，

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

GMB200-2.5型隔膜泵推進(jìn)液系統(tǒng)的研究

張洪生，吳郁婷

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

往復(fù)式隔膜泵與之前的往復(fù)式活塞泵相比,增加了隔膜室的設(shè)計(jì)，可以有效地將礦漿與油液分隔。為了保證隔膜的正常蠕動(dòng)，增加了推進(jìn)液系統(tǒng)。通過對(duì)GMB200-2.5型隔膜泵推進(jìn)液系統(tǒng)工作原理的研究，確定了推進(jìn)液系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。并運(yùn)用有限元分析方法，對(duì)推進(jìn)液系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為以后的推進(jìn)液系統(tǒng)的研究提供了參考依據(jù)。

隔膜泵；推進(jìn)液系統(tǒng)；兩位兩通氣液閥；閥錐；靜力分析

0 引言

往復(fù)式隔膜泵是20世紀(jì)70年代末在往復(fù)式活塞泵基礎(chǔ)上增加隔膜室演變而來的，由于增加了隔膜室橡膠隔膜，將輸送礦漿與油介質(zhì)分隔開來，克服了因活塞泵運(yùn)動(dòng)部件與礦漿直接接觸而導(dǎo)致的缸套、活塞密封件易磨損的缺點(diǎn)[1]。

隔膜泵的關(guān)鍵件隔膜的使用壽命是制約泵應(yīng)用最重要的因素。泵在實(shí)際運(yùn)行過程中，活塞和活塞桿密封件經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，會(huì)產(chǎn)生輕微的磨損，這樣便會(huì)出現(xiàn)微量的活塞缸串油、活塞桿處漏油現(xiàn)象，經(jīng)過一定積累后，活塞與隔膜之間的油(推進(jìn)液)就會(huì)促使隔膜凹凸變形中出現(xiàn)拉伸，影響隔膜壽命[2]。所以，必須設(shè)置推進(jìn)液系統(tǒng)，調(diào)整活塞與隔膜之間的油量，保證隔膜運(yùn)動(dòng)過程中不出現(xiàn)過度拉伸。

1 推進(jìn)液系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

推進(jìn)液系統(tǒng)由齒輪油泵、儲(chǔ)能器、兩位三通電磁閥、兩位兩通氣液閥和電控系統(tǒng)等部件組成。

推進(jìn)液系統(tǒng)的工作原理：齒輪泵將液壓油送入兩位兩通閥組和蓄能器。油泵靠已設(shè)置好的壓力開關(guān)控制啟停，在蓄能器中儲(chǔ)存一定數(shù)量壓力的油隨時(shí)提供給隔膜室。蓄能器和隔膜室之間設(shè)有兩位兩通氣動(dòng)閥組控制液壓油進(jìn)入或排出隔膜室，兩位兩通氣液閥開閉通過壓縮空氣受兩位三通電磁閥的控制。在隔膜室上設(shè)有補(bǔ)油和排油信號(hào)發(fā)生器，橡膠隔膜后部裝有導(dǎo)桿，導(dǎo)桿內(nèi)有一個(gè)磁環(huán)隨隔膜做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)隔膜室中的油量不正常時(shí)，磁環(huán)就會(huì)運(yùn)動(dòng)到信號(hào)發(fā)生器的位置，信號(hào)發(fā)生器檢測(cè)到磁環(huán)時(shí)，發(fā)出補(bǔ)油或排油信號(hào)給PLC，PLC指揮兩位三通電磁閥動(dòng)作，連通或切斷壓縮空氣使兩位兩通氣液閥內(nèi)液壓油通道導(dǎo)通，使隔膜室中的油量得到補(bǔ)充或排泄，隔膜始終處于最佳工作范圍，以保證吸、排料過程的正常進(jìn)行[3]。

2 推進(jìn)液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

推進(jìn)液系統(tǒng)的主要功能是通過控制兩位三通電磁閥，使兩位兩通氣液閥動(dòng)作從而控制隔膜室中的油量及隔膜的位置。對(duì)推進(jìn)液系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并保證它的穩(wěn)定性和精確性，需要從兩方面研究。一方面是改進(jìn)控制系統(tǒng)，隔膜泵的控制系統(tǒng)最重要的是要完成推進(jìn)液系統(tǒng)的控制。隔膜泵控制推進(jìn)液系統(tǒng)對(duì)PLC發(fā)出指令的執(zhí)行情況直接關(guān)系到隔膜行程控制的精度[4]。但這方面已經(jīng)有許多相關(guān)的研究。另一方面是從改進(jìn)推進(jìn)液系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手。目前,還沒有這方面的研究。

推進(jìn)液系統(tǒng)的主要部件如齒輪油泵、儲(chǔ)能器和電磁閥均需要外購(gòu)，但兩位兩通氣液閥是專門針對(duì)隔膜泵設(shè)計(jì)的，不能通過外采來實(shí)現(xiàn)。所以對(duì)推進(jìn)液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要就是對(duì)其中兩位兩通氣液閥的設(shè)計(jì)。該閥通過管路與隔膜腔連通，用來控制隔膜腔的油量。此兩位兩通氣液閥的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響了隔膜腔內(nèi)油液是否能及時(shí)的補(bǔ)充與排出，與隔膜的壽命息息相關(guān)。

2.1 兩位兩通氣液閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

兩位兩通氣液閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作原理是,當(dāng)推進(jìn)液系統(tǒng)得到信號(hào)，需要補(bǔ)油時(shí)，壓縮空氣斷開，活塞帶動(dòng)閥推桿向上，進(jìn)口壓力迫使錐閥打開，補(bǔ)油管路與隔膜室接通，完成補(bǔ)油；當(dāng)需要排油時(shí)，壓縮空氣斷開，閥推桿向上，排油管路與隔膜室接通，完成排油。

圖1 兩位兩通氣液閥結(jié)構(gòu)

2.2 兩位兩通氣液閥的設(shè)計(jì)

由于隔膜將礦漿與油介質(zhì)分隔開來，活塞、缸套和活塞桿等運(yùn)動(dòng)部件不與礦漿直接接觸，避免了礦漿中磨礪性很高的固體顆粒的磨損，保證了這些運(yùn)動(dòng)部件的使用壽命[5]。所以推進(jìn)液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要保證推進(jìn)液油的清潔，不允許推進(jìn)液油與礦漿混合。

兩位兩通氣液閥的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：要保證閥絕對(duì)的密封性;作用在密封面上的力，力求均勻。防止介質(zhì)向下的推力與彈簧加載結(jié)構(gòu)之間力不同軸或有傾斜，形成對(duì)密封面的有害力矩，從而導(dǎo)致在密封面比壓較小的部位先行泄漏。

液壓閥通常采用的形式有液壓錐閥和液壓滑閥。對(duì)錐閥和滑閥的泄漏特性比較可知，錐閥不產(chǎn)生泄漏，滑閥則由于閥芯和閥孔之間有一定的間隙，在壓力作用下要產(chǎn)生泄漏。錐閥能完全切斷油路即密封性好、過流能力強(qiáng)、相應(yīng)快和抗污染能力強(qiáng)。故在該補(bǔ)排油閥中采用錐閥的設(shè)計(jì)。錐閥可以滿足該推進(jìn)液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.3 閥錐的受力分析

閥錐受到液體液動(dòng)力、彈簧力、閥錐與閥座配合面的比壓。閥錐受到的液動(dòng)力，需要考慮液體的沿程損失。但由于閥入口到閥錐頂面的距離較短，可以忽略，故液體的液動(dòng)力可近似等于閥入口壓力。

2.3.1 彈簧力的計(jì)算

彈簧常數(shù)為：

G為線材的剛性模量；d為線徑；Dm為中徑 ；Nc為彈簧有效圈數(shù)。

彈簧力為：

P=k×L

L為彈簧壓縮后長(zhǎng)度。

2.3.2 密封面比壓的計(jì)算

閥桿軸向力為:

F=2Nsinφ+2Tcosφ

N為密封錐面反作用力；φ為密封面錐半角;T為密封面摩擦力,T=fmN；fm為密封面摩擦系數(shù)。

3 兩位兩通氣液閥的有限元分析

以GMB200-2.5往復(fù)式隔膜泵給排油閥為例，進(jìn)行有限元分析。閥入口壓力P為0.5～1 MPa；喉徑d為7 mm。

由圖1可知，當(dāng)該閥處于補(bǔ)油過程中時(shí)，閥推桿抬起，主要的工作部件為閥錐。故對(duì)關(guān)鍵件閥錐進(jìn)行有限元分析。

3.1 閥錐模型的建立及網(wǎng)格劃分

閥錐模型在網(wǎng)格劃分過程中選用的單元類型為Tet 10Node 187。劃分網(wǎng)格數(shù)為127 085個(gè)。

3.2 閥錐的載荷施加及邊界條件

當(dāng)閥錐的開度達(dá)到最大時(shí)受到的載荷：只受液動(dòng)力和彈簧力的作用。

約束條件是,閥錐與閥座配合，只在垂直方向有位移，并且為了防止閥錐傾斜，造成作用在密封面上的力不均勻，需要約束兩個(gè)移動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

3.3 閥錐的靜力學(xué)性能分析

經(jīng)過求解分析，得到閥錐的應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可知，在閥錐的錐頂與錐底的連接部位產(chǎn)生了應(yīng)力集中，這對(duì)于閥錐靈活平穩(wěn)的運(yùn)行產(chǎn)生了一定的影響。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對(duì)閥錐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改進(jìn)，如通過增加過度圓角方法來減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 閥錐應(yīng)力分析

3.4 閥錐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

根據(jù)靜力學(xué)性能分析的結(jié)果，可知閥錐工作的危險(xiǎn)部位在錐頂和錐底的過渡處。為了達(dá)到閥的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)將錐頂和錐底的過度處增加倒角，以減小該危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中，最終確定閥錐的模型如圖3所示。

圖3 閥錐改進(jìn)后模型

4 結(jié)束語

通過研究，得出了新的閥錐結(jié)構(gòu)。但鑒于研究工具的有限性，建議可以運(yùn)用其他更先進(jìn)的軟件對(duì)其進(jìn)行研究。在之前隔膜泵推進(jìn)液系統(tǒng)的研究中只提到了對(duì)其控制系統(tǒng)的改進(jìn)，但是，通過對(duì)隔膜泵推進(jìn)液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，達(dá)到了對(duì)該系統(tǒng)改進(jìn)研究的目的。隔膜泵在石油機(jī)械等行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，對(duì)隔膜泵各部件的詳細(xì)研究是非常有必要的，并且可以通過對(duì)各個(gè)部件的不斷研究，來達(dá)到提高隔膜泵工作效率及壽命的目的。

[1] 單軍，張?jiān)吕?高原隔膜泵隔膜行程控制系統(tǒng)[J].有色設(shè)備，2012(3):35-39.

[2] 凌學(xué)勤，張開俊.往復(fù)式活塞隔膜泵[C]//中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)第三屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，1997：405-412.

[3] 叢恒斌，陶自強(qiáng).隔膜泵隔膜行程控制系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)電，2006(4)：59-60.

[4] 張洪生，解海，師秦曉.GMB200-2.5往復(fù)式隔膜泵的PLC控制系統(tǒng)[J].排灌機(jī)械，2007，4(25)：54-56.

[5] 凌學(xué)勤.往復(fù)式活塞隔膜泵的技術(shù)參數(shù)及核心技術(shù)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006,5(16)：45-48.

Design and Analysis for the Liquid Propulsion System of GMB200-2.5 Reciprocating Diaphragm Pump

ZHANGHongsheng,WUYuting

(Department of Mechanic and Electronic Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

The reciprocating diaphragm pump add a diaphragm chamber when compared with the reciprocating piston pump.This design can effectively separate the pulp and oil.In order to guarantee the normal peristalsis of the diaphragm,we add the liquid propulsion system.In this paper,I determine the main points of the liquid propulsion system design based on the research of the working principle of the GMB200-2.5 diaphragm pump liquid propulsion system.And promote the optimization design of keyparts of hydraulic system using the finite element analysis method.The results provide a reference basis for the liquid propulsion system research.

diaphragm pump;liquid propulsion system;the two liquid valve two ventilation;valve cone;static analysis

2014-06-09

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51275226);甘肅省高等學(xué)?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(1202ZTC057)

TH137

A

1001-2257(2014)11-0024-03

張洪生(1962-)，男，甘肅武威人，教授級(jí)高工，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槭豌@采機(jī)械成套設(shè)備的設(shè)計(jì)研究及開發(fā);吳郁婷(1987-)，女，甘肅蘭州人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法。