提高隔膜计量泵自吸能力的阶梯式活塞结构与流体动力特性研究

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液压隔膜计量泵是石油工业、化学工程和水处理工程中较为常见和重要的单元设备之-。目前 ，隔膜计量泵行业在国内外发展已 日趋成熟 ，对计量泵及系统开展了许多相关的研究 司。但在隔膜计量泵的使用中，经常遇到的问题是该泵受补油系统的影响使其自吸能力大大降低。为此，张艳红在文献 C8]中分析隔膜式计量泵隔膜片损坏原因基础上，对该泵的补油系统进行了改进；P2PI柴立平、李强等在文献 [7]中对隔膜计量泵进行了改良设计并提高了汽蚀性能；苗长山 删等对高压计量泵单向阀的密封元件结构接触破坏和泄漏进行了有限元分析，来减小高压隔膜计量泵的密封泄漏问题 ，提高计量精度。本文在分析内部流动原理的基础上，通过采用阶梯式活塞结构对隔膜计量泵进行强制补油，从而解决提高隔膜计量泵自吸能力这-难题。

2 隔膜计量泵工作原理P(a) (b)图1 隔膜计量泵原理图1.油池 2.阶梯式活塞结构 3.密封件 4洎动单向控油阀 5.安全排放单向阀 6.隔膜压力腔 7.补油单向阀 8.真空腔 9.进口单向阀· 20· 小番柱 采 2013年第1期如图 1(a)所示传统隔膜计量泵由动力端提供动力，作用在阶梯式活塞上，使其做往复运动，进而使隔膜压力腔体内容积发生变化，隔膜计量泵从而完成吸人与排出过程。本文提供的阶梯式活塞结构是-种分步式强制补油系统，即阶梯式活塞向后运动时使柱塞腔形成真空，带动隔膜的运动，使隔膜压力腔形成真空，进而打开进口阀使介质被吸人。此时，阶梯式活塞与泵缸体之间形成～真空腔体，当腔体内压力小于补油单向阀调节压力时，机械油进人真空腔体内；当阶梯式活塞向前推动时隔膜受到柱塞腔内容积的变化而向前运动 ，进而将介质通过排出阀排出。此时，真空腔体内的机械油被补进隔膜压力腔内，这样分步式强制补油方式能够解决隔膜计量泵高 自吸难题，如图 1(b)所示。

3 隔膜计量泵的流体动力学分析 [14在隔膜计量泵设计过程中，要求得到准确的吸上真空度，本文通过建立补油单向阀调节压力与泵吸上真空之间的关系，可准确计算阶梯式活塞强制性补油隔膜计量泵的吸上真空度。

3.1 隔膜计量泵内流动分析为了便于对隔膜计量泵内部流动进行分析，本文采用3个假设：a)流体不可压缩；b)不考虑由于机械摩擦而导致腔体内部温度的变化；c)阶梯式活塞的运动与流体运动同步。

设隔膜两侧间的压力差为AP；当流体吸人过程中，进口压力为 P1；出口压力为 P2；隔膜压力腔内的压力为P3；真空腔体内的压力为P4。

在吸入过程中隔膜压力腔内流体的压力为P5 ： -( l l l-U 2.-- q3～2△ ) (1)Pg Pg zg式中 u--活塞的线速度，m/s ，t--吸入管内的流速，m/s。，--吸人阀的阻力损失，m△l--进口阀与活塞中心线间的距离，m- - 隔膜压力腔内液体的加速度水头m厂-圾入过程中，工作腔内的摩捞损失，m图2 曲柄连杆动力机构3.2 曲柄运动隔膜计量泵的吸入速度和加速度以曲柄连杆为例来计算隔膜计量泵的吸入速度和加速度，如图2所示。

随着曲柄的运动，十字头 (P)的移动距离为， 假设前关死点00时，xO，从图中可知，xXo-XR(1-cos )L(1-X/1-As sin 0)式中 R--曲柄半径- - 连杆长度A /L设阶梯式活塞的运动速度为誓-警 ( 争设曲柄的角速度为∞，为方便起见，研究等速旋转的情况，以 ∞、R/LA代人上式，则(sin 04 k )所以，阶梯式活塞的加速度Rw 軎(sin 争sin 2 )Rw (cosOA COS 20) (2)3.3 建立P 与 间的关系由图 1(b)可以看出，为保证阶梯式活塞的受力平衡，得F1-(P3AP)vD/4- (D1 -D2)/4-Fcma (3)式中 - 电机提供在阶梯式活塞上的动力，N阶梯式活塞与缸套之间的摩擦力，Nm--阶梯式活塞的总质量，kg由以上各式可以得到，P1与P4之间的关系2013年第1期 ，J.兼被 采 ·2l·P4- ； / ：竺二军IL2U2二全(鲁)-t (鲁)-.4[F-Fc-mRto，2 (c，os 0，、A cos 20)] (4) 。 7r(D12D2)设阶梯式活塞大径与卸之比为 D。/D ；- - (以 )口；h 为吸人阀阻力，即为-定值；表示与阶梯式活塞运动速度u有关的-个物理量；为阶梯式活塞与缸套之间的摩擦力，当阶梯式活塞卸D2保持-定的条件下也只与1，有关。由流体运动的连续性方程可以得到，D2d2v，其中，cf2是入口直径，所以上式可以简化为：旨.4(F-C2.f(u)-mRtoZ(cos 0A cos 20)- 加 2( -1)令.trD2C3，则上式可以进-步简化为P.---C3(P，AP)CC3.f(u)C3C44F- - -D2Z( 1)令C。C，-4C2C，则有五 (5)图3 隔膜计量泵试验装置空度日。有关的关系式，为提高隔膜计量泵吸上能力的阶梯式活塞结构设计提供理论基矗由于在实际设计过程中所需真空腔压力应不小于P4值，每次向隔膜压力腔内进行补油是满足隔膜压力腔内真空度的需求，多余的油通过安全排放装置排出。由此可见，阶梯式活塞结构的自动补油过程是-种强制性补油过程，只与隔膜计量泵进 口吸上真空度的变化有关，为隔膜计量泵的安全可靠运行提供了保障。

(7) 4 试验研究式中c 、C，和 c4均为常数，是只与隔膜计量泵的活塞尺寸有关的物理量。

由上式可以看到，当隔膜计量泵阶梯式活塞D。/D2-定时，P1与 成线性变化关系，而在隔膜计量泵实际运行中，由于受到活塞与缸套之间的摩擦产生的气体以及密封泄漏而进气的影响，隔膜压力腔内在吸人过程中并没有形成完全的真空状态，从而破坏隔膜计量泵的吸上真空度，因此需要对提供补油装置的隔膜压力腔内进行补油。

若给定-个最小吸上真空度值 ，此时对应的绝对压力值为PP.-pgH。，代人上式可得，p..： ! g ± 2± . 2- 柏 2( 21)(8)这样就建立了真空腔最小压力 P4只与吸上真按此-隔膜计量泵设计方法，设计并生产出了-台隔膜计量泵进行试验，参数如下：流量Ql700 L/h，出口压力 P0.8 MPa，吸上真空度 H。

6.5 m，活塞直径D280 mm，行程 l50 mm，冲次nl15r.]min，进出口径da32 mm。

由公式 (8)计算得到P4nt.n-0.47 MPa。取kP， ，其中k为安全系数，取 1.2得 P4-0.564MPa，单向补油阀的开阀压力取 O.56 MPa。

为了对隔膜计量泵进行试验研究，本文提供了-种简易的实验装置如图3所示，通过用透明软管与泵进口相连，通过车间里行车来提高透明软管的高度，通过慢慢调节其高度直至隔膜计量泵敲不能正常工作，并记录下来，此时就近似认为隔膜计量泵的吸上真空度就是标定值。

试验结果表明：在设计工况流量 Q17oo L/Il条件下，通过标记透明软管，再用卷尺测出其正· 22· 小番柱采 2013年第1期常运行情况下的最大的吸上高度 ，即为隔膜计量泵的自吸高度，测得其自吸高度可以达到6.44 m，这与传统结构型式的隔膜计量泵日 4.96 m相 比提高了 1.48 In，并与设计值相比其误差为 (日广 )， 0.92%<1%。

5 结 论本文提供了-种基于阶梯式活塞结构的强制性补油系统，以提高隔膜计量泵自吸能力，并应用力学原理得到了阶梯式活塞与缸体所形成的真空腔压力与吸上真空度之间的关系，为真空腔体的设计提供了理论依据。通过对隔膜计量泵的试验研究表明，在设计工况条件下，试验结果与设计要求相比误差小于 1%。