往复式活塞隔膜泵动力端结构优化设计

往复式活塞隔膜泵动力端结构优化设计
摘要:随着我国经济持续增长,国内的矿山、有色、化工等领域不断发展壮大,其中用于矿浆输送、氧化铝溶出、化工反应炉喂料等方面的往复式活塞隔膜泵也得到了大量应用,但是在工业运行中设备动力端也出现了多次大的机械故障,由于隔膜泵是各个工艺系统中的心脏设备,造成的损失和危害很大。

为解决这一问题,文章提出了一种新型结构的动力端设计方案,来进行动力端结构优化设计和探索。

关键词:隔膜泵动力端结构优化
Abstract: As the development of China economy, the areas such as mine industry, nonferrous industry and chemical industry continue to grow and develop, in which reciprocating piston diaphragm pump used for the transportation of mineral slurry, alumina stripping, chemical reaction furnace feeding has been widely applied. As the “heart” of pump, however, several serious mechanical failures of power end took place during running, which bring a lot of harm to technical system. To solve this problem, a new structure of power end was developed, and then the structure design was optimized in this paper.
Key Words: Reciprocating piston diaphragm pump; Power end; Structure optimizing
隔膜泵是20世纪70年代在工业发达国家发展起来的适用于固体
和液体两相介质输送的理想设备[1],是在往复式活塞泵基础上,增加隔膜室演变而来,实现了输送介质与活塞的隔离,从而创造了一项全新的先进输送技术和设备。

它既具有活塞泵能输送高扬程、高浓度、高温度和高碱度的优点[2],更具有隔膜泵本身耐高磨蚀、易损件寿命高、维修简便、连续运转效率高、运行成本低、高效节能环保等新特点。

隔膜泵工作原理如图1所示,以三缸单作用隔膜泵为例,电动机通过传动系统带动三拐曲轴、连杆、十字头,使旋转运动转为直线运动,带动活塞做往复运动。

当活塞向左运动时,活塞借助油介质将隔膜室中隔膜吸到左方向,借助矿浆进料压力打开进料单向阀,吸入矿浆充满隔膜室。

当活塞向右方向运动时,活塞借助油介质将隔膜室中隔膜推至右方向运动,同时打开出料单向阀将矿浆排到泵外。

由于矿浆不接触活塞等运动部件,减少了这些部件的磨蚀。

同时,通过设置灵敏、可靠的检测自动化系统,保证了橡胶隔膜的长寿命,成为高磨蚀、高浓度固液两相介质矿浆管道化输送的理想设备[3]。

隔膜泵从结构上讲一般由传动系统、动力端、液力端、自动控制系统、液压辅助系统、进出料补偿系统组成。

传动系统由电动机、齿轮传动副和曲轴连杆组成,起到传递动力的作用。

设备动力端是将传动系统提供的旋转运动转变为活塞的往复运动,结构由主动齿轮轴和大齿轮、曲轴、连杆、十字头、连杆、轴承等组成。

液力端结构由活塞缸、隔膜室、阀箱、进出料管组成,其功能是完成矿浆的输送,即将动力端传送过来的机械能转换为流体的压力能。

在近十几年内,隔膜泵输送固体和液体两相介质的流量、压力、温度、耐磨蚀性等技术参数得到了长足的发展,满足了黑色、有色、化工、建材、煤炭、电力等行业内对高磨蚀固一液两相介质输送的工艺要求,得到广泛的推广应用,促进了上述工艺技术的进步,导致了对隔膜泵的需求。

另一方面,由于隔膜泵的自动化程度、连续运转率、运行成本等技术指标超过或明显优于其它往复泵,成为其它往复泵在这类工艺系统中的替代产品。

该类型泵的设计、制造涉及机械、电子、液压、橡胶等多学科技术,技术复杂。

同时,隔膜泵是所在工艺系统的心脏设备,对其运行的可靠性有很高的要求。

图2是隔膜泵的传统结构示意图,看出此类隔膜泵的动力端由以下几部分组成:1箱体、2主动齿轮轴、3齿轮副、4三拐曲轴、5十字头、6连杆、7介杆等,同时还有固定这些零件的轴承、螺母、螺栓构成了传统动力端。

隔膜泵目前在国内各个行业都得到了广泛应用,在一些特殊领域,例如煤化工和氧化铝生产工艺系统上,对设备的可靠性有着很高的要求。

在传统动力端结构隔膜泵的使用过程中,由于设备动力端故障在国际和国内都已经出现了现场事故:中铝河南分公司第三管道化车间氧化铝溶出系统引进了荷兰GEHO单机流量320m3/h、工作压力12.5MPa的隔膜泵,动力端为三拐两支撑结构,2007年在设备使用过程中就曾出现过由于三拐曲轴在运转过程中变形量过大,而导致的连杆轴承受力不均而导致轴承损坏,停产近1个月,第三管道化车间年生产
能力为20万吨氧化铝,当年1吨氧化铝的利润近2000元,造成的直接经济损失近3000多万元；2010年广西华银铝业有限公司引进的德国FELUW A隔膜泵(单机流量200m3/h,工作压力16MPa)发生了曲轴断裂事故,由于进口设备备件生产周期长,运输不便利,尤其是三拐曲轴这种关键零件,预计修复期在半年以上,经济损失非常大。

通过上述两个例子可以看出,作为各个生产工艺系统的核心设备,隔膜泵设备一旦出现故障造成的危害也是非常巨大的,随之而来的就是对设备使用现场人员人身的伤害和企业利益的损失。

所以在结构方案选择和制订上要本着安全可靠原则,尤其是针对以往的结构进行新的改进时,要对新结构的优缺点和改进后设备运行可靠性要做出充分的分析和论证。

图示结构改进设计后的动力端取消了齿轮轴、齿轮副等零部件,减少机械零件的数量就意味着减少了故障点,机械设计就是以简单可靠为原则,同时零部件数量的减少也意味着维修检护量的降低,对于节约维修成本有着较好的成果。

而用三段小曲轴通过花键联接的方式替代整体三拐曲轴,首先很大程度上降低了曲轴毛坯费用,其次降低了曲轴加工制造的难度,整体曲轴是需要专用加工设备才能完成的,而单个小曲轴的加工过程很多普通机架设备都可以完成,通过花键联接后,再对花键联接处用支撑座加以支撑固定,大大提高了安全系数。

根据国内大学失效分析网点强度分析的结果,同等使用工况的前提下,同等轴
颈的曲轴在曲轴中部加两个支撑点后(即三拐四支撑)的安全系数是两支撑的4～5倍。

取消齿轮副后,相关速比分配给减速机完成,目前中色泵业的减速机采用德国SEW或弗兰德公司产品,售价只与减速机额定功率有关,而与速比无关,所以原本的齿轮副制造成本被节省；采用三段小曲轴通过花键联接的方式后,相对于整体三拐曲轴的制造成本也会降低,保守估计平均一台中型隔膜泵能节省15～20万元。

随着我国经济持续增长,国内的矿山、有色、化工等领域不断发展壮大,其中用于矿浆输送、氧化铝溶出、化工反应炉喂料等方面的对隔膜泵的需求不断增大,据北大纵横咨询公司做的隔膜泵市场分析预测,目前国内各个行业对隔膜泵的需求在每年100台左右,而且呈逐年上升趋势,预计到2015年,国内的隔膜泵市场需求产值会达到15亿元左右,按照这个市场预测,每年由于隔膜泵采用动力端新结构节省的资金就会在1500～2000万元。

参考文献
[1] 张丽君,梁毅.我国隔膜泵实现新突破[J].中国冶金报,2003(10).
[2] 金元善,赵振华.油隔离泥浆泵[M].北京:冶金工业出版
社,1983.
[3] 凌学勤,张开俊.往复式活塞隔膜泵[C].中国有色金属学会第三届学术会议论文集.。