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無泄漏環形隔膜泵的研制
點擊次數：1266 發布時間：2008-10-16
論文摘要：介紹了環形隔膜泵的結構特征、性能特點、設計要點及應用等研究內容，給出了研究結論。
針對泵產品密封泄漏以及往復式隔膜泵結構復雜、笨重、調試困難等問題，我們研制成功了Q=2m3/h，25m3/h；P≤0.4MPa環形隔膜泵兩種產品，并于1994年元月通過了部級鑒定，并獲得國家，號92236204.1。
1、結構特征
環形隔膜泵首先以平面蠕動式剛性支承環和環形隔膜區別于一般轉子泵和往復式隔膜泵。此外現有隔膜泵多采用片狀隔膜來隔開輸送介質和工作介質，并使用往復式曲柄連桿機構、三閥機構、進出口閥組；環形隔膜泵吸收了軟管泵、撓性襯圈泵及其它轉子泵的特點，采用回轉式驅動機構和環形隔膜有機結合的新穎結構，用環形隔膜將輸送介質與驅動元件隔開，使輸送介質無法向外泄漏。環形隔膜泵主要由泵體1、隔離機構2、剛性支承環3、環形隔膜4、軸承套5、軸承6、傳動軸7及浮動承壓環、泵端蓋等組成（圖1）；環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、泵體組成封閉容積，當傳動軸旋轉時，借助進、出口隔離機構和剛性支承環、泵體形成吸液和排液腔，達到無泄漏輸送介質的目的。
環形隔膜泵主要結構特征為：
（1）隔膜和泵體間設有平面蠕動式剛性支承環；
（2）環形隔膜內置有浮動承壓環；
（3）環形隔膜將輸送介質和潤滑介質隔開；
（4）環形隔膜泵*進出口組合隔離機構；
（5）無需底閥和進出口閥組；
（6）*的軸向密封結構；
（7）剛性支承環與傳動軸間設有軸承。
2、設計要點
2 .1、流量
環形隔膜泵中剛性支承環和隔離元件、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，介質沿進口至出口連續流動。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，可見每轉排出理論流量應為：
Q；，t=10-""n（RZ一r2）BK [ L]
式中B--剛性支承環寬度，cm
R--泵體內腔半徑，cm
r--剛性支承環半徑，cm
K--理論容積系數，主要考慮無效密
封角α及結構尺寸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，K值可
求得，一般取0.90-0.95
設計中有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
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，因而泵體、泵端蓋和剛性支承環間相對滑動速度與泵速相關，其值可估算，即：
Ｖ=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。根據經驗，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、軸向間隙及相關結構參數和介質特性密切有關，其中徑向間隙主要根據壓差△P；輸送介質的粘度γ；剛性支承環半徑r；偏心值e等因素確定。
即間隙T = f （ν， r） / f （△P， e），顯然當△P和e增大時，間隙T應取小值；當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合效果良好；而平行間隙的泄漏量可由下式估計：
q=10-5 x T3b△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，減小泵內泄漏量，保持較高容積系數。實踐證明，剛性支承環和泵體、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重要。通過設計分析和試驗驗證，徑向、軸向間隙應控制在0.03～0.20范圍內。
2.3、環形隔膜的設計
環形隔膜是環形隔膜泵中隔開輸送介質和潤滑介質，實現無泄漏輸送介質的關鍵零件，其設計不同于片狀隔膜，我們從結構上保證其承受低壓狀態，通過預定伸長量使之工作狀態下附加變形極小，設計中遵循以下原則：
（1）環形隔膜內外表面均無相對滑動摩擦；
（2）控制隔膜內外表面壓差在0.1MPa以內；
（3）采用浮動承壓環形成浮動支承；
（4）提高隔膜抗拉和抗疲勞性能；
（5）合理選擇隔膜硬度；
（6）保證隔膜裝拆方便；
（7）給定隔膜預伸長值△L。
若環形隔膜工作變形段尺寸為L，而安裝尺寸為L""，那么環形隔膜設計長度值則為：
L=△L+L""
其中△L=e/ sin （arctge/L）－L
通常△L=0.5-2.Omm，考慮環形隔膜雖承壓較低，但接觸腐蝕性介質且工作中循環撓動加上結構尺寸要求嚴格，我們和有關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，經對比試驗，聚氨醋隔膜物化性能和疲勞性能較優。
2.4、剛性支承環設計
環形隔膜泵中剛性支承環有別于普通轉子泵和往復式隔膜泵。它的設置不僅使軸向和徑向密封容易形成，而且可以保護隔膜，保證泵具有較高排出壓力和良好的自吸性能。
剛性支承環上任意質點的運動為垂直軸線截面內的往復運動和回轉運動合成的平面運動即平面蠕動。剛性支承環的設計應考慮采用輕質材料或中空結構，以減輕重量，減小慣性力。
其工作狀態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，當徑向密封點在遠離組合隔離機構zui低點時有下式：
Fmax=20·△P·B·r
式中△P—壓差，MPa
B—剛性支承環寬度，cm
r—剛性支承環半徑，cm
由上式可知，剛性支承環承受較大的徑向力，因此在設計中不僅應保證其足夠的剛度和強度，同時還應考慮傳動軸可能產生撓度，通過結構設計確保泵徑向間隙在設計范圍內。
3、性能特點
3.1、性能特點
環形隔膜泵以*的結構、優化的設計、參數的合理匹配及高質量的隔膜而具備優良的性能，主要在如下：
（1）無泄漏。由于泵中環形隔膜將輸送介質與潤滑介質隔開，輸送介質無法外泄。
（2）自吸性能強。因是回轉式容積泵，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）適應范圍廣。可輸送一般液體亦可輸送粘稠性介質，應用參數范圍大。
（4）效率高。傳動結構緊湊簡單，和同參數葉片泵相比，效率高5%以上，且區寬廣。
該產品易于系列化、通用化；同一機座產品可更換過流部件、調整泵速和間隙來適應不同工況和介質。目前環形隔膜泵已形成Q=1～50m3/h， P≤1.OMPa的系列產品，可廣泛用于輸送強腐蝕性、易燃爆、劇毒和放射性的以及高純度或高粘度的介質等。此外，依不同用戶要求可采用調速傳動方式，還可配用隔膜報警自動執行器。
3.2、產品實剛性能
據“軍工艦船用環形隔膜泵的研制”課題鑒定要求，兩種產品經500 h型式試驗后，經檢測其性能見表1。
由此可見，產品實測性能均達到機械部課題攻關指標，具有良好的自吸性能及氣液混輸、率等特性。
此外，我們用HM-2.0/0.4型環形隔膜泵進行了對比試驗，其輸送不同介質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，所產生的內泄漏量不同，使得容積系數不同。
4、結論及應用
環形隔膜泵作為新型容積轉子式無泄漏泵，采用了旋轉式驅動機構，減少了滑動摩擦潤滑點，簡化了結構。采用環形隔膜隔開潤滑介質和輸送介質，*新穎。此外由于它和往復式隔膜泵、轉子泵、磁力泵、軟管泵等結構有本質不同，因而其研究開發及市場應用潛力大。
工業發達國家無泄漏泵年產量占泵年產量15%～20%；而我國無泄漏泵年產量占總產量3%左右，是急待發展的產品。環形隔膜泵*的性能和良好的通用性和互換性，使之特別適用化工、輕工、食品工業流程用泵的更新，使運行成本降低，維護和操作方便，以提高經濟效益。
據對某酒精廠和果糖廠用泵情況調查，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，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個規格的產品，運行管理和維護更換零件不方便。選用環形隔膜泵系列產品、則只需2個機座即可滿足，其安裝尺寸、泵體、隔膜等零部件相同，對不同介質可更換過流部件材質，維護管理更簡單。
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。
針對泵產品密封泄漏以及往復式隔膜泵結構復雜、笨重、調試困難等問題，我們研制成功了Q=2m3/h，25m3/h；P≤0.4MPa環形隔膜泵兩種產品，并于1994年元月通過了部級鑒定，并獲得國家，號92236204.1。
1、結構特征
環形隔膜泵首先以平面蠕動式剛性支承環和環形隔膜區別于一般轉子泵和往復式隔膜泵。此外現有隔膜泵多采用片狀隔膜來隔開輸送介質和工作介質，并使用往復式曲柄連桿機構、三閥機構、進出口閥組；環形隔膜泵吸收了軟管泵、撓性襯圈泵及其它轉子泵的特點，采用回轉式驅動機構和環形隔膜有機結合的新穎結構，用環形隔膜將輸送介質與驅動元件隔開，使輸送介質無法向外泄漏。環形隔膜泵主要由泵體1、隔離機構2、剛性支承環3、環形隔膜4、軸承套5、軸承6、傳動軸7及浮動承壓環、泵端蓋等組成（圖1）；環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、泵體組成封閉容積，當傳動軸旋轉時，借助進、出口隔離機構和剛性支承環、泵體形成吸液和排液腔，達到無泄漏輸送介質的目的。
環形隔膜泵主要結構特征為：
（1）隔膜和泵體間設有平面蠕動式剛性支承環；
（2）環形隔膜內置有浮動承壓環；
（3）環形隔膜將輸送介質和潤滑介質隔開；
（4）環形隔膜泵*進出口組合隔離機構；
（5）無需底閥和進出口閥組；
（6）*的軸向密封結構；
（7）剛性支承環與傳動軸間設有軸承。
2、設計要點
2 .1、流量
環形隔膜泵中剛性支承環和隔離元件、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，介質沿進口至出口連續流動。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，可見每轉排出理論流量應為：
Q；，t=10-""n（RZ一r2）BK [ L]
式中B--剛性支承環寬度，cm
R--泵體內腔半徑，cm
r--剛性支承環半徑，cm
K--理論容積系數，主要考慮無效密
封角α及結構尺寸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，K值可
求得，一般取0.90-0.95
設計中有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
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，因而泵體、泵端蓋和剛性支承環間相對滑動速度與泵速相關，其值可估算，即：
Ｖ=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。根據經驗，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、軸向間隙及相關結構參數和介質特性密切有關，其中徑向間隙主要根據壓差△P；輸送介質的粘度γ；剛性支承環半徑r；偏心值e等因素確定。
即間隙T = f （ν， r） / f （△P， e），顯然當△P和e增大時，間隙T應取小值；當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合效果良好；而平行間隙的泄漏量可由下式估計：
q=10-5 x T3b△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，減小泵內泄漏量，保持較高容積系數。實踐證明，剛性支承環和泵體、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重要。通過設計分析和試驗驗證，徑向、軸向間隙應控制在0.03～0.20范圍內。
2.3、環形隔膜的設計
環形隔膜是環形隔膜泵中隔開輸送介質和潤滑介質，實現無泄漏輸送介質的關鍵零件，其設計不同于片狀隔膜，我們從結構上保證其承受低壓狀態，通過預定伸長量使之工作狀態下附加變形極小，設計中遵循以下原則：
（1）環形隔膜內外表面均無相對滑動摩擦；
（2）控制隔膜內外表面壓差在0.1MPa以內；
（3）采用浮動承壓環形成浮動支承；
（4）提高隔膜抗拉和抗疲勞性能；
（5）合理選擇隔膜硬度；
（6）保證隔膜裝拆方便；
（7）給定隔膜預伸長值△L。
若環形隔膜工作變形段尺寸為L，而安裝尺寸為L""，那么環形隔膜設計長度值則為：
L=△L+L""
其中△L=e/ sin （arctge/L）－L
通常△L=0.5-2.Omm，考慮環形隔膜雖承壓較低，但接觸腐蝕性介質且工作中循環撓動加上結構尺寸要求嚴格，我們和有關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，經對比試驗，聚氨醋隔膜物化性能和疲勞性能較優。
2.4、剛性支承環設計
環形隔膜泵中剛性支承環有別于普通轉子泵和往復式隔膜泵。它的設置不僅使軸向和徑向密封容易形成，而且可以保護隔膜，保證泵具有較高排出壓力和良好的自吸性能。
剛性支承環上任意質點的運動為垂直軸線截面內的往復運動和回轉運動合成的平面運動即平面蠕動。剛性支承環的設計應考慮采用輕質材料或中空結構，以減輕重量，減小慣性力。
其工作狀態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，當徑向密封點在遠離組合隔離機構zui低點時有下式：
Fmax=20·△P·B·r
式中△P—壓差，MPa
B—剛性支承環寬度，cm
r—剛性支承環半徑，cm
由上式可知，剛性支承環承受較大的徑向力，因此在設計中不僅應保證其足夠的剛度和強度，同時還應考慮傳動軸可能產生撓度，通過結構設計確保泵徑向間隙在設計范圍內。
3、性能特點
3.1、性能特點
環形隔膜泵以*的結構、優化的設計、參數的合理匹配及高質量的隔膜而具備優良的性能，主要在如下：
（1）無泄漏。由于泵中環形隔膜將輸送介質與潤滑介質隔開，輸送介質無法外泄。
（2）自吸性能強。因是回轉式容積泵，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）適應范圍廣。可輸送一般液體亦可輸送粘稠性介質，應用參數范圍大。
（4）效率高。傳動結構緊湊簡單，和同參數葉片泵相比，效率高5%以上，且區寬廣。
該產品易于系列化、通用化；同一機座產品可更換過流部件、調整泵速和間隙來適應不同工況和介質。目前環形隔膜泵已形成Q=1～50m3/h， P≤1.OMPa的系列產品，可廣泛用于輸送強腐蝕性、易燃爆、劇毒和放射性的以及高純度或高粘度的介質等。此外，依不同用戶要求可采用調速傳動方式，還可配用隔膜報警自動執行器。
3.2、產品實剛性能
據“軍工艦船用環形隔膜泵的研制”課題鑒定要求，兩種產品經500 h型式試驗后，經檢測其性能見表1。
由此可見，產品實測性能均達到機械部課題攻關指標，具有良好的自吸性能及氣液混輸、率等特性。
此外，我們用HM-2.0/0.4型環形隔膜泵進行了對比試驗，其輸送不同介質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，所產生的內泄漏量不同，使得容積系數不同。
4、結論及應用
環形隔膜泵作為新型容積轉子式無泄漏泵，采用了旋轉式驅動機構，減少了滑動摩擦潤滑點，簡化了結構。采用環形隔膜隔開潤滑介質和輸送介質，*新穎。此外由于它和往復式隔膜泵、轉子泵、磁力泵、軟管泵等結構有本質不同，因而其研究開發及市場應用潛力大。
工業發達國家無泄漏泵年產量占泵年產量15%～20%；而我國無泄漏泵年產量占總產量3%左右，是急待發展的產品。環形隔膜泵*的性能和良好的通用性和互換性，使之特別適用化工、輕工、食品工業流程用泵的更新，使運行成本降低，維護和操作方便，以提高經濟效益。
據對某酒精廠和果糖廠用泵情況調查，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，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個規格的產品，運行管理和維護更換零件不方便。選用環形隔膜泵系列產品、則只需2個機座即可滿足，其安裝尺寸、泵體、隔膜等零部件相同，對不同介質可更換過流部件材質，維護管理更簡單。
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。