隔膜計量泵工作原理、使用問題及對策分析

楊世杰

（煙臺泰和新材料股份有限公司，山東 煙臺 264006）

計量泵的特點在于它能夠精確地調節、計量流經計量泵的各種流體，在精細化生產工藝中得到廣泛的應用，是石油加工、精細化工、污水凈化、食品加工、醫藥生產、能源加工、有機化工、高分子合成等眾多技術領域中的核心設備。在這些工藝生產中，計量泵在物料計量、物料衡算、原料比例調整等方面發揮了重要作用。從第一臺計量泵于1936年被開發應用出來以后，縱觀計量泵的開發、應用的80多年歷史，技術人員在計量泵的驅動力方式和設備材料選型上開展了大量的工作，基于驅動力方式和設備材料選型技術成果，計量泵的計量精確性、耐壓耐溫能力、流量調節靈活性、輸送介質種類都得到了極大的提升。其中，隔膜計量泵是其中最為典型的計量泵。隔膜計量泵的最大的特點在于它使用“隔膜材料”將計量泵的驅動潤滑組件與輸送的流體體相隔離，及避免了流體體相對驅動潤滑組件的腐蝕，又極大地提高了計量泵的密封性。

現在，隔膜計量泵憑借著它獨特的技術特點，在噴漆、陶瓷加工、廢水凈化、精細化工等領域發揮了其他類型計量泵不可替代的作用。因此，為了彌補我國隔膜計量泵產業技術水平的差距，本文從隔膜計量泵工作原理入手，根據隔膜計量泵實際作業時經驗，梳理了隔膜計量泵工作時常見的故障問題，并總結各種故障問題需要采取的解決措施。

1 隔膜計量泵的結構及原理

1．1 隔膜計量泵的結構及原理

（1）隔膜計量泵結構。從結構組成來看，隔膜計量泵由驅動電機設備、隔膜組件、泵頭、內循環壓力平衡系統、量程調節組件、減速組件等幾部分組成。其中，泵頭由泵頭、進料管線閥門、卡套法蘭、出料管線閥門、護膜板等幾部分組成；減速組件采用蝸輪蝸桿減速方式，行程調節采用N形曲軸連桿方式，減速組件和行程調節組件安裝在統一箱體內；泄壓閥、排氣閥、補油閥、出油罐、缸體等組成隔膜計量泵的內循環壓力平衡系統；隔膜片安裝在缸體與泵頭之間，將輸送流體和液壓油隔離起來；臥式泵的驅動電機設備安裝在箱體的側面，立式泵的驅動電機設備安裝在箱體的上面，根據生產需求驅動點擊設備可以選擇變頻電機也可選擇固定頻率電機。

（2）隔膜計量泵工作原理。隔膜計量泵的驅動電機設備利用傳動帶帶動蝸桿選裝，蝸桿經過渦輪、下套筒將動量傳遞給系統的N型軸。通過N型軸的聯動作用和行程調節作用，調節計量泵柱塞往復運動的形成，從而實現計量泵流量的條件。另一個調節計量泵流量的方式，通過驅動電機設備工作頻率調節實現的。當柱塞向后運動時，液壓腔體積增加，液壓腔內壓力降低，使得彈性膜片向后彎曲。向后彎曲的膜片導致流體介質腔內體積增加，產生負壓。這時，計量泵的進口閥門打開，介質在壓差的作用下從計量泵前管線進入流體介質腔內，計量泵的出口閥門關閉，當柱塞沖程達到滿額時，單次進料結束。單次進料結束后，柱塞泵開始向前運動，液壓腔體積降低，液壓腔內壓力增加，使得彈性膜片向前彎曲。向前彎曲的膜片導致流體介質腔內體積降低，產生正壓。這時，計量泵的出口閥門打開，介質在壓差的作用下從流體介質腔進入到計量泵后管線，完成單次出料。簡易示意圖如圖1所示。兩個過程循環配合，完成管線流體介質的不斷輸送，有時為了保障進料的穩定性，會使用雙臺聯動的計量泵輸送介質。

圖1 隔膜計量泵工作原理簡易圖

1．2 技術特點

從隔膜計量泵結構設計和工作原理可以看出，隔膜計量泵使用柔性隔膜材料代替傳統的活塞，在驅動作用下不斷完成往復輸料過程。由于高效的隔膜效果，隔膜計量泵的設備密封性非常好、輸送物料與驅動潤滑組件的隔離性非常好。因此，基于隔膜計量泵技術特點，其具有如下工作特點：

（1）可以實現高揮發性有機溶劑的輸送，如甲醇、石油醚、低碳烷烴、乙醇等；由于將物料和驅動設備隔離，可以輸送腐蝕性較強的溶液；

（2）柱塞密封工作溫度低，不需要在泵頭處搭載輔助冷卻設備；

（3）隔膜計量泵運行安全可靠，機器產生的震動和噪音非常小，保障了員工現場工作環境；設備構造、操作簡單，設備后期維護方便；

（4）采用內循環壓力平衡系統保證設備內部的壓力平衡，提高了隔膜計量泵的柱塞密封填充料和膜片的使用壽命。

2 隔膜計量泵使用問題及對策

2．1 隔膜零件故障及措施

從上一小節闡述的隔膜計量泵工作原理可以看出，在計量泵柱塞不斷往復運動輸送流體介質過程中，受到體積變化的作用，隔膜的左右兩端常處于連續交替變換受力的狀態，導致計量泵的隔膜零件極容易開裂受損，影響計量泵正常工作。最常見兩種開裂原因有以下幾方面：（1）進料溫度過高，到時隔膜材料老化嚴重；（2）輸送的料液中含有氣體或者汽化產生氣體，氣體進入流體介質腔后，導致隔膜承受的壓力不均勻，產生機械疲勞；（3）進料不穩定，導致進料時計量泵內流體介質分離形成空隙，造成缺料、打空泵情況，導致隔膜成熟的應變力增大，造成隔膜擊穿或者機械損傷。

當隔膜出現性能故障時需要隔膜進行更換，關閉系統進出口單向閥，打開放空閥，使得系統壓力與大氣壓力平衡，排出液壓油。松懈進出口管線螺母，擰下泵頭前段緊固螺母，卸下泵頭，更換新舊隔膜片。

2．2 泵不上量或上量不足

隔膜計量泵不上量或者上量不足的問題產生的原因有很多，可以從以下幾方面入手排查：

（1）隔膜損壞或單向閥堵塞。單向閥堵塞時導致計量泵無法工作的首要因素，發現上述問題后?，F場人員首先將泵前的單向閥拆除，調節柱塞沖程觀察隔膜運動情況。如果隔膜運動與柱塞沖程匹配，則可以排除隔膜損害問題。然后，利用清洗液體如水、有機溶劑等對單向閥盡心清理，可以適當用軟毛刷刮蹭，重新裝回清洗過的單向閥觀察進料情況。單向閥的堵塞通常是因為料液中機械雜質導致的，可以通過原料預處理或者前置過濾器進行避免。

（2）補油閥堵塞。計量泵工作時液壓腔內液壓油發揮重要作用，當腔內液壓油量不夠使，計量泵會打開附加儲油槽進行液壓油補充。如果補油閥出現故障時，也會導致液壓油無法及時供給，導致隔膜停止運動或者運動幅度不足。這種情況只能對補油閥進行更換。

（3）減速組件失效。當蝸輪蝸桿機構損壞時，N曲軸系統會癱瘓，導致泵缺少驅動力而停轉發生不上量情況。

2．3 計量精度不夠

計量精確時隔膜計量泵的一個重要特征，如果計量精度不夠，計量泵也會影響工藝的正常運轉。計量泵計量精度不足的排查原因和對應的解決措施如表1所示。

表1 計量泵計量精度不足的原因和解決措施

除此之外，根據現場工作經驗，隔膜計量泵還會出現運轉中有沖擊聲、排液量不夠、機箱或液壓油池內的油量非正常減少或增加等問題，需要根據現場經驗進行排查總結。

3 結語

我國在20世紀70年代才開始在研發應用計量泵，起步時間落后于國外發達國家，再加上技術水平的封鎖限制，我國當前的隔膜計量泵技術水平仍落后于國外先進科技公司。比如，德國注明計量泵生產公司——普羅特公司，基于計算機控制軟件和自動化儀表，該公司開發出的精密隔膜計量泵能夠通過改變沖程頻率和沖程長度實現隔膜計量泵的無級調節。而我國生產出的隔膜計量泵很多還依賴固定頻率調節方式。所以，相關產業技術人員要基于扎實的理論基礎，與特種材料、工程技術、工業生產、計算機控制等領域結合，提升我國隔膜計量泵技術水平。