GMB200-2.5型隔膜泵推进液系统的研究

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(兰州理工大学机电工程学院， 甘肃 兰州 730050)

GMB200-2.5型隔膜泵推进液系统的研究

张洪生，吴郁婷

(兰州理工大学机电工程学院， 甘肃 兰州 730050)

往复式隔膜泵与之前的往复式活塞泵相比,增加了隔膜室的设计，可以有效地将矿浆与油液分隔。为了保证隔膜的正常蠕动，增加了推进液系统。通过对GMB200-2.5型隔膜泵推进液系统工作原理的研究，确定了推进液系统设计的要点。并运用有限元分析方法，对推进液系统中的关键部件进行了优化设计，为以后的推进液系统的研究提供了参考依据。

隔膜泵；推进液系统；两位两通气液阀；阀锥；静力分析

0 引言

往复式隔膜泵是20世纪70年代末在往复式活塞泵基础上增加隔膜室演变而来的，由于增加了隔膜室橡胶隔膜，将输送矿浆与油介质分隔开来，克服了因活塞泵运动部件与矿浆直接接触而导致的缸套、活塞密封件易磨损的缺点[1]。

隔膜泵的关键件隔膜的使用寿命是制约泵应用最重要的因素。泵在实际运行过程中，活塞和活塞杆密封件经过一段时间的运行后，会产生轻微的磨损，这样便会出现微量的活塞缸串油、活塞杆处漏油现象，经过一定积累后，活塞与隔膜之间的油(推进液)就会促使隔膜凹凸变形中出现拉伸，影响隔膜寿命[2]。所以，必须设置推进液系统，调整活塞与隔膜之间的油量，保证隔膜运动过程中不出现过度拉伸。

1 推进液系统的结构和工作原理

推进液系统由齿轮油泵、储能器、两位三通电磁阀、两位两通气液阀和电控系统等部件组成。

推进液系统的工作原理：齿轮泵将液压油送入两位两通阀组和蓄能器。油泵靠已设置好的压力开关控制启停，在蓄能器中储存一定数量压力的油随时提供给隔膜室。蓄能器和隔膜室之间设有两位两通气动阀组控制液压油进入或排出隔膜室，两位两通气液阀开闭通过压缩空气受两位三通电磁阀的控制。在隔膜室上设有补油和排油信号发生器，橡胶隔膜后部装有导杆，导杆内有一个磁环随隔膜做往复运动，当隔膜室中的油量不正常时，磁环就会运动到信号发生器的位置，信号发生器检测到磁环时，发出补油或排油信号给PLC，PLC指挥两位三通电磁阀动作，连通或切断压缩空气使两位两通气液阀内液压油通道导通，使隔膜室中的油量得到补充或排泄，隔膜始终处于最佳工作范围，以保证吸、排料过程的正常进行[3]。

2 推进液系统的设计

推进液系统的主要功能是通过控制两位三通电磁阀，使两位两通气液阀动作从而控制隔膜室中的油量及隔膜的位置。对推进液系统进行设计，并保证它的稳定性和精确性，需要从两方面研究。一方面是改进控制系统，隔膜泵的控制系统最重要的是要完成推进液系统的控制。隔膜泵控制推进液系统对PLC发出指令的执行情况直接关系到隔膜行程控制的精度[4]。但这方面已经有许多相关的研究。另一方面是从改进推进液系统的结构入手。目前,还没有这方面的研究。

推进液系统的主要部件如齿轮油泵、储能器和电磁阀均需要外购，但两位两通气液阀是专门针对隔膜泵设计的，不能通过外采来实现。所以对推进液系统的设计主要就是对其中两位两通气液阀的设计。该阀通过管路与隔膜腔连通，用来控制隔膜腔的油量。此两位两通气液阀的稳定运行直接影响了隔膜腔内油液是否能及时的补充与排出，与隔膜的寿命息息相关。

2.1 两位两通气液阀的结构和工作原理

两位两通气液阀的结构如图1所示，工作原理是,当推进液系统得到信号，需要补油时，压缩空气断开，活塞带动阀推杆向上，进口压力迫使锥阀打开，补油管路与隔膜室接通，完成补油；当需要排油时，压缩空气断开，阀推杆向上，排油管路与隔膜室接通，完成排油。

图1 两位两通气液阀结构

2.2 两位两通气液阀的设计

由于隔膜将矿浆与油介质分隔开来，活塞、缸套和活塞杆等运动部件不与矿浆直接接触，避免了矿浆中磨砺性很高的固体颗粒的磨损，保证了这些运动部件的使用寿命[5]。所以推进液系统的设计要保证推进液油的清洁，不允许推进液油与矿浆混合。

两位两通气液阀的设计要点为：要保证阀绝对的密封性;作用在密封面上的力，力求均匀。防止介质向下的推力与弹簧加载结构之间力不同轴或有倾斜，形成对密封面的有害力矩，从而导致在密封面比压较小的部位先行泄漏。

液压阀通常采用的形式有液压锥阀和液压滑阀。对锥阀和滑阀的泄漏特性比较可知，锥阀不产生泄漏，滑阀则由于阀芯和阀孔之间有一定的间隙，在压力作用下要产生泄漏。锥阀能完全切断油路即密封性好、过流能力强、相应快和抗污染能力强。故在该补排油阀中采用锥阀的设计。锥阀可以满足该推进液系统的设计要求。

2.3 阀锥的受力分析

阀锥受到液体液动力、弹簧力、阀锥与阀座配合面的比压。阀锥受到的液动力，需要考虑液体的沿程损失。但由于阀入口到阀锥顶面的距离较短，可以忽略，故液体的液动力可近似等于阀入口压力。

2.3.1 弹簧力的计算

弹簧常数为：

G为线材的刚性模量；d为线径；Dm为中径 ；Nc为弹簧有效圈数。

弹簧力为：

P=k×L

L为弹簧压缩后长度。

2.3.2 密封面比压的计算

阀杆轴向力为:

F=2Nsinφ+2Tcosφ

N为密封锥面反作用力；φ为密封面锥半角;T为密封面摩擦力,T=fmN；fm为密封面摩擦系数。

3 两位两通气液阀的有限元分析

以GMB200-2.5往复式隔膜泵给排油阀为例，进行有限元分析。阀入口压力P为0.5～1 MPa；喉径d为7 mm。

由图1可知，当该阀处于补油过程中时，阀推杆抬起，主要的工作部件为阀锥。故对关键件阀锥进行有限元分析。

3.1 阀锥模型的建立及网格划分

阀锥模型在网格划分过程中选用的单元类型为Tet 10Node 187。划分网格数为127 085个。

3.2 阀锥的载荷施加及边界条件

当阀锥的开度达到最大时受到的载荷：只受液动力和弹簧力的作用。

约束条件是,阀锥与阀座配合，只在垂直方向有位移，并且为了防止阀锥倾斜，造成作用在密封面上的力不均匀，需要约束两个移动自由度和三个转动自由度。

3.3 阀锥的静力学性能分析

经过求解分析，得到阀锥的应力分布如图2所示。由图2可知，在阀锥的锥顶与锥底的连接部位产生了应力集中，这对于阀锥灵活平稳的运行产生了一定的影响。在设计过程中应对阀锥的结构进行一定的改进，如通过增加过度圆角方法来减小应力集中现象。

图2 阀锥应力分析

3.4 阀锥结构的改进

根据静力学性能分析的结果，可知阀锥工作的危险部位在锥顶和锥底的过渡处。为了达到阀的设计要求，现将锥顶和锥底的过度处增加倒角，以减小该危险部位的应力集中，最终确定阀锥的模型如图3所示。

图3 阀锥改进后模型

4 结束语

通过研究，得出了新的阀锥结构。但鉴于研究工具的有限性，建议可以运用其他更先进的软件对其进行研究。在之前隔膜泵推进液系统的研究中只提到了对其控制系统的改进，但是，通过对隔膜泵推进液系统结构的改进，达到了对该系统改进研究的目的。隔膜泵在石油机械等行业中的应用非常广泛，对隔膜泵各部件的详细研究是非常有必要的，并且可以通过对各个部件的不断研究，来达到提高隔膜泵工作效率及寿命的目的。

[1] 单军，张月坤.高原隔膜泵隔膜行程控制系统[J].有色设备，2012(3):35-39.

[2] 凌学勤，张开俊.往复式活塞隔膜泵[C]//中国有色金属学会第三届学术会议论文集，1997：405-412.

[3] 丛恒斌，陶自强.隔膜泵隔膜行程控制系统[J].煤矿机电，2006(4)：59-60.

[4] 张洪生，解海，师秦晓.GMB200-2.5往复式隔膜泵的PLC控制系统[J].排灌机械，2007，4(25)：54-56.

[5] 凌学勤.往复式活塞隔膜泵的技术参数及核心技术[J].机电产品开发与创新，2006,5(16)：45-48.

Design and Analysis for the Liquid Propulsion System of GMB200-2.5 Reciprocating Diaphragm Pump

ZHANGHongsheng,WUYuting

(Department of Mechanic and Electronic Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

The reciprocating diaphragm pump add a diaphragm chamber when compared with the reciprocating piston pump.This design can effectively separate the pulp and oil.In order to guarantee the normal peristalsis of the diaphragm,we add the liquid propulsion system.In this paper,I determine the main points of the liquid propulsion system design based on the research of the working principle of the GMB200-2.5 diaphragm pump liquid propulsion system.And promote the optimization design of keyparts of hydraulic system using the finite element analysis method.The results provide a reference basis for the liquid propulsion system research.

diaphragm pump;liquid propulsion system;the two liquid valve two ventilation;valve cone;static analysis

2014-06-09

国家自然科学基金面上项目(51275226);甘肃省高等学校基本科研业务费项目(1202ZTC057)

TH137

A

1001-2257(2014)11-0024-03

张洪生(1962-)，男，甘肃武威人，教授级高工，硕士研究生导师，研究方向为石油钻采机械成套设备的设计研究及开发;吴郁婷(1987-)，女，甘肃兰州人，硕士研究生，研究方向为现代设计理论和方法。