浅谈高压浆体泵的特点

浅谈高压浆体泵的特点

管道运输是继传统的运输方式（铁路、公路、水运、空运）之后的一种新运输方式。其中，浆式管道运输是通过管道输送传递的粉末材料（如河流、湖泊和水库的泥浆、炎热发电厂的灰烬、黑色和黄色、化工行业的最终泥浆、红砂和其他）的方式。由于它具有投资少、建设速度快、对地形适应性强、不占或少占土地、不污染环境、连续作业受外界条件干扰小、运营费用低,便于管理等传统运输方式无法比拟的优点,而引起了各国的广泛重视,具有广阔的应用前景。长距离、高扬程、高浓度输送是目前浆体管道输送的研究和发展方向,也是适合我国国情的物料输送方式,而高压浆体泵是实现这一技术的核心设备,是保证浆体输送系统输送能力、安全运行和经济效益的关键。我国高压浆体泵的品种较少,市场占有率较低,必须加大产品开发力度,才能在竞争中立于不败之地。隔膜泵是目前世界上较为先进的浆体输送设备,也是国内外泵行业中技术难度最大的泵类产品之一。它采用橡胶隔膜将输送介质与驱动介质(油类)隔开,通过活塞(柱塞)的往复运动,并借助油介质,使橡胶隔膜凹凸变形,完成料浆的吸入和排出。这种泵不仅使输送介质无外泄,而且使输送的颗粒性介质与泵运动部件(活塞等)不接触,免除了固体颗粒对泵造成的严重磨损。因而它在提高泵的环保节能指标的同时,也延长了泵的寿命,使泵的性能稳定性及可靠性都大幅度提高。液动隔膜泵是沈阳大学开发的一种新型高压隔膜浆体泵。它与一般隔膜泵的主要区别是:动力端采用液压传动,用液压泵取代了曲柄连杆、减速器等一系列装置直接驱动活塞运动。这使其结构大为简化,成本大大下降。该泵目前正处于开发之中。1智能诊断系统如图1,液动隔膜泵由驱动液压系统、膜位控制液压系统、组合缸(由活塞缸和柱塞缸复合而成,其中活塞杆和柱塞缸缸体为固定件)、隔膜室(主要由隔膜总成、位移传感器和隔膜室罐体组成,并由隔膜分成油室和浆室两部分,与组合缸和膜位控制液压系统相连的一侧为油室,其中充满推动液;与进排浆阀相连的一侧称为浆室,其中充满输送浆体,参见图2)、进排浆阀、PLC集控系统、实时监控系统和智能诊断系统组成。其工作原理是:驱动液压系统在PLC集控系统的控制下,由主电机带动,通过液压油驱动组合缸中的柱塞往复运动,柱塞再借助推动液使隔膜室中的隔膜作凹凸运动,隔膜室中浆室的容积因此发生周期性变化,从而使输送浆体由进浆阀吸入,再经排浆阀输出,以此完成对浆体的输送。膜位控制液压系统在PLC集控系统的控制下对推动液进行补充或排放,以调整隔膜运动的平衡位置。智能诊断系统能帮助操作人员及时、准确地分析判断故障并排除。实时监控系统可在计算机屏幕上模拟显示整个设备的运行状态,方便用户监控。为了消除流量死点,使浆体泵的输出流量连续、平稳,液动隔膜泵采用三缸单作用卧式结构,3个组合缸在PLC集控系统的控制下互相成120°相位差交替往返运动。2设计和开发各部分2.1隔膜材料和几何尺寸的确定隔膜室是设计的重点,直接决定了浆体泵开发的成败。隔膜室的主要设计目标是:在满足流量、压力要求的前提下,保证隔膜具有较高的使用寿命和避免混浆现象的发生。其基本结构如图2所示,主要由隔膜总成1、右罐体2、左罐体3、位移传感器4和检测杆5组成。因为双层隔膜同时破裂的可能性很小,为了达到双重保护,隔膜总成采用了双层橡胶隔膜的结构形式。而且,在双层橡胶隔膜中间预埋了隔膜破裂报警装置,可将隔膜破裂瞬间两层隔膜之间压力的变化转化为电信号,并将该信号送给PLC进行处理,以便采取相应措施,这样就避免了混浆现象的发生。橡胶材料性能和隔膜的边界条件十分复杂,致使隔膜材料和几何尺寸的确定难度和复杂性都很大。液动隔膜泵隔膜材料配方是根据输送浆体的性质结合试验来确定的。隔膜几何尺寸是影响隔膜寿命的关键因素,尤其是隔膜边缘几何形状的设计,一方面要防止应力集中,另一方面还要考虑其密封性,以防油与浆体的互渗。液动隔膜泵隔膜几何尺寸的设计是先按泵的流量初步确定隔膜的外形尺寸,然后对隔膜各个部位在全行程中的受力和变形进行分析研究,并结合反复试验,最终得到合理的隔膜几何尺寸。罐体的设计需考虑:吸/排浆要畅通,以避免隔膜室底部积存矿砂和减少对有关部件的冲蚀;保证进入浆室中的气体能自动排出;隔膜更换要方便。隔膜控制技术是隔膜泵技术的核心,合理的隔膜材料和几何尺寸的确定为隔膜的长使用寿命奠定了基础。但在泵工作时,由于油室内油量的变化,隔膜凹凸运动的平衡位置不可避免地要产生漂移,这将导致隔膜的单向拉伸变形,最后造成隔膜被鼓破。因此,要确保隔膜具有较长的使用寿命,最重要的是要采取措施,准确控制,使隔膜总是在正确的位置工作,以防产生拉伸变形,而达到这一目的的前提是对工作于高压介质中的隔膜位置的准确检测,这是隔膜泵设计的难点之一。位移传感器是自行开发的一个隔膜位置检测装置,它可以实现在高压介质中对隔膜的位置进行连续、准确的检测,避免其产生拉伸变形,从而确保隔膜具有长的使用寿命。2.2驱动液压系统液压泵d、d、l的设计组合缸兼起流量放大和实现驱动液压系统与推动液隔离的作用,采用活塞缸与柱塞缸相组合的结构形式,内外嵌套,节省空间,如图3所示。组合缸设计的关键尺寸是:活塞缸无杆腔内经D、柱塞缸柱塞外径D1和柱塞行程L。设计时先选定驱动液压系统液压泵的工作压力和组合缸增量系数C0。为最大限度利用液压泵的最高额定压力,兼顾减小相关结构的尺寸,C0一般取4～8比较合适。然后利用下述方法并综合考虑设备总体尺寸的大小来确定D、D1、L。vπD21/4=Q2(1)D21/D2=C0(2)L=4V/πD21(3)vπD12/4=Q2(1)D12/D2=C0(2)L=4V/πD12(3)式中:v为柱塞运动速度,设计时选定;Q2为浆体泵排浆量,由设计要求给定;V为每个隔膜室的一次排浆量。由浆体泵的流量和单个缸柱塞的运动频率决定,一般柱塞每分钟运动5次左右为宜。2.3确定液压系统压力级别液动隔膜泵采用三缸单作用卧式结构,组合缸结构确定以后,驱动液压系统是根据其动作要求、所需压力和流量进行设计的。膜位控制液压系统的主要功能是调整隔膜运动的平衡位置。所以,膜位控制液压系统的设计是根据所需压力和流量结合隔膜位置控制要求来完成。具体设计这两个系统时,在保证完成基本功能的前提下,要力求结构简单,工作可靠。最后确定的2个液压系统的工作原理如图4、5所示。液压泵、液压阀的选取方法如下,压力级别按下式计算:pa=(1.25~1.6)Cp2(4)pa=(1.25~1.6)Cp2(4)式中pa——液压泵额定压力C——液压缸增量系数p2——排浆压力液压泵、液压阀的压力级别均按此方法进行。对于驱动液压系统,其增量系数为C0;膜位控制液压系统的增量系数为1。驱动液压系统流量级别按下式选取:Qa=(1.1~1.3)Q2/C0(5)Qa=(1.1~1.3)Q2/C0(5)式中Qa——液压泵流量Q2——整台浆体泵排浆流量膜位控制液压系统,由于需要流量很小,其液压泵和液压阀尽可能选小流量。维修人员不精心或隔膜更换不及时都可能造成杂质混入膜位控制液压系统中,但由于该系统流量小,便于油液过滤,同时该系统为间歇性工作方式,抗油污能力强,因而对油液清洁度的要求相对较低;驱动液压系统要提供浆体输送的能量,始终处于高压连续工作状态,对液压油清洁度要求极高,因而两液压系统必须完全分开。2.4隔膜自动应急处理PLC集控系统的控制项目为:根据隔膜和液压缸位置检测信号,自动控制驱动液压系统的工作,以实现料浆的吸入和排出;根据隔膜位置检测信号,自动控制膜位控制液压系统的工作,以调整油室中推动液的量,从而调整隔膜的平衡位置;根据隔膜破裂检测信号,实现报警并停机;能自动完成首次试车油液填充任务和其它特殊情况的自动应急处理,避免隔膜的意外损坏。以上控制项目由一台可编程控制器完成并实现相互间的连锁。2.5实时监控系统智能诊断系统开发的主要内容是:收集设计人员和现场服务人员的经验知识,从中提取出规则,并利用数据库技术建立知识库;以计算机为上位机,利用专家系统技术建造智能诊断系统。该系统能以人机对话的形式,根据故障现象,通过与下位机通信,获取有关设备运行状态信息,然后利用知识库中的知识推理出故障的原因和处理方法,开发时应考虑系统的智能性、推理的高效性、解释的透明性,知识库的可扩充性等。实时监控系统的开发主要是以计算机为上位机,通过与下位机PLC通信获取有关设备的运行状态信息。该系统可在计算机屏幕上以动画的形式生动、清晰、准确地模拟显示整个设备的运行状态。这两个系统的开发是以WingdowsXP为操作系统,采用VisualVC++开发环境完成的。3结构简单,使用受务大、可扩充液动隔膜泵压力高、效率高,同时它无流量脉动、无混浆、无水耗、