劉云 李朋浩 王瑞鵬 / 保定雷弗流體科技有限公司

0 引言

蠕動(dòng)泵作為水質(zhì)檢測(cè)中的重要配套設(shè)備，泵頭是流體傳輸系統(tǒng)中的核心部件，對(duì)傳輸效果起著至關(guān)重要的作用[1]。在長(zhǎng)周期運(yùn)行過(guò)程中，如何通過(guò)泵頭的設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)易損件——泵管變化帶來(lái)的傳輸效果，長(zhǎng)期以來(lái)一直是蠕動(dòng)泵行業(yè)難題之一。目前業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的泵頭為固定壓管間隙泵頭和自適應(yīng)壓管間隙泵頭，兩種不同設(shè)計(jì)原理的泵頭，其傳輸效果各有優(yōu)點(diǎn)。

本文通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比兩款不同設(shè)計(jì)原理多通道泵頭的傳輸性能，分析出兩款泵頭的差異，為選型做指導(dǎo)。

1 泵頭設(shè)計(jì)原理

壓管間隙是指蠕動(dòng)泵泵頭的滾輪外圓包絡(luò)面與壓塊工作面之間形成的間隙，該間隙的最佳值是蠕動(dòng)泵泵頭能夠可靠地汲取被輸送液體的間隙。如果由于制造誤差、彈性泵管壁厚誤差等原因使實(shí)際間隙偏離該值，則會(huì)影響泵的正常吸入量，當(dāng)間隙過(guò)大時(shí)甚至?xí)贡脽o(wú)法工作[2]。反之，當(dāng)實(shí)際間隙小于最佳值時(shí)，泵工作在過(guò)壓狀態(tài)下，過(guò)壓狀態(tài)雖然不至于影響泵的正常工作，但所需驅(qū)動(dòng)扭矩增大，彈性泵管的磨損隨之加劇，間隙越小，上述現(xiàn)象越嚴(yán)重，其結(jié)果會(huì)造成泵的耗能過(guò)大，泵管極易損壞。

1.1 固定壓管間隙泵頭

固定壓管間隙泵頭的設(shè)計(jì)原理是上壓塊的壓緊力固定，隨著泵頭的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，壓管間隙不可調(diào)節(jié)。壓管間隙的調(diào)節(jié)是在安裝泵管初期時(shí)，根據(jù)泵管的壁厚尺寸，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)上壓塊的壓緊位置，從而將壓管間隙固定。隨著泵頭的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，泵管出現(xiàn)不同程度的磨損，與初始泵頭的壓緊力相比，此時(shí)泵頭的壓緊力出現(xiàn)較大的偏差。

1.2 自適應(yīng)壓管間隙泵頭

自適應(yīng)壓管間隙泵頭的設(shè)計(jì)原理是上壓塊的壓緊力可調(diào)節(jié)，隨著泵頭的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，壓管間隙通過(guò)彈簧本身的自適應(yīng)設(shè)計(jì)，壓管間隙可根據(jù)泵管壁厚自動(dòng)調(diào)節(jié)。隨著泵頭的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，泵管出現(xiàn)不同程度的磨損，與初始泵頭的壓緊力相比，此時(shí)泵頭的壓緊力較接近。

2 基本性能的理論分析對(duì)比

泵頭的基本性能主要包含流量準(zhǔn)確度、通道一致性、泵管壽命、傳輸壓力等。

2.1 流量準(zhǔn)確度

流量準(zhǔn)確度即多次傳輸?shù)囊毫块g的波動(dòng)量，影響流量準(zhǔn)確度的因素較多，例如泵管的尺寸、泵管的彈性、泵管的磨損程度、泵頭的穩(wěn)定性、磨損程度、電機(jī)的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性等。隨著泵頭長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，流量會(huì)發(fā)生變化。泵管本身的壁厚、內(nèi)徑尺寸有差異，安裝在不同泵頭上時(shí)，表現(xiàn)的流量的變化趨勢(shì)是不同的。

對(duì)于固定壓管間隙泵頭而言，當(dāng)壁厚、內(nèi)徑尺寸有差異的泵管與之適配時(shí)，因其壓管間隙固定的特點(diǎn)，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，泵管出現(xiàn)磨損，壁厚變小，泵管的閉合力相差較大，隨之表現(xiàn)出流量的明顯差異。

對(duì)于自適應(yīng)壓管間隙泵頭而言，因其彈性的壓管間隙，可根據(jù)不同尺寸的泵頭進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，隨著泵頭運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，泵管出現(xiàn)磨損，壁厚變小，自適應(yīng)壓管間隙泵頭通過(guò)彈性的調(diào)節(jié)，可適配不同狀態(tài)的泵管，隨之表現(xiàn)出流量的相對(duì)穩(wěn)定，流量的準(zhǔn)確度稍高。

2.2 通道一致性

通道一致性適用于多通道泵頭，在相同狀態(tài)下，各通道的傳輸量的差異性即為通道一致性。影響通道一致性的因素很多，例如泵管壁厚、內(nèi)徑、硬度的差異，各通道上壓塊的設(shè)計(jì)及差異，滾輪尺寸的差異等。

對(duì)于多通道固定壓管間隙泵頭，因上壓塊的壓管間隙固定，無(wú)法根據(jù)泵管尺寸的差異進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終表現(xiàn)出泵管的閉合力不同，從而各通道間的傳輸量有較大差異。

對(duì)于多通道自適應(yīng)壓管間隙泵頭，因上壓塊的彈性自適應(yīng)特點(diǎn)，可根據(jù)不同尺寸的泵管進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而各通道泵管的閉合力較接近，傳輸量差異較小，通道一致性高于固定壓管間隙泵頭。

2.3 泵管壽命

泵管壽命的表征形式有很多，流量變化率、壓力變化率、外觀破損等均可表征泵管的失效模式。

泵管在上壓塊和滾輪之間不斷的擠壓——回彈——擠壓的循環(huán)動(dòng)作中，外表面與上壓塊、滾輪間有摩擦，泵管處于擠壓的狀態(tài)下，內(nèi)表面與內(nèi)表面之間也有摩擦。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，泵管經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的內(nèi)外部的摩擦，內(nèi)外表面均有磨損，壁厚逐漸變薄，彈性逐漸減弱，隨之流量也將減少。當(dāng)內(nèi)表面或外表面的磨損達(dá)到一定程度時(shí)，泵管的彈性接近于消失的狀態(tài)，此時(shí)流量幾乎為0，但因泵頭高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行，仍有部分介質(zhì)由于慣性傳輸至出口，此時(shí)明顯發(fā)現(xiàn)，流量變化率極大，泵管出口壓力幾乎為0；當(dāng)內(nèi)表面或外表面的磨損出現(xiàn)某一薄弱點(diǎn)時(shí)，此薄弱點(diǎn)的應(yīng)力集中，最終將在此薄弱點(diǎn)出現(xiàn)裂紋、裂口，最終泵管出現(xiàn)破損[3]。破損是泵管失效的最終狀態(tài)，在此之前會(huì)出現(xiàn)流量的異?；驂毫Φ漠惓！１疚挠昧髁康淖兓蕘?lái)表征泵管的失效。

泵管在與固定壓管間隙泵頭適配時(shí)，固定壓管間隙泵頭的過(guò)壓量是固定值，因泵管之間尺寸存在差異，實(shí)際安裝使用時(shí)，泵頭上壓塊對(duì)尺寸大的泵管的擠壓力大于尺寸小的泵管。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，尺寸大的泵管磨損程度大于尺寸小的泵管的磨損程度，尺寸大的泵管首先會(huì)出現(xiàn)破損。

泵管在與自適應(yīng)壓管間隙泵頭適配時(shí)，因上壓塊是彈性自適應(yīng)設(shè)計(jì)，與固定壓管間隙泵頭相比較，泵管安裝在自適應(yīng)壓管間隙泵頭上時(shí)，有活動(dòng)空間，泵管受到的擠壓力小。根據(jù)泵管的尺寸，上壓塊可以自動(dòng)調(diào)整壓管間隙，泵管所受到的擠壓力均衡，有效避免了對(duì)泵管的過(guò)壓，降低了能量消耗。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，各泵管出現(xiàn)不同程度的磨損，彈性上壓塊也會(huì)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，最終的結(jié)果是延長(zhǎng)了泵管的使用壽命。

2.4 傳輸壓力

泵管在上壓塊和滾輪相互作用的情況下，呈現(xiàn)出擠壓——回彈——擠壓的循環(huán)動(dòng)作。在此過(guò)程中，泵管入口壓力為負(fù)壓，出口壓力為正壓，在壓力差的作用下，介質(zhì)通過(guò)泵管內(nèi)壁被輸送至出口，達(dá)到傳輸介質(zhì)的目的。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，泵管表面出現(xiàn)磨損，泵管的壁厚變小，彈性減弱，在上壓塊和滾輪的相互擠壓作用下，泵管的回彈力減弱，泵管內(nèi)壁的壓力差減小。

泵管與固定壓管間隙泵頭適配時(shí)，泵管的表面未經(jīng)過(guò)磨損，在上壓塊和滾輪的相互作用下，初始傳輸壓力最大。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，因壓管間隙固定，泵管的表面被磨損，泵管的壁厚變小，彈性減弱，泵管內(nèi)壁的壓力差減小。與初始傳輸壓力相比，此時(shí)泵管的傳輸壓力變小，當(dāng)泵管的彈性消失時(shí)，泵管內(nèi)壁的壓力差降至為0，無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳輸介質(zhì)的目的[4]。

泵管與自適應(yīng)壓管間隙泵頭適配時(shí)，泵管的表面未經(jīng)磨損，在上壓塊和滾輪的相互作用下，初始傳輸壓力最大。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，泵管的表面磨損，壁厚變小，彈性減弱。因上壓塊的自適應(yīng)調(diào)節(jié)的特殊功能，可根據(jù)泵管壁厚的變化，自行調(diào)節(jié)上壓塊的壓管間隙，此時(shí)泵管內(nèi)壁的傳輸壓力與初始傳輸壓力相比，變化不大。隨著泵管磨損程度加深，泵管的彈性逐漸消失，上壓塊無(wú)法再通過(guò)自行調(diào)節(jié)壓管間隙達(dá)到調(diào)整泵管內(nèi)壁壓力差的目的，此時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳輸介質(zhì)的目的。

3 固定壓管間隙泵頭與自適應(yīng)壓管間隙泵頭基本性能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比

為了對(duì)比固定壓管間隙泵頭與自適應(yīng)壓管間隙泵頭的各項(xiàng)性能，盡可能提高驗(yàn)證試驗(yàn)的可比性，隨機(jī)選取固定壓管間隙泵頭DG6 和自適應(yīng)壓管間隙泵頭DL10 各三臺(tái)，安裝同一種材質(zhì)、同一規(guī)格的泵管，進(jìn)行各項(xiàng)性能的測(cè)試。

3.1 流量準(zhǔn)確度對(duì)比試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件及步驟

（1）選取2 臺(tái)同款F 型驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)徑為1.3 mm，壁厚為0.85 mm 的聚氯乙烯泵管，根據(jù)各泵頭的技術(shù)要求，截取規(guī)定長(zhǎng)度的泵管，安裝對(duì)應(yīng)的卡套，分別安裝在DG6 泵頭的棘輪卡片和DL10 泵頭上，泵管入口、出口保持固定且長(zhǎng)度均保持一致，約200 mm，傳輸介質(zhì)為純凈水。

（2）安裝DG6 泵頭的驅(qū)動(dòng)器選擇流量模式，轉(zhuǎn)速設(shè)置為低轉(zhuǎn)速，以泵管剛吸水且不回流的狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，確定棘輪卡片的合適的擋位，后續(xù)測(cè)試過(guò)程中保持不變。

（3）兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器全部選擇時(shí)間分配模式，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為60 s，轉(zhuǎn)速設(shè)置為最高轉(zhuǎn)速100 rpm，待泵管內(nèi)壁充滿純凈水后，將天平示值清零，稱量一定時(shí)間內(nèi)的出液量，連續(xù)稱量5 次，記錄并計(jì)算流量。

（4）將泵管更換為內(nèi)徑為1.52 mm，壁厚為0.85 mm 的聚氯乙烯泵管，重復(fù)上述（1）～（3）步驟。

2）數(shù)據(jù)處理公式

平均流量=N次測(cè)量的流量/N，單位為g/min；

絕對(duì)誤差=測(cè)量的最大流量值-測(cè)量的最小流量值；

流量準(zhǔn)確度=絕對(duì)誤差/平均流量，單位為%。

3）數(shù)據(jù)處理

（1）流量數(shù)據(jù)處理，DG6 泵頭流量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，DL10 泵頭流量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 DG6 泵頭流量數(shù)據(jù)

表2 DL10 泵頭流量數(shù)據(jù)

（2）流量準(zhǔn)確度對(duì)比曲線

DG6 泵頭流量準(zhǔn)確度對(duì)比見(jiàn)圖1，DL10 泵頭流量準(zhǔn)確度對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖1 DG6 泵頭流量準(zhǔn)確度對(duì)比曲線

圖2 DL10 泵頭流量準(zhǔn)確度對(duì)比曲線

4）試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）DG6 泵頭安裝1.3×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉(zhuǎn)速100 rpm，各通道流量準(zhǔn)確度范圍1.2%～3.6%。

（2）DG6 泵頭安裝1.52×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉(zhuǎn)速100 rpm，各通道流量準(zhǔn)確度范圍1.5%～3.0%。

（3）DL10 泵頭安裝1.3×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉(zhuǎn)速100 rpm，各通道流量準(zhǔn)確度范圍0.5%～1.0%。

（4）DL10 泵頭安裝1.52×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉(zhuǎn)速100 rpm，各通道流量準(zhǔn)確度范圍0.4%～1.0%。

從試驗(yàn)結(jié)果分析，安裝同種規(guī)格同種材質(zhì)的泵管，在相同的轉(zhuǎn)速下，連續(xù)測(cè)量5 次流量，固定壓管間隙泵頭的流量準(zhǔn)確度稍低于自適應(yīng)壓管間隙泵頭的流量準(zhǔn)確度，與理論分析基本相符。

3.2 通道一致性對(duì)比試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件及步驟：同本文3.1 中 1）。

2）數(shù)據(jù)處理公式：

通道間絕對(duì)誤差=通道間平均流量最大值-通道間平均流量最小值；

通道一致性=通道間絕對(duì)誤差/各通道流量平均值，單位為%。

3）數(shù)據(jù)處理

流量數(shù)據(jù)處理，DG6 泵頭通道一致性數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，DL10 泵頭通道一致性數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表3 DG6 泵頭通道一致性數(shù)據(jù)

表4 DL10 泵頭通道一致性數(shù)據(jù)

DG6 泵頭與DL10 泵頭通道一致性曲線見(jiàn)圖3。

圖3 DG6 泵頭與DL10 泵頭通道一致性曲線

4）試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）DG6 泵頭安裝1.3×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉(zhuǎn)速100 rpm，通道一致性為3.12%。

（2）DG6 泵頭安裝1.52×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉(zhuǎn)速100 rpm，通道一致性為2.74%。

（3）DL10 泵頭安裝1.3×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉(zhuǎn)速100 rpm，通道一致性為2.50%。

（4）DL10 泵頭安裝1.52×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉(zhuǎn)速100 rpm，通道一致性為2.32%。

從試驗(yàn)結(jié)果分析，安裝同種規(guī)格同種材質(zhì)的泵管，在相同的轉(zhuǎn)速下，通過(guò)連續(xù)測(cè)量的5 次流量，計(jì)算各通道一致性，多通道固定壓管間隙泵頭的通道一致性稍低于多通道自適應(yīng)壓管間隙泵頭的通道一致性，與理論分析基本相符。

3.3 泵管壽命對(duì)比試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件

（1）因聚氯乙烯泵管壽命較長(zhǎng)，此試驗(yàn)采用硅膠管。

（2）截取單根長(zhǎng)度約500 mm 的內(nèi)徑為1 mm、壁厚為0.92 mm 的硅膠管，根據(jù)各泵頭的技術(shù)要求，安裝對(duì)應(yīng)的卡套，分別安裝在DG6 泵頭的棘輪卡片和DL10 泵頭上，泵管入口、出口保持固定且長(zhǎng)度均保持一致，約200 mm，傳輸介質(zhì)為純凈水。

（3）安裝DG6 泵頭的驅(qū)動(dòng)器選擇流量模式，轉(zhuǎn)速設(shè)置為低轉(zhuǎn)速，以泵管剛吸水且不回流的狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，確定棘輪卡片合適的擋位，后續(xù)測(cè)試過(guò)程中保持不變。

（4）兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器全部選擇流量模式，轉(zhuǎn)速設(shè)置為最高轉(zhuǎn)速100 rpm，待泵管內(nèi)壁充滿純凈水后，開(kāi)始計(jì)時(shí)，直至泵管出現(xiàn)傳輸水或破損。運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)即為泵管的壽命。

2）泵管額定壽命計(jì)算

據(jù)相關(guān)驗(yàn)證，泵管在室溫23 ℃，以600 rpm 的轉(zhuǎn)速在一個(gè)三滾輪的泵頭上進(jìn)行測(cè)試，硅膠管的壽命約75 h。

泵頭的滾輪數(shù)越多，轉(zhuǎn)速越高，泵管磨損就越嚴(yán)重；基本可以認(rèn)為滾輪數(shù)、轉(zhuǎn)速成比例地影響泵管的壽命。

3）數(shù)據(jù)處理（見(jiàn)表5）

表5 泵管實(shí)際運(yùn)行壽命數(shù)據(jù)

4）試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）DG6 泵頭安裝1×0.92 硅膠管，轉(zhuǎn)速100 rpm的條件下連續(xù)運(yùn)行，泵管的實(shí)際運(yùn)行壽命不低于240 h。

（2）DL 泵頭安裝1×0.92 硅膠管，轉(zhuǎn)速100 rpm的條件下連續(xù)運(yùn)行，泵管的實(shí)際運(yùn)行壽命不低于360 h。

（3）從泵管實(shí)際運(yùn)行壽命數(shù)據(jù)分析，安裝同種規(guī)格同種材質(zhì)的泵管，在相同的轉(zhuǎn)速下，多通道固定壓管間隙泵頭的泵管壽命低于多通道自適應(yīng)壓管間隙泵頭的泵管壽命，與理論分析基本相符。

3.4 傳輸壓力對(duì)比試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件及步驟

（1）同本文3.3 中試驗(yàn)條件及步驟1）（1）。

（2）同本文3.3 中試驗(yàn)條件及步驟1）（2）。

（3）兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器選擇流量模式，轉(zhuǎn)速設(shè)置為低轉(zhuǎn)速，待泵管內(nèi)壁充滿純凈水后，選取其中一根泵管，出口端連接壓力表，測(cè)試出口端的壓力。

（4）測(cè)試其他所有通道的泵管壓力，并記錄。

（5）將轉(zhuǎn)速設(shè)置為最高轉(zhuǎn)速100 rpm，開(kāi)始計(jì)時(shí)，每連續(xù)運(yùn)行24 h，用本試驗(yàn)步驟（3）中方法測(cè)試每個(gè)通道泵管的出口壓力，并記錄，直至任一泵管出現(xiàn)壓力為0，測(cè)試終止。

2）數(shù)據(jù)處理公式

泵管壓力變化=泵管最終壓力-泵管初始?jí)毫?，單位為MPa。

3）數(shù)據(jù)處理

（1）壓力數(shù)據(jù)處理見(jiàn)表6。

表6 泵管傳輸壓力數(shù)據(jù)

（2）壓力變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 泵管壓力變化曲線

4）試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)泵管壓力變化曲線可知，在泵管連續(xù)運(yùn)行至240 h 時(shí)，DG6 泵頭出現(xiàn)泵管失效，此時(shí)測(cè)試DG6 泵頭和DL10 泵頭所有泵管的傳輸壓力，發(fā)現(xiàn)與各自通道的初始?jí)毫ο啾?，DL10 泵頭泵管的壓力變化不大，而DG6 泵頭的泵管壓力變化較大，與理論分析基本相符。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，可推斷自適應(yīng)壓管間隙泵頭DL10 流量準(zhǔn)確度、通道一致性、泵管壽命及傳輸壓力等性能均優(yōu)于固定壓管間隙泵頭DG6，但DL10泵頭因其成本偏高，多用于流動(dòng)分析儀設(shè)備配套使用[5]；DG6 泵頭因其成本低的優(yōu)勢(shì)，使用范圍廣，多用于小流量、多通道流體傳輸場(chǎng)合。