一种新型气动隔膜泵的设计

摘要：气动隔膜泵是一种新型输送机械，适于各种复杂环境下液体的输送，但现有的气动隔膜泵产品技术尚不成熟，隔膜材料和工艺结构存在一定设计缺陷，缺乏检测膜片破损的装置，影响气动隔膜泵的疲劳寿命。设计一种新型气动隔膜泵，对隔膜材料、生产工艺及压盖结构进行改进，使之具有震动小、气流控制精确、膜片破损可动态检测等功能，提高气动隔膜泵的疲劳寿命。

关键词：气动隔膜泵；检测；改进；疲劳寿命

中图分类号：S277.9+2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2019）02-0032-03

随着我国经济建设的发展，泵的使用日益增多。气动隔膜泵是一种新型输送机械，采用外来设备提供动力源，适于各种复杂环境下的液体输送，腐蚀性液体和易挥发、易燃、剧毒液体，均可以抽光和吸净。它区别于传统泵，不需电源且质量轻广泛应用于电子工业、化学工业、石化工业、食品工业等行业。

現有的气动隔膜泵产品技术尚不成熟，隔膜材料和工艺结构存在一定设计缺陷，缺乏检测膜片破损的装置，影响气动隔膜泵的疲劳寿命。据统计，国产气动隔膜泵的疲劳寿命一般为300万次。为了解决技术缺陷，设计出一种新型气动隔膜泵，并对隔膜材料、工艺及压盖结构进行了改进，膜片破损可实现动态检测，气流控制精确，提高了泵的使用寿命，在实际工业生产中具有应用意义。

1 新型气动隔膜泵工作原理及技术参数

新型气动隔膜泵见图1 ，其工作原理为：当压缩空气从泵的气门机构7入口进入阀门后，2个工作室中的隔膜组件5开始移动。当隔膜组件向左移动时，隔膜泵的左工作室上部球1与右工作室下部球8同时打开，液体通过左腔上部球阀2排出。与此同时，另一工作腔中的气体因为容积增大、压强较小，腔体下侧球阀9被打开，介质流入右侧工作室。当滑柱3到达行程末端时，气门机构自动将压缩空气引入另一个工作腔，推动隔膜组件向相反方向移动，从而实现2个隔膜的同步往复运动。每个工作室内设有2个单向球阀，隔膜往复运动会引起工作室内部容积的变化，迫使2个单向球阀交替开启和关闭，从而连续吸入和排出液体。新型气动隔膜泵主要技术参数见表1。

1.1 隔膜压盖结构设计

隔膜压盖结构见图2。为增加隔膜的疲劳寿命，应尽量减小隔膜的应力集中。在隔膜4的往复运动中，通过有限元分析发现螺栓7、压盖6与隔膜5的连接处是应力相对集中的地方，见图3。如果隔膜压盖与隔膜接触过紧，工作过程中压盖连续与隔膜产生摩擦，就会导致隔膜渐渐磨损。当出现薄膜厚度不一时，薄膜最薄处极易发生破裂。当气腔1内发现许多粉末时，表明隔膜严重磨损且容易破裂。

解决隔膜磨损影响疲劳寿命问题，一是改进隔膜。只要隔膜安装不受影响，波纹隔膜的波形半径可尽可能增加，且所有过渡圆角也适当增加。同时，隔膜的橡胶材料应选用进口橡胶，帘子布需严格控制硫化过程。二是压盖增大。液体接触端为平坦压盖，隔膜内侧则为弧形压盖，这样，隔膜在运动过程中与压盖的接触始终沿着弧形压盖的弧形边缘线接触。

1.2 减小脉冲、噪音、震动的装置设计

传统的气动隔膜泵在流体输送时，隔膜的往复运动会造成压力不稳定，流体排出时容易产生震动。如果某些流体或工艺的要求较为严格，譬如流量均匀、变化较小等场合，则需在气动隔膜泵的出口加恒压阀，以确保输出口的流体压力稳定。气动隔膜泵的出口会有脉冲、噪音和管路振动现象，大气量时这一现象特别明显。而根据环保要求，气动隔膜泵的排气噪音必须予以消除，为此，对气动隔膜泵进行了结构优化，见图4。

以弹性座封偏心旋塞阀4作为泵出口控制阀，兼具防回流、防液体冲击和调水量的功能，同时，设置了压力测试装置1，方便出口压力检测。当泵起动时，调节手柄3逐渐开大，流量输出慢慢增加，既不会造成液体冲击，也不会损坏系统上的设备。当泵关闭时，先关阀再停泵，实现分段关闭，使控制阀与泵关闭保持同步，可防止水流回流产生液体冲击。利用旋塞阀的调流和截流功能，根据管理需要调节管路送水量，这样既可解决脉冲、噪音和震动问题，又能调节泵出口压力。

1.3 破膜检测装置的设计

气动隔膜泵以压缩空气为动力源，通过隔膜往复变形、体积变化频繁工作，容易加快隔膜磨损。隔膜泵系统在输送那些对人体危害较大、不便接触或化学性质较不稳定的液体时，一旦发生隔膜破裂事故，后果严重。这就要求控制系统能及时检测到隔膜破裂情况，并发出声光报警，做出保护措施。新设计的破膜检测装置由光纤连接头2、光纤3和光纤放大报警器5组成，如图5所示。该装置既能简便快速地检测膜片破损程度，且结构简单、零部件少、响应速度快。

1.4 气流控制器的设计

在气动管路中，气室有定容气室和弹性气室两种形式。不同容积的气室获得相同的压力增量，所需的气体增量并不相同。容积大的气室较容积小的气室所需气体增量显然要大，即气室体积大则储存能力大， 气室体积小则储存能力小。设计一种气流控制器，见图6。

气流控制器与控制阀链接，可连续、精确地调节进气口的气体流量、压力、温度等，从而满足工艺需求。控制阀由外部设备提供空气，推动活塞在阀体内运动，并驱动隔膜往复运动。气流控制器可以通过控制阀门开度，具有结构简单、性能稳定、维护方便、动作可靠、调节灵敏等特点。

2 新型气动隔膜泵创新之处

多通式气动隔膜泵有主进料口、侧进料口、主出料口和侧出料口，每个进出口均设有阀和阀塞，进出料阀塞可与任意进出料阀相连。其管路采用多个方向的进料阀和出料阀，原料传输便捷，工作状态稳定，不会对泵体造成不良影响。与传统泵的最大区别在于没有轴等旋转部件，因而不会出现泄漏现象。多通式气动隔膜泵依靠隔膜将泵送介质与泵运动部件完全分开，因此，在泵送介质时不会损坏运动部件，也不会向外泄漏。尤其在泵送有毒、易挥发或腐蚀性物质时，不会造成环境污染和人身伤害。泵送食品等也比较安全可靠。

改进前，隔膜推杆（见图7）与2套隔膜组件连接，其中1套组件拆卸较为容易，但另一端的隔膜组件很难拆卸， 因为隔膜杆很光滑，难以受力。为此，特在隔膜杆中部铣削2个对称的小平面3，使用扳手拆卸快捷方便，如图7所示。同时，采用侧端接口歧管设计，不仅可以避免介质泄漏污染气阀，而且能够保护气体分配系统，使其免受管路连接处可能发生的泄露威胁。

3 结语

论述气动隔膜泵的工作原理及结构设计，通过与现有隔膜泵对比，得出以下结论：新型气动隔膜泵可有效解决传统隔膜泵出现的噪音大、气流控制不稳、无法快速检测隔膜破损、隔膜推杆组件拆卸困难等问题；通过有限元分析，优化了隔膜结构和破膜检测装置设计，大大缩短了故障检查时间，提高了气动隔膜泵工作效率和使用可靠性。下一步还需多次试验，以充分验证气动隔膜泵的性能，确定隔膜泵的最佳工艺参数，结合PLC可编程控制器实现精确控制，使气动隔膜泵的性能更可靠、应用更广泛。

参考文献

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