新型高效節能隔膜泵液壓控制系統

劉 杰，丘銘軍，吳 偉，彭立廣，李 鵬

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隔膜泵廣泛應用于有色、化工、煤炭、石油等行業內，用于輸送高溫、高壓、高磨蝕固液兩相介質，目前國內現有隔膜泵產品驅動方式大多數使用電動機驅動曲柄滑塊機構，該結構存在尺寸大，制造成本高和泵流量脈動和壓力沖擊大等諸多問題。針對傳統隔膜泵動力端不足，中國重型機械研究院股份公司針對某氧化鋁廠開發了一種工作隔膜泵動力端液壓控制系統。該隔膜泵長行程、低沖次、輸出流量均勻、壽命長、故障率低。

1 傳統技術隔膜泵動力端工作原理

圖1所示為傳統技術隔膜泵動力端工作原理示意圖，電動機通過減速機帶動曲柄滑塊機構，使電動機的旋轉運動轉變為推進液油缸的往復直線運動，當活塞向右運動時，活塞通過油液將隔膜推到右側，隔膜室容積增大，形成局部真空，出料閥關閉，進料口的液體在壓差作用下，頂開進料閥，液體進入隔膜室。當活塞向左運動時，活塞通過油液將隔膜推至左側，隔膜室容積減少，壓力升高，進料閥關閉，隔膜室內的液體頂開出料閥，漿體排出到泵外。曲柄滑塊機構的動力端由曲軸、連桿、十字頭、軸承等組成，動力端采用這種結構形式存在很多問題：一是成本高，曲軸作為隔膜泵中最重要的零部件，工作時受到周期性變化的輸送液體壓力、往復和旋轉質量慣性力以及輸入扭矩的共同作用。為了保證較長的使用壽命，曲軸的尺寸通常比較大，相應的其他零部件尺寸也會比較大，制造成本高，制造加工比較困難。一旦這些零部件出現故障或者損壞，其維修或者更換非常困難，而且費用很高，造成巨大的經濟損失。二是由于使用曲柄滑塊機構的驅動方式，隔膜泵活塞的運動形式類似正弦曲線，導致泵的流量脈動和壓力沖擊較大。圖2為傳統三缸單作用隔膜泵排量控制時序圖，雖然隔膜泵的流量脈動可以在設計中采用多缸疊加等辦法來減小，但不能完全消除。三是在活塞直徑和隔膜泵外形體積不變情況下，需要提高泵的流量就要增加沖程，從而加快了各個部件的磨損，特別是進、出料單向閥、隔膜的磨損而導致壽命縮短。

圖1 傳統技術隔膜泵工作原理示意圖

圖2 傳統三缸單作用隔膜泵排量控制時序圖

2 新型隔膜泵工作原理

為保證隔膜泵成本低、效率高，使軟管隔膜泵輸出總流量穩定，同時延長進、出料單向閥和軟管隔膜使用壽命。圖3所示為新型隔膜泵工作原理示意圖，用長行程液壓缸代替曲柄滑塊機構的驅動方式，驅動推進液油缸進行往復運動，其主要技術參數：

推進液油缸Φ250 mm×1250mm

液壓缸規格Φ250 mm×Ф180mm×1250mm

液壓缸數量 4件

無桿腔前進速度 250 mm/s

有桿腔返回速度 320 mm/s

油缸最大工作壓力 30 MPa

油缸行程 1 250 mm

缸單獨動作節湊 最快6次/min

工作時長行程液壓缸A和B作為一組，進行往復運動控制，C和D液壓缸作為一組進行往復運動控制，A和B液壓缸、C和D液壓缸分別按照設定周期執行勻加速啟動、勻速運動和勻減速運動，隔膜泵輸出總流量等于兩組油缸在單位時間內輸出流量疊加之和。

壓料時，液壓缸伸出驅動推進液油缸前進，此時高壓，隔膜受壓將料漿擠出，此時高壓出料單向閥打開，低壓進料單向閥受壓關閉。進料時，液壓缸帶動推進液返程，隔膜形成真空使低壓進料單向閥打開，高壓出料單向閥關閉，實現往復的進料和壓料工況。

圖3 新型隔膜泵工作原理示意圖

圖4所示為新型隔膜泵控制時序圖，與傳統隔膜泵相比較，新型隔膜泵兩組長行程液壓缸在相同規格流量下，最大流量時單向閥每分鐘工作6次，在保持總輸出流量不變的情況下，降低了單向閥每分鐘的開關次數，從圖中可以看出總流量疊加輸出非常穩定。這種液壓驅動隔膜泵采用長行程小直徑液壓缸直接驅動隔膜泵活塞缸，實現直線往復運動，解決了目前傳統隔膜泵的成本高、流量脈動大，進出料單向閥壽命短的問題。

圖4 新型隔膜泵控制時序圖

3 新型隔膜泵動力端液壓控制系統

圖5所示為新型隔膜泵動力端液壓控制系統液壓原理圖，由比例變量泵，電磁溢流閥，恒壓變量泵，電磁溢流閥，單向閥，電磁換向閥，及液壓輔件組成。

工作時，通過調節電氣功能模塊控制比例變量泵101的排量實現液壓缸的前進勻加速，勻速和勻減速動作，實現對四缸運動的交錯往復控制，四缸輸出總速度始終穩定，軟管隔膜泵流量脈動小。對于不同流量規格的軟管隔膜泵通過增加或者減少比例變量泵101的數量和排量來實現，流量調節范圍大，控制系統適應性強，使用比例變量直接驅動液壓缸，系統發熱小，節能效率高。

圖5 新型隔膜泵液壓控制系統原理

4 結束語

針對當前隔膜動力端存在的諸多問題，提出一種新型的隔膜泵動力端，詳細敘述了其工作原理和特點。新型隔膜泵動力端具有流量脈動小、結構簡單、節能、一次性制造成本低等優點，提高了進、出料單向閥壽命，具有很強的市場競爭力。