實驗用軟管泵及其實驗設計

        近年來, 我國從北到南在高速公路、堤壩護坡及大面 積草坪種植上廣泛應用了草坪噴漿播種技術, 而且普及迅 速, 噴播配料及噴植機械也由進口轉為國產化[1] 。目前所 用的客土噴播機, 其噴漿泵是軟管擠壓泵, 軟管泵結構 簡單, 制造容易, 有很多優點[2] 。軟管泵不但用于客土噴 播機, 而且廣泛應用于化工、冶煉、礦山、醫藥、石油、水 處理、食品、采礦、建筑、建材、陶瓷和造紙等行業, 這些行 業對輸送過程有穩定、均衡、無泄露等特殊要求[3] 。軟管泵 在運行中, 其軟管交替受到滾輪與漿料的擠壓力和摩 擦力作用以及漿料的沖擊作用, 會很快損壞, 而重新更 換軟管價格昂貴[4] 。因此, 研究軟管失效機理以改善軟 管泵結構, 提高軟管的使用壽命并降低運行成本是非 常有實際意義的。

軟管泵簡介

1.1 軟管泵工作原理

軟管泵的工作原理如圖 1 所示。

軟管泵主要由泵 體、中心架、擠壓滾輪及膠管組成。其工作原理是當電 動機通過減速器驅動中心架旋轉時, 中心架上的擠壓 滾輪沿著軟管旋轉, 滾輪與泵體之間產生的擠壓力將 軟管壓扁。在滾輪后面, 軟管在自身彈性的強制下恢復 原狀, 產生真空吸入物料; 而在滾輪前面, 軟管中的物 料在滾輪的機械擠壓下從管內排出。這樣不斷地往復 完成一個工作循環。

1.2 影響軟管失效的因素

軟管主要失效形式有兩種[5] : ①正常失效, 即疲勞 性破壞和摩擦磨損; ②非正常失效, 即撕裂性破壞和突 發性爆破[6] 。影響軟管正常失效的可能因素如下: 擠壓滾輪形狀、數量、直徑、轉速、對軟管擠壓力、回轉中心直徑、軟管的內徑和外徑等。

2 實驗用軟管泵設計

根據理論研究, 影響軟管失效的因素除軟管本身 的材料和結構外, 還與軟管泵結構有很大的關系, 實驗 軟管泵就是為了研究這些因素對軟管磨損影響程度而 設計的。實驗軟管泵的設計要求是對軟管磨損的影響 因素能夠作適當的調整, 如能改變擠壓輪的數量、直 徑, 能改變中心架的轉速, 能對不同軟管作磨損實驗, 能改變壓輪對軟管的擠壓力等。 如圖 2 所示, 實驗軟管泵與工業軟管泵工作原理 相同, 為了研究各因素對軟管的影響, 對擠壓輪、導向 復位輪、中心架和卡口作可調設計, 其實驗設計如下。

2.1 可調擠壓輪

為了研究擠壓輪對軟管磨損的影響, 對同直徑的軟管使用不同直徑的擠壓輪, 并改變輸送液體中固體 顆粒的大小, 測試軟管在不同情況下的有效工作時間。 更換擠壓輪時擠壓輪所受的力較大, 為確保其結構牢 固可靠, 壓輪支承軸應有足夠的尺寸。經計算, 實驗軟 管泵設計軟管直徑為φ60mm, 擠壓輪直徑為φ30～ 80mm。

2.2 變徑卡口 實驗中需要改變軟管的直徑, 為了便于軟管與外 接測試管路的連接, 需要不同直徑的卡口使得軟管與 管路連接緊密, 不能有任何泄漏。根據實驗所需軟管的 不同直徑, 該實驗軟管泵所設計的變徑卡口能滿足實 驗的需要, 并且更換容易, 操作簡單。

2.3 可調中心架和可調導向復位輪

實驗中對不同擠壓輪作磨損測試時, 為了能使擠 壓輪緊緊壓住軟管, 需要改變中心架的長度。實驗軟管 泵的中心架由兩部分組成, 其前端部分支撐擠壓輪, 且 可以方便更換不同直徑的擠壓輪, 末端插入中心架支 撐部分, 用四個螺栓固定。實驗時, 根據不同軟管的壁 厚及擠壓輪直徑的大小, 先調整好中心架的長度, 然后 裝上軟管進行實驗。 可調導向復位輪是為了保證不同直徑的軟管在實 驗過程不偏離擠壓中心而設計的, 其操作簡單。 由于在更換擠壓輪時需要取下中心架, 因此中心 架與轉軸之間的連接要時常拆卸。中心架與轉軸之間 同時使用花鍵和銷連接, 花鍵連接傳遞扭矩, 與中心架 之間采用過渡配合, 便于拆卸; 銷連接是為了保證中心 架在軸向方向上的位置, 以確保壓輪對軟管的正確擠壓。為了改變擠壓輪的數量, 需要更換有三個支撐的中心架, 其連接、配合尺寸與有兩個支撐的中心架相同, 以便前端支撐壓輪部分可以通用, 減少部件, 降低實驗 成本。轉軸與無級變速電機相連, 可以改變轉速和轉向 ( 以上部分圖 2 均未表示) 。

3 實驗方案設計

3.1 實驗目的

本次實驗研究的目的是分析對軟管磨損的各影響 因素對軟管磨損大小的相關性, 根據結論優化軟管泵 的結構, 在滿足實際工作需要的情況下, 以提高軟管的 使用壽命, 降低運行成本, 提高工作效率。在此基礎上擬制訂軟管泵設計標準。

3.2 實驗原理

軟管泵用于客土噴播作業中, 軟管失效表現為噴 射混和液的力度不足, 達不到需要的噴播高度, 即軟管 泵出口壓力達不到噴播所需要的壓力。根據實際情況, 實驗中確定軟管失效的標準為: 軟管泵開始工作時所 能達到的壓力為 P, 工作一段時間后, 由于軟管的磨損, 其出口壓力將會下降, 當其下降到一定程度后便不能 滿足實際工作需要。根據經驗, 當出口壓力下降到 20% P 時, 作業效率明顯降低, 基本上不能滿足工作需要, 此 時即視為軟管失效。其工作時間的長短可以衡量軟管 泵及軟管的性能, 因此軟管泵出口需要安裝檢測壓力 和流量等的儀器。實驗輔助設備還包括料箱、攪拌裝置 和連接管路。

3.3 實驗步驟

按圖 3 連接好實驗設備。先啟動料箱上的電機, 使 得混和液攪拌均勻; 閉合軟管泵電機, 調節其轉速為 30r/min, 檢查管路連接部分, 確保無泄漏; 調節限壓閥, 使軟管泵出口壓力達到接近壓力 P 并開始計時, 當出口壓力下降到 20%P 時, 記錄時間 。斷開軟管泵電 機, 更換同類型、同直徑的軟管, 并更換壓輪的直徑, 調 節中心架, 使得壓輪能緊密壓住軟管, 再次進行實驗, 記錄時間 。在不改變轉速和壓輪數量的情況下, 更換軟 管和壓輪的直徑, 按表 1 填寫數據, 其中軟管的直徑為 d1、d2、d3, 壓輪的直徑為 D1、D2、D3。更換有三個支撐的中 心架, 按表 2 進行實驗并填寫實驗數據。

軟管泵的軟管采用特殊橡膠制成, 外層是耐磨及 耐油性能好的丁腈橡膠( NBR) , 內層是耐腐蝕耐 磨性 能良好的橡膠( NR) , 中間層則由 4 層線繩按平衡 角( 54°44′) 呈螺旋狀交互纏繞而成, 且有良好的耐曲撓 性和耐疲勞破壞性能。軟管在壓輪不同速度的交替擠 壓力下會產生疲勞破壞, 橡膠老化速度快慢不同, 因此軟管失效快慢也不一樣。擠壓速度快, 軟管疲勞、老化 就快, 同時所做的功也多。為了研究軟管磨損與轉速之 間的關系進行如下實驗, 選擇不同轉速 V1、V2、V3, 記錄 軟管在失效前所做的功, 即記錄流量 Q 和消耗的時間t, 填入表 3。

3.4 數據處理

對表 1、2、3 中的數據進行方差分析和回歸分析, 計算 d、D、V 和壓輪數目與軟管磨損失效時間 t 的相關性, 并進行顯著性檢驗。

4 結束語

實驗用軟管泵及其實驗設計能較好地檢驗影響軟 管正常失效的理論, 其實驗結果將進一步促進理論研究的發展。

參考文獻:

[ 1] 于鳳芝. 草坪噴播綠化技術[ J] . 草原與草坪, 2002,( 1) .

[ 2] 黎冬翠. 軟管泵在磷肥生產中的應用 [ J] . 磷肥與復肥, 2002, ( 11) .

[ 3] 孫明政, 李 勇, 韓向軍. KP 系列軟管泵的應用[ J] . 有色礦山, 2001, 30( 5) .

[ 4] 陳景卓, 姚立紅, 等. 綠化用客土噴播機軟管泵的理論研究展望 [ J] . 林業機械與木工設備, 2006,( 2) .

[ 5] 姚立紅, 王乃康, 等. 道路綠化用客土噴播機軟管泵失效影響因 素的研究[ C] . 可持續發展的中國交通——2005 博士生學 術 論 壇( 交 通 運 輸 工 程 學 科) 論 文 集, 中 國 鐵 道 出 版 社, 2005, ( 7) .

[ 6] 朱曉宇. 軟管泵軟管失效分析與預防[ J] . 有色設備, 1998,( 5) . 作者簡介: 周小超( 1982-) , 安徽省無為縣人, 北京林 業大學工學院在讀碩士, 研究方向為營林與園林機械。

      摘自周小超, 姚立紅, 王乃康, 陳景卓 ( 北京林業大學, 北京 100083)《實驗用軟管泵及其實驗設計》