進料緩沖器型式與隔膜泵匹配研究

中圖分類號 TQ053.2 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）04-0654-07

往復式液壓隔膜泵是由電動機提供泵的動力，經聯軸器、減速機、驅動曲軸、連桿、十字頭，使旋轉運動轉為往復直線運動，帶動活塞進行往復運動。當活塞向后端運動時，活塞借助油介質將隔膜室中的隔膜吸向后方，借助礦漿喂料壓力打開進料閥，吸入礦槳充滿隔膜室。當活塞向前端運動時，活塞借助油介質將隔膜室中的隔膜推向前方，借助推進壓力關閉進料閥，開啟出料閥將礦槳輸送到排出管道。活塞的往復運動使泵頭部件中的吸排閥啟閉達到輸送介質的目的。往復式液壓隔膜泵是長距離管道運輸的核心設備，因其將輸送介質和驅動介質完全隔開、輸送介質絕對不泄漏的獨特結構和輸送高磨蝕性和高濃度的固液兩相介質的絕對優勢，在鋁冶煉工業中的氧化鋁溶出工藝和赤泥外排工藝、采礦行業中的精礦輸送和尾礦排出工藝、煤化工工藝磨煤機出料槽煤漿泵送（即低壓煤漿泵）和氣化爐煤漿給料（即高壓煤漿泵）工藝以及濕法冶金等行業得到了廣泛的應用。

隔膜泵最早是由法國學者Ballu在1956年研發的，隨后在荷蘭、美國、德國等工業發達的地區得到迅速的發展。到20世紀90年代初，隔膜泵的關鍵技術已經成熟，在結構設計和操作運行方面有了很大的進步，隔膜泵現場持續工作效率提高到 85%～95% 。與其他泵類比較，在同等作業環境下，隔膜泵的投入成本不足其他泵的六分之一，并且隔膜泵壽命長、運行平穩可靠。因此，隔膜泵在各個工業領域都廣受歡迎。國外主要的隔膜泵生產廠家有德國WIRTH、美國Gorman-Rupp、荷蘭GEHO等。其中，GEHO、WIRTH這兩個公司主要生產的是以曲柄滑塊機構作為動力輸送形式的液壓隔膜泵，Gorman-Rupp公司則主要研制以氣動作為動力輸送形式的氣動隔膜泵。而我國研究隔膜泵的時間相對較晚，20世紀80年代初期，氧化鋁行業率先引進使用了荷蘭進口的往復式電動隔膜泵。我國不只是引進國外先進技術，還進行了自主的技術研發，隨著科研研究及試驗工作的不斷深入，在90年代初研制出了第一部往復式活塞隔膜泵，隨后國內各生產單位對隔膜泵進行了長期不懈努力攻關，取得了階段性成果，使得我國制造的隔膜泵接近甚至達到國際先進水平，擁有了更廣泛的市場和應用前景。

往復式液壓隔膜泵通常有三缸單作用和雙缸雙作用兩種型式，其中三缸單作用隔膜泵是在雙缸雙作用隔膜泵的基礎上發展而來的。三缸單作用隔膜泵曲柄間的相位角為 120^° 均布，輸出流量比傳統雙缸雙作用隔膜泵均勻且壓力波動小；活塞單面工作，無需活塞桿密封，可以從油缸有桿腔噴射冷卻液對活塞進行循環冷卻和潤滑，提高了活塞、密封件和缸套的壽命；在功率相近條件下體積小、重量輕；結構變形較容易。三缸單作用隔膜泵是各類工藝需求優選的泵型產品，也是大部分衍生隔膜泵的基型。隨著各行業工藝技術的提升與變革，隔膜泵衍生出如雙聯泵、高溫隔熱泵等新的泵型。但目前，三缸單作用隔膜泵仍被廣泛應用于各種工業領域的介質輸送中。2017年以來，各行業對三缸單作用隔膜泵的需求都在朝大型化方向發展，最大流量需求已達到 800m³/h 單臺裝機功率已設計到 2700kW □

在工程應用中由于三缸單作用隔膜泵流量提升，結構放大，引發了如振動增加、運輸受限、遠離隔膜泵進料口端隔膜室喂料不足、噪聲提高等問題。筆者以遠離隔膜泵進料口端隔膜室為研究對象，利用FlowSimulation對三缸單作用隔膜泵不同緩沖器結構布置型式，不同進料方式下的流場進行系統分析與比較，得出針對過流流量問題的產品設計理論，可為未來往復式液壓隔膜泵的設計提供理論依據。

1隔膜泵進料型式

緩沖器是裝備于隔膜泵上，用來消除管路內流量脈動的有效裝置，是流體必經的過流通道，是隔膜泵的重要組成部分之一[1]。它利用容器內空氣的壓縮或膨脹來貯存或放出比平均流量多或少的那部分液體，從而達到減小管路中流量脈動的目的。緩沖器消減流量脈動的效果不僅取決于其中的空氣容積，還與管路的配置有很大關系。

對于緩沖罐其容積 V_k 計算按照如下理論[1]：

式中 V 活塞行程容積， cm³ β 剩余液量系數；δ_p. （204 壓力不均勻度系數允許值，對于進料緩沖罐， δ_p 取0.01～0.05。

三缸單作用隔膜泵常規進料緩沖器結構型式有氣液接觸式（緩沖罐型）和氣液隔離式（球囊型）兩種結構。三缸單作用隔膜泵的進料方式有3種：兩個緩沖罐型、一個緩沖罐型和緩沖罐加球囊型（圖1）。其中圖1a、c進料口都在隔膜泵右端，圖1b進料口在隔膜泵中間[2.3]

圖1三缸單作用隔膜泵的進料方式示意圖

c.緩沖罐加球囊型進料型式

在使用過程中為了避免多臺泵或泵系統產生共振，緩沖罐（或緩沖器）容積需要進行共振校核，校核方式此處不做詳細理論計算，以下只對隔膜泵不同進料結構下流體流量進行仿真計算與分析。

2 仿真計算與分析

選取隔膜泵液力端進料末端的腔室作為仿真計算與分析的對象，并將其定義為第Ⅲ腔室（以下簡稱Ⅲ室），中間為第Ⅱ腔室（以下簡稱Ⅱ室），靠近進料端為第I腔室（以下簡稱I室），結構示意圖如圖2所示。

圖2隔膜泵液力端進料末端的腔室結構示意圖

由于在實際工程應用中，暴露出隔膜泵3個腔室的進料流量不均衡問題，尤其以Ⅱ室更為突出，因此本研究重點對隔膜泵Ⅲ室的最大進料流量進行分析計算，通過計算結果比較來優選適合工況的緩沖器進料型式。

在進料管直徑相同的情況下，根據流速公式和連續性方程對不同進料型式下的進料流速進行仿真計算[4-6]：

A₁v₁=A₂v₂

式中 A 過流斷面， m² q_v^， 通過過流斷面的流量， m³/s v 通過過流斷面的平均流速， m/s 。

2.1 工況與建模

根據圖3所示隔膜泵進料與排出流量曲線，結合圖2結構示意圖得出Ⅲ室的最大流速點可能出現的行程工況[7]。

Ⅱ室的最大流速點可能出現的行程工況有3種：

a.工況1。Ⅲ室的流速為最大值，Ⅱ室的流速為最小值，I室的流速為平均值。

圖3 隔膜泵流量曲線

b.工況2。Ⅱ室的流速為最大值，Ⅱ室的流速為平均值，1室的流速為最小值。

c.工況3。Ⅲ室的流速為最大值，Ⅱ室的流速為平均值，1室的流速為平均值，具體情況列于表1。

表1Ⅲ室最大流速行程工況

注： v_max 指最大流速； v_min 指最小流速； v_ave 指平均流速

以某礦山尾礦輸送用泵，型號3D135M580/8為例，分3種工況進行建模，邊界條件設置情況如下：

介質清水

泵流量 Q 580m³/h

壓力 1 8MPa

進料壓力 p₁ 0.35MPa

泵速 n 每分鐘47沖次

進料緩沖器容積 V₁ 2000L （204

氮氣包容積 V_λ2 160L

進料管通徑 d₁ （20 DN 400

I、Ⅱ、Ⅲ室閥徑 d_k 260mm

2.2 計算

在計算過程中通過節取Ⅱ室計算流速，列出在3種工況下的ⅡⅢ室流速進行比較，并對相應的速度變化趨勢曲線展開分析[8]

2.2.1 兩個緩沖罐型進料方式

兩個緩沖罐型進料方式的情況下，隔膜泵兩個緩沖罐型Ⅲ室的流場云圖9如圖4所示。從圖4的仿真計算結果可以看出，兩個緩沖罐型進料方式的情況下，3種工況下到達隔膜泵Ⅱ室的最大速度平均值分別為 v₁₁=0.811m/s.v₁₂=0.813m/s 和v₁₃=0.810m/s ，此數值基本相近。流體流態符合工況流。

圖4兩個緩沖罐型Ⅲ室流場云圖

兩個緩沖罐型Ⅲ室流速隨時間的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，兩個緩沖罐型Ⅲ室流速變化為線性回歸狀態，波動較小，平穩性好。

圖5兩個緩沖罐型Ⅲ室流速變化曲線

2.2.2一個緩沖罐型進料方式

一個緩沖罐型進料方式的情況下，隔膜泵Ⅲ室的流場云圖如圖6所示。從圖6的仿真結果看出，一個緩沖罐型進料方式的情況下，3種工況隔膜泵Ⅲ室的最大速度平均值分別為 v₂₁=3.404m/s 、v₂₂=3.192m/s 和 ∣v₂₃=3.333m/s 。流體流態符合工況流。

一個緩沖罐型Ⅱ室流速變化曲線如圖7所示。由圖7可知，一個緩沖罐型Ⅱ室流速波動較大且有拐點出現，結合流場云圖分析可知，這是由于泵在周期往復過程中閥關閉瞬間存在反流情況所致。同規格泵單位時間內到達隔膜室的流量較前述兩個緩沖罐型偏大。

圖6一個緩沖罐型Ⅲ室流場云圖

圖7一個緩沖罐型Ⅲ室流速變化曲線

2.2.3緩沖罐加球囊型進料方式

緩沖罐加球囊型進料方式又分為進料口在緩沖器端和進料口在球囊端兩種情況，

當進料口在緩沖器端時，隔膜泵Ⅱ室的流場云圖如圖8所示。從圖8的仿真結果看出，進料口在緩沖器端進料方式的情況下，3種工況隔膜泵Ⅲ室的最大速度平均值分別為 v₃₁=0.097m/s 、v₃₂=0.105m/s 和 v₃₃=0.103m/s 。流體流態符合工況流。

圖8進料口在緩沖器端Ⅲ室流場云圖

進料口在緩沖器端Ⅲ室流速變化曲線如圖9所示。由圖9可知，Ⅲ室流速在達到平衡之后波動幅度平穩且呈周期性變化，是球囊緩沖器橡膠皮囊增加了柔性的結果。工況3在I、Ⅱ室為平均流量時，其流速變化趨于平均流速。但是這種進料方式的結果相較前兩種流速最小。

圖9進料口在緩沖器端Ⅲ室流速變化曲線

當進料口在球囊端時，隔膜泵Ⅱ室的流場云圖如圖10所示。從圖10的仿真結果看出，進料口在球囊端進料方式的情況下，3種工況隔膜泵Ⅲ室的最大速度平均值分別為6.378、7.048、6.790m/s 。但是流體在進料管中出現加速流的失真現象，因此通過計算反饋的數據來看，該結構型式不適合用于設計，實際設計中也基本不存在該結構類型。

圖10 進料口在球囊端Ⅲ室流場云圖

進料口在球囊端Ⅲ室流速變化曲線如圖11所示。由圖11可知，Ⅲ室流速在曲線初期出現周期性平穩波動，與前述圖9基本對稱，球囊緩沖器起到了平衡流速的作用。

圖11 進料口在球囊端Ⅲ室流速變化曲線

將上述有效計算結果進行整理，并列于表2。

表2計算數據明細表 m/s

根據前述式（2）與表2將流速折算成單缸分到進料閥處的流量，如下：

從以上流量計算結果可以得出， v₂₁～v₂₃ 流速對應的計算結果，也即一個緩沖罐中間進料型的流量分配型式，分到Ⅱ室的流量其結果最大且優于其余進料方式;其次是 v₁₁～v₁₃ 流速，即兩個緩沖罐型的流量分配型式；分配到Ⅱ室處流量最小的是緩沖罐加球囊型。

2.3 結果解析

從仿真流場云圖來看，在圖10中出現了不滿管加速流情況，因此緩沖罐加球囊型進料方式中的進料口在球囊端的結構（圖1c）相對其余3種結構效果較差。在工程應用中，該結構輸送固液兩相介質不但會加速進料管的磨損，而且會導致整個過流通道的磨蝕和沖刷加大，不利于零部件壽命穩定。

從流速角度來分析，緩沖罐加球囊型進料方式中的進料口在球囊端的結構（圖1c）對應的I室流速最大。但是在實際工程應用中，進料流速過大會造成水力阻力損失過大，消耗的能量增多，容易產生隔膜室及閥腔內空化、氣蝕和泵過流的現象[10]。在往復泵中通常要限制進料流速，一般進料流速的平均流速取 1～2m/s ，瞬時流速最大可達到 3.4m/s ，因此該組數據的流速已遠遠超出取值范圍，處于失真狀態，因此進料口在球囊端的緩沖罐加球囊型（圖1c右）不推薦在設備選用。

從速度變化曲線來看，兩個緩沖罐型的結構流速變化更加平穩；一個緩沖罐型中間進料的結構在仿真過程中發現由于緩沖罐和中間進料閥形成了局部環路，在進料閥關閉瞬間流體在瞬時慣性力作用下有一定的回流現象，因此在液體慣性力作用下導致其曲線失穩；緩沖罐加球囊型的結構在靠近球囊側波動均勻，管路柔性比較好。

3結論

3.1針對遠離泵進料口端隔膜室喂料不足問題，可以通過調整緩沖器的結構和型式來解決，對于泵為單一進料口的結構型式，采用一個緩沖罐中間進料的方式更有利于介質分配，滿足泵中各進料閥的進料均勻性，其余結構可根據具體工況要求來配置合適的進料型式。

3.2在進料穩定性要求高，振動小的工況條件下，可優選兩個緩沖罐的結構型式，有利于流速控制和進料充分補償。

3.3在流量、壓力較小或兩者有其中之一參數較小的工況可配置緩沖罐加球囊的結構型式。另外在需要改善管道剛性的工況，球囊型式具有良好的柔性補償作用可作為優選方案之一采用。

3.4從占地面積角度來分析，兩個緩沖罐型式和緩沖罐加球囊型式在泵長度方向占地較小；一個緩沖罐中間進料型式在泵寬度方向具有較大優勢。

3.5隔膜泵在輸送漿體介質時，由于各行業漿體的濃度、沉降速度、流變特性、摩阻 ??pH 值等工況參數不同，在泵設計時對于緩沖器的大小、布置形式需要根據具體輸送漿體介質進行必要的調整與細化。

參考文獻

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（收稿日期：2024-06-15，修回日期：2025-07-15）

Matching Study for the Feed Buffer Type and Diaphragm Pump

WANG Xiao-lei1.2， WANG Fang1

（1.ChongqingPumpIndustryCo.，Ld.；2.SchoolofMechatronicsEngineering，HarbinInstituteofTechnology）

AbstractThis paper briefly describes the working principle，structure，application of the reciprocating three-cylinder single-acting hydraulic diaphragm pump，including the buffer's working principle，functions，configuration types and theoretical volume calculation method.Aiming at the unbalanced feed flow of a single inlet pump，the fluid chamber II at the hydraulic end of the diaphragm pump was selected as the research object，and three representative working conditions were selected to analyze the fluid in the four configuration types of buffer and feed pipe channel，respectively.Then the operating point was determined according to the diaphragm pump's discharge curve and the flow simulation was used to model diaphragm pump's four buffer configuration types.Inaddition，through taking theclassical fluid theory as the entry point，the fluid simulation calculation was carried out for the four buffer types corresponding to the three working conditions respectively when the fluid in chamber Il staying at the maximum flow rate，and the simulation calculation results were analyzed one by one.Finally，when the diaphragm pump with single feed port works under certain flow，pressre，vibration and being influenced by limited diaphragm pump's installation space and being affcted by fluid characteristics，matching the diaphragm pump with appropriate feed buffer can solve unbalanced flow.

Key wordsfeed buffer，diaphragm pump，flow velocity， three cylinder single acting