單向閥疊加在往復式三缸單作用活塞隔膜泵超壓保護系統中的研究與應用

王小磊

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

單向閥疊加在往復式三缸單作用活塞隔膜泵超壓保護系統中的研究與應用

王小磊

（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

本文首先概述了往復式三缸單作用活塞隔膜泵的主要組成部分，其次通過介紹超壓保護系統引申出單向閥，接著介紹了單向閥在系統中的作用，并對其功能參數及結構進行比較研究，進而通過試驗詳細分析了單向閥疊加的性能，論證了單向閥疊加的使用穩定性，最后對錐型單向閥在各行業隔膜泵設備中的應用做了簡單介紹，并對由單向閥引起的常見故障做了簡要總結。

單向閥；疊加；隔膜泵；超壓保護

0.引言

往復式三缸單作用活塞隔膜泵由動力端、液力端、液壓系統、動力傳動系統、電控系統5大部分組成。動力端主要包含曲軸、箱體、連桿、十字頭、介桿、軸承等零部件；液力端包含隔膜室、油缸、腔體、進料單向閥、出料單向閥、進料管、出料管、進料補償裝置、出料補償裝置等；液壓系統包含液壓油箱、隔膜行程控制系統、潤滑系統、沖洗系統、超壓保護系統及控制儀表；動力傳動系統由電機、減速機、聯軸器及底座構成；電控系統由拖動單元、控制單元、監控和操作單元、儀表和傳感器單元以及數據采集和分析單元構成。往復式活塞隔膜泵超壓保護系統由電氣和機械兩級配置構成雙重保護，本文重點對機械式超壓保護系統中關鍵元件和系統設計進行分析研究。

1.往復式三缸單作用活塞隔膜泵超壓保護系統概述

1.1功能簡介

往復式活塞隔膜泵超壓保護系統是設計于隔膜泵液力端上用來防止泵過載運行而設定的自動泄壓裝置，是避免隔膜泵超負荷運行而損壞其他零部件的最后一道保障措施。當隔膜泵出現超負荷運轉情況時，觸發電氣保護系統，使得隔膜泵報警、停車，但是在負載作用力和慣性力作用下隔膜泵不能完全停止運轉，此時自動開啟機械式超壓保護系統，達到穩定停車的效果，保護液力端承壓零部件不受損壞。

圖1　往復式活塞隔膜泵超壓保護系統

1.2主要構成

如圖1所示，隔膜泵超壓保護系統是開式、柔性系統，主要由單向閥、安全閥、蓄能器、壓力表及管路構成。

1.3原理簡介

圖2　鋼球式單向閥

當隔膜泵負載壓力超過額定設計壓力，達到安全閥開啟壓力（通常設定為高于額定壓力的10%～20%）時，液力端油液在負載壓力作用下打開單向閥2，油液經管路開啟安全閥5，安全閥5卸荷，將油液排回液壓油箱。

2.單向閥疊加研究與分析

前述超壓保護系統主要構成零件中單向閥是與液力端油液的第一接觸者，其受外界條件因素的影響最大，單向閥工作性能的好壞關系到后續零件的使用情況，最后直接影響到整個系統的工作穩定性，可以說如果單向閥發生故障，整個超壓保護系統已起不到保護作用。

2.1單向閥性能

超壓保護系統對單向閥的基本要求是：正向流動阻力損失小，反向時密封性好，動作靈敏。由于隔膜泵多為中低壓、大流量設備，因此系統中此處單向閥可選用加工精密、工況穩定的板式液壓單向閥，單向閥在此作為背壓閥使用，來平衡隔膜泵輸出壓力和安全閥調定壓力。單向閥在系統中只允許液流沿一個方向通過，反方向流動則被截止。其結構如圖2、圖3所示有鋼球式和錐閥式兩種，鋼球式單向閥的結構簡單，但密封性不如錐閥式，所以在此主要對錐閥式單向閥進行分析研究。

在此以三缸單作用160/14.5隔膜泵為例，其單向閥結構為錐閥式，性能參數見表1。

圖3　錐閥式單向閥

表1　錐閥式單向閥性能參數表

2.2單向閥疊加分析

超壓保護系統中單向閥疊加是將兩件性能相同的單向閥采用連接件串聯在一起，并具有可靠密封的裝置，如圖4所示。

2.2.1單向閥試驗

以三缸單作用160/14.5隔膜泵為載體泵對單向閥進行性能試驗，試驗通過安裝一個單向閥和單向閥疊加安裝的數據對比來進行結果分析。按照圖5原理完成試驗件安裝后，觀察記錄壓力表3讀數來分別進行靜態和動態試驗。靜態試驗都分別進行8h，結果如圖5所示，動態試驗都分別進行24h，結果如圖6所示。

2.2.2結果分析

由圖5可看出，無論一個單向閥試驗還是單向閥疊加試驗其靜壓穩定性都比較良好，但是從動態試驗結果中發現，一個單向閥時在泵壓力升到9.5MPa以后出現背壓壓力與泵壓力隨動現象，又泵壓力與背壓壓力唯一的連接接口是單向閥，此時可判定為單向閥已出現閥芯常開情況。而單向閥疊加在整個試驗過程中都維持了比較穩定的背壓壓力。如圖7所示，液流經過閥口時，由于流動方向和流速的變化造成液體動量的改變，因此閥芯上會受到液動力的作用，最終造成兩種試驗結果的差異性。

一件單向閥時，如圖7所示，作用于錐閥上的液動力，其液流方向是由外向內，在閥口以下沿壁面及閥芯底面取控制面積（圖中方框處），根據動量定理，流入、流出控制體積的液流方向及流速的改變所產生的液動力的數值為：

式中：

Ks-液動力系數，Ks=CdCvπdmsin2β；

dm—平均直徑，；

因此上式可以寫成：

圖4　疊加單向閥裝配結構

圖5　靜態試驗結果

圖6　動態試驗結果

圖7　

表1　行業應用

圖8　

表2　故障分析與解決

該式括號前為平均直徑dm的面積與壓差的乘積，即壓差造成的液壓作用力，括號內的數值可以看作一個系數，式中負號只代表液流方向，不表示數值大小。

圖7所示結構中，不管液體的由內向外流或是由外向內流，控制體積對閥芯的液動力始終是使閥芯趨于關閉。

控制體積B的上端面邊界屬于閥芯，下端面邊界屬于閥體，因此，它造成的軸向液動力對閥芯就會產生影響，并且這一影響隨容腔B的形狀、尺寸而不同，難以計算閥芯、閥體的受力分配，由于此時控制面積B產生的液動力使閥芯趨于開啟，所以它對閥芯運動是一個不穩定的因素。

對于疊加單向閥，如圖8所示，液流經過Ⅰ單向閥后，進入C腔，油液進入C腔產生一定的壓降，而且C腔在徑向液壓力和軸向液動力作用下使B腔體積趨于減小，使Ⅰ單向閥閥芯趨于關閉，作用于D腔的液動力使Ⅱ單向閥閥芯趨于關閉，因此疊加單向閥結構有比較可靠的工作穩定性。

3.行業應用及故障分析

如表1所示，目前，該試驗結果已經在石化、氧化鋁、礦山及其他特殊化工行業中得到多次實踐應用，流量從12m3/h～650m3/h，壓力從1.2MPa～35MPa，有一件單向閥結構型式，有疊加單向閥結構形式，單件單向閥通過與其他零部件配合使用，在實際中也保持了較穩定的工作狀態。

隔膜泵設備中常見由單向閥故障引起超壓保護系統工作異常及排除方法見表2。

結語

從以上試驗分析可得出，如果設計隔膜泵壓力P額≤42MPa，采用一件單向閥結構時，要使超壓保護系統長期處于穩定工作狀態，應當增加背壓壓力補充油泵，當發現背壓壓力有下降時，啟動油泵將背壓壓力補足。如果設計隔膜泵壓力P額≤42MPa，采用單向閥疊加結構時，通常不需補充背壓壓力，設備運轉前打足背壓壓力即可。

單向閥疊加與隔膜泵液力端直接連接使用，不僅增加了隔膜泵超壓保護系統的工作穩定性，而且能增加液力端零部件的柔性，避免零部件剛性損壞。

單向閥疊加在高壓、有壓力波動、有壓力沖擊等工況下使用，相對一件單向閥結構能達到較高的工作穩定性。

單向閥疊加結構不需要在系統中增加關聯使用零部件，從而在設計、維護技術難度和設計成本上都有所降低。

[2]王益群，高殿榮．液壓工程師技術手冊[M]．北京：化學工業出版社，2009．

[3]中國機械行業標準匯編·液壓與氣動裝置卷[M]．北京：機械工業出版社，2012．

[4]王亞平，韓桂華，焦衛兵．液壓泄露防治技術[J]．北京：機械工業出版社，2012．

[5]成大先．機械設計手冊（第5版）[M]．北京：化學工業出版社，2007．

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