简要介绍了隔膜泵的结构及工作原理,重点讨论了泵阀参数的设计方法及确定原则,分析研究了阀件在使用中的主要损坏形式、产生原因及相应的改进方法。为泵阀设计与检修提供了理论分析和参考意见。
关键词:隔膜泵; 冲刷破坏; 冲击破坏; 阀座; 阀芯
1、前言
往复式活塞隔膜泵是国外20 世纪60～70 年代在泥浆泵的基础上开发的一种新型机电一体化产品。因为其易损件少,并可以、安全、简单且不污染环境地输送高温、高磨蚀固液两相介质,所以被广泛应用于黑色、有色、化工、建材、煤炭和电力等行业内的各类工艺系统。隔膜泵涉及机械、电子、液压、材料和化工等多学科技术,技术复杂程度高。目前,上只有荷兰、德国等少数国家进行批量设计生产制造,吨价为一般机械产品的5～10 倍。
2、隔膜泵的结构及工作原理
隔膜泵为卧式双作用式往复泵,它由电动机带动皮带轮使偏心轮带动连杆,使十字头、活塞杆和活塞作往复运动。活塞的运动通过其两端的推进液(液压油) 使隔膜产生周期性的往复运动。当隔膜向左运动时, 隔膜腔下端的进料阀打开而吸入输送介质;当隔膜向右运动时,隔膜腔上部的出料阀打开排出输送介质。在整个输送介质的过程中,与磨砺性很高的固体颗粒直接接触的部件只有隔膜、进出料阀件,从而延长了十字头、活塞杆、活塞等重要部件的使用寿命。通过合理的结构设计,可以使阀件、隔膜更换迅速方便。这样从隔膜泵结构上而言,就可以保证较高的连续运转和较低的运行成本。
3、隔膜泵的泵阀参数
泵阀的工作过程极其复杂,总的来说取决于工作腔内压力变化及阀上载荷。一般很难用简单的方法来反映其运动规律,在实际研究过程中,都进行如下简化与假定:
(1) 输送介质为不可压缩液体;
(2) 阀芯是无质量的;
(3) 阀吸入过程中,输送的介质满足流体的连续条件;
(4) 连杆无限长。
在上述假定及简化条件下可得出阀升程
式中a ———活塞面积;
r ———活塞半径;
u ———流量系数;
dv ———阀半径;
cv ———阀隙流速;
ω———转速;
θ———阀密封面与阀座端面夹角;
av ———阀的面积。
由式(1) 可导出阀滞后角ψ0 及滞后升高h0 的公式
阀zui大升程发生在ψ=π/ 2 时,可以得到阀zui大阀升程
库要列夫斯基认为:阀的撞击是由于阀下落到阀座上时的速度达到某一临界值时产生的。通过试验表明,阀落到阀座上的速度u0 ≤60～65 mmps 时,就不会产生严重的撞击,从而得到下式
阀件的参数设计就是在研究阀破坏机理的基础上,应用上述公式进行的参数确定。
隔膜泵中阀件的破坏机理十分复杂,涉及因素也很多,实践证明,阀的破坏主要有2 种形式:冲击破坏和冲刷破坏。冲击破坏是指阀盘与阀座产生冲击时的破坏;冲刷破坏是指阀隙的高压溢流产生的破坏。在阀运动的过程中,上述2 种破坏形式是同时并存的,但实践证明隔膜泵中的阀件一般以冲刷破坏为主。因此,在进行阀件设计时,一般坚持以冲刷破坏为主,兼顾冲击破坏,即以限制阀隙zui大流速为基础进行阀件设计,其方法如下:
(1) 根据输送介质的各种性质,确定阀隙的zui大流速cvmax及阀孔流速;
(2) 确定阀直径dv ,由式(3) 确定阀件的升程h0 ;
(3) 按照无冲击条件nhmax ≤1 500 校核阀件的zui大升程hmax ;
(4) 计算阀弹簧的zui大弹簧力、弹簧预压力与弹簧刚度:
4、主要损坏形式、原因分析及改进方法
根据实践调查分析,发现进出口料阀的主要损坏形式有以下几种:
(1) 阀盘(凡尔体) 及阀座(凡尔座) 产生点蚀。主要原因是输送介质的硬度太高。其改进方法一般为改进阀盘和阀座的材质,以提高其耐磨性。
(2) 阀盘(凡尔体) 及阀座(凡尔体) 产生刺沟。通过现场观察,发现阀座的刺沟主要在密封面上下边沿,而阀盘的刺沟主要是在球面的中部区域。根据流体运动规律可知,由于阀的密封面为球面,当阀起闭过程中,压力液体在球面区域运动时有向心趋势,当流经阀座边沿时由于流道突然扩大,使部分流体向心趋势突然减弱,对阀座边沿产生了冲击, 从而产生刺沟。阀盘中部的刺沟主要是由于阀在全开过程中,压力液体的流动主要呈直线方向,对阀盘中部产生了冲击,以至产生刺沟。其改进方法一般是将隔膜泵的球面阀改为锥面阀,并选取合适的锥面角度。
(3) 产生“卡阀”。其原因主要是因为输送介质中的颗粒过大,卡在阀与阀座之间,造成隔膜泵不能正常运转。其改进方法有:改进吸入管道中的排渣机构,并设定双层的振动筛网,防止大颗粒进入吸入端,改变排出阀的位置,使大颗粒落下处可以清理,不使其落入阀与阀座上,并改变阀与阀座锥角度,使之适于滑落,以防“卡阀”。
,直通单向阀,
,dif-l10h1 dif-l10h2 dif-l20h1 dif-l20h2 dif-l32h1 dif-l32h2 df-l10h1,
,
,直角单向阀,
,df-l10h2 df-b10h1 df-b10h2 df-b20h1 df-b20h2 df-l20h1 df-l20h2 df-l32h1 df-l32h2,
,df-f32h1 df-f32h2 df-b32h1 df-b32h2,