無(wú)泄漏環(huán)形隔膜泵的設(shè)計(jì)原理|資料

針對(duì)泵產(chǎn)品密封泄漏以及往復(fù)式隔膜泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、調(diào)試?yán)щy等問(wèn)題，我們研制成功了Q=2m3/h，25m3/h；P≤0.4MPa環(huán)形隔膜泵兩種產(chǎn)品，并于1994年元月通過(guò)了部級(jí)鑒定，并獲得國(guó)家專利，專利號(hào)92236204.1。
1、結(jié)構(gòu)特征
環(huán)形隔膜泵首先以平面蠕動(dòng)式剛性支承環(huán)和環(huán)形隔膜區(qū)別于一般轉(zhuǎn)子泵和往復(fù)式隔膜泵。此外現(xiàn)有隔膜泵多采用片狀隔膜來(lái)隔開(kāi)輸送介質(zhì)和工作介質(zhì)，并使用往復(fù)式曲柄連桿機(jī)構(gòu)、三閥機(jī)構(gòu)、進(jìn)出口閥組；環(huán)形隔膜泵吸收了軟管泵、撓性襯圈泵及其它轉(zhuǎn)子泵的特點(diǎn)，采用回轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和環(huán)形隔膜有機(jī)結(jié)合的 結(jié)構(gòu)，用環(huán)形隔膜將輸送介質(zhì)與驅(qū)動(dòng)元件隔開(kāi)，使輸送介質(zhì)無(wú)法向外泄漏。環(huán)形隔膜泵主要由泵體1、隔離機(jī)構(gòu)2、剛性支承環(huán)3、環(huán)形隔膜4、軸承套5、軸承6、傳動(dòng)軸7及浮動(dòng)承壓環(huán)、泵端蓋等組成；環(huán)形隔膜端部靠軸承蓋沿軸向壓緊固定，其和泵端蓋、剛性支承環(huán)、泵體組成封閉容積，當(dāng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，借助進(jìn)、出口隔離機(jī)構(gòu)和剛性支承環(huán)、泵體形成吸液和排液腔，達(dá)到無(wú)泄漏輸送介質(zhì)的目的。
環(huán)形隔膜泵主要結(jié)構(gòu)特征為：
(1)隔膜和泵體間設(shè)有平面蠕動(dòng)式剛性支承環(huán)；
（2)環(huán)形隔膜內(nèi)置有浮動(dòng)承壓環(huán)；
(3)環(huán)形隔膜將輸送介質(zhì)和潤(rùn)滑介質(zhì)隔開(kāi)；
(4)環(huán)形隔膜泵獨(dú)有進(jìn)出口組合隔離機(jī)構(gòu)；
(5)無(wú)需底閥和進(jìn)出口閥組；
(6)獨(dú)特的軸向密封結(jié)構(gòu)；
(7)剛性支承環(huán)與傳動(dòng)軸間設(shè)有軸承。
2、設(shè)計(jì)要點(diǎn)
2 .1、流量
環(huán)形隔膜泵中剛性支承環(huán)和隔離元件、泵體將液腔隔成吸入和排出部分，隨吸入和排出液腔容積的變化，介質(zhì)沿進(jìn)口至出口連續(xù)流動(dòng)。如圖2所示吸人口A和排出口Ｂ分別為吸、排腔徑向密封死點(diǎn)，可見(jiàn)每轉(zhuǎn)排出理論流量應(yīng)為：
Q；，t=10-''n(RZ一r2)BK [ L]
式中B－－剛性支承環(huán)寬度，cm
R－－泵體內(nèi)腔半徑，cm
r－－剛性支承環(huán)半徑，cm
K－－理論容積系數(shù)，主要考慮無(wú)效密
封角α及結(jié)構(gòu)尺寸R， r等對(duì)理
論流量的影響；通常無(wú)效密封角
α分別控制在20。以內(nèi)，K值可
精確求得，一般取0.90-0.95
設(shè)計(jì)中有R=r+e，其中e為偏心值，cm。則有泵理論流量為：考慮到泵的壓差、介質(zhì)粘度、間隙大小及泵速對(duì)流量的影響，則泵的額定流量為：Qr＝KvQth 式中Kp－－容積系數(shù)
2.2、泵速和泵徑向、軸向間隙的確定
2.2.1、泵速
由于采用了平面蠕動(dòng)的剛性支承環(huán)，因而泵體、泵端蓋和剛性支承環(huán)間相對(duì)滑動(dòng)速度與泵速相關(guān)，其值可估算，即： Ｖ=πne/30 可見(jiàn)合理控制與降低泵速，則可以減小摩擦和功率損耗，延長(zhǎng)泵使用壽命，提高泵效率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常將泵速控制在n≤300min-1范圍。
2.2.2、軸、徑向間隙
吸人和排出腔間徑向密封為楔形間隙，軸向間隙為平行縫隙。泵的性能與徑向、軸向間隙及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)特性密切有關(guān)，其中徑向間隙主要根據(jù)壓差△P；輸送介質(zhì)的粘度γ；剛性支承環(huán)半徑r；偏心值e等因素確定。
即間隙T = f (ν， r) / f (△P， e)，顯然當(dāng)△P和e增大時(shí)，間隙T應(yīng)取小值；當(dāng)ν， r增大時(shí)，間隙T可取大值。
軸向密封采用間隙密封和彈性密封相結(jié)合效果良好；而平行間隙的泄漏量可由下式估計(jì)： q=10-5 x T3b△P/1.2γL [mL/s]
式中b—間隙寬度，cm
L—間隙長(zhǎng)度，cm
△P—壓差，MPa
ν—介質(zhì)動(dòng)力粘度，Pa·s
T—間隙值，cm
通常，合理控制徑、軸向間隙可以提高自吸性能和排出壓力，減小泵內(nèi)泄漏量，保持較高容積系數(shù)。實(shí)踐證明，剛性支承環(huán)和泵體、傳動(dòng)軸和軸承套以及軸承和軸承蓋的公差配合、徑軸向尺寸鏈的計(jì)算至關(guān)重要。通過(guò)設(shè)計(jì)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，徑向、軸向間隙應(yīng)控制在0.03～0.20范圍內(nèi)。
2.3、環(huán)形隔膜的設(shè)計(jì)
環(huán)形隔膜是環(huán)形隔膜泵中隔開(kāi)輸送介質(zhì)和潤(rùn)滑介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏輸送介質(zhì)的關(guān)鍵零件，其設(shè)計(jì)不同于片狀隔膜，我們從結(jié)構(gòu)上保證其承受低壓狀態(tài)，通過(guò)預(yù)定伸長(zhǎng)量使之工作狀態(tài)下附加變形極小，設(shè)計(jì)中遵循以下原則：
(1)環(huán)形隔膜內(nèi)外表面均無(wú)相對(duì)滑動(dòng)摩擦；
(2)控制隔膜內(nèi)外表面壓差在0.1MPa以內(nèi)；
(3)采用浮動(dòng)承壓環(huán)形成浮動(dòng)支承；
(4)提高隔膜抗拉和抗疲勞性能；
(5)合理選擇隔膜硬度；
(6)保證隔膜裝拆方便；
(7)給定隔膜預(yù)伸長(zhǎng)值△L。
若環(huán)形隔膜工作變形段尺寸為L(zhǎng)，而安裝尺寸為L(zhǎng)''，那么環(huán)形隔膜設(shè)計(jì)長(zhǎng)度值則為：
L=△L+L''
其中△L=e/ sin (arctge/L)－L
通?！鱈=0.5-2.Omm，考慮環(huán)形隔膜雖承壓較低，但接觸腐蝕性介質(zhì)且工作中循環(huán)撓動(dòng)加上結(jié)構(gòu)尺寸要求嚴(yán)格，我們和有關(guān)制造廠和科研院校研制了丁臘橡膠、聚氨醋橡膠和夭然橡膠等多種隔膜，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)，聚氨醋隔膜物化性能和疲勞性能較優(yōu)。
2.4、剛性支承環(huán)設(shè)計(jì)
環(huán)形隔膜泵中剛性支承環(huán)有別于普通轉(zhuǎn)子泵和往復(fù)式隔膜泵。它的設(shè)置不僅使軸向和徑向密封容易形成，而且可以保護(hù)隔膜，保證泵具有較高排出壓力和良好的自吸性能。
剛性支承環(huán)上任意質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為垂直軸線截面內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成的平面運(yùn)動(dòng)即平面蠕動(dòng)。剛性支承環(huán)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用輕質(zhì)材料或中空結(jié)構(gòu)，以減輕重量，減小慣性力。
其工作狀態(tài)下外表面承受不平衡液壓力作用，使傳動(dòng)軸上承受徑向力F，當(dāng)徑向密封點(diǎn)在遠(yuǎn)離組合隔離機(jī)構(gòu)最低點(diǎn)時(shí)有下式： Fmax=20·△P·B·r
式中△P—壓差，MPa
B—?jiǎng)傂灾С协h(huán)寬度，cm
r—?jiǎng)傂灾С协h(huán)半徑，cm
由上式可知，剛性支承環(huán)承受較大的徑向力，因此在設(shè)計(jì)中不僅應(yīng)保證其足夠的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)考慮傳動(dòng)軸可能產(chǎn)生撓度，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保泵徑向間隙在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。
3、性能特點(diǎn)
3.1、性能特點(diǎn)
環(huán)形隔膜泵以獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的設(shè)計(jì)、參數(shù)的合理匹配及高質(zhì)量的隔膜而具備優(yōu)良的性能，主要在如下：
(1)無(wú)泄漏。由于泵中環(huán)形隔膜將輸送介質(zhì)與潤(rùn)滑介質(zhì)隔開(kāi)，輸送介質(zhì)無(wú)法外泄。
(2)自吸性能強(qiáng)。因是回轉(zhuǎn)式容積泵，故具有較好的自吸能力，可油、氣、水混合輸送，泵無(wú)需灌引，直接啟動(dòng)。
(3)適應(yīng)范圍廣。可輸送一般液體亦可輸送粘稠性介質(zhì)，應(yīng)用參數(shù)范圍大。
(4)效率高。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，和同參數(shù)葉片泵相比，效率高5%以上，且高效區(qū)寬廣。
該產(chǎn)品易于系列化、通用化；同一機(jī)座產(chǎn)品可更換過(guò)流部件、調(diào)整泵速和間隙來(lái)適應(yīng)不同工況和介質(zhì)。目前環(huán)形隔膜泵已形成Q=1～50m3/h， P≤1.OMPa的系列產(chǎn)品，可 用于輸送強(qiáng)腐蝕性、易燃爆、劇毒和放射性的以及高純度或高粘度的介質(zhì)等。此外，依不同用戶要求可采用調(diào)速傳動(dòng)方式，還可配用隔膜報(bào)警自動(dòng)執(zhí)行器。
3.2、產(chǎn)品實(shí)剛性能
據(jù)“軍工艦船用環(huán)形隔膜泵的研制”課題鑒定要求，兩種產(chǎn)品經(jīng)500 h型式試驗(yàn)后，經(jīng)檢測(cè)其性能見(jiàn)表1。
由此可見(jiàn)，產(chǎn)品實(shí)測(cè)性能均達(dá)到機(jī)械部課題攻關(guān)指標(biāo)，具有良好的自吸性能及氣液混輸、高效率等特性。
此外，我們用HM-2.0/0.4型環(huán)形隔膜泵進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，其輸送不同介質(zhì)和不同壓差下的性能見(jiàn)表2。顯然，粘度和壓差不同時(shí)，相同的密封間隙下，所產(chǎn)生的內(nèi)泄漏量不同，使得容積系數(shù)不同。
4、結(jié)論及應(yīng)用
環(huán)形隔膜泵作為 容積轉(zhuǎn)子式無(wú)泄漏泵，采用了旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，減少了滑動(dòng)摩擦潤(rùn)滑點(diǎn)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。采用環(huán)形隔膜隔開(kāi)潤(rùn)滑介質(zhì)和輸送介質(zhì)，獨(dú)特 。此外由于它和往復(fù)式隔膜泵、轉(zhuǎn)子泵、磁力泵、軟管泵等結(jié)構(gòu)有本質(zhì)不同，因而其研究開(kāi)發(fā)及市場(chǎng)應(yīng)用潛力大。
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)泄漏泵年產(chǎn)量占泵年產(chǎn)量15%～20%；而我國(guó)無(wú)泄漏泵年產(chǎn)量占總產(chǎn)量3%左右，是急待發(fā)展的產(chǎn)品。環(huán)形隔膜泵獨(dú)特的性能和良好的通用性和互換性，使之特別適用化工、輕工、食品工業(yè)流程用泵的更新，使運(yùn)行成本降低，維護(hù)和操作方便，以提高經(jīng)濟(jì)效益。

據(jù)對(duì)某酒精廠和果糖廠用泵情況調(diào)查，兩單位使用近360臺(tái)泵輸送油、水、酒精、酒漿、糖漿、添加劑等不同介質(zhì)，其壓差為P=0.2～0.5MPa，流量Q=15～40m3/h；選用了油泵、不銹鋼泵、單螺桿泵、屏蔽泵、清水泵等十多個(gè)品種，50個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品，運(yùn)行管理和維護(hù)更換零件不方便。選用環(huán)形隔膜泵系列產(chǎn)品、則只需2個(gè)機(jī)座即可滿足，其安裝尺寸、泵體、隔膜等零部件相同，對(duì)不同介質(zhì)可更換過(guò)流部件材質(zhì)，維護(hù)管理更簡(jiǎn)單。
該泵不僅可滿足軍工艦船用于替代輸送海水、污水的立式電動(dòng)往復(fù)泵和船用油水分離器使用的柱塞泵，還具有氣、液混輸能力，特別適用于油田油、氣、水混輸；艦船艙底污水、剩油和油罐車底部剩液的抽吸。

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