（机械电子工程专业论文）隔膜泵及其管道的技术研究.pdf

一 i h 一v 、j l 甜、1 i h e at h e s i si nm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t e c h n o l o g i c a l r e s e a r c ho f d i a p h r a g mp u m p a n di t sp i p e l i n e b y l iz h e n h e s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uj i e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 iik f 聱 巾、i j 0 1 1 r k ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半两年口 导师签名： 签字日期： 弓 1，i夯0 导1力 ，| ， 一畿矽 名 畦 签 弘 一 劢 作 ： 文 期 论位学 日 夕 生j _r 矽 盈 加 气 只 ，吃 奶” 一 名咯 签 舻 格 砂 作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 、 曹 ， i 塾- r j1 ；q_， 。 ，j j 东北大学硕士学位论文摘要 隔膜泵及其管道的技术研究 摘要 用隔膜泵进行管道输送是一种新兴的输送方式，它是将固体颗粒制成浆液后，用泵 ， 使固体颗粒在管道内呈悬浮状态下的长距离输送。这种运输方式具有投资少、费用低和 不污染环境等优点。由于隔膜泵相对活塞泵等其他泵具有故障率低、寿命长等优势，正 越来越多地被应用于工业中。 随着三维建模软件和仿真软件的不断发展和完善，可视化设计技术不断地被应用于 ： 工业设计中，从而避免了制造样机而浪费大量的人力和资金，大大降低设计成本。本文 应用s o l i d w o r k s 软件对隔膜泵的主要零部件进行建模并用a d a m s 仿真隔膜泵的工作 过程，检查干涉及缺陷，修改参数并最终保证隔膜泵的良好运行。 增加隔膜泵的临界转速可增加隔膜泵的流量或保持流量不变而使其体积和质量减 小，而这一直是生产者和设计者所期望的。本文分析了限制隔膜泵临界转速的主要因素 并在确定隔膜泵最大往复次数的基础上推导出临界转速的公式，然后分析并给出了增加 临界转速的措施。 隔膜是隔膜泵中的关键零部件之一。但隔膜在运行过程中会由于各种原因出现破 裂，从而影响隔膜泵的正常运行。本文利用有限元分析技术对隔膜进行了应力分析，在 此基础上给出了隔膜疲劳强度的计算方法。 作为一种机械设备，隔膜泵在运行中难免出现故障，所以对隔膜泵的运行状态进行 监控并在故障出现时及时报警就显得尤为重要。本文采用了强大的p l c 控制技术对隔 膜泵进行状态监控，并给出了详细的电路图和程序。 最后对隔膜泵管道的振动机理进行了分析和技术研究，然后采取了抑制振动的措 施。 关键词：隔膜泵；可视化设计；临界转速；隔膜疲劳强度；p l c 监控技术；管道的振动 1 、1，气1慢 ，：。 禽：1土 l j i 东北大学硕士学位论文 a b st r a g t t e c h n o l o g i c a lr e s e a r c ho fd i a p h r a g mp u m p a n d i t sp i p e l i n e a b s 仃a c t p i p e l i n et r a n s p o r t a t i o nu s i n gd i a p h r a g mp u m pi san e wm o d eo ft r a n s p o r t a t i o n , w h i c hi sa l o n g - d i s t a n c et r a n s p o r t a t i o no fs o l i dg r a i ni nt h es u s p e n d i n gc o n d i t i o na f t e rb e i n gm a d ei n t o s l u r r y 、砘缸1w a t e r t h i sk i n do ft r a n s p o r t a t i o nm o d eh a sm a n ym e r i t ss u c ha sl o wi n v e s t m e n t a n dc o s t , n op o l l u t i n ga n ds oo n f u r t h e r m o r e ，d i a p h r a g mp u m ph a sm a n ya d v a n t a g e s c o m p a r i n g 、析t 1 1o t h e rp u m p ss u c ha sp i s t o np u m pa n di sb e i n gi n c r e a s i n g l yu s e di ni n d u s t r y a st h ed e v e l o p m e n to ft h e3 dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ，t h ev i s u a l d e s i g n t e c h n o l o g yi si n c r e a s i n g l yu s e di ni n d u s t r i a ld e s i g n , w h i c ha v o i d sw a s t i n gal o to fm a n p o w e r a n df u n db e c a u s eo f m a n u f a c t u r i n gt h ep r o t o t y p eo fd i a p h r a g mp u m pa n dr e d u c e st h ec o s t t h et h e s i su s e st h es o l i d w o r k st oc r e a t e3 dm o d e l so ft h ep a r t so fd i a p h r a g mp u m pa n d s i m u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so fd i a p h r a g mp u m pu s i n ga d a m ss o f t w a r e t h e nd e t e c t i n t e r f e r e n c ea n dm o d i f yt h ep a r a m e t e r st i l lt h em o d e lo f d i a p h r a g mp u m pr u n sw e l l b e c a u s et h ei n c r e a s eo ft h ec r i t i c a lr o t a t es p e e do f d i a p h r a g mp u m pc a ni n c r e a s et h ef l o w o rr e d u c et h ev o l u m ea n dm a s so ft h ed i a p h r a g mp u m p ，i n c r e a s i n gt h ec r i t i c a lr o t a t es p e e dh a s b e e nb e i n gt h ed e s i r ef o rp r o d u c e ra n dd e s i g n e r t h et h e s i sa n a l y s e st h em a i nf a c t o r so f l i m i t i n gt h ec r i t i c a lr o t a t es p e e da n dd e d u c e st h ef o r m u l ao ft h ec r i t i c a lr o t a t es p e e d ，a n dt h e n p r e s e n t st h em e a s u r e so fi n c r e a s i n gt h ec r i t i c a lr o t a t es p e e d d i a p h r a g mi so n eo ft h ek e yp a r t so fd i a p h r a g mp u m p t h ec r a c ko ft h ed i a p h r a g mw i l l a f f e c tt h en o r m a lw o r ko fd i a p h r a g mp u m p t h et h e s i su s e st h et e c h n o l o g yo ft h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st oc a l c u l a t et h es t r e s sa c t i n go i lt h ed i a p h r a g mi nt h ew o r k i n gp r o c e s s ，a n d t h e ng i v e st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f f a t i g u es t r e n g t ho f t h ed i a p h r a g m a sa m a c h i n e ，d i a p h r a g mp u m ph a ss o m ef a i l u r e si nt h ew o r k i n gp r o c e s si n e v i t a b l y s oi t i sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o ri t ss t a t ea n da l a r mw h e nt h ef a i l u r eh a p p e n s t h et h e s i sa d o p t s t h ec o n t r o lt e c h n o l o g y o fp l ct om o n i t o rt h ek e yp a r t so fd i a p h r a g mp u m p ，a n dp r e s e n t st h e c i r c u i td i a g r a ma n dp r o g r a mo fp l cs y s t e m i i i e-杜-r 01iw 东北大学硕士学位论文 f i n a l l y ，t h et h e s i sa n a l y z e sa n dr e s e a r c h e st h ev i b r a t i n gr e a s o n so ft h ep i p e l i n ec o n n e c t i n g 谢md i a p h r a g m p u m p ，a n dt h e na d o p t ss o m em e a s u r e m e n t so fr e s t r a i n i n gt h ev i b r a t i o n k e yw o r d s ：d i a p h r a g mp u m p ；v i s u a ld e s i g n ；c r i t i c a lr o t a t es p e e d ；f a t i g u es t r e n g t ho f d i a p h r a g m ；c o n t r o lt e c h n o l o g yo fp l c ；v i b r a t i o no fp i p e l i n e i v i 一 ： g 、 肇，。赢1舞-=0 ： k ， 0 ， i j 东北大学硕士学位论文 目录 声明二i 中文摘要。ii a bs t r a c t ii i 第1 章绪论1 1 1 弓i 言。1 1 2 隔膜泵及其管道输送简介l 1 2 1 隔膜泵的结构及分类1 1 2 2 隔膜泵的工作原理2 1 2 3 隔膜泵及其管道的国内外研究概况3 1 2 4 隔膜泵及其管道的技术发展趋势4 1 2 5 隔膜泵及其管道的核心技术5 1 2 6 隔膜泵及其管道的主要应用及研究意义。6 1 3 本论文研究的目的、意义和主要内容6 1 3 1 本论文研究的目的、意义j 。6 1 3 2 本论文研究的主要内容。7 第2 章隔膜泵的可视化设计。9 2 1 可视化设计简介。9 2 1 1 可视化设计的内涵9 2 1 2 可视化设计的具体研究内容9 2 1 3 可视化设计法的关键技术1 0 2 2 隔膜泵的可视化三维建模1 1 2 2 1s o l i d w o r k s 软件简介。1 1 2 2 2 隔膜泵零部件三维模型的建立1 3 2 3 隔膜泵的装配体可视化模型15 v 11 ； 16 17 及其提高措施1 8 3 1 1 限制隔膜泵临界转速的主要因素1 8 3 1 2 隔膜泵泵阀的结构型式1 8 3 1 3 隔膜泵临界转速的公式推导2 0 3 2 提高隔膜泵临界转速的措施2 4 3 3 本章小结一2 5 第4 章隔膜的强度分析及提高隔膜寿命的措施2 6 4 1 隔膜的强度分析2 6 4 a 1 概述2 6 4 1 2 有限元与a n s y s 软件简介2 6 4 1 3 隔膜模型的确定。2 7 4 1 4 隔膜的有限元分析及结果2 9 4 1 5 隔膜的疲劳强度计算3 2 4 2 提高隔膜寿命的措施3 2 4 2 1 引起隔膜故障的原因3 2 4 2 2 影响隔膜寿命的因素3 3 4 2 3 提高隔膜寿命的措施3 4 4 3 本章小结3 7 第5 章隔膜泵的故障机理及监测诊断系统3 8 5 1 隔膜泵的主要故障机理及应对措施3 8 5 1 1 隔膜破裂3 8 5 1 2 进出料阀的损坏3 9 5 1 3 活塞杆断一4 0 v i - ， ； 、“，气詹 ， 。 ， c j 东北大学硕士 5 1 4 缸 5 1 5 蓄能器中氮气包破4 2 5 2 在线监测与故障诊断系统的开发4 2 5 2 1 隔膜泵隔膜在线监测系统的开发。4 2 5 2 2 隔膜泵阀体的在线监测5 2 5 3 本章小结。5 7 第6 章隔膜泵管道系统的振动及抑制一5 8 6 1 概述。5 8 6 2 隔膜泵管道系统的振动机理。5 8 6 2 1 压力脉动引起的管道振动5 8 6 2 2 共振6 0 6 2 3 机组振动引起的管道振动。6 4 6 3 隔膜泵管道系统的振动抑制6 5 6 3 1 测量和降低压力脉动6 5 6 3 2 避免和减弱共振6 6 6 3 - 3 合理设计管道系统6 7 6 4 本章小结6 8 第7 章结论与展望6 9 7 1 结论_ 6 9 7 2 展望。6 9 参考文献。7 0 致谢7 4 v 久 ，靠；a - 自 r 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 隔膜泵是国外上世纪六七十年代在泥浆泵的基础上开发的一种新型机电一体化产 品，用它来输送固液两相介质。由于隔膜泵及其管道的输送介质方式较其他输送方式有 许多优点，故隔膜泵及其管道的输送越来越多地应用在工业生产中。然而在现实应用中， 由于技术的限制，隔膜泵及其管道常常出现故障或事故，如隔膜泵振动严重，隔膜寿命 短、易破裂，管道振动厉害、易爆裂等，一些装备及设计不得不依赖于外国，耗资巨大。 又由于外国对其相关技术的封锁，因此为降低故障率、缩短与国外的技术差距而开展固 液两相输送设备隔膜泵及其管道的研究工作势在必行。 1 2 隔膜泵及其管道输送简介 1 2 1 隔膜泵的结构及分类 隔膜泵是在泵的液力端上装有隔膜，其周边紧固呈静密封，由隔膜把输送介质的过 流部件和带动隔膜弹性变形的部件或柱塞工作缸隔开并通过隔膜的周期性凸凹变形来 输送介质的一种无泄漏泵。单作用隔膜泵的工作结构简图如图1 1 ： 1 压力容器2 吸料阀3 料浆4 排料阀5 气囊蓄能器6 隔膜7 探头 8 导杆9 压力油l o 活塞1 1 活塞杆1 2 滑块1 3 连杆1 4 曲轴 图1 1 隔膜泵系统的结构工作原理图 f i g 1 1t h es t r u c t u r a le l e m e n t a r yd i a g r a mo fd i a p h r a g mp u m ps y s t e m 隔膜泵具有设计结构合理、控制系统可靠、运行平稳、噪声低、维修方便、易损件 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 厂r 机械作用 ：茎) 卧式 弋电动机驱动1 液压作用 圣薹) 三萎 1 2 2 隔膜泵的工作原理 当隔膜泵工作时，如图1 1 ，电动机带动皮带轮使曲轴带动连杆，并使十字头、活塞 杆和活塞作往复运动，活塞的运动通过其两端的推进液( 液压油) 使隔膜产生周期性的 往复运动。当隔膜向右运动时，隔膜室下端的吸料阀打开而吸入输送介质；当隔膜向左 运动时，吸料阀关闭而隔膜室上部的排料阀打开并排出输送介质。由于隔膜将输送介质 与油介质分隔开来，活塞、缸套、活塞杆等运动部件不与输送介质直接接触，避免了输 2 。二。 - 0 k 0 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 送介质中磨砺性很高的固体颗粒的磨损，保证了这些运动部件的使用寿命。通过设计合 理的结构，可使阀件、隔膜更换迅速、方便。这样，从隔膜泵结构上而言，就可以保证 较高的连续运转率和较低的运行成本。 1 2 3 隔膜泵及其管道的国内外研究概况 隔膜泵是在往复式活塞泵的基础上，增加隔膜室演变而来，其工作原理及基本结构 早在1 9 5 8 年就有法国学者b a l u l 提出，并申请了专利。由于b a l u l 提出的隔膜泵技术综合 了活塞泵输出压力高、坚固耐用和隔膜室结构简单、耐腐蚀等优点，又克服了活塞泵密， 封件易磨损和隔膜室本身无动力源的不足，很快被人们接受，在欧洲工业发达国家进行 工业化研制。隔膜泵在工业领域应用及推广至今仅有几十年的历史，到了二十世纪七十 年代末，荷兰h o l t h u t s 公司创立了一套先进完善的检测控制技术，使隔膜泵的设计理 论、控制方法产生了突破性的变化，基本解决了其核心技术成熟问题，使泵的连续运转 率达8 5 9 5 ，运行成本仅为同介质输送其他形式泵的1 6 ，从此隔膜泵在工业领域得到 广泛应用。但是目前，国际上只有荷兰、法国、德国等少数国家生产制造，其产品价格 昂贵。在国内，早在六十年代就开始研究隔膜泵，但因隔膜寿命不过关而以失败告终， 后来在消化荷兰隔膜材料的基础上，通过大量实验成功地研制了第一台国产隔膜泵。国， 内最有影响力的厂家沈阳冶金机械有限公司通过十余年的研发，推出了s g m b 、d g m b 系列隔膜泵。其单台流量范围为2 5 3 0 0 m 3 h ，压力范围为1 5 2 0 m p a ，并在管道化输 一1 送、氧化铝溶出、煤化工等工艺系统中广泛应用，其技术性能指标基本达到当今国际先 进水平。 在管道输送方面，1 8 9 1 年美国沃莱斯c 安得留斯成功地试验了用管道输送煤浆并取 得了管道输送固体物料的第一个专利。而在工业中将固体物料制成高浓度浆体进行多相 流管道输送则是近5 0 年的事情，逐渐成为了迅速发展起来的新型运输方式。在美国，煤 炭联合公司建立了一条长度为1 0 8 英里的1 0 i n 的输煤管道，用于从俄亥俄州的卡迪茨到克， 利夫兰电力照明公司的东湖电站，输送固体浓度为6 0 的煤浆；在德国，设计了一条从 东鲁尔区到巴伐利亚州的管道，每年输送三百万吨煤。据统计，世界范围内正在运行中 的长距离管道近百余条，总管道长度达n 2 5 0 0 0 公里，其中高浓度浆体物料输送管道就。 占三十余条，粗略地统计总长达3 2 0 0 余公里。我国的管道输送技术起步较早，早在8 0 年 代初期即开始应用管道输送尾砂，煤浆、矿浆、灰渣浆、原盐浆、浓碱浆、矾渣浆等物 。 - 3 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 料的管道输送在我国已有应用。其中，最长的是山西省娄烦尖山铁矿一太钢的1 0 4 千米管 道，管道直径2 2 9 毫米，年输送能力2 0 0 万吨，输送浓度6 5 ，1 9 9 7 年7 月投入运行，安全生 产至今。由于与其他运输方式相比具有明显的优势，目前已开始建造复线工程。此外， 我国还建成了翁福磷精矿管道输送工程，正在拟建7 1 3 千米长、年可输送洗精煤7 0 0 万吨 的盂( 县) 潍( 坊) 一青( 岛) 输煤管道工程。同时长距离管道输送工程还是海洋采 矿的核心研究内容，以及矿粉、灰渣、泥沙及化工原料的输送和提升的重要环节。历经 数十年的实践，己积累了成熟的运行经验，固液两相流的工艺技术也得到了长足的发展。 1 2 4 隔膜泵及其管道的技术发展趋势 随着计算机技术的发展，仿真软件和技术的日趋完善，有限元技术的广泛应用及其 他技术的更加成熟，促使隔膜泵及其管道向以下方面发展： 1 输送主泵组的性能越来越高 管道输送主泵将向大型化发展，输送流量、输送压力和电机功率将越来越大，对于 双缸双作用主泵，最大流量可达5 5 0 m 3 h ，最大压力8 m p a ，最大功率为1 5 0 0 1 6 0 0 k w ； 对于三缸单作用主泵，最大流量可达3 0 0 m 3 h ，最大压力可达2 0 m p a ，最大功率为 1 7 0 0 1 8 0 0 k w 。 2 管路越来越长、越来越适应复杂条件，管径越来越粗 以高新技术为手段，建设长距离、大管径、高难度的管道运输系统。美国早在 1 9 7 5 1 9 7 7 年建设横跨阿拉斯加的输油管线，全长1 2 8 7 公里、管径1 0 2 0 毫米，年输送 量已达1 3 亿吨，管线位于冰冻带和地震活跃区，共穿越3 0 0 多条河流和5 条河流的泛 滥区，穿过3 座高山( 最高海拔1 4 0 0 米) 。而且隔膜泵的管道也将必然向长管路、大管 径方向发展。 3 检测手段控制技术越来越完善 随着机械电子工业的进步将会使现代化管道输送系统向通信、临控的自动化方向发 展，管道、泵站的运行操作也从7 0 年代中期的模拟临控向8 0 年代的数字监控发展，即 逐步走向采用微型计算机监控和数据采集系统，大大提高了管道输送系统的自动化水平 和经营管理水平。 4 新的运输载体的应用 、 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 管道输送需要消耗大量的水，水资源本来就有限，而在很多情况下产煤地和其它矿 产资源产地又往往缺水。为了解决这一问题，国外一直在研究和试验其他运输载体，其 中甲醇和合成液体燃料最有发展前途，受到德国、美国、原苏联、加拿大、英国、法国、 波兰等国家的高度重视。由于甲醇的粘度只有水的1 2 2 3 ，因而在管径相同，能耗大体 相当的情况下，管道以甲醇为载体的运输效率要比水力运输的效率高4 0 - 4 5 。随着技 术的发展，其他的更好的运输载体形式也将可能被应用在管道输送中。 1 2 5 隔膜泵及其管道的核心技术 隔膜泵的核心技术主要是由隔膜设计基本理论及制造、进出料阀的设计基本理论及 制造技术、进出料补偿基本理论、活塞密封的制造技术、大功率动力端设计理论及制造 技术、自动化控制技术等组成。其中隔膜设计基本理论及制造、活塞密封的制造技术、 自动化控制技术与其他往复泵不同。进出料阀的设计基本理论及制造技术、进出料补偿 基本理论、大功率动力端设计理论及制造技术在近年有长足的进步。 隔膜设计基本理论及制造技术由隔膜的几何尺寸、隔膜的受力状态控制、隔膜的材 质三部分组成。显然，隔膜的技术涉及学科很多。在设计方面，有隔膜材料的力学性能 计算、实验测试，隔膜的受力状态的监测、检测，隔膜与活塞之间的油量液压调整，p l c 对检测传感器、液压元件的程序控制。在制造方面，有隔膜的材质配方及制造工艺、检 测传感器的精度及可靠性、液压元件的精度及可靠性。无论是设计、制造、元器件的选 型，均影响隔膜的使用寿命，从技术角度而言，难度及复杂性都是很高的。 活塞密封性能决定了隔膜与活塞之间的油量的变化程度，密封性好，油量变化小， 隔膜的受力状态稳定，对隔膜的使用寿命影响小。自动化控制技术是指为保证隔膜泵运 行可靠性，将其曲柄滑块机构的润滑、冲洗及工作压力、隔膜行程的检测调整以及流量 调整的控制由p l c 及变频调速装置来完成，并通过人机对话界面实现隔膜泵的运行。 隔膜泵管道的核心技术是由管道的设计技术、管道的振动抑制技术、管道的泄漏监 测技术等组成。首先是管道的设计，合理计算管道的参数，并且需要避开共振管长。由 于机组的振动和管内液体的压力脉动，将导致管道振动，好的抑制管道振动方法将会起 到保护管道、延长管道寿命的作用。管道监测技术是指通过数学计算( 流量、压力、温 度、阀状态) 来探测管道缺陷的方法。因为这些监测系统依赖于大量的数据，并考虑到 管道水力模型的复杂性，所以该系统的开发和使用都需要一定的专业知识。专家系统的 - 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 应用使之变得简洁化。为了提高专家系统的应用效果，数据采集和分析系统变得更为重 要。它提供报警的可靠性也随之增强。 1 2 6 隔膜泵及其管道的主要应用及研究意义 由于隔膜泵所输送的介质和液缸之间是用隔膜隔开，输送介质不会外漏。因此，隔 膜泵可以高效、可靠地输送易燃、易爆、强腐蚀性、易挥发、剧毒、放射性等化学性物 质和浓度各异的浆料或膏状物及高粘度的流体，而且流体中干固物体的含量可高达8 0 ， 并在矿山、冶金、电站、石油及化工等行业中得到广泛使用。它主要用于以液体作为载 体通过长距离的管道运送颗粒状物料的固液两相流的运输系统，如化学工业中物料的水 力输送、水利工程的港口疏浚和河道治理、火力发电厂的废渣输送、采矿工程的水力开 采和水砂充填、选矿厂精矿和冶金烧结尾矿的输送等，而且是长距离高扬程的输送；也 可用于电力、化工、建材企业中高腐蚀性固液两相浆料高扬程的输送。故隔膜泵具有十 分重要的应用价值。 由于管道输送与其它运输方式相比，有着明显的技术经济优势，主要表现在以下几 个方面：连续运输运行率高，安全可靠、运行稳定，运输量大；建设周期短，基建投资 省，运费低，成本回收快；管理人员少，维修费用低，可变成本比重小；管道受地形限 制少，易于穿越障碍物，可较大坡度敷设；环节少，建设占地少，管道埋设在冻土层以 下，基本不影响地面耕种，管道运行基本不受气候影响；密闭输送途中物料损耗低，不 污染环境，生态平衡好，便于实现自动化控制；施工快，投产早见效早；运行机械集中 于泵站，便于维修。但目前制约我国固液两相流管道输送系统发展的瓶颈问题之一是高 压、大流量和高运转率的隔膜泵主泵组，对于长距离的浆体管道运输，缺乏实践和研究， 制约了浆体管道应用技术的迸一步发展。其装备和设计不得不依赖于外国，由于国外的 技术封锁更加大了我国与先进国家的差距，因此开展对先进隔膜泵及其输送系统的研究 工作具有十分重要的意义。 1 3 本论文研究的目的、意义和主要内容 1 3 1 本论文研究的目的、意义 在隔膜泵设计阶段，随计算机和三维设计软件的发展，将隔膜泵的设计先在电脑上 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 进行可视化设计并模拟其工作过程，并不断修改参数，保证其良好运行，从而避免了因 制造样机而浪费的大量人力和资金。 隔膜泵的流量与活塞的直径、活塞行程、活塞的每分钟往复次数及液缸数有关，而 与泵的扬程( 单位重量液体经过泵以后能量的增加量，即液体在泵出口和进口的比能之 差) 无关，提高往复次数显然可以增加流量或者可减小隔膜泵的体积、减轻重量。但是 隔膜泵的往复次数并不是可以无限的提高，对特定的隔膜泵来说，当往复次数超过某一 范围后就会使阀板在落到阀座上时产生撞击，引起振动，阀门很快磨损，使往复泵不能 正常工作。故从研究提高活塞的冲次和活塞的冲程入手，从而提高隔膜泵的单台流量， 最终达到提高经济效益的目的。 隔膜是隔膜泵的核心零部件之一，但隔膜泵在现实运行中，隔膜的寿命不长、易损 坏，直接影响隔膜泵的正常工作，因此分析隔膜的受力状态和破损的原因，并研究提高 隔膜寿命的措施，从而避免隔膜很快破裂，并导致不能正常工作显得十分必要，并有助 于经济效益的提高。 隔膜泵作为一台大型复杂的固液两相运输设备，在工作当中，常伴随着各个零部件 磨损，运行一定的时间后便产生故障，因此分析核心零部件的故障机理，并采取相应的 措施显得非常重要，主要零部件的在线监控系统的建立将是解决问题的关键。 由于隔膜泵机组本身的运转，再加上隔膜泵料阀间歇地吸料和排料所引起的液流压 力脉动，从而造成管道的一定程度的振动，甚至当隔膜泵的激发频率和管道及管道内液 体的固有频率相近或相等时，还会引发共振，并引起管道的强烈振动，在短时间内可使 管道爆裂这一严重后果。因此研究隔膜泵及管道的振动原因及抑制管道振动的措施，是 保障整个隔膜泵运输系统正常工作的必不可少的一环。 1 3 2 本论文研究的主要内容 本论文研究的主要内容包括以下几个部分： 1 介绍了可视化设计的内涵及设计步骤及方法，然后对隔膜泵的关键零部件进行了 三维建模，在此基础上，建立了隔膜泵的装配体模型。 2 通过分析限制隔膜泵临界转速的原因，用数学方法推导出临界转速的公式，从而 找到与其相关的因素，最终提出提高隔膜泵临界转速的措施。 3 分析隔膜两侧的受力情况，求出隔膜受的压力差，用有限元分析软件a n s y s 隔膜受 - 7 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 力后的应力状态，并得到隔膜的强度，最后找出隔膜破裂的原因并提出提高隔膜强度的 措施。 4 隔膜泵在实况运行中，会出现隔膜破裂，卡阀等关键零部件的故障问题，文中分 析了主要零部件的故障机理，在此基础上，建立它们的诊断监测系统以实时监视它们的 运行状态并在出现故障时及时报警，将能避免重大事故的发生和经济损失。钿 5 与隔膜泵配套连接的管道系统是实现固液两相介质输送必不可少的一环，然而管 道在运行中会出现裂纹，甚至爆裂现象，这主要是由振动引起的，文中论述了引起管道 振动的原因及抑制振动的措施。 - 8 - 东北大学硕士学位论文第2 章隔膜泵的可视化设计 第2 章隔膜泵的可视化设计 2 1 可视化设计简介 2 1 1 可视化设计的内涵 可视化设计是一种数字化设计方法，它是以可视为手段，以预测产品各方面的性能 为目的的一种方法。由于可以对机械产品整个生命周期各个环节进行模拟，故可以加快 设计进度、降低研发成本。具体内容是：在可视化的操作环境中，通过采用建模仿真、 对整个产品的各种性能进行仿真及检验，并对发现的问题进行修改，以达到提高产品设 计质量的目的。可视化设计法具有可视性、预测性等特点。 可视性指在应用可视化设计法时，整个设计过程是可视的，可以用最直观的方式向 设计者提供各种信息。具体包括四个方面：设计时要有一个实现可视化的计算机软件； 整个可视化的计算过程；加工、装配及机器各种功能的模拟；仿真计算和图表显示等。 预测性是指应用可视化设计技术，在真实产品被制造出之前，可以对零件的可加工 性、可装配性、运动学和动力学状态、工作情况和控制过程进行预测和检验，及早发现 设计中的缺陷及错误。 2 1 2 可视化设计的具体研究内容 对机械产品进行可视化设计，通常包括以下六个方面，即加工制造过程可视化、装 配过程可视化、运动学设计可视化、动力学设计可视化、工作过程可视化和控制过程可 视化。 1 加工制造过程可视化 通过在计算机上创建加工设备( 如机床、刀具等) 和被加工对象( 毛坯、成品零件) 的模型，模拟零件的加工过程，从而在零件制造出前，预见和评估加工过程可能出现的 问题并加以解决，达到确保零件的可加工性和加工工艺的目的。 2 装配过程可视化 在计算机上创建装配模型，通过计算机模拟零件及装配器械在装配过程中的形态和 9 一 东北大学硕士学位论文第2 章隔膜泵的可视化设计 空间位置关系，从而在产品生产之前，检验零件的可装配性。并可尽早发现装配过程中 可能存在的问题，为制定高效而可靠的装配工艺提供决策依据。 3 运动学状态可视化 在计算机上创建运动模型，模拟关键零部件的运动过程，确定他们在任意时刻的位 置与姿态，以及位移、速度和加速度等运动学参数变化情况，从而在设计阶段就可判断 所设计的产品能否正常运动起来，构件之间及构件与周围环境之间是否存在干涉，此外 还要考核机构的运动是否符合给定的运动规律和运动条件。 4 动力学状态可视化 在计算机上创建机械产品的动力学模型，通过可视化仿真获得工作状态下动载荷的 分布情况、固有动态特性和在一定激励下的各种响应，从而在设计阶段就可获得所设计 产品的各种动态性能 5 工作过程可视化 在计算机上创建机械产品的工作模型，包括样机模型和环境模型，运用仿真技术模 拟所设计产品的工作状况，从而在设计阶段可获知产品的运行状态。 6 控制过程可视化 在计算机上创建所研制系统的控制模型，通过计算机仿真模拟所设计系统的控制过 程，输出响应的技术数据，从而可评价现有控制系统的优劣，经修改参数再仿真，最终 获得稳定、快速和准确的控制系统。 2 1 3 可视化设计法的关键技术 在机械领域应用的可视化设计是建立在交叉学科基础上的设计方法，结合了大量的 应用力学、应用数学、图形学、信息技术，涉及的主要关键技术可概括为以下四个方面。 1 三维c a d 建模理论 三维c a d 建模理论是可视化仿真的基础，三维几何形体的创建、零件装配等均靠 三维c a d 技术来保证。三维模型与二维模型或框图相比具有更直观、更形象的特点，可 方便非专业人士参与到专业产品的设计中来。当前三维c a d 技术已经相当成熟，可创 建具有复杂形状机械零件的实体模型。另外，由于三维c a d 技术中引入了参数化和变 量化技术，使产品的几何要素的修改变为可能。还有，现有的c a d 建模软件一般都可 以与工程模拟类软件进行数据交换。 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章隔膜泵的可视化设计 2 机械领域基础理论 机械领域的基础理论是保证将可视化技术应用到机械产品设计的理论基础。进行机 械领域可视化仿真研究，要求设计者对机械制图、原理、零件、力学等基础知识熟练掌 握。只有具备以上基础理论才能对所创建的模型进行验证，而模型验证是可视化仿真研 究的关键。 3 有限元技术 有限元技术与可视化仿真有着紧密的联系。可视化仿真中，尤其是动力学可视化研 究，在很多方面都应用了有限元技术，例如在求零件或整机的各种动态特性、动响应等， 就可以应用有限元技术。利用有限元软件求解，可获得零件或整机的应力、应变分布、 位移及固有频率和振型等。 4 工程仿真技术 工程仿真技术是进行可视化仿真研究的重要核心技术，对所设计产品的各种性能的 动态模拟以及创建相似的工作环境都要用到工程仿真技术。仿真技术是以相似原理、信 息技术及其应用领域相关技术为基础，以计算机和各种专用物理效应设备为工具，利用 系统模型对真实或假想的系统进行动态模拟的一种多学科的综合性技术。在机械领域进 行可视化仿真研究涉及的工程仿真技术包括对机器的运行状况、动力学特性、工作过程、 控制过程等进行模拟。 ； 2 2 隔膜泵的可视化三维建模 2 2 1s o l i d w o r k s 软件简介 s o l i d w o r k s 公司是专业从事三维机械设计、工程分析和产品数据管理软件开发和营 销的跨国公司，其软件产品s o l i d w o r k s 提供一系列的三维( 3 d ) 设计产品，帮助设计 师减少设计时间，增加精确性，提高设计的创新性，并将产品更快推向市场。s o l i d w o r k s 具有以下特点： 1 菜单少且直观、简单的界面 s o l i d w o r k s 一共只有6 0 几个命令，其余所有命令与w i n d o w s 命令是相同的；下拉 菜单一般只有二层，图形菜单设计简单明快，系统的所有参数设置全部集中在一个选项 中，容易查找和设置。动态引导具有智能化，一般情况下无须用户去修改。特征树独具 第2 章隔膜泵的可视化设计 特征树中找到，操作特征非常方便。对实体的放大、缩小和旋 转等操作全部是透明命令，可以在任何命令过程中使用，实体的选取非常容易、方便。 2 零件和曲面建模 s o l i d w o r k s 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁 特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。通过对特征和草图的动 念修改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。三维草图功能为扫描、放样生成三维草图 路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。 用s o l i d w o r k s 还可以创造出非常复杂的曲面，如：由两个或多个模具曲面混合成复 杂的分型面。设计者亦可裁减曲面、延长曲面、倒圆角及缝合曲面。 3 装配体设计技术 s o l i d w o r k s 提供独特的自上而下的装配体设计技术，它可使设计者在设计零件、毛 坯件时于零件间捕捉设计关系，在装配体内设计新零件、编辑已有零件。 4 独特的配置功能 s o l i d w o r k s 允许建立一个零件而有几个不同的配置( c o n f i g