無泄漏環(huán)形隔膜泵性能特征與應(yīng)用

1、結(jié)構(gòu)特征

　　環(huán)形隔膜泵首先以平面蠕動式剛性支承環(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隔開輸送介質(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)動機(jī)構(gòu)和環(huán)形隔膜有機(jī)結(jié)合的新穎結(jié)構(gòu)，用環(huán)形隔膜將輸送介質(zhì)與驅(qū)動元件隔開，使輸送介質(zhì)無法向外泄漏。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、傳動軸7及浮動承壓環(huán)、泵端蓋等組成（圖1）；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)傳動軸旋轉(zhuǎn)時，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：

　?。?）隔膜和泵體間設(shè)有平面蠕動式剛性支承環(huán)；

　?。?）環(huán)形隔膜內(nèi)置有浮動承壓環(huán)；

　?。?）環(huán)形隔膜將輸送介質(zhì)和潤滑介質(zhì)隔開；

　?。?）環(huán)形隔膜泵獨(dú)有進(jìn)出口組合隔離機(jī)構(gòu)；

　?。?）無需底閥和進(jìn)出口閥組；

　?。?）獨(dú)特的軸向密封結(jié)構(gòu)；

　?。?）剛性支承環(huán)與傳動軸間設(shè)有軸承。

2、設(shè)計要點(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。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)，主要考慮無效密封角α及結(jié)構(gòu)尺寸R，r等對理論流量的影響；通常無效密封角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的剛性支承環(huán)，因而泵體、泵端蓋和剛性支承環(huán)間相對滑動速度與泵速相關(guān)，其值可估算，即：

　?。?πne/30

　　可見合理控制與降低泵速，則可以減小摩擦和功率損耗，延長泵使用壽命，提高泵效率。根據(jù)經(jīng)驗，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，間隙T應(yīng)取小值；當(dāng)ν，r增大時，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：

　　q=10-5xT3b△P/1.2γL[mL/s]

　　式中b-間隙寬度，cm

　　L-間隙長度，cm

　　△P-壓差，MPa

　　ν-介質(zhì)動力粘度，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)。實踐證明，剛性支承環(huán)和泵體、傳動軸和軸承套以及軸承和軸承蓋的公差配合、徑軸向尺寸鏈的計算至關(guān)重要。通過設(shè)計分析和試驗驗證，徑向、軸向間隙應(yīng)控制在0.03～0.20范圍內(nèi)耐磨焊條。

　　2.3、環(huán)形隔膜的設(shè)計

　　環(huán)形隔膜是環(huán)形隔膜泵中隔開輸送介質(zhì)和潤滑介質(zhì)，實現(xiàn)無泄漏輸送介質(zhì)的關(guān)鍵零件，其設(shè)計不同于片狀隔膜，我們從結(jié)構(gòu)上保證其承受低壓狀態(tài)，通過預(yù)定伸長量使之工作狀態(tài)下附加變形極小，設(shè)計中遵循以下原則：

　?。?）環(huán)形隔膜內(nèi)外表面均無相對滑動摩擦；

　?。?）控制隔膜內(nèi)外表面壓差在0.1MPa以內(nèi)；

　　（3）采用浮動承壓環(huán)形成浮動支承；

　?。?）提高隔膜抗拉和抗疲勞性能；

　?。?）合理選擇隔膜硬度；

　?。?）保證隔膜裝拆方便；

　?。?）給定隔膜預(yù)伸長值△L。

　　若環(huán)形隔膜工作變形段尺寸為L，而安裝尺寸為L‘，那么環(huán)形隔膜設(shè)計長度值則為：

　　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)對比試驗，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

　　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)動為垂直軸線截面內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動合成的平面運(yùn)動即平面蠕動。剛性支承環(huán)的設(shè)計應(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)時有下式：

　　Fmax=20·△P·B·r

　　式中△P-壓差，MPa

　　B-剛性支承環(huán)寬度，cm

　　r-剛性支承環(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)計中不僅應(yīng)保證其足夠的剛度和強(qiáng)度，同時還應(yīng)考慮傳動軸可能產(chǎn)生撓度，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計確保泵徑向間隙在設(shè)計范圍內(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、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：

　?。?）無泄漏。由于泵中環(huán)形隔膜將輸送介質(zhì)與潤滑介質(zhì)隔開，輸送介質(zhì)無法外泄。

　?。?）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，泵無需灌引，直接啟動。

　　（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。

　?。?）效率高。傳動結(jié)構(gòu)緊湊簡單，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)品可更換過流部件、調(diào)整泵速和間隙來適應(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，可廣泛用于輸送強(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)速傳動方式，還可配用隔膜報警自動執(zhí)行器。

　　3.2、產(chǎn)品實剛性能

　　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)500h型式試驗后，經(jīng)檢測其性能見表1。

　　由此可見，產(chǎn)品實測性能均達(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)行了對比試驗，其輸送不同介質(zhì)和不同壓差下的性能見表2。

　　顯然，粘度和壓差不同時，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)形隔膜泵作為新型容積轉(zhuǎn)子式無泄漏泵，采用了旋轉(zhuǎn)式驅(qū)動機(jī)構(gòu)，減少了滑動摩擦潤滑點(diǎn)，簡化了結(jié)構(gòu)。采用環(huán)形隔膜隔開潤滑介質(zhì)和輸送介質(zhì)，獨(dú)特新穎。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，因而其研究開發(fā)及市場應(yīng)用潛力大。

　　工業(yè)發(fā)達(dá)國家無泄漏泵年產(chǎn)量占泵年產(chǎn)量15%～20%；而我國無泄漏泵年產(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)對某酒精廠和果糖廠用泵情況調(diào)查，兩單位使用近360臺泵輸送油、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、清水泵等十多個品種，50個規(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個機(jī)座即可滿足，其安裝尺寸、泵體、隔膜等零部件相同，對不同介質(zhì)可更換過流部件材質(zhì)，維護(hù)管理更簡單。

　　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。