氣動隔膜泵自動啟停裝置的研究與應(yīng)用

張亮ZHANG Liang

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)有限公司礦山管理分公司，邯鄲 056000）

0 引言

目前，煤礦井下工作面排水方式多采用電動排水和風(fēng)動排水。但在井下由于地質(zhì)條件變化，造成巷道高低起伏較多，各個(gè)低洼點(diǎn)容易出現(xiàn)積水，不論采取哪種方式，均需要人員經(jīng)常觀察水位、水情，造成勞動資源的浪費(fèi)；另外電動排水由于動力原因，耗能高，運(yùn)行過程中設(shè)備易損壞，維修費(fèi)用高，現(xiàn)場使用與風(fēng)動排水相比較，局限性多。水害作為煤礦五大地質(zhì)災(zāi)害之一，防治水工作非常重要，水泵排水在煤礦始終作為一項(xiàng)重要工作來抓，才能保證現(xiàn)場正常生產(chǎn)。在水泵的選擇上，現(xiàn)場主要有電動泵與風(fēng)動泵兩種，電動泵根據(jù)功率的不同適合不同的水倉使用，應(yīng)用范圍比較廣泛，但是存在一個(gè)弊端，電動泵管理不當(dāng)容易燒壞，修復(fù)成本高且耗能量大，氣動泵相對而言，動力主要來于高壓風(fēng)力，揚(yáng)程較小，適合落差相對較小的巷道水倉使用，節(jié)能耐用，使用較為廣泛。

氣動隔膜泵是一種小型排水設(shè)備，常用于井下涌水量不大的采掘工作面。采用壓縮空氣為動力，適用于井下各類復(fù)雜和空間狹小的環(huán)境，在各種水質(zhì)中均能正常使用，氣動隔膜泵自解決了傳統(tǒng)的以電為動力的問題，在煤礦井下快速地推廣應(yīng)用。氣動隔膜泵根據(jù)使用場合不同、排放的水質(zhì)不同，分別采用了丁晴橡膠、氯丁橡膠等材料制作。以更好地滿足不同場合的需要，均取得了滿意的效果。

由于上述氣動隔膜泵排水方便、使用安全的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在煤礦井下水窩排水的工作中，氣動隔膜泵采用壓縮空氣為動力源，用壓縮空氣驅(qū)動中心泵軸在相對的兩個(gè)膜片之間頻繁往復(fù)運(yùn)動，并通過進(jìn)出口單向閥作用實(shí)現(xiàn)介質(zhì)輸送過程。氣動隔膜泵工作利用壓縮空氣給泵提供動力，當(dāng)水位低于一定程度時(shí)，泵已打不出水，但壓縮空氣還在給泵提供動力，不僅浪費(fèi)了壓風(fēng)資源、增加了泵的磨損，對安全生產(chǎn)造成隱患。如何能夠在水位降低道要求范圍內(nèi)，自動關(guān)閉壓縮空氣，停止泵的工作，使泵的使用壽命延長，研制出一種結(jié)構(gòu)簡單、可根據(jù)水位情況進(jìn)行自動啟閉的全自動控制氣動隔膜泵是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的技術(shù)問題。

1 氣動隔膜泵工作原理

井下高壓風(fēng)管中的壓縮氣體通過高壓氣動閥門，將壓縮空氣輸入到氣動隔膜泵，來驅(qū)動氣動隔膜泵中間體內(nèi)連接軸來帶動隔膜泵泵體介質(zhì)室內(nèi)的膜片工作，做往復(fù)拉伸運(yùn)動來達(dá)到自吸介質(zhì)的作用。氣動隔膜泵一般分兩種，一種是QBY氣動隔膜泵，俗稱外置配氣閥隔膜泵，從外觀上看：泵體中間有一個(gè)配氣閥和一個(gè)導(dǎo)向閥，一般是被稱為：“氣室”，都設(shè)置在隔膜泵的中心部位。另一種是QBK氣動隔膜泵，俗稱內(nèi)置配氣閥隔膜泵，因?yàn)閺耐庥^上看：只有中間一個(gè)配氣閥，其他和QBY氣動隔膜泵相同，兩邊隔排立柱和上下進(jìn)出口管。介質(zhì)流動通過兩個(gè)回流管和外隔膜室，稱為“介質(zhì)室”。介質(zhì)在通過隔膜泵時(shí)，軟密封球芯和閥座不停的開關(guān)動作，使得每個(gè)外隔膜室內(nèi)的介質(zhì)只能單向地交替地填充和排出，球芯和閥座對通過的壓力差做出反應(yīng)。并且由于球芯和閥座的軟密封形式，還可以通過含小顆粒的介質(zhì)。

2 氣動隔膜泵特性

①氣動隔膜泵代替了傳統(tǒng)電泵，能夠在易燃易爆的環(huán)境中使用且成本低。②在各種惡劣的工作環(huán)境，如煤礦井下的積水排放、由于積水中的煤渣多，管路易于堵塞，這樣對電泵葉輪、泵體磨損較大，電機(jī)發(fā)熱易損。氣動隔膜泵可通過較大顆粒煤渣，且排水流量可通過調(diào)節(jié)高壓進(jìn)氣閥進(jìn)行調(diào)整，管道堵塞時(shí)自動停止工作，直至通暢。③用壓縮空氣作為動力，流量隨出口阻力的變化而自動調(diào)整，適合用于中高粘度的流體。而離心泵的工作點(diǎn)是以水為基準(zhǔn)設(shè)定好的，如果用于粘度稍高的流體，則需要配套相應(yīng)的泵體和電機(jī)，泵的制造成本大大提高。④氣動隔膜泵體積小，適合于井下安裝條件受限的狹小空間，不需要專門打設(shè)底座，占地面極小，連接高壓進(jìn)氣管路和進(jìn)水、排水管路即可進(jìn)行工作。可作為移動式物料輸送泵。⑤由于氣動隔膜泵的特殊結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⑽锪显谳斔瓦^程中與外界隔離，適合使用在有危害性、腐蝕性的物料處理中。⑥氣動隔膜泵的動力部分和輸送部分互不連通，可用于輸送化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的流體。很多難以人工完成的工作都可以通過氣動隔膜泵來完成，降低了工人勞動強(qiáng)度，間接地保證了工人的人身安全。

3 氣動隔膜泵優(yōu)點(diǎn)

氣動隔膜泵具有質(zhì)量可靠使用震動小、壽命長、噪音低、使用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，既能在干凈水質(zhì)環(huán)境下工作，又能在含有泥沙、腐蝕性水質(zhì)環(huán)境下工作，具有泥漿泵、離心泵、潛水泵等排水設(shè)備的許多優(yōu)點(diǎn)。

①使用范圍廣，對水質(zhì)要求低，能夠排放顆粒較大的雜質(zhì)以及泥沙較多的水質(zhì)，抽送泥漿、雜質(zhì)時(shí)，對泵磨損較小。②可通過控制閥門大小，來控制揚(yáng)程、流量。（氣壓調(diào)節(jié)在1-8.4bar之間）③采用壓縮空氣為動力，在井下有有瓦斯涌出及無電源場所均可工作，安全性能高。④氣動單向隔膜泵不需灌泵，吸程高達(dá)8.8米，揚(yáng)程達(dá)84米，出口壓力≧8.4bar。⑤氣動隔膜泵抽送介質(zhì)與泵的運(yùn)動部件完全隔開，輸送的介質(zhì)不會向外泄漏。因此抽送有毒、易揮發(fā)或腐蝕性介質(zhì)時(shí)，不會造成泵體的損壞。⑥體積小，適用于各種井下環(huán)境。⑦氣動隔膜泵無須用油潤滑，即使空轉(zhuǎn)，對泵也無任何影響。⑧氣動隔膜泵結(jié)構(gòu)簡單、安裝、維修方便，介質(zhì)不會接觸到配氣閥，聯(lián)桿等運(yùn)動部件，杜絕了因部件的磨損而使工作性能下降。⑨能夠適應(yīng)粘稠度較高的水質(zhì)。（粘度在25000厘泊以下）⑩操作簡單、工作可靠、通過開、閉高壓控制閥門即可實(shí)現(xiàn)氣動隔膜泵的工作與停止，具有超載停機(jī)功能，如果出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象，保護(hù)動作，氣動隔膜泵停止工作，故障排除，負(fù)荷恢復(fù)正常后，自動啟動運(yùn)行。

對于涌水量不大，又需經(jīng)常進(jìn)行間歇性排水的地點(diǎn)，目前常用的做法是將位于礦井巷道內(nèi)的氣動隔膜泵的壓風(fēng)供風(fēng)量閥門大小調(diào)到合適程度，一直供風(fēng)，氣動隔膜泵24小時(shí)不間斷地進(jìn)行排水，這樣就導(dǎo)致了礦井壓風(fēng)的浪費(fèi)，造成壓風(fēng)管網(wǎng)系統(tǒng)壓力不足，風(fēng)錘、風(fēng)動鉆機(jī)等風(fēng)動工具不能正常使用，影響礦井采掘工作面正常的安全生產(chǎn)作業(yè)。即目前的排水方法浪費(fèi)了大量的礦井壓風(fēng)資源，同時(shí)也縮短了氣動隔膜泵的使用壽命。

針對上述氣動隔膜泵排水裝置資源浪費(fèi)嚴(yán)重，且易導(dǎo)致礦井壓風(fēng)壓力不足的缺陷，需要研制出根據(jù)水倉水位高低，控制氣動隔膜泵的開啟和關(guān)閉，做到有水開泵，無水停泵，無需人工干預(yù)的氣動隔膜泵自動排水控制裝置成為本次研究的課題。

4 研究及實(shí)施過程

為實(shí)現(xiàn)氣動隔膜泵自動控制，實(shí)現(xiàn)水滿啟動水少停泵的原則，我們組織技術(shù)人員及氣動隔膜泵使用單位技術(shù)負(fù)責(zé)人在現(xiàn)場盯守觀察，經(jīng)過多次試驗(yàn)改進(jìn)，最終達(dá)到最佳使用效果。我們自行研發(fā)的氣動隔膜泵自動控制排水裝置，氣動隔膜泵自動控制排水裝置包括控制主機(jī)、浮漂、壓風(fēng)管、排水管、配重、連桿、氣動閥、磁鐵、鋼珠等。

圖2 氣動隔膜泵自動控制裝置實(shí)物圖

氣動隔膜泵自動控制排水裝置特征是所述控制主機(jī)連接浮漂和配重，浮漂、配重和連桿位于控制主機(jī)的下方，主機(jī)閥門進(jìn)風(fēng)側(cè)連接進(jìn)風(fēng)管，主機(jī)閥門出風(fēng)側(cè)連接氣動隔膜泵，主閥進(jìn)氣接頭為氣動快插接頭，易于裝配，插接迅速。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是水位發(fā)生變化時(shí)，浮漂和配重根據(jù)浮力大小，隨水位高低上下浮動，最終通過連桿機(jī)構(gòu)與主機(jī)內(nèi)磁鐵作用，控制主機(jī)氣動閥的閥門開與關(guān)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)路的瞬通與瞬閉，杜絕了氣動隔膜泵連續(xù)小風(fēng)量供風(fēng)而造成的資源浪費(fèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣動隔膜泵的工作與停止，實(shí)現(xiàn)了氣動隔膜泵自動控制。

氣動隔膜泵自動控制裝置的工作原理：

①水倉水位上升，浮漂在浮力作用下帶動配重和連桿向上移動，連桿推動空心杠桿向上抬起，在抬高到一定高度后，空心杠桿內(nèi)的滾珠在重力作用下向另一側(cè)滾動，壓動杠桿磁鐵一側(cè)下降，同時(shí)在磁鐵吸力的作用下快速下降，杠桿上滾輪向下移動，壓住氣動閥門開關(guān)，氣動閥門打開，壓風(fēng)通過氣動閥門進(jìn)入氣動隔膜泵，氣動隔膜泵工作開始排水。②隨著排水工作的進(jìn)行，水倉水位下降，浮漂沒有了浮力支撐，在配重的帶動下開始隨著水面向下移動，當(dāng)配重重力大于磁鐵吸引力時(shí)，杠桿帶動滾輪向上抬起，松開氣動閥門控制開關(guān)，氣動閥門關(guān)閉，氣動隔膜泵停止工作。③隨著時(shí)間推移，水倉內(nèi)水位又不斷上升，氣動隔膜泵自動排水控制裝置重復(fù)步驟①和步驟②，實(shí)現(xiàn)水倉內(nèi)積水的間歇性排放。

圖3 氣動隔膜泵自動控制裝置原理結(jié)構(gòu)示意

氣動隔膜泵自動排水控制裝置的研制成功，并投入使用以來，從運(yùn)行情況來看，既不用專人開停泵，又達(dá)到了節(jié)能的效果，大大節(jié)省了資金投入。并且減少了因人為操作不當(dāng)對設(shè)備造成的影響。通過本次嘗試，證明此項(xiàng)研發(fā)是成功的，值得大力推廣。

5 主要技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容

①氣動隔膜泵自動控制裝置在水位達(dá)到上限高度時(shí)開啟，水位降到下限高度時(shí)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了氣動隔膜泵間歇性排水，與原有的排水裝置連續(xù)排水方式相比，大大節(jié)約了礦井壓風(fēng)的使用量、延長了氣動隔膜泵的使用壽命。②不設(shè)置專人開停氣動隔膜泵泵，降低了人力資源成本，減少了因人為操作不當(dāng)或責(zé)任心不到位造成的誤操作。③適用于各種有積水的采掘巷道，無需電源即可完成自動控制排水，配合氣動隔膜泵使用，能夠?qū)崿F(xiàn)氣動隔膜泵自動開停，做到有水排水無水停泵，杜絕了因氣動隔膜泵長期小流量工作，減少了工作時(shí)間，有效降低了氣動隔膜泵的磨損。

6 實(shí)踐檢驗(yàn)效果

氣動隔膜泵自動排水控制裝置投入使用以來，克服了電泵易燒壞電機(jī)的弊端，符合了節(jié)能減排的要求，實(shí)現(xiàn)了氣動隔膜泵自動化控制，節(jié)省了勞動用工，降低了能耗，同時(shí)減少了維修量，使用效果好，運(yùn)行穩(wěn)定良好，通過使用效果看，氣動隔膜泵自動排水控制裝置技術(shù)研發(fā)是成功的。

7 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

實(shí)踐證明，氣動隔膜泵自動排水控制裝置是切實(shí)可行的，氣動隔膜泵自動排水控制裝置投入運(yùn)行以后，延長了設(shè)備使用壽命、減少了人員投入和維修投入，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，具有非常高的推廣價(jià)值。

7.1 經(jīng)濟(jì)效益

①氣動隔膜泵自動排水控制裝置投入應(yīng)用后，實(shí)現(xiàn)了氣動隔膜泵間歇性排水，大大節(jié)約了礦井壓風(fēng)的使用量、延長了氣動隔膜泵的使用壽命，此項(xiàng)預(yù)計(jì)每年可為礦節(jié)約材料費(fèi)和維修費(fèi)約30萬元。②實(shí)現(xiàn)了氣動隔膜泵自動開停，做到有水排水無水停泵，無需人工干預(yù)，節(jié)約了工人工資，此項(xiàng)預(yù)計(jì)每年可減少工資費(fèi)用約35萬元。通過此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)，可為企業(yè)節(jié)省費(fèi)用：30萬元+35萬元=65萬元。

7.2 社會效益

氣動隔膜泵自動排水控制裝置項(xiàng)目研發(fā)成功實(shí)施后，增加了排水的可靠性，減少事故隱患，為安全生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)節(jié)省了勞動用工，降低了能耗，減少了氣動隔膜泵維修工作量和維修費(fèi)用，受到了使用單位的一致好評。氣動隔膜泵自動排水控制裝置投入使用后，大大減少了因設(shè)備停機(jī)而造成影響生產(chǎn)的時(shí)間，減少了經(jīng)濟(jì)損失，降低了維修成本，提高了工作效率。氣動隔膜泵自動排水控制裝置實(shí)施后，大大節(jié)約了勞動用工，降低了能源損耗，減少了勞動力成本投入和資源的浪費(fèi)，提高了工作效率，延長了設(shè)備服務(wù)年限，提高了工作效率，大大提升了礦井的科技水平與社會形象。

8 技術(shù)總結(jié)

本課題研究能夠自動開停氣動隔膜泵的控制裝置，該氣動隔膜泵自動排水控制裝置包括氣動隔膜泵和水位自動控制排水裝置，水位自動控制裝置包括氣動控制閥、推桿和可漂浮于水中的浮漂，氣動控制閥的進(jìn)氣端與氣源相連通，出氣端與氣動隔膜泵的進(jìn)氣口相連通，連桿的底端與浮漂固定相連以使浮漂可推動連桿升降，連桿的頂端置于控制閥控制端的下方，以使浮漂升起時(shí)推桿觸動控制閥的啟、閉來控制控制氣動隔膜泵開停；采用氣動主閥和浮漂相結(jié)合，用連桿的升降控制氣動主閥的通斷，使得水位下降至連桿脫離信號閥后氣動主閥即關(guān)閉，避免氣動隔膜泵空轉(zhuǎn)造成能源的浪費(fèi)和機(jī)器的損耗，提高設(shè)備使用壽命。本課題研究的創(chuàng)新成果在于：氣動隔膜泵自動啟停裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝、維修方便，根據(jù)水倉水位升降，利用控制器中的連桿機(jī)構(gòu)控制高壓氣動閥門，可以做到水位升到一定高度后高壓氣動閥門打開，自動起動氣動隔膜泵，水位下降到設(shè)定高度后，自動停泵。無需人工操作，減少了隔膜泵的空載損耗，既降低了勞動力成本，又節(jié)約了壓風(fēng)資源，延長了氣動隔膜泵的使用壽命。