一種新型氣動隔膜泵的設計

楊萬澤　史勇　王鈺鋒　宋玲

摘要：氣動隔膜泵是一種新型輸送機械，適于各種復雜環境下液體的輸送，但現有的氣動隔膜泵產品技術尚不成熟，隔膜材料和工藝結構存在一定設計缺陷，缺乏檢測膜片破損的裝置，影響氣動隔膜泵的疲勞壽命。設計一種新型氣動隔膜泵，對隔膜材料、生產工藝及壓蓋結構進行改進，使之具有震動小、氣流控制精確、膜片破損可動態檢測等功能，提高氣動隔膜泵的疲勞壽命。

關鍵詞：氣動隔膜泵；檢測；改進；疲勞壽命

中圖分類號：S277.9+2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2019）02-0032-03

隨著我國經濟建設的發展，泵的使用日益增多。氣動隔膜泵是一種新型輸送機械，采用外來設備提供動力源，適于各種復雜環境下的液體輸送，腐蝕性液體和易揮發、易燃、劇毒液體，均可以抽光和吸凈。它區別于傳統泵，不需電源且質量輕廣泛應用于電子工業、化學工業、石化工業、食品工業等行業。

現有的氣動隔膜泵產品技術尚不成熟，隔膜材料和工藝結構存在一定設計缺陷，缺乏檢測膜片破損的裝置，影響氣動隔膜泵的疲勞壽命。據統計，國產氣動隔膜泵的疲勞壽命一般為300萬次。為了解決技術缺陷，設計出一種新型氣動隔膜泵，并對隔膜材料、工藝及壓蓋結構進行了改進，膜片破損可實現動態檢測，氣流控制精確，提高了泵的使用壽命，在實際工業生產中具有應用意義。

1 新型氣動隔膜泵工作原理及技術參數

新型氣動隔膜泵見圖1 ，其工作原理為：當壓縮空氣從泵的氣門機構7入口進入閥門后，2個工作室中的隔膜組件5開始移動。當隔膜組件向左移動時，隔膜泵的左工作室上部球1與右工作室下部球8同時打開，液體通過左腔上部球閥2排出。與此同時，另一工作腔中的氣體因為容積增大、壓強較小，腔體下側球閥9被打開，介質流入右側工作室。當滑柱3到達行程末端時，氣門機構自動將壓縮空氣引入另一個工作腔，推動隔膜組件向相反方向移動，從而實現2個隔膜的同步往復運動。每個工作室內設有2個單向球閥，隔膜往復運動會引起工作室內部容積的變化，迫使2個單向球閥交替開啟和關閉，從而連續吸入和排出液體。新型氣動隔膜泵主要技術參數見表1。

1.1 隔膜壓蓋結構設計

隔膜壓蓋結構見圖2。為增加隔膜的疲勞壽命，應盡量減小隔膜的應力集中。在隔膜4的往復運動中，通過有限元分析發現螺栓7、壓蓋6與隔膜5的連接處是應力相對集中的地方，見圖3。如果隔膜壓蓋與隔膜接觸過緊，工作過程中壓蓋連續與隔膜產生摩擦，就會導致隔膜漸漸磨損。當出現薄膜厚度不一時，薄膜最薄處極易發生破裂。當氣腔1內發現許多粉末時，表明隔膜嚴重磨損且容易破裂。

解決隔膜磨損影響疲勞壽命問題，一是改進隔膜。只要隔膜安裝不受影響，波紋隔膜的波形半徑可盡可能增加，且所有過渡圓角也適當增加。同時，隔膜的橡膠材料應選用進口橡膠，簾子布需嚴格控制硫化過程。二是壓蓋增大。液體接觸端為平坦壓蓋，隔膜內側則為弧形壓蓋，這樣，隔膜在運動過程中與壓蓋的接觸始終沿著弧形壓蓋的弧形邊緣線接觸。

1.2 減小脈沖、噪音、震動的裝置設計

傳統的氣動隔膜泵在流體輸送時，隔膜的往復運動會造成壓力不穩定，流體排出時容易產生震動。如果某些流體或工藝的要求較為嚴格，譬如流量均勻、變化較小等場合，則需在氣動隔膜泵的出口加恒壓閥，以確保輸出口的流體壓力穩定。氣動隔膜泵的出口會有脈沖、噪音和管路振動現象，大氣量時這一現象特別明顯。而根據環保要求，氣動隔膜泵的排氣噪音必須予以消除，為此，對氣動隔膜泵進行了結構優化，見圖4。

以彈性座封偏心旋塞閥4作為泵出口控制閥，兼具防回流、防液體沖擊和調水量的功能，同時，設置了壓力測試裝置1，方便出口壓力檢測。當泵起動時，調節手柄3逐漸開大，流量輸出慢慢增加，既不會造成液體沖擊，也不會損壞系統上的設備。當泵關閉時，先關閥再停泵，實現分段關閉，使控制閥與泵關閉保持同步，可防止水流回流產生液體沖擊。利用旋塞閥的調流和截流功能，根據管理需要調節管路送水量，這樣既可解決脈沖、噪音和震動問題，又能調節泵出口壓力。

1.3 破膜檢測裝置的設計

氣動隔膜泵以壓縮空氣為動力源，通過隔膜往復變形、體積變化頻繁工作，容易加快隔膜磨損。隔膜泵系統在輸送那些對人體危害較大、不便接觸或化學性質較不穩定的液體時，一旦發生隔膜破裂事故，后果嚴重。這就要求控制系統能及時檢測到隔膜破裂情況，并發出聲光報警，做出保護措施。新設計的破膜檢測裝置由光纖連接頭2、光纖3和光纖放大報警器5組成，如圖5所示。該裝置既能簡便快速地檢測膜片破損程度，且結構簡單、零部件少、響應速度快。

1.4 氣流控制器的設計

在氣動管路中，氣室有定容氣室和彈性氣室兩種形式。不同容積的氣室獲得相同的壓力增量，所需的氣體增量并不相同。容積大的氣室較容積小的氣室所需氣體增量顯然要大，即氣室體積大則儲存能力大， 氣室體積小則儲存能力小。設計一種氣流控制器，見圖6。

氣流控制器與控制閥鏈接，可連續、精確地調節進氣口的氣體流量、壓力、溫度等，從而滿足工藝需求。控制閥由外部設備提供空氣，推動活塞在閥體內運動，并驅動隔膜往復運動。氣流控制器可以通過控制閥門開度，具有結構簡單、性能穩定、維護方便、動作可靠、調節靈敏等特點。

2 新型氣動隔膜泵創新之處

多通式氣動隔膜泵有主進料口、側進料口、主出料口和側出料口，每個進出口均設有閥和閥塞，進出料閥塞可與任意進出料閥相連。其管路采用多個方向的進料閥和出料閥，原料傳輸便捷，工作狀態穩定，不會對泵體造成不良影響。與傳統泵的最大區別在于沒有軸等旋轉部件，因而不會出現泄漏現象。多通式氣動隔膜泵依靠隔膜將泵送介質與泵運動部件完全分開，因此，在泵送介質時不會損壞運動部件，也不會向外泄漏。尤其在泵送有毒、易揮發或腐蝕性物質時，不會造成環境污染和人身傷害。泵送食品等也比較安全可靠。

改進前，隔膜推桿（見圖7）與2套隔膜組件連接，其中1套組件拆卸較為容易，但另一端的隔膜組件很難拆卸， 因為隔膜桿很光滑，難以受力。為此，特在隔膜桿中部銑削2個對稱的小平面3，使用扳手拆卸快捷方便，如圖7所示。同時，采用側端接口歧管設計，不僅可以避免介質泄漏污染氣閥，而且能夠保護氣體分配系統，使其免受管路連接處可能發生的泄露威脅。

3 結語

論述氣動隔膜泵的工作原理及結構設計，通過與現有隔膜泵對比，得出以下結論：新型氣動隔膜泵可有效解決傳統隔膜泵出現的噪音大、氣流控制不穩、無法快速檢測隔膜破損、隔膜推桿組件拆卸困難等問題；通過有限元分析，優化了隔膜結構和破膜檢測裝置設計，大大縮短了故障檢查時間，提高了氣動隔膜泵工作效率和使用可靠性。下一步還需多次試驗，以充分驗證氣動隔膜泵的性能，確定隔膜泵的最佳工藝參數，結合PLC可編程控制器實現精確控制，使氣動隔膜泵的性能更可靠、應用更廣泛。

參考文獻

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