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摘要
泥漿泵廣泛應(yīng)用于礦山、水利、煤炭鉆井、石油等工業(yè)部門。它的工作條件極其惡劣，往往在高揚(yáng)程、大流量的工作環(huán)境下輸送含有小顆粒的混合漿液，磨損情況十分嚴(yán)重。為了提高泵的耐磨性能，人們將耐磨材料應(yīng)用于缸套等過流部件上，或者采用特殊的工藝方法對易磨損部位進(jìn)行處理。這些措施取得了一定的效果，但是所采用的材料價格昂貴，工藝復(fù)雜，增加了泥漿泵的制造、使用成本，部分材料韌性不足，耐沖擊性較差，不能適應(yīng)多變的工作環(huán)境，而且耐磨性也不是十分的好。因此，選用新材料，新工藝，成為解決問題的重要研究方向。工程陶瓷具有良好的耐磨性能，但是缺乏韌性是陶瓷的致命缺點(diǎn)。
本設(shè)計將柱塞泵與隔膜泵相結(jié)合，用油將泥漿與活塞缸隔離開來，使活塞缸遠(yuǎn)離惡劣的工作環(huán)境，從而提高其使用壽命，能以較低成本達(dá)到顯著改善泥漿泵耐磨性能的目的。同時，在缸套內(nèi)壁使用工程陶瓷，進(jìn)一步增加其耐磨性能。
關(guān)鍵詞：泥漿泵 油隔離 磨損 使用壽命 缸套
Abstract
Mud Pump widely used in mining, water conservancy, coal drilling, oil and other industrial sectors. It's an extremely poor working conditions, often in high-lift, the flow of the work environment of small particles containing transmission of mixed size, wear is very serious. In order to increase the pump wear resistance, people will wear-resistant materials used in the flow components such as cylinder, or to use special methods of wear and tear on vulnerable sites for processing. These measures have yielded some success, but the materials used is expensive, complicated process, an increase of the mud pump manufacture, use cost, lack of toughness of the material, the impact resistance of the poor, can not adapt to changing work environment, but also resistance Grinding and is not very good. Therefore, the choice of new materials, new technology, a solution to the problem of important research direction. Engineering ceramics has a good wear resistance, but the lack of toughness is the fatal shortcomings of ceramics.
This will be designed piston pump diaphragm pump and the integration of oil will be mud and Pistons to isolate the cylinder, piston-cylinder away from the poor working conditions, thus increasing its service life, to achieve a lower cost significantly improve the mud pump-resistant Mill performance. At the same time, the use of ceramic cylinder wall, and further increase their wear resistance.
Key words: mud pump Wear Oil isolation Use Life Cylinder
目錄
前言 1
1緒論 1
1.1 油隔離泥漿泵在工業(yè)中的應(yīng)用 1
1.2 油隔離泥漿泵的特點(diǎn)和工作原理 1
1.3 油隔離泥漿泵的結(jié)構(gòu)和形式 3
2 油隔離裝置 6
2.1油隔離裝置的結(jié)構(gòu) 6
2.2 油—泥漿界面的調(diào)節(jié) 8
2.3 分界面的分離效果與油耗 9
2.3.1分界面的分離效果 9
2.3.2油耗 9
2.4 油隔離裝置的設(shè)計與計算 10
2.4.1油罐直徑與高度的確定 10
2.4.2油罐壁厚計算 10
3 Z形管 12
3.1 Z形管的結(jié)構(gòu)和作用 12
3.2 z形管在油隔離泥漿泵中的配置 13
3.3 Z形管的設(shè)計與計算 14
4 泵 閥 17
4.1 閥種類和結(jié)構(gòu) 17
4.1.1錐形閥 17
4.1.2球形閥 21
4.2泵閥的材料 23
4.3泵閥的破壞機(jī)理及提高閥壽命的途徑 25
4.3.2提高閥壽命的途徑 26
4.4 泵閥的設(shè)計和計算 29
4.4.1閥的計算和基本理論 29
4.4.2閥座設(shè)計與計算 32
5 穩(wěn)壓室 33
5.1空氣式穩(wěn)壓室 33
5.3穩(wěn)壓室的計算 39
5.3.1預(yù)壓式球形空氣室 39
5.3.2充氣式圓筒形空氣室 40
5.3.3吸入空氣室 41
6 安 全 閥 42
6.1 安全閥的類型和結(jié)構(gòu) 42
6.1.1銷釘式安全閥 42
6.1.2膜片式安全閥 44
6.1.3 彈簧式安全閥 44
6.2 安全閥設(shè)計與計算 46
6.2.1銷釘式安全閥 46
6.2.2膜片式安全閥 48
7用戶手冊 49
7.1 操作 49
7.1.1開車 49
7.1.2運(yùn)行 50
7.1.3停車 50
7.2 維修 51
7.3 動力端常見故障及處理 52
總結(jié) 54
致謝 56
參考文獻(xiàn) 57
前言
泥漿泵是固液混合物水力輸送的關(guān)鍵設(shè)備，在石油鉆探、礦井、水利等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。泥漿泵主要用來輸送含有硬質(zhì)顆粒的固液混合物。被輸送的固體顆粒在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的活塞缸中運(yùn)動，泵缸在這種非規(guī)則運(yùn)動的固液混合物中工作，經(jīng)受強(qiáng)烈的磨損破壞。效率低下和磨損嚴(yán)重是泥漿泵長期存在的兩大難題，尤其是在硬質(zhì)顆粒比較大時，泵的磨損問題更加突出，過流部件的使用壽命非常短暫，經(jīng)常更換泵過流部件需要花費(fèi)大量的資金和人力。近年來，我國對于在粒徑較小使用條件下的高效抗磨新型泥漿泵的研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用工作，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是對在粗顆粒使用條件下的泥漿泵的研究、開發(fā)和推廣應(yīng)用工作，其進(jìn)展卻十分緩慢。
本課題的研究主要是針對大流量，高揚(yáng)程使用條件下而設(shè)計油隔離泥漿泵。研究的目的與意義在于：
（1）通過使用新的結(jié)構(gòu)、新的輸送方式來改變過流部件所處環(huán)境。
（2）提高缸套及使用壽命，解決生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際問題，減少泵件消耗，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益。
（3）將成果應(yīng)用于生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。
本課題研究的主要內(nèi)容包括油隔離裝置、閥件、穩(wěn)壓室、等的設(shè)計方法。
由于缺乏設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)，以及時間倉促。本論文中還存在不足之處，敬請各位老師指正，這將會對我以后從事設(shè)計、工作等都會有很大的幫助。謝謝指點(diǎn)。
1
1緒論
1.1 油隔離泥漿泵在工業(yè)中的應(yīng)用
油隔離泥漿泵主要用礦漿和泥漿的長距離輸送和廠礦區(qū)內(nèi)輸送。當(dāng)前油隔離泥漿泵用于礦山輸送料漿長達(dá)100公里以上，較活塞泵有明顯的經(jīng)濟(jì)效果。水泥廠的水泥窯喂料，氧化鋁生產(chǎn)中的高壓溶出器的供料，火力發(fā)電廠的煤灰輸送，礦井的尾礦回填和井下泥砂的排除，井下礦漿的提升，煉鐵廠高爐爐灰輸送和建筑工地的泥土輸送等，都在使用油隔離泥漿泵。
實(shí)踐證明，油隔離泥漿泵與柱塞泵或活塞泵比較，在條件相同情況下使用油隔離泥漿泵將大大節(jié)省維修費(fèi)用和檢修工作量。據(jù)日本三菱株式會社資料介紹，油隔離泥漿泵與一般活塞泵比較，在操作工人數(shù)和動力消耗費(fèi)用相同情況下，易損件的材料費(fèi)，油隔離泥漿泵只有EMSCO活塞泵的四分之一。
我國某鋁廠將 YS—3活塞泵改制成油隔離泥漿泵后，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率由57％提高到98%，活塞桿和活塞缸套使用壽命由5～7天提高到3個月，每年每臺油隔離泥漿泵可節(jié)約幾萬元的維修費(fèi)用。油隔離泥槳泵的優(yōu)越性越明顯。
油隔離泥漿泵與離心泵比較，油隔離泥漿泵由于設(shè)備龐大，占地面積大、操作麻煩、投資高等原因，因而在短時間內(nèi)尚顯示不出其優(yōu)越性。當(dāng)操作壓力為4時，使用一臺離心泵比油隔離泥漿泵有利。壓力為8時兩臺離心泵串聯(lián)，油隔離泥漿泵使用4年以后才有利。壓力為11時離心泵三臺串聯(lián)，油隔離泥漿泵兩年以后有利。壓力為15時離心泵需四臺串聯(lián)，油隔離泥漿泵1.3年以后有利，壓力為18時離心泵需5臺串聯(lián)，油隔離泥漿泵1年以后有利。由此可見，使用壓力越高，油隔離泵的優(yōu)越性越明顯。所以國內(nèi)外對油隔離泵的應(yīng)用越來越重視。日本、美國、英國、加拿大、俄羅斯和非洲很多國家都廣泛應(yīng)用 。
1.2 油隔離泥漿泵的特點(diǎn)和工作原理
油隔離泥漿泵是根據(jù)油的比重小于泥漿的比重，而且油和泥漿易于分離的原理，在活塞泵的基礎(chǔ)上將活塞缸和閥箱之間增設(shè)了油和泥漿的隔離罐（簡稱為油箱）見圖1—l。油罐上部與活塞缸相通，其下部是通過Z形管與閥箱相通。由于油罐內(nèi)油比重較泥漿的比重小，所以油浮在泥漿上面，從而油罐內(nèi)形成了油和泥漿的自然分界面，于是油和泥漿在油隔離泵中分成兩個系統(tǒng)，即由分界面到活塞缸內(nèi)充滿油，由分界面到閥箱間充滿泥漿，并且隨著活塞的往復(fù)運(yùn)動，其分界面也上下波動。當(dāng)活塞往右運(yùn)動時將油吸到活塞缸內(nèi)，同時其分界面往上移動。與此同時．通過吸入閥將泥漿 吸到油罐下部。當(dāng)活塞住左運(yùn)動時，將吸人閥立即關(guān)閉，其分界面往下移動，并通過排出閥將泥漿送人排出管路中。
圖1-1 油隔離原理圖
由此可見，油罐是油隔離泥漿泵的中心部件，也是油隔離泥漿泵與活塞泵的基本區(qū)別所在。在油罐內(nèi)使油和泥漿分界面保持穩(wěn)定并防止乳化，是油隔離泥漿泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。
油隔離泥漿泵是根據(jù)上述原理，油罐內(nèi)油和泥漿直接接觸。雖然泵在長時間運(yùn)轉(zhuǎn)過程中泥漿帶走一些油，但所造成油的損耗甚微，和泵本身性能相比基本可以忽略。為了減少油耗，利用油和泥漿的比重差，還可以采用浮板半隔離油和泥漿，也可以采用隔離液來隔離油和泥漿。
圖l-2為用浮板隔離油和泥漿的裝置。為了使浮板恰好在油和泥漿的分界面上，浮板比重的大小必須界千油和泥漿購比重之間，即圖1－3為利用隔離液的一種隔離方式，其原理是在U形管內(nèi)裝入隔離液體使油和泥漿不直接接觸。為此，隔離液體的比重必須大于油和泥漿的比重，目前我國生產(chǎn)的油隔離泥漿泵：主要是利用前一種原理，后兩種尚未得到應(yīng)用。
圖1—2 帶浮板的油罐 圖1—3 U形管隔離器
實(shí)踐證明，油罐內(nèi)油和泥漿分界面的穩(wěn)定性與泵的沖次、油的物理化學(xué)性能、油罐的幾何形狀及尺寸有關(guān)。 油隔離泥漿泵活塞的沖次不宜過高，一般不超過60次／分，通常采用35～50次／分。當(dāng)泵的沖次超過65次／分時，罐內(nèi)將會出現(xiàn)嚴(yán)重的乳化現(xiàn)象，使泵不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了防止油和泥漿的混合，要求采用抗乳化性、抗堿蝕能力和防銹能力強(qiáng)的以及潤滑性、流動性好的介質(zhì)油。實(shí)踐證明，有機(jī)油不能滿足上述婆求，最好是采用無添加物的優(yōu)質(zhì)石蠟類無機(jī)油。例如透平油、變壓器油，以及冬季車用機(jī)油和60號機(jī)油?，F(xiàn)在廣泛采用的是20號透平油，其油的比重為夏季用=0.842，冬季閑＝0.79。油罐的幾何形狀和尺寸直接影響油和泥漿的分離效果，其結(jié)構(gòu)將在第六章詳細(xì)敘述。在實(shí)際油罐時，使油罐內(nèi)分界面處的最大速度控制在比0.1米／秒左右，其上下波動量一般取40～60毫米為好。為了使油隔離泵保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對被輸送的泥漿要求重量濃度小于60%（體積濃度小于40～50%），最大粒度不大于3毫米，最好是小于1毫米。另外，要求泥漿不易汽化，以免在油罐內(nèi)增加氣體體積而降低泵的容積效率。
1.3 油隔離泥漿泵的結(jié)構(gòu)和形式
目前我國一些單位使用的油隔離泥漿泵，按其傳動方式可分為機(jī)械傳動、液壓傳動和蒸汽傳動三種。按活塞缸安裝方向則可分為臥式和立式兩種。其中機(jī)械傳動臥式油隔離泥漿泵具有傳動力矩大、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、操作方便等優(yōu)，因而應(yīng)用最為廣泛 （見圖1－4）。 由圖1－4可見，油隔離泥漿泵主要由傳動裝置、活塞部分、油和泥漿分離裝置、閥箱和穩(wěn)壓室等幾個部分組成，油隔離泥漿泵傳動裝置的結(jié)構(gòu)型式，在很大程度上決定泵的重量和外形尺寸。機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)型式具有設(shè)備重、體積大和投資高等缺點(diǎn)。相反，液壓傳動結(jié)構(gòu)型式具有重量輕、體積小、投資少等優(yōu)點(diǎn)。目前使用的油隔離泥漿泵的機(jī)械傳動裝置，主要是由皮帶傳動和齒輪減速箱構(gòu)成。皮帶傳動多半采用三角帶（國外也有采用平皮帶），減速箱齒輪采用人字齒，箱體結(jié)構(gòu)有鑄造和焊接兩種形式。大齒輪兩側(cè)有相錯成45°的偏心輪帶動連桿，連桿借助十宇頭帶動活塞桿使活塞往復(fù)移動。
油隔離泥漿泵還設(shè)有Z形管。Z形管是利用在直徑突變處形成的渦流來防止泥槳中的粗顆粒沉淀在油罐下部的橫管內(nèi)。在泵檢修或下橫管堵塞時，打開油罐下部的排污口蓋形螺母（或排污旋塞）放出油罐和下橫管內(nèi)的泥漿在Z形管的上橫管部分設(shè)有開車和清理管道時用的高壓水閥。泵閥具有使液體單向流動的作用。當(dāng)活塞往右運(yùn)動時，泥漿通過吸人閥被吸到油罐下部；當(dāng)活塞往左運(yùn)動時，將泥漿通過排出閥排到泵外。目前使用較多的泵閥為錐形閥和球形闊。為了減少泵的排量和壓力的波動，油隔離泥漿泵還裝設(shè)有空氣穩(wěn)壓室（簡稱空氣室）。室氣室有吸入空氣室和排出空氣室兩種形式。在室氣室的上部裝設(shè)有安全閥，以防止泵的操作壓力超過泵的額定壓力時發(fā)生意外事故。立式和臥式油隔離泥漿泵相互比較，立式泵結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積及油耗都小，但設(shè)備立的高，給設(shè)備維修帶來一定困難。這種泵目前尚未得到廣泛的應(yīng)用。液壓傳動與機(jī)械傳動油隔離泥漿泵相互比較，前者體積和重量都小，壽命長，投資少，無沖擊，壓力和流量波動小，易于實(shí)現(xiàn)無級變速自動控制和過載保護(hù)。但液壓傳動的設(shè)備制造精度要求高，安裝調(diào)試和維修都較復(fù)雜。
圖1-4 油隔離泥漿泵
58
2 油隔離裝置
2.1油隔離裝置的結(jié)構(gòu)
油隔離泥漿泵的油隔離裝置包括油罐、油箱、供油閥和排氣閥等四部分組成，見圖2—l和圖2—2。
圖2-1 油隔離裝置
1-油罐；2-活塞缸；3-油箱；4-供油閥；5-排氣閥；6-Z型管
油罐是借助于比重差將泥漿和油介質(zhì)分開的分離器。油在罐的上部，泥漿在其下部。為觀測油罐的油泥界面，設(shè)有觀察窗。
油罐內(nèi)還設(shè)置了隔板和擋板，以減小油和泥漿進(jìn)出口的紊流直接干擾分界面。為了使油泥分界面上下運(yùn)動保持穩(wěn)定，裝沒了兩個圓形孔的篩板，圓形篩孔徑一般為16毫米。由于油罐內(nèi)的油和泥漿直接接觸，所以油罐內(nèi)的油自然要有一部分被泥漿帶走，同時泵運(yùn)轉(zhuǎn)時由于泥漿的汽蝕和氣化而產(chǎn)生的氣體以及密封不嚴(yán)而近入油罐內(nèi)的氣體，全部積聚在油罐頂部。這樣就使泵的容積效率降低，泵的排出量也隨之降低。為了及時彌補(bǔ)被泥漿帶走的油，應(yīng)當(dāng)注意及時排出油罐內(nèi)的氣體。一般在油罐頂上裝設(shè)油箱、供油閥和排氣閥等裝置。
圖2-2 油罐
1-隔板；2-供油排氣閥；3-篩板；4-油觀察閥；5-界面觀察閥
6-泥漿觀察閥；7-擋板；8-篩板
圖2—3 供油排氣閥
1-閥體；2-給油拉桿；3-給油閥芯；4-彈簧；5-擋栓；6-排氣閥芯
供油閥(見圖2—3)主要由閥體、給油拉桿、給油閥芯、彈簧等組成。當(dāng)打開供油閥時，油箱內(nèi)的油靠油塞在吸人行程時的負(fù)壓，克服彈簧4的壓力進(jìn)入罐內(nèi)。由于在給油閥芯和擋栓之間裝設(shè)彈簧，所以容易調(diào)節(jié)供油量，并且活塞在壓出行程時，借助彈簧的壓力，使給油閥芯很快被關(guān)死，以防止罐內(nèi)的油回流到油箱中去。當(dāng)打開排氣閥時，聚集在油箱上部的氣體靠活塞壓出行程的壓力，通過油箱排到大氣中。油罐側(cè)面與活塞缸相通，其底部與z形管連接，并有放料閥，以便檢修閥或Z形管堵塞時清理使用。
2.2 油—泥漿界面的調(diào)節(jié)
油罐內(nèi)的油—泥漿界面的調(diào)節(jié)方法有人工調(diào)節(jié)和自動控制調(diào)節(jié)。人工調(diào)節(jié)主要是對油罐側(cè)面的三個閥和供油閥以及排氣閥進(jìn)行手工操作，其方法如下：當(dāng)油隔離泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間后，泥漿帶走一些油，使油罐內(nèi)的油和泥漿分界面的位置往上移動，此時需打開供油閥，補(bǔ)充被帶走的油，使分界面的位置復(fù)原。當(dāng)活塞在吸人行程時，將泥漿吸人油罐內(nèi)，同時將油箱內(nèi)的油也隨之被吸入油罐內(nèi)。當(dāng)活塞在壓送行程時，油罐內(nèi)壓力逐漸增大，供油閥借助于油罐內(nèi)的壓力被關(guān)死，并油罐內(nèi)油的體積增加使其分界面下移到界面閥位置時將供油閥關(guān)閉。當(dāng)油罐內(nèi)的頂部積聚的氣體增加至使泵的排量變小時，應(yīng)及時打開排氣閥。排氣閥是依靠油罐內(nèi)的壓力，將氣體通過油箱排出，并在乙烯軟管中觀察到排油時，立即將排氣閥關(guān)死。由于排氣和排礦漿夾帶損失一些油，因此必須及時給以補(bǔ)充。在生產(chǎn)過程中應(yīng)經(jīng)常觀察油—泥漿分界面的位置，以便及時調(diào)整共分界面。
2.3 分界面的分離效果與油耗
2.3.1分界面的分離效果
油隔離泥漿泵必須保證具有良好的分界面的分離效果，以減少油耗和維修費(fèi)用。實(shí)踐表明，油罐的幾何形狀和尺寸以及活塞外次直接影響分界面的分離效果。如果上述幾個方面選擇不當(dāng)就會增加油罐內(nèi)油的消耗量，甚至在罐內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的乳化現(xiàn)象，以至迫使泵不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.3.2油耗
油隔離泥漿泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，造成油的損失，主要有以下兩個方面原因：一是泥漿帶走一部分油，二是泵在維修和操作過程中漏掉一部分油。值得注意的是后者的損失比前者大。
為了減少油耗，在油罐內(nèi)可以采用浮筒或隔離膜(金屬膜或橡膠膜)，以減少油和泥漿接觸來減少油的損耗。另外，延長閥的使用壽命，加強(qiáng)密封性能，防止Z形管堵塞等都可以減少油耗。油隔離泥漿泵油耗一般在0.3—0.6克油／米3礦漿。油隔離泥漿泵常用的隔離油為透平油、變壓器油、冬季則以車用機(jī)油、60#機(jī)油等礦物油。隔離油的選用主要是根據(jù)被排送泥漿的物料性質(zhì)決定，目前廣泛使用的是22#透平油。本設(shè)計也采用22#透平油。
2.4 油隔離裝置的設(shè)計與計算
2.4.1油罐直徑與高度的確定
油罐直徑可按下式計算
式中——油罐直徑，米；
D——活塞直徑，米；
S——活塞行程，米；
N——活塞沖次，次/分;
——分界面在油罐內(nèi)最大速度（米/秒）常取0.080.13（米/秒）
當(dāng)活塞沖次為50次/分時按下式計算
油罐高度可按下式計算
在式中，當(dāng)分界面速度低時取下限值，速度高時取上限值。
據(jù)計算以及查閱相關(guān)手冊可以確定油罐直徑為=60cm油罐高度為=120cm
2.4.2油罐壁厚計算
目前使用油隔離泥漿泵的廠礦較多，這些泵的運(yùn)轉(zhuǎn)條件也大不相同，其中泵的操作壓力有的高達(dá)160千克／厘米2以上，溫度95°C， pH值達(dá)14等，經(jīng)驗(yàn)證明，對筒體來說操作壓力是計算油睹壁厚的主要依據(jù)。筒體的材料可選用A3、16Mn等。當(dāng)泵的壓力較高時，要慎重地詳細(xì)計算，應(yīng)考慮制造和使用上的不利因素，來決定油罐壁厚。油罐壁厚的計算，包括筒體和封頭兩部分，計算程序如下。
當(dāng)油罐內(nèi)壓力小于100千克／厘米2時，筒體壁厚按下式計算。
式中S——筒體壁厚，毫米；
P——設(shè)計壓力，千克／厘米2；
——筒體內(nèi)徑，毫米；
——材料的許用應(yīng)力，千克／厘米2。
2.當(dāng)油罐內(nèi)壓力大于100（千克／厘米2）時
式中符號意義同上。
經(jīng)計算壁厚s為2.5cm
3 Z形管
3.1 Z形管的結(jié)構(gòu)和作用
油隔離泥漿泵在油罐和閥箱間裝設(shè)有Z形管。Z形管主要由上橫管、下橫管和擴(kuò)大豎管組成。Z形管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是擴(kuò)大豎管比上核管和下橫管都大。z形管的作用是：
1.當(dāng)泥漿通過Z形管時，由于泥漿經(jīng)過變徑的管道，泥漿擴(kuò)大管內(nèi)形成有一定強(qiáng)度的渦流，因而引起水力攪拌作用的遠(yuǎn)動，從而防止或減少粗顆粒泥漿沉積在下核管內(nèi)而堵塞。
圖3—1 Z形管
1-上橫管；2一擴(kuò)大豎管；3-下橫管
2．Z形管的擴(kuò)大管可以降低泥漿的流速，從而防止或減少空與進(jìn)入油罐內(nèi)，可使油罐內(nèi)的分界面上下移動平穩(wěn)。
3．由于擴(kuò)大管內(nèi)的體積突然增大，所以對泵的振動起緩沖作用。
4．當(dāng)更換閥箱內(nèi)的易損件時，不會使油罐內(nèi)的油通過閥箱流掉，又便于檢修．還可以減少油的損耗。
由此可見，Z形管是油隔離泥漿泵的重要部件。如不根據(jù)泥漿的性質(zhì)來選擇適當(dāng)?shù)腪形管尺寸，將導(dǎo)致Z形管的堵塞。
3.2 z形管在油隔離泥漿泵中的配置
目前Z形管在油隔離泥漿泵小的配置有兩種型式。一種是將Z形管設(shè)置在閥箱下方，（見圖3—2）。我國目前使用的油隔離泥漿泵均屬這種類型。另一種是將Z形管裝設(shè)在閥
圖3-2 Z形管在閥箱下方
圖3-3 Z形管在閥箱上方
箱的上部(見圖3—3)。這種型式由于泥漿沉淀的方向與Z形管出口一致，所以大部分粗顆粒直接流入閥箱而會同泥漿同時排出，因而這種裝置型式的Z形管其作用更為明顯。尤其對比重和粒度都較大的泥漿，采用這種裝置型式較為合理。
3.3 Z形管的設(shè)計與計算
一、Z形管幾何形狀和尺寸計算
1．下橫管直徑D1
對z形管的下橫管直徑D1的正確選擇是很重要的。如果選擇不當(dāng)，當(dāng)管內(nèi)流速過小，在交變負(fù)荷的作用下其流速小于臨界速度時，將導(dǎo)致z形管堵塞。
Z形管下橫管管徑D1的選擇原則，是根據(jù)其管內(nèi)流速，必須大于或等于該管內(nèi)交變負(fù)荷的臨界流速 。
下橫管直徑D1按下述步驟進(jìn)行計算：
初步確定下橫管直徑
式中——折合到Z形管內(nèi)的流量，即
Q——泵的排量，米／時；
當(dāng)泥漿容積重量＜1.25噸／米3時，
當(dāng)＞1．25時，
,式中為泥漿的比重，D為z形管的下橫管直徑(米)；u為泥漿的中值粒徑的的沉降速度(米／秒)；為中值粒徑(毫米)；為礦漿體積濃度，K為折減系數(shù)，一般取K＝0.785。
按上式計算結(jié)果必須滿足，然后取
2．?dāng)U大豎管直徑，高度H
擴(kuò)大豎管直徑可取擴(kuò)大豎管高度H可取。
3．上豎管長度B
經(jīng)計算得出應(yīng)用數(shù)據(jù)為
Z形管幾何尺寸
數(shù)據(jù)
135
230
400
250
550
1.70
1.74
1.85
二、Z形管壁厚計算
Z形管一般由無縫鋼管焊成，也有鑄鋼鑄成的，其壁厚計算公式如下。
式中p——設(shè)計壓力，
D——Z形管直徑，厘米；
——許用應(yīng)力，式中等于鋼材的抗拉極限除以安全系數(shù)，即,一般取5~8。
經(jīng)計算以及查閱相關(guān)手冊知
4 泵 閥
油隔離泥漿泵閥是一種保證液體單向流動的裝置。由于吸入閥和排出閥間歇動作，所以交替地將泵腔與吸入管線和排出管線連通或斷開，從而保證泥漿在泵內(nèi)單向流動。泵閥是油隔離泥漿泵內(nèi)的極為關(guān)鍵的部件，其工作性能的好壞直接影響泵的性能和工作的可靠性。泵閥是油隔離泥漿泵消耗量最多的易損件，是最薄弱的環(huán)節(jié)。因此延長泵的壽命對于提高泵的經(jīng)濟(jì)效果有著極并重要意義。
因此，近年來國內(nèi)外為提高泵閥的壽命，在閥的破壞機(jī)理試驗(yàn)、分析和閥的工作理論以及閥的計算等方面，做了大量的工作，正不斷試制出壽命長的新的閥結(jié)構(gòu)和閥材料。
4.1 閥種類和結(jié)構(gòu)
油隔離泥漿泵和活塞式往復(fù)泥漿泵的工作原理基本相同，因此對閥的要求和結(jié)構(gòu)形式也基本相同。目前在油隔離泥漿泵上使用的泵閥的類型和結(jié)構(gòu)不太多，但在活塞式往復(fù)泥漿泵上使用的泵閥的類型和結(jié)構(gòu)繁多，這對改進(jìn)油隔離泥漿泵的泵閥結(jié)構(gòu)和材料提供了很多經(jīng)驗(yàn)和枝術(shù)資料。泵閥按結(jié)構(gòu)可分為錐形閥、球形閥、碟形閥(見圖4—1)。按閥組合個數(shù)可分為單閥和群閥。其中錐形閥用的最為廣泛，其次是球形閥。
4.1.1錐形閥
錐形閥主要由閥座、閥盤、閥彈簧、閥密封、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、加固密封圈、閥蓋、閥箱等組成，見圖4—2。
1.閥座
閥座是閥的重要零件，其結(jié)構(gòu)形式和材料對閥壽命有很大影響。閥座外表面同閥箱的配合有兩種形式：一種是錐面配合(錐閥座結(jié)構(gòu))，另一種是圓柱面配合(直閥座結(jié)構(gòu))，見圖4—3錐閥座比直閥座易于保證閥座與閥箱錐孔間的配合緊度，從而減少了錐閥座在沖擊液流下所產(chǎn)生的跳閥座現(xiàn)象，還可以提高閥座與閥箱錐孔間的密封。另外采用錐閥座結(jié)構(gòu)可
圖4-1 閥的種類 圖4-2 錐形閥
a-碟形閥；b-錐形閥； 1-閥蓋；2-導(dǎo)向套；3-閥彈簧；
c-球形閥 4-閥芯；5-鎖板；6-壓板；7-閥
橡膠密封圈；8-閥座；9-導(dǎo)向機(jī)構(gòu)
以省去用來支承閥座的閥箱體上的臺階，從而可相應(yīng)地減小閥箱的高度，以減少泵缸余隙容積而提高容積效率。錐閥座的缺點(diǎn)是要求加工精度高，維修時取出閥座較為團(tuán)難。圓柱閥座雖然有加工方便、易取出等優(yōu)點(diǎn)，但不易保證密封性能，只適用于小型低壓泵上。
2閥密封圈
閥的密封圈不但在閥關(guān)閉時閥盤對閥座的沖擊起緩沖作用，而且還起密封作用，從而提高了閥的使用壽命。實(shí)踐證明，閥密封圈的幾何形狀不但對閥座和閥體間密封性能有影響，而是對延長閥使用壽命也起很大作用。為了提高閥壽命，相繼出現(xiàn)了多種密封圈的幾何形狀。密封圈安裝在閥盤上的結(jié)構(gòu)：閥盤上部的密封圈的截面形狀有單錐面、雙錐面、圓截面、卷邊面、水滴狀等。
3導(dǎo)向裝置
閥的導(dǎo)向裝置用來保證閥盤沿閥座軸線平穩(wěn)地上下運(yùn)動，并平正地下落在閥座上，以獲得良好的密封性能。設(shè)計閥導(dǎo)向裝置時，應(yīng)注意(1)能獲得良好的對中性能。
(2)閥的有效過流斷面積盡可能大，有足夠的壽命，且易于維修。
(3)有合適的導(dǎo)向間隙。
其導(dǎo)向有上導(dǎo)向和下導(dǎo)向兩種。上導(dǎo)向型式一般采有桿式和無桿式。下導(dǎo)向有翼形導(dǎo)向和桿式導(dǎo)向兩種型式。
.4閥彈簧
泵閥的彈簧是泵閥的主要零件。其特性和彈力的大小對泵閥的工作性能及閥的壽命有很大影響。
在泵閥中經(jīng)常用的彈簧有圓柱形和圓錐形兩種。圓柱形彈簧屬于不變剛性的彈資。它的直徑較小，剛性較大，制造容易，因而能滿足做為泵閥彈簧的基本要求，并已廣泛地被應(yīng)用在泵閥上。但由于圓柱形彈簧鋼絲直徑比較小，對腐蝕性缺口敏感性較大，因而影響位用壽命。
錐形彈簧屬于變剛性彈簧。內(nèi)于錐形彈簧各圈旋繞比不同，所以各圈剛性不同。當(dāng)閥盤上升時，其最大變形產(chǎn)生在直徑最大的工作處，當(dāng)直徑最大的工作圈與彈簧支撐圈并合后，就不再參加工作，而其余的工作圈繼續(xù)變形，這時彈簧的工作圈數(shù)減少，彈簧的最大直徑也減小，彈簧剛性在變形過程中逐漸增大，相應(yīng)地減輕了閥盤對閥蓋的沖擊力。當(dāng)閥盤下落時反而剛性逐漸減弱，同時也減輕了閥盤對閥座的沖擊力。所以，錐形彈簧比圓柱形彈簧更能滿足泵閥的工作特性。
在設(shè)計錐形彈簧時必須控制彈簧的預(yù)壓縮量，使彈簧的轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于泵閥的開閉過程中，否則彈簧的變剛性特性效果不明顯。錐形彈簧尺寸較大，加工麻煩。
5加固密封圈結(jié)構(gòu)
加固密封圈主要有鎖緊機(jī)構(gòu)和螺母結(jié)構(gòu)。
圖4—3是鎖緊結(jié)構(gòu)。鎖板l由半圓形鋼板制成，并借助閥芯的構(gòu)槽，壓緊壓板2而加固密封圈。利用O形密封圈或螺釘將鎖板固定在壓板上，以防止閥盤運(yùn)動時鎖板脫開。圖4—4是用螺母壓緊的密封圈。
實(shí)踐證明，這種結(jié)構(gòu)型適用于高壓泵，并且拆卸方便。為了加強(qiáng)密封圈的密封性能，在閥芯的上錐面上加工成凸緣或水線(圖4—22a和b)，以橡膠壓緊，使泥漿不易漏到夾層中去。
圖4-3 用鎖板壓緊密封圈 圖4-4 用螺母壓緊密封圈
1-鎖板；2-壓板；3-密封圈 a-突緣；b-水線
6閥蓋
閥蓋是易損件，需要經(jīng)常更換。因而，要求閥蓋耐高壓和不漏失以及拆裝方便。閥蓋是經(jīng)常拆卸的構(gòu)件，其類型繁多。起初閥蓋和閥體是采用螺栓連接，但由于螺栓連接拆卸不方便，現(xiàn)在一般不采用這種結(jié)構(gòu)，目前的常用的閥蓋與閥體之間的連接有矩形(或梯形)螺紋連接。
4.1.2球形閥
目前球形閥在油隔離泥漿泵上使用的越來越廣泛，因?yàn)榍蛐伍y在工作中可不斷地自行改變閥座與球形閥的接觸位置，所以大大延長了球形閥的使用壽命。
圖4—5是球形閥的結(jié)構(gòu)。閥球在導(dǎo)向套簡內(nèi)運(yùn)動，用限制器4來限制閥球向上運(yùn)動的最上端位置。閥球2有實(shí)心鋼球(圖4—6a)、空心鋼球(圖4—6b)橡膠鋼芯球(圖4—6c、d)等多種。
實(shí)心鋼球一般用在小流量泵上，而大流量泵為了減輕閥球的重量幾乎都采用空心鋼球。實(shí)踐表明，橡膠鋼芯球比純鋼球耐磨性能強(qiáng)，使用壽命長。目前在低壓泵上，橡膠鋼芯球的壽命達(dá)2000小時以上。
圖4-5 球形閥
1-密封圈； 2-閥球；3-導(dǎo)向套筒；4-限制器；5-閥座
值得注感的是，橡膠鋼芯球的橡膠外皮和鋼芯間結(jié)合方式直接影響閥球的使用壽命。圖4—27c結(jié)構(gòu)，在閥球下落時由于閥球和閥座間發(fā)生很大沖擊，所以外皮和鋼芯間容易產(chǎn)生滑移，并導(dǎo)致外皮開裂而停止使用。圖4—27d的鋼芯表面制出了很多構(gòu)槽，使橡膠外皮和鋼芯之間結(jié)合得比較牢固，防止了上述現(xiàn)象，提高了閥壽命。
圖4-6 閥球
密封圈的硬度應(yīng)大于肖氏80度，最好為88—98度，而最適宜的材料是采用聚氨基甲酸酯。閥密封圈在預(yù)壓后，其內(nèi)徑應(yīng)處于閥球直徑到閥球直徑加1／32英寸的范圍內(nèi)，同時使密封圈的水平中心線剛好與閥球水平中心線對齊(當(dāng)閥處于關(guān)閉位置時)。這樣，當(dāng)閥關(guān)閉時就能依靠閥上的高壓使密封圈在閥球上產(chǎn)止變形而實(shí)現(xiàn)密封，而不是靠閥球推壓密封圈實(shí)現(xiàn)密封。為此必須使閥球在工作時能在密封圈孔內(nèi)作自由滑動。此外，閥球與密封圈孔之間的微小間隙還具有從閥球表面刮下固體顆粗的作用，使之不存留在上述兩者表而間而損壞密封圈。
4.2泵閥的材料
閥的材料及共制造工藝件能，對閥的壽命有很大影響。閥的主要零件有密封件、閥座和閥盤以及閥彈簧。泵閥密封件的材料應(yīng)該具有較高的彈性模量、足夠的硬度、強(qiáng)度和耐腐蝕等。此外，在滿足其工藝性能的條件下，應(yīng)具有最小的殘余變形。常用的閥密封材料有丁脂橡膠、氯丁橡膠、聚胺酯橡膠、硬聚氯乙烯、聚四氟乙烯、尼龍6、尼龍1010等，丁腈橡膠具有較成的耐磨、耐油、耐熱性能，并且價格較低，在低壓泵中廣泛被采用。聚胺能橡膠比丁脂橡膠具有更為良好的韌性和耐磨性能，目前已被廣泛采用。但聚胺酯橡膠在高溫和高濃度堿性介質(zhì)中工作時，其性能顯著降低。
目前開始采用MC尼龍密封圈，可顯著地提高閥的使用壽命，因而廣泛地被應(yīng)用。尼龍密封圈具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
1．具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，在泥漿中對酸、堿、油等介質(zhì)有良好的抗腐蝕和抗老化能力。
2．尼龍彈性模數(shù)比鋼小得多(尼龍，鋼)，在一定的應(yīng)力條件下，相對的有較大的變形，能吸收較大的碰撞能量，并具有較大的耐磨性能，大大延長了閥的壽命。
3．尼龍受熱后質(zhì)地較軟，尤其在外力作用下，能有較大的變形。因此，除了具有良好的密封作用外，對泥漿中的顆粒(如鐵屑、砂粒)有良好的嵌入性，大大改善了閥的工作條件。
4．尼龍閥門比鋼芯閥門結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，更換容易。
閥芯和閥座材料有45、50、40Cr、20Cr、40CrMo、40CrNi2MnA、20CrMnTi、20CrMnMo，3Crl3、35CrNi2、1Crl8Ni9Ti、2Crl8Ni9、NiCrMo、Crl7Ni2等，種類繁多，但其中常用的材料是45、40Cr、20CrMo等。
據(jù)分析，閥盤和閥座工作表面的金屬微觀組織和硬度，對閥的壽命影響很大。如果閥工作錐面的金屬組織內(nèi)含有軟的鐵素體，則當(dāng)閥盤下落在閥應(yīng)上時，在閥盤和閥座接觸面之間有磨礪性顆粒的地方，將使金屬表層產(chǎn)生凹痕和剝落，從而加速閥的破壞。若僅在閥盤工作錐面的上部邊緣為屈氏馬丁體組織(其深度為0．6—0．8毫米)，而在其它地方均存有大量殘余鐵素體時其閥壽命也很短。如整個工作表面為屈氏馬丁組織，不存在殘余鐵素體時，其閥的壽命比較長。閥盤和閥座金屬表面硬度一般在HRC56以下，但個別泵閥已經(jīng)達(dá)到HRC 70以上。用50、40Cr、20Cr、15CrNi2、CrNi3鋼制造閥時，可采用滲碳處理。其工作表面可用高頻淬火或整體淬火，其淬火深度達(dá)2—4毫米，表面硬度在HRC 50—55以上。用40Cr制造閥時，由于淬火后其表面組織內(nèi)易存有殘余鐵素體，易于滲碳處理。40CrMo采用火焰淬火后可獲得良好的效果，35crNi2經(jīng)整體淬火后，其硬度可達(dá)HRC49—52。30CrMo，35CrMo經(jīng)滲碳淬火后，滲層深度在l毫米以上， 硬度HRC57—6l，芯部硬度HRC34—45。NiCrMo經(jīng)滲碳淬火后，滲碳層為1.5毫米，硬度為HRC60—65，芯部硬度HRC95。實(shí)踐證明，提高閥件的硬度是延長閥壽命的很重要途徑。
泵閥彈簧常用的材料有以下幾種
1．優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼
優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼的特點(diǎn)是價格低廉，原材料來源方便，鋼中夾雜物較少，純度較高，鋼的熱處理表面不比合金鋼差，在彈簧的使用溫度不低于120°C并在相同表面狀態(tài)及熱處理條件下，其疲勞性能也不低于合金彈簧鋼。
2．合金彈簧鋼
合金彈簧鋼主要有50CrVA、 60Si2Mm 65Mn等。50CrVA鋼中加入釩的目的是細(xì)化組織，使之不易過熱，這將提高鋼的強(qiáng)度和韌性。在硬度高時，這種彈簧的缺口敏感性也較低，還具有良好的低溫沖擊韌性。在500—55°C溫度下回火后，仍有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，因?yàn)樵诟邷毓ぷ鲿r性能比較穩(wěn)定。所以50CrVA是良好的彈簧材料605i2Mn鋼中加硅可顯著地提高彈性極限屈服限，提高回火穩(wěn)定性，從而在高溫下回火時可得到良好的綜合機(jī)械性能。但含硅高時，表面易脫落，因此可加錳元素克服此缺點(diǎn)。
目前60SiMn鋼作為泵閥的材料得到了廣泛地應(yīng)用。不銹鋼、青銅材料有4CrB、Ni80Cr20、QSn4—3、QSn4—0.3、QSn6.5—0.1、Q5n6.5—0.4，QSi3—1、QBe2等。這類材料主要用于輸送各種腐蝕性泥漿的油隔離泥漿泵。其中化工用泵彈簧材料一般為4CrB、Ni80Cr20等材料。
4.3泵閥的破壞機(jī)理及提高閥壽命的途徑
4.3.1泵閥的破壞機(jī)理
泵閥的壽命主要取決于泵的沖次、泵內(nèi)液體流動形式、吸入條件、排出壓力、工作液體特性、閥內(nèi)液體流速。閥升高、閥材料和結(jié)構(gòu)等多方面的因素。
泵閥的破壞機(jī)理是較復(fù)雜的，與很多因素有關(guān)。實(shí)踐證明，泵閥破壞機(jī)理豐要有兩種形式：沖擊破壞和沖刷破壞。當(dāng)泵工作時，閥盤多次給閥座沖擊，使泥漿的磨礪性顆粒牢固地嵌入閥盤和閥座表層金屬內(nèi)，從而其工作表面產(chǎn)生局部性變形，結(jié)果形成不同形狀和深度的凹痕。與此同時所產(chǎn)生的變形引起表面撕裂，并且內(nèi)于多次塑性變形使金屬表面某些區(qū)域產(chǎn)生了彈性剝落。這種破壞叫做沖擊破壞。泵閥的另一種形式的破壞是高壓溢流的沖刷破壞。這種破壞起初是從微小的刺漏介始，在高壓作用下泥漿以極高速度從微小的縫隙小沖刷出去，使其縫隙迅速擴(kuò)大，在金屬表面很快形成溝槽，直到完全破壞。最初產(chǎn)生的微小縫隙主要是從閥橡膠密封圈的損壞而開始的。當(dāng)密封圈開始破壞時僅出現(xiàn)初始溝槽，而當(dāng)嚴(yán)重破壞時，則出現(xiàn)不同類型的深溝槽。這就表明金屬表面溝槽的大小和深淺與橡膠圈的破壞程度有關(guān)。由此可見，閥橡膠密封圈是保護(hù)閥正常運(yùn)動，延長閥壽命的主要零件。
產(chǎn)生沖刷破壞的原因還有導(dǎo)桿的磨損、閥接觸面的加工偏差以及粗顆粒等。當(dāng)閥導(dǎo)桿磨損后，其導(dǎo)向間隙增大，不能保證閥盤運(yùn)動時良好的對中和平穩(wěn)性，因而當(dāng)閥盤下落在閥座上時產(chǎn)生偏斜而不能封嚴(yán)，內(nèi)此出現(xiàn)沖刷破壞。的密封不嚴(yán)，除了上述原因外，還有由閥盤和閥座的
錐角制造公差不符合要求或公差規(guī)定的不合理等造成的。另外，硬度和粘度都大的粗顆粒，夾在工作面上也存在間隙，同樣引起沖刷破壞。對不同的泵，上述兩種破壞有所不同，有的泵沖擊破壞為主要，沖刷破壞為次要，有的閥沖刷破壞為主要，沖擊破壞為次要。在一些文獻(xiàn)資料中提出，當(dāng)閥隙液體流速超過6—7米／秒，單位負(fù)荷低于250千克／平方厘米時，為一般為沖刷破壞；當(dāng)調(diào)隙液體流速低于6—7米／秒，單位負(fù)荷高于250千克／厘米2時，一般為沖擊破壞；當(dāng)閥隙液體流速超過10米／秒時，不論多大壓力，一般都屬于沖刷破壞。
4.3.2提高閥壽命的途徑
近年來，為了提高閥的壽命，國內(nèi)外都在廣泛地進(jìn)行試驗(yàn)研究、尋求提高閥使用壽命的途徑，并正不斷出現(xiàn)閥壽命更長的新的閥結(jié)構(gòu)和閥材料，在泵生產(chǎn)使用了取得的良好的經(jīng)濟(jì)效果，并且提供了以下幾個方面提高閥壽命的途徑：
1．改進(jìn)閥密封圈的幾何形狀和材質(zhì)
實(shí)踐證明，合理地選擇閥密封圈的幾何形狀，從而提高閥的密封性能是提高閥壽命的很重要措施。
目前，油隔離泥漿泵普通采用錐形和單錐面的密封圈。這種密封圈由于幾何形狀不合理，所以當(dāng)閥下落時，閥橡膠的尖部容易擠到閥座和閥盤的間隙中波剪壞，使閥失去密封作用。這種密封圈的閥壽一般在7一15天左右。
圖4—7是一種改進(jìn)的雙錐面密封圈幾何形狀。
圖4-7 雙錐面密封圈
這種結(jié)構(gòu)將單錐面的密封圈尖角由40°改成13l°，以增加該處的橡膠強(qiáng)度和抗剪能力，并將單錐面的密封圈唇角140°改成86°，由此增加了自封能力。改進(jìn)后閥的壽命比原來提高3倍以上。
圖4—8為蘇聯(lián)KCK型的一種截面呈水滴狀的橡膠密封圈。這種密封圈，由于截面容積較大，能吸收較大的能量，而減少閥體運(yùn)動的沖擊。另外，它具有較好的剛性，不易被擠入縫隙里，同時密封部位的切應(yīng)力和壓應(yīng)力均減小4—5倍。采用這種密封圈，閥使用壽命可提高到500—600小時。
圖4-8 水滴狀密封圈
2．加強(qiáng)閥座和閥盤的耐磨性能
提高閥座和閥座的硬度及改變其幾何尺寸的方法加強(qiáng)閥座和閥盤的耐磨性能是延長閥壽命的非常重要的途徑。
為了提向磨損件的硬度，目前廣泛采用離子氮化、碳氮共滲、碳氮硼和碳氮鈦等三元共滲、軟氮化等新熱處理工藝。其中碳氮硼三元共滲已經(jīng)廣泛用來提成閥座和閥盤的硬度，并延長壽命，效果比較明顯。
影響閥壽命的因素，還有閥體和閥座接觸支承面的角度和形式。水平面和圓錐面雙支承面結(jié)構(gòu)的閥座和閥體，能改善閥體和閥座的受力狀態(tài)。
3．利用高壓墊原理
圖4—9是cs—2型膠墊。這種結(jié)構(gòu)類似于氣墊船浮在有壓力的氣墊上，膠墊凡爾浮在高壓的膠墊上。當(dāng)閥體下落時，內(nèi)密封環(huán)和鄰近的膠皮先接觸閥座，切斷液流。這時候膠皮的大直徑處距離閥座2—3毫米(緩沖距離)，形成高壓液墊，隨著閥體下落，液墊中的泥漿將擠到高壓腔內(nèi)，液壓墊隨之消失，這樣橡膠墊和液墊都同時起著減震作用，避免了產(chǎn)生巨大的沖擊力。這種閥平均壽命為1400小時，最高可達(dá)2300小時以上。種閥具有密封性好、工作平穩(wěn)、耐磨性好、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但泥漿中含有較大顆粒時膠墊易被破壞，閥壽命也短。
圖4-9 CS-2型泵閥
4．不斷改變閥盤落在閥座上的位置
改變閥盤落在閥座上位置，減小沖擊和沖刷磨損可使閥的壽命顯著提高。
采用球形閥就屬于這種方法。球形閥的特點(diǎn)是球閥在上下運(yùn)動中隨時改變對閥座的位置從而阻止閥座和閥體間微小縫隙的擴(kuò)大，以大大減少沖刷破壞。球閥有純膠球、鋼芯橡膠球、鋼芯尼龍球等。目前油隔離泥漿泵上使用的球形閥使用壽命可提高到2000小時以上。圖4—16為旋轉(zhuǎn)式翼形導(dǎo)向。當(dāng)液體在閥座孔內(nèi)流動時，接觸翼形的液體運(yùn)動方向發(fā)生改變，給翼形一個推力，迫使閥盤轉(zhuǎn)動，從而不斷改變閥盤落在閥座上的位置，可達(dá)到提高閥壽命的目的。
5．合理地確定泵沖次和閥升程
泵的沖次是影響陰性能及壽命的一個重要因素，隨著沖次的增加，閥壽命明顯下降。但是，由于油隔離泥漿泵沖次一般在35—50次／分的低沖次，所以對提高閥壽命很有利。另外，閥的升程也對閥壽命有影響。
總之，為了提高閥壽命，國內(nèi)外正在進(jìn)行一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論研究，不斷改進(jìn)和完善閥的結(jié)構(gòu)，研制一些新的閥產(chǎn)品。
4.4 泵閥的設(shè)計和計算
4.4.1閥的計算和基本理論
1．閥計算公式
閥的工作理論比較復(fù)雜，在很多文獻(xiàn)中提出不少閥工作理論和計算方法，例如庫可列夫斯基方法、別爾格方法、馬特維夫方法、阿道爾夫方法等。這些方法都是以閥無沖擊條件為基礎(chǔ)，還沒有涉及到閥沖刷破壞機(jī)理，因此與實(shí)際有一定的誤差。盡管如此，目前仍以上述公式為閥的設(shè)計計算基礎(chǔ)。實(shí)際計算表明，結(jié)果基本一致。由于油隔離泥漿泵的沖次低(35—50次／分)，泵閥可按庫可列夫斯基方法計算，即
式中n—泵每分鐘沖次，次/分；
h一閥升程，毫米。
2．閥的基本理論
泵閥的升程h近似為
式中 h——閥升程，米；
A——活塞面積，米；
一—閥的面積，米；
r——曲柄半徑，米；
——曲柄轉(zhuǎn)角，弧度；
——閥的密封面與閥座端面的夾角；
——間隙流量系數(shù)；
——閥隙理論流速，米／秒，
其中為彈簧力(千克)，為閥和彈簧在液體中的重量(千克)；
——閥隙總周長，（米），其中為一個工作腔中吸入閥或排出閥數(shù)目，為一個閥的閥隙周長(米)。
由閥的升程公式可得：
(1)當(dāng)＝0時，即活塞的吸入行程(對吸入閥和排出行程)，在開始的瞬間，排出閥并未升起，直至?xí)r，閥開始動作，較活塞滯后角(滯后角)；當(dāng)時，即活塞的吸入行程和排出行程終了的瞬間，閥尚未關(guān)閉，停留在升程為的高度(滯后高度)上，直至?xí)r，閥才關(guān)閉，即較活塞滯后角。閥滯后雖然不可避免，但應(yīng)設(shè)法使之盡量減小滯后角。
閥的滯后高度
閥的滯后角(米)
（2）閥的最大升程發(fā)生在時（滯后影響），近似為
式中 h——閥升程，米；
A——活塞面積，；
——閥的面積，；
r——油柄半徑，米；
——曲柄轉(zhuǎn)角，度；
——閥的密封面與閥座端面的夾角，平板閥=0，球閥角為圓心角之半；
——閥隙流量系數(shù)；
——閥隙理論流速，從閥中流出為正(米／秒)，；其中為彈簧力，向下為正(千克)，為閥和彈簧在液體中的重量，向下為正(千克)；
——閥隙總周長(米)，其中為工作腔中吸入閥或排出閥數(shù)目，為閥的閥隙周長。閥的滯后閥體的落座速度為
（米/秒）
或
的方向向下，會引起閥的沖擊，設(shè)計時應(yīng)盡量減小值。
(3)閥的阻力
1)閥的開啟阻力
式中——彈簧的預(yù)壓力，千克；
G——閥的重量，千克；
——閥座孔截面積，
——泥漿比重。
2）閥開啟后的水力阻力損失
式中——阻力系數(shù)（與閥的形狀、升程、密封面寬度以及液體的性質(zhì)有關(guān)）
——閥座孔流速(米／秒)，對于水或類似于水的液體
4.4.2閥座設(shè)計與計算
1．對閥設(shè)計的基本要求
(1)啟閉迅速及時；
(2)關(guān)閉后無泄漏；
(3)工作平穩(wěn)噪音?。?
(4)阻力盡量??；
(5)有足夠的強(qiáng)度和剛度
(6)結(jié)構(gòu)簡單，制造容易
2．閥主要尺寸的確定
本設(shè)計采用球形閥
閥孔直徑為120毫米，閥升程為60毫米
5 穩(wěn)壓室
曲柄傳動的往復(fù)式泥漿泵或油隔離泥漿泵，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)將原動機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)運(yùn)動，所以活塞運(yùn)動速度不均，因此泵的瞬時排量和壓力不斷在變化。由于泵的排量較大和壓力波動，往往引起吸入性能降低，惡化原動機(jī)的工作條件，造成泵和管道振動等嚴(yán)重情況。為了減小泵的排量和壓力波動，一般采用多缸多作用泵，例如雙缸雙作用泵(四作用泵)和三缸單作用泵等。除此而外，可以采用穩(wěn)壓室來控制往復(fù)系由于排量不均而引起的振動.
穩(wěn)壓室根據(jù)其工作原理可分為空氣式和濾聲式兩種。
5.1空氣式穩(wěn)壓室
空氣式穩(wěn)壓室(簡稱空氣室)是一密閉容器，通常裝置在吸入閥前，排出閥后。空氣室是利用空氣的可壓縮性來保證泵流量均勻的一種設(shè)備。當(dāng)活塞的排出流量增大時，空氣室內(nèi)的空氣被壓縮，將超出平均流量的一部分液體(泥漿)暫時留在室內(nèi)；當(dāng)流量減小時，空氣室內(nèi)的空氣膨脹，便將暫存的液體排入排出管路中，使泵的排量均勻。同時，空氣室還能由泵排量不均而產(chǎn)生的水流慣性和水力沖擊起緩沖作用。
目前，油隔離泥漿泵上使用的空氣室有隔膜式空氣室和圓筒形空氣空兩種。
圖5—1為隔膜式球形空氣室，是由底盤、殼體、氣囊、頂蓋、壓力表、充氣閥等主要零件組成。殼體下部與排出管線相連，上部通過充氣閥充氣。壓力表指示氣囊中的壓力。工作時隨排出壓力的變化，橡膠囊上下移動，當(dāng)排氣壓力降低時氣囊的閥堵住外殼下部的孔口?？諝馐业臍んw為扁球體狀，共下部是圓錐面，此圓錐面與孔口相接處要圓滑，以便在靠近孔口處形成流線型的汶丘里控制。氣囊是由橡膠制成，借頂蓋固定在殼體內(nèi)。氣囊圓錐部分的傾角β應(yīng)較α角小，一般β角取30°，α角取54°。
如圖5—1所示，當(dāng)充氣后最好使氣囊處于F位置。在E位置氣囊橡膠均末擴(kuò)張，從位置E到F逐漸伸張。由于皮囊底錐的錐高X比彎曲環(huán)半徑Y(jié)小得多，加上進(jìn)入空氣室的液體和入口的流線型汶丘里效應(yīng)，泥漿進(jìn)入空氣室后分布均勻，防止了泥漿局部集中而產(chǎn)生的隔膜偏移，所以這種形狀的皮囊動作時具有最小的折皺、彎曲和伸展，這是該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)之一。
圖5-1 球形空氣包
底盤；2-殼體；3-氣囊；4-頂蓋；5-壓力表；6-充氣閥
當(dāng)氣囊處于F位置時由于氣囊彎折部分具有一定的剛性，氣囊下半部外壁與殼體壁間形成空間C，使氣囊不直接與殼壁接觸，防止了氣囊的磨礪性磨損。
氣囊是易損件，其壽命主要是與其材質(zhì)有關(guān)，氣囊的材質(zhì)有氯丁橡膠、天然膠、丁腈橡膠等。目前采用外模成型工藝，氣囊材料用25%天然膠，75％丁腈膠，其機(jī)械性能良好，氣囊壽命也有很大的提高。
圖5—2為帶有穩(wěn)定片的球形空氣室。這種空氣室中心部分增加了一個穩(wěn)定片，它是由天然橡膠或合成橡膠的扁平圓板制成，其厚度較隔膜稍大，硬度也較隔膜高。這樣，穩(wěn)定片的軸向剛性就比隔膜的剛性大。在穩(wěn)定片的外周應(yīng)有雙面倒角，以防止工作時其邊緣刺破氣囊隔膜壁；空氣室的隔膜在赤道而A上的直徑與穩(wěn)定片直徑之比取11：9為宜，以保證穩(wěn)定片相對于隔膜壁做所需的徑向伸張。氣囊頸部的內(nèi)徑與穩(wěn)定片直徑之比，取5.5：9為宜。帶穩(wěn)定片的球形空氣室適用于泵輸送變性的或快速結(jié)硬皮型的泥漿。
圖5—2 帶有穩(wěn)定片的球形空氣室
這種泥漿易于膠結(jié)在空氣室壁和氣囊周圍，從而造成氣囊容量逐漸減小，最終導(dǎo)致氣囊中的氣體壓力幾乎接近泵送泥漿的峰壓，則空氣室將起不到有效的緩沖作用。穩(wěn)定片的作用是它能增加泥漿材料中央核心的斷面積，因而相應(yīng)地減少了膠結(jié)材料的環(huán)形體積。同時，穩(wěn)定片和隔膜壁漸漸貼合，加強(qiáng)隔膜對膠結(jié)性材料的推力，使過多的泥漿從通道排出，從而減輕了泥漿對空氣室的結(jié)疤。
當(dāng)空氣室借助于三通接頭與管線連接時，往往因管道中流體(或泥漿)的慣性，不進(jìn)入空氣室而直接流進(jìn)管道系統(tǒng)。為了提高空氣室的作用，采用阻流管和液枕導(dǎo)向裝置。
如圖5—3所示，阻流管設(shè)在靠近空氣室的管道上，并利用阻流管的阻流作用，可使更多的流體進(jìn)入空氣室，從而使排出管線的壓力更趨平穩(wěn)。
經(jīng)實(shí)踐證明，加阻流管的空氣室可以消除液體脈動幅度85—90%，而無阻流管時只消除60—70%。
圖5—3 加阻流管的空氣室
這種方法適合于對工作粘度和含磨礪性方面要求高，并只適合于泵沖次低于50(次／分)的往復(fù)式泥漿泵或者油隔離泥漿系。
值得注意的是，上述兩種方法對泥漿或礦漿并不適用，這是由于一方面導(dǎo)向裝置和阻流管會產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，另一方而由于增加了這些附加局部阻力，會導(dǎo)致泵本身的工作壓力增加，而降低易損件的使用壽命。油隔離泥漿泵為了提高空氣室的效能，經(jīng)常選用大容量的空氣室，并在安裝位置上予以注意。。
吸入空氣室的作用原理與排除空氣室相同，區(qū)別在于使用這種空氣室來緩?fù)獾蛪毫黧w的壓力脈動。吸人空氣室有常壓吸入空氣室、隔膜式預(yù)壓吸人空氣室和帶有彈簧的隔膜式預(yù)壓吸人空氣室等。其中常用的是常壓吸入空氣室。這種空氣室的效能隨吸人高度的增加而增加。因此，吸人高度的增加使空氣室內(nèi)的真空度提高，這時由液體內(nèi)分離出一部分氣體，增大了空氣室的氣體容量。圓筒形空氣室(見圖5—4)，盡管它的體積龐大、笨重，充氣需用輔助設(shè)備，但因泵的操作壓力比較平穩(wěn)，管道振動小，所以目前在油隔離泥漿系上
圖5—4 圓筒形空氣室
1一筒體；2—壓