨蚀矿浆输送的理想设备。3.基本性能参数及主要特征3.1基本性能参数隔膜泵的基本性能参数是指结构型式、输送介质、技术参数、易损件寿命。隔膜泵的结构型式是指活塞的单双作用、活塞缸数、活塞的立式及卧式。隔膜泵有双缸双作用、三缸单作用卧式结构，多缸单作用立式结构等，常用的为双缸双作用、三缸单作用卧式结构。输送介质是指所输送的介质的密度、粒度、粘度、酸碱性、温度、重量浓度等指标。技术参数是指输送的流量（活塞直径、活塞行程、冲次）、吸入压力、排出压力、电机参数、调速参数、泵的重量、泵的外形尺寸等指标。易损件寿命是指橡胶件及阀件等寿命的指标。3.2基本技术参数及主要特征◆隔膜泵的基本技术参数是指输送的流量（活塞直径、活塞行程、冲次）、吸入压力、排出压力。◆技术参数的主要特征为：理论平均输出流量是恒定的，瞬时输出流量是随时间而变化的。◆隔膜泵属于容积式泵，其输出流量与排出压力无关，输出流量决定于泵的活塞直径、活塞行程、冲次。◆实际排出压力决定于输出外管路的负载，泵允许的最高排出压力决定于泵本体的零件结构强度及原动机的功率。◆泵的原动机为电动机，其具备调速性能，输出流量可以变化。◆泵的活塞运动速度是变化的，在输送固液两相介质时，在活塞及隔膜表面易产生气液脱流，造成水击与气蚀，所以，隔膜泵对允许的最小吸入压力是有严格的要求。平均输出流量●泵的活塞在每个往复行程中排出的液体体积是相等的，泵的理论平均输出流量是恒定的，其值为：Qth=kzAsnτ/60Qth：理论平均输出流量，m3/sk：作用数；单作用泵k=1，双作用泵k=2z：活塞缸数A：活塞面积，m2s：活塞行程，mn：活塞每分钟的往复次数，min-1τ：排挤系数，为考虑活塞杆面积Ad对流量减少的系数，τ=1—Ad/2A●泵的阀的开启、关闭及液体中含气等原因，泵的实际排出流量要小于其理论平均输出流量，实际的平均输出流量值：Q=Qthη=ηkzAsnτ/60Q：平均输出流量，m3/sη：流量系数，η=0.88~0.98瞬时输出流量Qs=ARωsinøø：曲柄转角；ø=ωt，ω：曲柄角速度t：时间R：曲柄半径A：活塞面积●单缸单作用往复泵的瞬时理论流量是脉动的。●工业生产中，普遍应用往复泵的结构型式有两种：卧式双缸双作用及卧式三缸单作用（以下简称双缸双作用、三缸单作用）。●双缸双作用、三缸单作用泵的瞬时流量曲线可由单缸单作用的瞬时流量曲线叠加得到。对于双缸双作用，两缸的活塞的相角差ø=90º。双缸双作用瞬时流量曲线图三缸单作用瞬时流量曲线图●双缸双作用的流量变化幅度大于三单缸单作用。●流量不均匀系数δq：表示瞬时流量不均匀程度。δq=（Qsmax-Qsmin）/QsmQsm—平均流量。根据伯努利方程，在泵排出管路任一点a，有：Pa/r+Qs2/2Ag+ha+ΣSa=恒值Pa—a点处的压力；Va—a点处的流速；ha—a点处的水柱高；ΣSa—a点处的各种水力损失及惯性损失的总和Qs：a点处的瞬时流量流量脉动必然造成压力脉动，并且是二次方放大的关系。●δP：压力不均匀系数，表示压力脉动。δP=（Pmax-Pmin）/PmPmax—最大压力；Pmin—最小压力；Pm—平均压力●在实际工业生产中，一般压力不均匀系数值为0.01～0.05，高压时取小值，低压时取大值。为保证往复泵及管路的正常使用，往复泵必须设置进出料补偿装置。进出料补偿装置型式很多，常用的有圆筒补偿罐及球型空气室、筒式空气室。大多数往复泵经过补偿装置后，其压力不均匀系数大多能达到0.01～0.05的要求。●吸入过程的隔膜表面的压力公式：Pg/γ=Pa/γ+Hc-(V2/2g+Hz+HG+Kz+KG)Pg：隔膜室内隔膜表面的压力Pa：大气压力Hc：液体表面与隔膜室内隔膜表面的位差Hz：外吸入管路及泵内至隔膜室内隔膜表面的管路的沿程阻力水头HG：外吸入管路及泵内至隔膜室内隔膜表面的管路的沿程惯性水头Kz：单向阀阻水头KG：单向阀惯性水头V：流速g：重力加速度γ：比重●吸入过程的活塞表面的压力公式：Ph/γ=Pa/γ+Hc-(V2/2g+Hz+HG+Kz+KG+Kb+Kgz)Ph：活塞缸内活塞表面的压力Hc：液体表面与活塞缸内活塞表面的位差Kb：隔膜变形的液体能量损失Kgz：隔膜及导杆运动惯性水头在吸入过程中，要求隔膜室内隔膜表面的压力必须大于所输送的矿浆的饱和蒸汽压力，否则造成矿浆汽化，造成隔膜与矿浆脱流，引起撞击、噪声、振动及容积效率下降，还可造成隔膜异常变形，进而引起隔膜寿命降低，严重的造成隔膜瞬间破裂。活塞缸内活塞表面的压力必须大于缸内推进液油的饱和蒸汽压力，否则造成推进液油的汽化，造成推进液油与隔膜或活塞脱流，同样引起撞击、噪声、振动及容积效率下降，还可造成隔膜异常变形，进而引起隔膜寿命降低，严重的造成隔膜瞬间破裂。隔膜泵与其它往复泵相比，对最小允许吸入压力有严格的要求，且大于其它往复泵。对于泵输送不同的介质及工况，最小允许吸入压力也是不同的。排出过程：活塞表面的压力公式：Pd/γ=Pa/γ+Hc+V2/2g+Hz+HG+Kz+KG+Kb+KgzPd：活塞缸内活塞表面的压力Hc：液体表面与活塞缸内活塞表面的位差Hz：外排出管路及泵内至活塞缸内活塞表面的管路的沿程阻力水头Hz：外排出管路及泵内至活塞缸内活塞表面的管路的沿程惯性水头Kz：单向阀阻水头KG：单向阀惯性水头Kb：隔膜变形的液体能量损失Kgz：隔膜及导杆运动惯性水头在吸入、排出过程中的压力变化的分析，可以看出，吸入压力、排出压力与流量无关，其值取决于泵内、外管路的负载特性。泵的技术参数中的吸入压力、排出压力是指最小允许的吸入压力及最高允许的排出压力。泵在实际运行中，其吸入压力大于最小允许的吸入压力，排出压力小于最高允许的排出压力，泵就能正常运行。4.结构特点及核心技术4.1结构及特点双缸双作用、三缸单作用隔膜泵，均由传动系统、动力端、液力端、液压辅助系统、进出料补偿系统、控制系统组成。传动系统由电动机、减速机（或皮带）组成。动力端主要是指曲柄连杆机构，其功能是将旋转运动转化成直线运动，为活塞提供动力能。动力端有含一级齿轮传动及无齿轮传动两种结构。液力端是指完成液体输送的部分，由活塞缸、隔膜室、阀箱等组成。液压辅助系统由润滑系统、冲洗系统、排气系统、机械泄压系统及控制仪表组成。●润滑系统的功能是强制润滑动力端轴承、十字头滑板、导板。●冲洗系统的作用是润滑、冷却活塞杆。●排气系统的功能是将隔膜室内油介质中空气排出，以提高隔膜使用寿命。●机械泄压系统的功能是：当工作压力超过限定值，并且电气压力控制系统失灵的情况下，泄掉压力，保护隔膜泵的零部件不因过载而遭破坏。隔膜泵的瞬间流量是随时间按三角函数关系变化，由于流量不均匀性，致使泵的吸入、排出压力波动，影响泵及管路寿命，为减少压力波动，必须设置进出料补偿装置。隔膜泵进料补偿装置采用的是圆筒式补偿罐。出料补偿系统采用空气室及圆筒式出料压力补偿罐对出料进行压力补偿，确保出料压力稳定。控制系统由隔膜行程检测控制系统、冲洗润滑控制单元、安全系统控制单元、主电机驱动控制单元、现场监控操作系统、集中监控操作系统组成。隔膜泵是所在工艺系统中的心脏设备，泵的性能直接关系到整个工艺系统的运转效率，故其有如下的特点：（1）根据输送矿浆性质（磨蚀性、粘度、温度）、吸入压力，限制泵的冲次在37～69次/min左右。（2）从设计结构上保证阀件，隔膜更换便捷，隔膜更换时间应为1～3人/h，阀/阀件更换时间应为0.3～0.5人/h。（3）泵按高可靠性设计，除易损件更换外，其它部分维护检修量应为零。泵在运行过程中，监控、保护功能应缜密完善。（4）吸入、排出流量均匀，低NPSH值。（5）低噪声运行（85dB以下）4.2核心技术隔膜泵的核心技术主要是由隔膜设计基本理论及制造、进出料阀的设计基本理论及制造技术、进出料补偿基本理论、活塞密封的制造技术、大功率动力端设计理论及制造技术、自动化控制技术等组成。●隔膜设计基本理论及制造技术由隔膜的受力状态控制、隔膜的几何尺寸、橡胶隔膜的材质三部分组成。●隔膜的受力状态控制是指保证隔膜受力处于最佳状态的技术，由隔膜受力状态的检测及调整两部分构成。隔膜的几何尺寸是影响隔膜寿命的关键因素，尤其是隔膜边缘的几何形状及尺寸，一方面要防止其应力集中，另一方面还要考虑其密封性，以避免油与矿浆之间的互渗。橡胶隔膜的材质是指材料的各项性能指标，由于隔膜长期运行在油介质与矿浆中，不同的工艺系统，矿浆性质差异较大，这样，隔膜要有不同的材质。●活塞密封性能决定了隔膜室油量的变化程度，密封性好，油量变化小，利于隔膜处于良好的工作状态。●自动化控制技术是指为保证隔膜泵运行可靠性，将其曲柄滑块机构的润滑、冲洗及工作压力、隔膜行程的检测调整以及流量调整的控制由PLC及变频调速装置来完成，并通过人机对话界面实现隔膜泵的运行。5.隔膜泵的应用5.1隔膜泵的合理选择合理选择输送泵型是保证整个工艺系统可靠、经济运行的关键，应具体考虑如下因素：（1）输送介质的重度、粒度、介质的浓度、温度、磨蚀性（2）泵型对管路运行工况变化的适用性（3）泵的吸入性能及效率（4）安全可靠性（5）运行的经济性对于磨蚀性的表述，须引入磨蚀性系数——米勒数NM的概念，米勒数是指磨损过程中被磨损材料损失G（mg）与时间h（时）的关系曲线，当h=2小时处的损失率。一般认为，NM大于50，磨蚀性较强，应使用隔膜泵，活塞泵一般适用于米勒数NM小于30的介质输送。5.2隔膜泵的运行工况条件隔膜泵的正常稳定运行对所处工况是有严格的要求，其条件为：严格的粒度分布；介质的两相流特性；吸入性能条件及吸入、排出的压力脉动；多台泵时的峰值叠加问题等。●隔膜泵对输送的介质的粒度是严格限制的，要求介质的粒度分布在1mm以内，偶尔最大的颗粒在2—3mm以下。其主要原因是隔膜泵的进、出料阀对所输送的介质粒度要求的密封的条件为介质粒度分布在1mm以内。当压力大于4MPa时，对粒度要求越细越好，否则，阀密封不严，易造成隔膜的寿命降低及破坏，阀密封件的损坏，容积效率的下降。但是，偶尔的2—3mm的大颗粒也能通过进、出料阀及隔膜室，排出泵外。●从经济角度而言，对介质粒度控制不严，粒度过粗，易造成介质的磨蚀性过强，导致泵的易损件寿命缩短，运转率降低，运行成本增加。而其它往复泵对介质的粒度分布的要求大都从经济角度考虑，没有技术角度的原因。●隔膜泵与其它往复泵相比，对粒度分布及最大颗粒的限制有非常严格的要求。在工程设计中，尤其要注意这一点。隔膜泵输送的介质大都为矿浆，属于两相流体，其物理性质中的浓度和最大沉降浓度、粘度等指标对介质的输送影响很大，进行泵内管路设计时要充分考虑。进出料横管的管径要考虑临界流速，否则，容易出现进出料横管淤积料浆，加大了管路阻力，导致进、出料阀出现“卡阀”，一方面隔膜工作变形异常，影响隔膜的使用寿命，严重的造成隔膜破坏