往復(fù)式活塞隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)誤動(dòng)作分析與研究

王小磊（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧　沈陽　110144）

?

往復(fù)式活塞隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)誤動(dòng)作分析與研究

王小磊
（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司，遼寧沈陽110144）

摘要：往復(fù)式活塞隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)誤動(dòng)作發(fā)生后必將導(dǎo)致隔膜泵設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而對(duì)于成套管道工藝系統(tǒng)，其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障將會(huì)導(dǎo)致工藝系統(tǒng)中其它設(shè)備進(jìn)入癱瘓狀態(tài)，因此，避免誤動(dòng)作對(duì)提高單臺(tái)設(shè)備和整套工藝設(shè)備的工作效率及改善經(jīng)濟(jì)性有積極的推動(dòng)作用。本文從往復(fù)式活塞隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)的基本原理、構(gòu)成和控制過程開始，系統(tǒng)的分析了引起往復(fù)式活塞隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)誤動(dòng)作的各種原因及避免誤動(dòng)作發(fā)生的解決方法。

關(guān)鍵詞：隔膜泵；氣動(dòng)系統(tǒng)；誤動(dòng)作

1 前言

往復(fù)式活塞隔膜泵作為一種高效率礦漿輸送設(shè)備，目前已經(jīng)將其使用場合由最初的氧化鋁和礦山行業(yè)拓展到了石油化工、遠(yuǎn)距離輸送、市政工程等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前往復(fù)式活塞隔膜泵最大流量已經(jīng)可設(shè)計(jì)達(dá)到650m3/h，最高設(shè)計(jì)壓力可達(dá)35MPa。控制系統(tǒng)作為往復(fù)式活塞隔膜泵中重要的組成部分，是影響整套隔膜泵設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，而氣動(dòng)系統(tǒng)是控制隔膜泵自動(dòng)補(bǔ)排油的核心部分之一，其工作穩(wěn)定性、響應(yīng)快速性和動(dòng)作準(zhǔn)確性直接關(guān)系到補(bǔ)排油系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行，進(jìn)而起到保護(hù)隔膜泵橡膠隔膜的作用。

2 系統(tǒng)介紹

往復(fù)式活塞隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)是由二次壓力控制回路和換向回路構(gòu)成的開式系統(tǒng)，主要由氣源部分、信號(hào)輸入部分、信號(hào)處理部分和命令執(zhí)行部分組成。

2.1 系統(tǒng)組成及控制過程

氣源部分主要包含：空氣壓縮機(jī)、氣動(dòng)三聯(lián)件及管件?？諝鈮嚎s機(jī)是氣壓傳動(dòng)與控制的動(dòng)力源，常用1MPa壓力等級(jí)的氣壓作為輸出動(dòng)力源；氣動(dòng)三聯(lián)件主要用來進(jìn)行管路空氣過濾，壓力調(diào)節(jié)和油霧潤滑；管件包含快速接頭、螺旋軟管等連接件。

信號(hào)輸入部分主要通過隔膜泵液力端信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)，壓力傳感器傳送壓力控制信號(hào)。

信號(hào)處理由電氣控制，PLC來進(jìn)行控制與處理。

命令執(zhí)行主要通過二位三通電磁閥接受了信號(hào)處理后被命令去控制兩位兩通閥組的啟閉。

系統(tǒng)的整個(gè)控制過程如圖1所示。

2.2 工作原理

以三缸單作用往復(fù)式活塞隔膜泵為例，其氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示，由氣源1（空氣壓縮機(jī)）供給的壓縮空氣經(jīng)截止閥2，管件3、4進(jìn)入氣源調(diào)節(jié)裝置5，經(jīng)氣源調(diào)節(jié)裝置過濾、調(diào)壓、穩(wěn)定后的壓縮空氣通過單向閥8進(jìn)入處理元件二位三通電磁閥9，由二位三通電磁閥9的自動(dòng)換向來控制液壓兩位兩通閥組的啟閉，從而起到自動(dòng)補(bǔ)排油作用。壓力表6用來監(jiān)測就地壓力讀數(shù)，系統(tǒng)壓力值通過壓力傳感器反饋給PLC，當(dāng)空氣壓力低（L）時(shí)，PLC控制發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)空氣壓力繼續(xù)降低，達(dá)到低低（LL）設(shè)定值時(shí)，PLC控制隔膜泵整體停機(jī)。

3 系統(tǒng)分析

往復(fù)式活塞隔膜泵通常將氣動(dòng)系統(tǒng)連鎖條件設(shè)定為低壓（L）報(bào)警，低低壓（LL）停車，對(duì)于引起氣動(dòng)系統(tǒng)誤動(dòng)作的原因，本文從兩方面進(jìn)行分析研究，首先從氣源供氣和管路布置兩方面考慮，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算。其次，對(duì)控制點(diǎn)位置進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 系統(tǒng)分析計(jì)算

3.1.1 空壓機(jī)計(jì)算

往復(fù)式活塞隔膜泵氣源通常為空氣壓縮機(jī)，當(dāng)空壓機(jī)選用能力不足或所取裕量偏小，不能滿足設(shè)備在高峰負(fù)載時(shí)的耗氣值，都可能發(fā)生供氣壓力不足，由壓力傳感器反饋輸出動(dòng)作信號(hào)，從而發(fā)生報(bào)警或停車狀況?？諌簷C(jī)具體選型計(jì)算如下。

圖1　往復(fù)式活塞隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)控制過程

圖2　三缸單作用隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

表1

壓機(jī)的輸出壓力pc：

pc＝p＋∑△p（MPa）

pc——空壓機(jī)的輸出壓力；

p——?dú)鈩?dòng)執(zhí)行元件的最高使用壓力，MPa；

∑△p——?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)的總壓力損失，MPa；

一般情況下，令∑△p＝0.15MPa～0.2MPa。

②空壓機(jī)的吸入流量qc：

qc＝kqb（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

（a）不設(shè)氣罐，qb＝gmax

（b）設(shè)氣罐，qb＝qsa

qc——空壓機(jī)的吸入流量，（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

qb——向氣動(dòng)系統(tǒng)提供的流量，（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

gmax——?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)的最大耗氣量，（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

qsa——?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)的平均耗氣量，（m3/min）（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）；

k——修正系數(shù)，一般可令k＝1.3～1.5。

而對(duì)于三缸單作用氣動(dòng)系統(tǒng)每分鐘最大耗氣量（Q）為：

d1——執(zhí)行元件缸徑，mm；

S——執(zhí)行元件行程，mm；

③空壓機(jī)的功率N：

p1——吸入空氣的絕對(duì)壓力，MPa；

pc——輸出空氣的絕對(duì)壓力，MPa；

κ——等熵指數(shù)，κ＝1.4；

n——中間冷卻器個(gè)數(shù)。

另外，空壓機(jī)自身故障，也可能導(dǎo)致其無法正常供氣，引發(fā)信號(hào)誤動(dòng)作，如空壓機(jī)中有關(guān)鍵零部件損壞或閥門位置不正確等等。

3.1.2 管路計(jì)算

隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)管路是輸送氣體的重要通道。由主管路、分支管路、管接頭組成，如圖2三缸單作用隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖所示，氣源1到單向閥8之間為主管路，其余為分支管路。如果管路通徑偏小而輸送距離較長時(shí)，必將導(dǎo)致供氣不足。

氣源系統(tǒng)中的管路直徑與其通過的流量、工作壓力、管路長度和壓力損失等因素有關(guān)。

式中：

d——管路內(nèi)經(jīng)，m；

p1——工作壓力，bar；

△p——壓力損失，Pa，應(yīng)該不超過0.1bar；

L——管道的名義長度，m；

V——流量，m3/s。

為使執(zhí)行元件正常工作，氣流通過各種元件、輔件到到執(zhí)行元件的總壓力損失必須滿足下式：

K△p∑△pξ2≤[∑△p]

式中：

∑△pξ2——流經(jīng)元、輔件的總壓力損失；

K△p——壓力損失簡化修正系數(shù)，K△p＝1.05～1.3。

如果驗(yàn)算的總壓力損失K△p≤[∑△p]，則上邊初步選定的管徑可定位所需要的管徑。如果總壓力損失∑△p＞[∑△p]，必須加大管徑或改進(jìn)管道的布置，以降低總壓力損失，直到∑△p＜[∑△p]為止。

在無油壓縮機(jī)中，空氣中吸入的油霧會(huì)導(dǎo)致油污殘?jiān)@些油污會(huì)造成敏感部件的阻塞。同樣，對(duì)有油潤滑的壓縮機(jī)，在高溫壓縮下，油污將產(chǎn)生焦油和炭顆粒，這些產(chǎn)生物會(huì)對(duì)元件造成更大的傷害。因此，為保證設(shè)備連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，壓縮空氣的凈化和預(yù)處理也是設(shè)計(jì)研發(fā)過程中需要考慮的重要問題。

3.2 控制點(diǎn)選取試驗(yàn)

控制取樣點(diǎn)的合理選取直接關(guān)系到數(shù)據(jù)輸出的準(zhǔn)確性，因此，在隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)中采用試驗(yàn)的方法選擇最佳壓力取樣點(diǎn)，來避免連鎖控制誤動(dòng)作。

3.2.1 試驗(yàn)條件

如圖2所示的三缸單作用隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖，在a，b，c三處分別安裝儀表檢測元件來進(jìn)行壓力取樣，分別在空載和加載情況下進(jìn)行試驗(yàn)。儀表所用技術(shù)參數(shù)見表1。

3.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

（1）當(dāng)有1個(gè)二位三通電磁閥動(dòng)作時(shí)，a（前端）、b（中間）、c（后端）3處壓力數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，如圖3所示。

（2）當(dāng)有2個(gè)二位三通電磁閥動(dòng)作時(shí)，a（前端）、b（中間）、c（后端）3處壓力數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，如圖4所示。

（3）將件8單向閥去掉后，有2個(gè)二位三通電磁閥動(dòng)作時(shí)，a（前端）、b（中間）、c（后端）3處壓力數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，如圖5所示。

（4）將負(fù)載升到6.4MPa后，有2個(gè)二位三通電磁閥動(dòng)作時(shí)， a（前端）、b（中間）、c（后端）3處壓力數(shù)據(jù)采樣結(jié)果，如圖6所示。

圖3

圖4

圖5

圖6

表2

3.3.3 試驗(yàn)結(jié)果

將各試驗(yàn)結(jié)果下限數(shù)據(jù)匯總后，見表2。

由表2可得出，amin中數(shù)據(jù)無論在空載和加載情況下相對(duì)最穩(wěn)定，但是其數(shù)據(jù)為氣源出口處未經(jīng)壓力調(diào)定的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映氣動(dòng)控制閥和執(zhí)行元件的實(shí)際運(yùn)行狀況，因此a處數(shù)據(jù)只作為保留數(shù)據(jù)。bmin中數(shù)據(jù)在空載情況下相對(duì)平穩(wěn)，在加載后其壓力值反而上升，而且觀察其輸出曲線，較其它2條曲線，b處曲線波動(dòng)最小，所以b處可作為取樣點(diǎn)之一。cmin中多次出現(xiàn)小于0.4MPa數(shù)據(jù)，而0.4MPa正是隔膜泵空氣連鎖壓力數(shù)據(jù)下限值，因此c處取樣點(diǎn)不可選。

從以上試驗(yàn)過程同時(shí)可得出，外部氣動(dòng)元器件對(duì)壓力控制點(diǎn)的正確選取也有影響，在研發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)全面考慮各環(huán)節(jié)的構(gòu)成情況及正反效應(yīng)。

結(jié)論

引發(fā)往復(fù)式活塞隔膜泵氣動(dòng)系統(tǒng)誤動(dòng)作的情況可歸納為四大類：

（1）氣源選型計(jì)算合理性和完整性。

（2）管路計(jì)算及系數(shù)裕度選取合理性。前兩條屬于基礎(chǔ)性問題，對(duì)于該類問題在研發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)充分考慮各因變量與變量之間的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)選取合理的系數(shù)裕度，絕對(duì)避免誤差放大。

（3）壓力控制點(diǎn)位置選取合理性。首先應(yīng)明確該壓力控制點(diǎn)的控制目標(biāo)和控制作用，其次對(duì)其控制方法及控制參數(shù)作出合理設(shè)計(jì)，最后應(yīng)當(dāng)選擇最佳控制點(diǎn)作為數(shù)據(jù)反饋的出發(fā)點(diǎn)。

（4）其它影響條件。如壓縮空氣的凈化和預(yù)處理。在一些特殊環(huán)境，如高海拔、低溫、高濕度、多粉塵環(huán)境中，必須充分考慮內(nèi)因和外因的影響因素，才能保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]鄭洪生.氣壓傳動(dòng)及控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[3]楊叔子，楊克沖，等.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)（第五版）[M].北京：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[4] TUUMU.綜合選型手冊(cè).U.S.TUUMU Automation Controls Inc[Z].

中圖分類號(hào)：TH38

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A