隔膜计量泵工作原理、使用问题及对策分析

杨世杰

（烟台泰和新材料股份有限公司，山东 烟台 264006）

计量泵的特点在于它能够精确地调节、计量流经计量泵的各种流体，在精细化生产工艺中得到广泛的应用，是石油加工、精细化工、污水净化、食品加工、医药生产、能源加工、有机化工、高分子合成等众多技术领域中的核心设备。在这些工艺生产中，计量泵在物料计量、物料衡算、原料比例调整等方面发挥了重要作用。从第一台计量泵于1936年被开发应用出来以后，纵观计量泵的开发、应用的80多年历史，技术人员在计量泵的驱动力方式和设备材料选型上开展了大量的工作，基于驱动力方式和设备材料选型技术成果，计量泵的计量精确性、耐压耐温能力、流量调节灵活性、输送介质种类都得到了极大的提升。其中，隔膜计量泵是其中最为典型的计量泵。隔膜计量泵的最大的特点在于它使用“隔膜材料”将计量泵的驱动润滑组件与输送的流体体相隔离，及避免了流体体相对驱动润滑组件的腐蚀，又极大地提高了计量泵的密封性。

现在，隔膜计量泵凭借着它独特的技术特点，在喷漆、陶瓷加工、废水净化、精细化工等领域发挥了其他类型计量泵不可替代的作用。因此，为了弥补我国隔膜计量泵产业技术水平的差距，本文从隔膜计量泵工作原理入手，根据隔膜计量泵实际作业时经验，梳理了隔膜计量泵工作时常见的故障问题，并总结各种故障问题需要采取的解决措施。

1 隔膜计量泵的结构及原理

1．1 隔膜计量泵的结构及原理

（1）隔膜计量泵结构。从结构组成来看，隔膜计量泵由驱动电机设备、隔膜组件、泵头、内循环压力平衡系统、量程调节组件、减速组件等几部分组成。其中，泵头由泵头、进料管线阀门、卡套法兰、出料管线阀门、护膜板等几部分组成；减速组件采用蜗轮蜗杆减速方式，行程调节采用N形曲轴连杆方式，减速组件和行程调节组件安装在统一箱体内；泄压阀、排气阀、补油阀、出油罐、缸体等组成隔膜计量泵的内循环压力平衡系统；隔膜片安装在缸体与泵头之间，将输送流体和液压油隔离起来；卧式泵的驱动电机设备安装在箱体的侧面，立式泵的驱动电机设备安装在箱体的上面，根据生产需求驱动点击设备可以选择变频电机也可选择固定频率电机。

（2）隔膜计量泵工作原理。隔膜计量泵的驱动电机设备利用传动带带动蜗杆选装，蜗杆经过涡轮、下套筒将动量传递给系统的N型轴。通过N型轴的联动作用和行程调节作用，调节计量泵柱塞往复运动的形成，从而实现计量泵流量的条件。另一个调节计量泵流量的方式，通过驱动电机设备工作频率调节实现的。当柱塞向后运动时，液压腔体积增加，液压腔内压力降低，使得弹性膜片向后弯曲。向后弯曲的膜片导致流体介质腔内体积增加，产生负压。这时，计量泵的进口阀门打开，介质在压差的作用下从计量泵前管线进入流体介质腔内，计量泵的出口阀门关闭，当柱塞冲程达到满额时，单次进料结束。单次进料结束后，柱塞泵开始向前运动，液压腔体积降低，液压腔内压力增加，使得弹性膜片向前弯曲。向前弯曲的膜片导致流体介质腔内体积降低，产生正压。这时，计量泵的出口阀门打开，介质在压差的作用下从流体介质腔进入到计量泵后管线，完成单次出料。简易示意图如图1所示。两个过程循环配合，完成管线流体介质的不断输送，有时为了保障进料的稳定性，会使用双台联动的计量泵输送介质。

图1 隔膜计量泵工作原理简易图

1．2 技术特点

从隔膜计量泵结构设计和工作原理可以看出，隔膜计量泵使用柔性隔膜材料代替传统的活塞，在驱动作用下不断完成往复输料过程。由于高效的隔膜效果，隔膜计量泵的设备密封性非常好、输送物料与驱动润滑组件的隔离性非常好。因此，基于隔膜计量泵技术特点，其具有如下工作特点：

（1）可以实现高挥发性有机溶剂的输送，如甲醇、石油醚、低碳烷烃、乙醇等；由于将物料和驱动设备隔离，可以输送腐蚀性较强的溶液；

（2）柱塞密封工作温度低，不需要在泵头处搭载辅助冷却设备；

（3）隔膜计量泵运行安全可靠，机器产生的震动和噪音非常小，保障了员工现场工作环境；设备构造、操作简单，设备后期维护方便；

（4）采用内循环压力平衡系统保证设备内部的压力平衡，提高了隔膜计量泵的柱塞密封填充料和膜片的使用寿命。

2 隔膜计量泵使用问题及对策

2．1 隔膜零件故障及措施

从上一小节阐述的隔膜计量泵工作原理可以看出，在计量泵柱塞不断往复运动输送流体介质过程中，受到体积变化的作用，隔膜的左右两端常处于连续交替变换受力的状态，导致计量泵的隔膜零件极容易开裂受损，影响计量泵正常工作。最常见两种开裂原因有以下几方面：（1）进料温度过高，到时隔膜材料老化严重；（2）输送的料液中含有气体或者汽化产生气体，气体进入流体介质腔后，导致隔膜承受的压力不均匀，产生机械疲劳；（3）进料不稳定，导致进料时计量泵内流体介质分离形成空隙，造成缺料、打空泵情况，导致隔膜成熟的应变力增大，造成隔膜击穿或者机械损伤。

当隔膜出现性能故障时需要隔膜进行更换，关闭系统进出口单向阀，打开放空阀，使得系统压力与大气压力平衡，排出液压油。松懈进出口管线螺母，拧下泵头前段紧固螺母，卸下泵头，更换新旧隔膜片。

2．2 泵不上量或上量不足

隔膜计量泵不上量或者上量不足的问题产生的原因有很多，可以从以下几方面入手排查：

（1）隔膜损坏或单向阀堵塞。单向阀堵塞时导致计量泵无法工作的首要因素，发现上述问题后。现场人员首先将泵前的单向阀拆除，调节柱塞冲程观察隔膜运动情况。如果隔膜运动与柱塞冲程匹配，则可以排除隔膜损害问题。然后，利用清洗液体如水、有机溶剂等对单向阀尽心清理，可以适当用软毛刷刮蹭，重新装回清洗过的单向阀观察进料情况。单向阀的堵塞通常是因为料液中机械杂质导致的，可以通过原料预处理或者前置过滤器进行避免。

（2）补油阀堵塞。计量泵工作时液压腔内液压油发挥重要作用，当腔内液压油量不够使，计量泵会打开附加储油槽进行液压油补充。如果补油阀出现故障时，也会导致液压油无法及时供给，导致隔膜停止运动或者运动幅度不足。这种情况只能对补油阀进行更换。

（3）减速组件失效。当蜗轮蜗杆机构损坏时，N曲轴系统会瘫痪，导致泵缺少驱动力而停转发生不上量情况。

2．3 计量精度不够

计量精确时隔膜计量泵的一个重要特征，如果计量精度不够，计量泵也会影响工艺的正常运转。计量泵计量精度不足的排查原因和对应的解决措施如表1所示。

表1 计量泵计量精度不足的原因和解决措施

除此之外，根据现场工作经验，隔膜计量泵还会出现运转中有冲击声、排液量不够、机箱或液压油池内的油量非正常减少或增加等问题，需要根据现场经验进行排查总结。

3 结语

我国在20世纪70年代才开始在研发应用计量泵，起步时间落后于国外发达国家，再加上技术水平的封锁限制，我国当前的隔膜计量泵技术水平仍落后于国外先进科技公司。比如，德国注明计量泵生产公司——普罗特公司，基于计算机控制软件和自动化仪表，该公司开发出的精密隔膜计量泵能够通过改变冲程频率和冲程长度实现隔膜计量泵的无级调节。而我国生产出的隔膜计量泵很多还依赖固定频率调节方式。所以，相关产业技术人员要基于扎实的理论基础，与特种材料、工程技术、工业生产、计算机控制等领域结合，提升我国隔膜计量泵技术水平。