无泄漏环形隔膜如何设计？

张德鹏

无泄漏环形隔膜泵的设计原理：
% X+ g5 h6 _0 ], ^8 F! F, M针对泵产品密封泄漏以及往复式隔膜泵结构复杂、笨重、调试困难等问题，我们研制成功了Q=2m3/h，25m3/h；P≤0.4MPa环形隔膜泵两种产品，并于1994年元月通过了部级鉴定，并获得国家专利，专利号92236204.1。
8 p6 L7 w1 P9 c3 o! ]1、结构特征
% D) u9 n% e8 P7 c# L! ~* V9 t) Z. J. `' I环形隔膜泵首先以平面蠕动式刚性支承环和环形隔膜区别于一般转子泵和往复式隔膜泵。此外现有隔膜泵多采用片状隔膜来隔开输送介质和工作介质，并使用往复式曲柄连杆机构、三阀机构、进出口阀组；环形隔膜泵吸收了软管泵、挠性衬圈泵及其它转子泵的特点，采用回转式驱动机构和环形隔膜有机结合的新颖结构，用环形隔膜将输送介质与驱动元件隔开，使输送介质无法向外泄漏。环形隔膜泵主要由泵体1、隔离机构2、刚性支承环3、环形隔膜4、轴承套5、轴承6、传动轴7及浮动承压环、泵端盖等组成；环形隔膜端部靠轴承盖沿轴向压紧固定，其和泵端盖、刚性支承环、泵体组成封闭容积，当传动轴旋转时，借助进、出口隔离机构和刚性支承环、泵体形成吸液和排液腔，达到无泄漏输送介质的目的。
环形隔膜泵主要结构特征为：
9 u- m: T  T4 `# J  V0 {4 V(1)隔膜和泵体间设有平面蠕动式刚性支承环；
（2)环形隔膜内置有浮动承压环；
% \) v/ i  |2 r! L' }$ y(3)环形隔膜将输送介质和润滑介质隔开；
(4)环形隔膜泵独有进出口组合隔离机构；
(5)无需底阀和进出口阀组；
6 s1 Q1 b/ e, v: Z7 v5 v- O(6)独特的轴向密封结构；
(7)刚性支承环与传动轴间设有轴承。
+ A& l( D' L$ f, L  B2、设计要点
' k0 x# j7 `0 D8 \( x2 .1、流量
1 n" y2 P7 }# X+ A5 V环形隔膜泵中刚性支承环和隔离元件、泵体将液腔隔成吸入和排出部分，随吸入和排出液腔容积的变化，介质沿进口至出口连续流动。如图2所示吸人口A和排出口Ｂ分别为吸、排腔径向密封死点，可见每转排出理论流量应为：
6 \" b6 H% [  o4 zQ；，t=10-''n(RZ一r2)BK [ L]
式中B－－刚性支承环宽度，cm
R－－泵体内腔半径，cm
r－－刚性支承环半径，cm
K－－理论容积系数，主要考虑无效密
封角α及结构尺寸R， r等对理
论流量的影响；通常无效密封角
+ w/ [% p/ k# t. H4 Z+ ?α分别控制在20。以内，K值可
精确求得，一般取0.90-0.95
5 s( S7 T' v) |3 o5 T设计中有R=r+e，其中e为偏心值，cm。则有泵理论流量为：考虑到泵的压差、介质粘度、间隙大小及泵速对流量的影响，则泵的额定流量为：Qr＝KvQth 式中Kp－－容积系数
0 r, x; ?& P7 K* B+ s2 U2.2、泵速和泵径向、轴向间隙的确定
& b" e# E. N3 q2.2.1、泵速
/ l2 ?* ^- M9 Z由于采用了平面蠕动的刚性支承环，因而泵体、泵端盖和刚性支承环间相对滑动速度与泵速相关，其值可估算，即： Ｖ=πne/30 可见合理控制与降低泵速，则可以减小摩擦和功率损耗，延长泵使用寿命，提高泵效率。根据经验，通常将泵速控制在n≤300min-1范围。
2.2.2、轴、径向间隙
+ ~/ @9 `5 U1 M; P0 o吸人和排出腔间径向密封为楔形间隙，轴向间隙为平行缝隙。泵的性能与径向、轴向间隙及相关结构参数和介质特性密切有关，其中径向间隙主要根据压差△P；输送介质的粘度γ；刚性支承环半径r；偏心值e等因素确定。
8 }" a+ x+ a. W9 V即间隙T = f (ν， r) / f (△P， e)，显然当△P和e增大时，间隙T应取小值；当ν， r增大时，间隙T可取大值。
) Y& \& Z  m7 h! m" X1 i轴向密封采用间隙密封和弹性密封相结合效果良好；而平行间隙的泄漏量可由下式估计： q=10-5 x T3b△P/1.2γL [mL/s]
式中b—间隙宽度，cm
L—间隙长度，cm
△P—压差，MPa
ν—介质动力粘度，Pa·s
+ x1 K( T, G$ Y) `' J8 r1 WT—间隙值，cm
/ j0 H+ h) p! G# o" x通常，合理控制径、轴向间隙可以提高自吸性能和排出压力，减小泵内泄漏量，保持较高容积系数。实践证明，刚性支承环和泵体、传动轴和轴承套以及轴承和轴承盖的公差配合、径轴向尺寸链的计算至关重要。通过设计分析和试验验证，径向、轴向间隙应控制在0.03～0.20范围内。
( c' A$ |& E. p$ I2.3、环形隔膜的设计
- Q- Y; a5 f1 p% o" Y环形隔膜是环形隔膜泵中隔开输送介质和润滑介质，实现无泄漏输送介质的关键零件，其设计不同于片状隔膜，我们从结构上保证其承受低压状态，通过预定伸长量使之工作状态下附加变形极小，设计中遵循以下原则：
+ T+ v3 a6 j( y% d$ ~; z(1)环形隔膜内外表面均无相对滑动摩擦；
(2)控制隔膜内外表面压差在0.1MPa以内；
(3)采用浮动承压环形成浮动支承；
(4)提高隔膜抗拉和抗疲劳性能；
(5)合理选择隔膜硬度；
# W/ Q7 q0 N3 ^4 R/ }- _; M* e) u" S(6)保证隔膜装拆方便；
(7)给定隔膜预伸长值△L。
2 M2 i- {0 Z) n' t' P/ S若环形隔膜工作变形段尺寸为L，而安装尺寸为L''，那么环形隔膜设计长度值则为：
L=△L+L''
) s" A# p- \% {$ X% A其中△L=e/ sin (arctge/L)－L
通常△L=0.5-2.Omm，考虑环形隔膜虽承压较低，但接触腐蚀性介质且工作中循环挠动加上结构尺寸要求严格，我们和有关制造厂和科研院校研制了丁腊橡胶、聚氨醋橡胶和夭然橡胶等多种隔膜，经对比试验，聚氨醋隔膜物化性能和疲劳性能较优。
2.4、刚性支承环设计
5 ]. s! t$ P8 ~5 b环形隔膜泵中刚性支承环有别于普通转子泵和往复式隔膜泵。它的设置不仅使轴向和径向密封容易形成，而且可以保护隔膜，保证泵具有较高排出压力和良好的自吸性能。
+ q7 u$ F" X: B; t! A9 E( _刚性支承环上任意质点的运动为垂直轴线截面内的往复运动和回转运动合成的平面运动即平面蠕动。刚性支承环的设计应考虑采用轻质材料或中空结构，以减轻重量，减小惯性力。
4 N2 |8 w' Q3 s其工作状态下外表面承受不平衡液压力作用，使传动轴上承受径向力F，当径向密封点在远离组合隔离机构最低点时有下式：    Fmax=20·△P·B·r
式中△P—压差，MPa
' _2 m1 G7 Q  c& ~) ~4 m6 hB—刚性支承环宽度，cm
- p' E/ m; s2 Wr—刚性支承环半径，cm
' |6 |: h4 J/ N2 p& D2 V由上式可知，刚性支承环承受较大的径向力，因此在设计中不仅应保证其足够的刚度和强度，同时还应考虑传动轴可能产生挠度，通过结构设计确保泵径向间隙在设计范围内。
* t9 B8 l4 j; V8 z3、性能特点
3.1、性能特点
环形隔膜泵以独特的结构、优化的设计、参数的合理匹配及高质量的隔膜而具备优良的性能，主要在如下：
7 u  T- B  v4 o8 p! T. ?6 R(1)无泄漏。由于泵中环形隔膜将输送介质与润滑介质隔开，输送介质无法外泄。
(2)自吸性能强。因是回转式容积泵，故具有较好的自吸能力，可油、气、水混合输送，泵无需灌引，直接启动。
& t& a) s6 y! n(3)适应范围广。可输送一般液体亦可输送粘稠性介质，应用参数范围大。
4 |. P7 g4 D: E) w  J8 `(4)效率高。传动结构紧凑简单，和同参数叶片泵相比，效率高5%以上，且高效区宽广。
该产品易于系列化、通用化；同一机座产品可更换过流部件、调整泵速和间隙来适应不同工况和介质。目前环形隔膜泵已形成Q=1～50m3/h， P≤1.OMPa的系列产品，可广泛用于输送强腐蚀性、易燃爆、剧毒和放射性的以及高纯度或高粘度的介质等。此外，依不同用户要求可采用调速传动方式，还可配用隔膜报警自动执行器。
3.2、产品实刚性能
据“军工舰船用环形隔膜泵的研制”课题鉴定要求，两种产品经500 h型式试验后，经检测其性能见表1。
由此可见，产品实测性能均达到机械部课题攻关指标，具有良好的自吸性能及气液混输、高效率等特性。
' m3 M/ M" C; |) Z+ H+ c此外，我们用HM-2.0/0.4型环形隔膜泵进行了对比试验，其输送不同介质和不同压差下的性能见表2。显然，粘度和压差不同时，相同的密封间隙下，所产生的内泄漏量不同，使得容积系数不同。
, M5 g1 F2 \( R5 O# T9 `4、结论及应用
环形隔膜泵作为新型容积转子式无泄漏泵，采用了旋转式驱动机构，减少了滑动摩擦润滑点，简化了结构。采用环形隔膜隔开润滑介质和输送介质，独特新颖。此外由于它和往复式隔膜泵、转子泵、磁力泵、软管泵等结构有本质不同，因而其研究开发及市场应用潜力大。
; _* R1 x( k: y+ `+ J工业发达国家无泄漏泵年产量占泵年产量15%～20%；而我国无泄漏泵年产量占总产量3%左右，是急待发展的产品。环形隔膜泵独特的性能和良好的通用性和互换性，使之特别适用化工、轻工、食品工业流程用泵的更新，使运行成本降低，维护和操作方便，以提高经济效益。
% t5 u8 s3 h0 T7 x) C+ T& b( F据对某酒精厂和果糖厂用泵情况调查，两单位使用近360台泵输送油、水、酒精、酒浆、糖浆、添加剂等不同介质，其压差为P=0.2～0.5MPa，流量Q=15～40m3/h；选用了油泵、不锈钢泵、单螺杆泵、屏蔽泵、清水泵等十多个品种，50个规格的产品，运行管理和维护更换零件不方便。选用环形隔膜泵系列产品、则只需2个机座即可满足，其安装尺寸、泵体、隔膜等零部件相同，对不同介质可更换过流部件材质，维护管理更简单。
该泵不仅可满足军工舰船用于替代输送海水、污水的立式电动往复泵和船用油水分离器使用的柱塞泵，还具有气、液混输能力，特别适用于油田油、气、水混输；舰船舱底污水、剩油和油罐车底部剩液的抽吸。
文章关键词： 无泄漏环形；隔膜泵；设计原理