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无泄漏环形隔膜泵性能特征与实际应用

针对泵产品密封泄漏以及往复式隔膜泵结构复杂、笨重、调试困难等问题,我们研制成功了Q=2m3/h,25m3/h;P≤0.4MPa环形隔膜泵两种产品,并于1994年元月通过了部级鉴定,并获得国家专利,专利号92236204.1。 1、结构特征 环形隔膜泵首先以平面蠕动式刚性支承环和环形隔膜区别于一般转子泵和往复式隔膜泵。此外现有隔膜泵多采用片状隔膜来隔开输送介质和工作介质,并使用往复式曲柄连杆机构、三阀机构、进出口阀组;环形隔膜泵吸收了软管泵、挠性衬圈泵及其它转子泵的特点,采用回转式驱动机构和环形隔膜有机结合的新颖结构,用环形隔膜将输送介质与驱动元件隔开,使输送介质无法向外泄漏。环形隔膜泵主要由泵体1、隔离机构2、刚性支承环3、环形隔膜4、轴承套5、轴承6、传动轴7及浮动承压环、泵端盖等组成(图1);环形隔膜端部靠轴承盖沿轴向压紧固定,其和泵端盖、刚性支承环、泵体组成封闭容积,当传动轴旋转时,借助进、出口隔离机构和刚性支承环、泵体形成吸液和排液腔,达到无泄漏输送介质的目的。 环形隔膜泵主要结构特征为: (1)隔膜和泵体间设有平面蠕动式刚性支承环; (2)环形隔膜内置有浮动承压环; (3)环形隔膜将输送介质和润滑介质隔开; (4)环形隔膜泵独有进出口组合隔离机构; (5)无需底阀和进出口阀组; (6)独特的轴向密封结构; (7)刚性支承环与传动轴间设有轴承。 2、设计要点 2.1、流量 环形隔膜泵中刚性支承环和隔离元件、泵体将液腔隔成吸入和排出部分,随吸入和排出液腔容积的变化,介质沿进口至出口连续流动。如图2所示吸人口A和排出口B分别为吸、排腔径向密封死点,可见每转排出理论流量应为: Q;,t=10-’n(RZ一r2)BK[L] 式中B--刚性支承环宽度,cm R--泵体内腔半径,cm r--刚性支承环半径,cm K--理论容积系数,主要考虑无效密 封角α及结构尺寸R,r等对理 论流量的影响;通常无效密封角 α分别控制在20。以内,K值可 精确求得,一般取0.90-0.95 设计中有R=r e,其中e为偏心值,cm。则有泵理论流量为: 考虑到泵的压差、介质粘度、间隙大小及泵速对流量的影响,则泵的额定流量为: Qr=KvQth 式中Kp--容积系数 2.2、泵速和泵径向、轴向间隙的确定 2.2.1、泵速 由于采用了平面蠕动的刚性支承环,因而泵体、泵端盖和刚性支承环间相对滑动速度与泵速相关,其值可估算,即: V=πne/30 可见合理控制与降低泵速,则可以减小摩擦和功率损耗,延长泵使用寿命,提高泵效率。根据经验,通常将泵速控制在n≤300min-1范围。 2.2.2、轴、径向间隙 吸人和排出腔间径向密封为楔形间隙,轴向间隙为平行缝隙。泵的性能与径向、轴向间隙及相关结构参数和介质特性密切有关,其中径向间隙主要根据压差△P;输送介质的粘度γ;刚性支承环半径r;偏心值e等因素确定。 即间隙T=f(ν,r)/f(△P,e),显然当△P和e增大时,间隙T应取小值;当ν,r增大时,间隙T可取大值。 轴向密封采用间隙密封和弹性密封相结合效果良好;而平行间隙的泄漏量可由下式估计: q=10-5xT3b△P/1.2γL[mL/s] 式中b—间隙宽度,cm L—间隙长度,cm △P—压差,MPa ν—介质动力粘度,Pa·s T—间隙值,cm 通常,合理控制径、轴向间隙可以提高自吸性能和排出压力,减小泵内泄漏量,保持较高容积系数。实践证明,刚性支承环和泵体、传动轴和轴承套以及轴承和轴承盖的公差配合、径轴向尺寸链的计算至关重要。通过设计分析和试验验证,径向、轴向间隙应控制在0.03~0.20范围内。 2.3、环形隔膜的设计 环形隔膜是环形隔膜泵中隔开输送介质和润滑介质,实现无泄漏输送介质的关键零件,其设计不同于片状隔膜,我们从结构上保证其承受低压状态,通过预定伸长量使之工作状态下附加变形极小,设计中遵循以下原则: (1)环形隔膜内外表面均无相对滑动摩擦; (2)控制隔膜内外表面压差在0.1MPa以内; (3)采用浮动承压环形成浮动支承; (4)提高隔膜抗拉和抗疲劳性能; (5)合理选择隔膜硬度; (6)保证隔膜装拆方便; (7)给定隔膜预伸长值△L。 若环形隔膜工作变形段尺寸为L,而安装尺寸为L’,那么环形隔膜设计长度值则为: L=△L L’ 其中△L=e/sin(arctge/L)-L 通常△L=0.5-2.Omm,考虑环形隔膜虽承压较低,但接触腐蚀性介质且工作中循环挠动加上结构尺寸要求严格,我们和有关制造厂和科研院校研制了丁腊橡胶、聚氨醋橡胶和夭然橡胶等多种隔膜,经对比试验,聚氨醋隔膜物化性能和疲劳性能较优。 2.4、刚性支承环设计 环形隔膜泵中刚性支承环有别于普通转子泵和往复式隔膜泵。它的设置不仅使轴向和径向密封容易形成,而且可以保护隔膜,保证泵具有较高排出压力和良好的自吸性能。 刚性支承环上任意质点的运动为垂直轴线截面内的往复运动和回转运动合成的平面运动即平面蠕动。刚性支承环的设计应考虑采用轻质材料或中空结构,以减轻重量,减小惯性力。 其工作状态下外表面承受不平衡液压力作用,使传动轴上承受径向力F,当径向密封点在远离组合隔离机构最低点时有下式: Fmax=20·△P·B·r 式中△P—压差,MPa B—刚性支承环宽度,cm r—刚性支承环半径,cm 由上式可知,刚性支承环承受较大的径向力,因此在设计中不仅应保证其足够的刚度和强度,同时还应考虑传动轴可能产生挠度,通过结构设计确保泵径向间隙在设计范围内。

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