CN103775317A - 一种二级抽气装置的设计方法 - Google Patents

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CN103775317A
CN103775317A CN201310744284.0A CN201310744284A CN103775317A CN 103775317 A CN103775317 A CN 103775317A CN 201310744284 A CN201310744284 A CN 201310744284A CN 103775317 A CN103775317 A CN 103775317A
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CN
China
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air extractor
piston plate
diaphragm
coefficient
secondary air
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付强
王秀礼
朱荣生
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Jiangsu University
Original Assignee
Jiangsu University
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Abstract

本发明涉及一种二级抽气装置的设计方法，特别涉及一种通过曲柄连杆带动活塞盘往复做功的一种抽气装置的设计方法。通过关系式来调整二级抽气装置几何参数，吸入管内径d1，排出管内径d2，活塞盘直径D，排气平衡时活塞盘与腔体间隙a，吸气平衡时活塞盘与腔体间隙b，使其具有结构简单紧凑，体积小，可靠性高，具有良好的自吸性能等特点，以达到便于搬运、安装、检查、保养和维修。根据实施例的二级抽气装置性能满足工艺对流量、最大真空度的要求。

Description

一种二级抽气装置的设计方法
技术领域
本发明涉及一种二级抽气装置的设计方法，特别涉及一种通过曲柄连杆带动活塞盘往复做功的抽气装置的设计方法。
背景技术
抽气泵，是指具备一进一出的抽气嘴、排气嘴各一个，并且在进口处能够持续形成真空或负压；排气嘴处形成微正压；工作介质主要为气体。抽气泵其工作原理同真空泵工作原理相同，都是电机的圆周运动，通过机械装置使泵内部的隔膜做往复式运动，从而对固定容积的泵腔内的空气进行压缩、拉伸形成真空（负压），在泵抽气口处与外界大气压产生压力差，在压力差的作用下，将气体压（吸）入泵腔，再从排气口排出。正因为抽气口处或者抽排气口可以与外界大气形成压力差，同时不像大型真空泵需要润滑油和真空泵油，不会污染工作介质，而且具有体积小巧、噪音低、免维护，可以连续24小时运转等优点，所以微型真空泵被作为动力装置，广泛用于气体采样、气体循环、真空吸附、加速过滤、汽车真空助力等等场合，在医疗、卫生、科研、环保等领域得到了广泛的应用。目前，现有的关于活塞泵和真空泵的设计并未形成完整的、系统的的设计方法，而且现有的设计方法也存在一定的缺陷，并不适用于本发明涉及的抽气装置，主要表现在未考虑隔膜片活塞运动的非刚性变形。
本发明提供一种二级抽气装置的设计方法，旨在解决本发明涉及的抽气装置主要尺寸的确定。
发明内容
本发明考虑隔膜片活塞运动的非刚性变形，以及单向阀平衡状态下体积和压力变化，提出一种二级抽气装置的新的设计方法，旨在解决本发明涉及的抽气装置主要尺寸的合理确定。用本方法设计出来的抽气装置具有结构简单紧凑，体积小，可靠性高，以及良好的自吸性能等特点。
本发明提供的一种二级抽气装置的新的设计方法，通过全新的设计公式合理的确定了腔体盘内径D3、活塞盘直径D、上下腔直径D2等主要尺寸，合理确定隔膜片在活塞运动时对抽气装置内部体积和压力变化的影响，使该抽气装置的设计方法更为合理。
实现上述目的所采用的的技术方案:
在进行抽气装置设计时，其基本性能参数——最大真空度P和流量Q。实际以首级的单级抽气装置为计算基础。
Figure 2013107442840100002DEST_PATH_IMAGE002
  
     
Figure 2013107442840100002DEST_PATH_IMAGE004
  
Figure DEST_PATH_IMAGE006
                                            (1)
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE008
—抽气装置的实际流量，m3/s；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
—抽气装置的理论流量，m3/s；
ηvi—i级抽气装置的容积效率，i=1,2；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
—活塞盘截面积，㎡；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
—活塞盘直径，m；
D 2 —上下腔内径，通过实际测绘上下腔内径D 2 =1.12D，m；
L—上下腔高度，m；
M—活塞盘厚度,m；
a—排气临界时活塞盘与上壁面宽度，m；
b—吸气临界时活塞盘与下壁面宽度，m；
t—隔膜片厚度，m;
h—隔膜行程，h=L-(0.5M+0.5t+b)-(a+0.5M-0.5t)=L-(M+a+b), m；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
—活塞盘行程长度，m；
k1—隔膜片刚性系数，k1=0.95；
k2—空气压缩系数，k2=0.90;
Figure DEST_PATH_IMAGE018
—活塞盘的每分钟往复次数,spm；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
—抽气装置的联数（活塞盘数）；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
—系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
（
Figure DEST_PATH_IMAGE026
——活塞盘连杆截面积，㎡），单作用抽气装置
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
—活塞盘平均速度，m/s；
由上式可知，要确定
Figure 111544DEST_PATH_IMAGE008
，必须确定
Figure 852711DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 607040DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 360364DEST_PATH_IMAGE014
、等与结构有关的参数。此外，在绘制总体方案图时，还需知道吸入管和排出管的内径、
Figure DEST_PATH_IMAGE036
，它们也与
Figure 546549DEST_PATH_IMAGE008
有关。以上这些参数统称之谓抽气装置的结构参数。但是，
Figure 535977DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 76680DEST_PATH_IMAGE036
是在
Figure 205304DEST_PATH_IMAGE008
确定后确定的，如果在总体设计时预先选定了抽气装置型式和总体结构型式，那么，
Figure 806050DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 17195DEST_PATH_IMAGE022
即为已知，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
可预先选取。因此，决定
Figure 112321DEST_PATH_IMAGE008
的主要结构参数就是
Figure 92522DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 864169DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 565540DEST_PATH_IMAGE014
。
由该抽气装置的设计实践经验得知，为了确定
Figure 448045DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 548332DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 490880DEST_PATH_IMAGE014
组合的最佳方案，一般应选择合适的
Figure DEST_PATH_IMAGE040
入手，而后再确定
Figure 679547DEST_PATH_IMAGE018
,进而再比较
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，由此而逐步确定组合的最佳方案。
1. 抽气装置容积效率ηvi的选择
ηvi选取的一般原则是：当抽气装置的排出压力
Figure DEST_PATH_IMAGE044
高、流量小、每分钟往复次数n高、液力端余隙容积大、制造精度低且当输送高温、高粘度或低粘度、高饱和蒸汽压的液体介质或介质中含气量大、含有固体颗粒时，ηvi应选取较低值；反之，可取较高值。
ηvi的一般取值范围是：当输送常温清水时，ηvi =0.77～0.97；当输送石油产品、热水、液化烃等介质时，ηvi =0.52～0.77；当输送空气时，ηvi =0.23～0.52。
2.柱塞平均速度的选择
为了提供的定量选取范围，对目前已经投入生产的若干常见抽气装置型
Figure 608484DEST_PATH_IMAGE040
进行了统计和分析，得到了以下的经验公式。由统计可知，
Figure 832792DEST_PATH_IMAGE040
大小主要与折合成单联单作用抽气装置的有效功率
Figure DEST_PATH_IMAGE046
有关，即：    
                         
Figure DEST_PATH_IMAGE048
                        (2)
式中
Figure 658404DEST_PATH_IMAGE040
—活塞平均速度，m/s
—统计系数，K t 取0.15~0.6。
k D —经验系数，为减小隔膜片直径，通常k D 取1.05~1.2。
Figure 424978DEST_PATH_IMAGE046
—折合成单联单作用抽气装置的有效功率，kw
      =
Figure DEST_PATH_IMAGE052
≈
Figure DEST_PATH_IMAGE054
              (3)
式中
Figure 364039DEST_PATH_IMAGE008
—抽气装置的流量，L/min，当选取um时，可近似带入理论流量
Figure DEST_PATH_IMAGE056
；
Figure 296354DEST_PATH_IMAGE044
—抽气装置的排出压力，kgf/cm2；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
—抽气装置的吸入压力，kgf/cm2，当
Figure 499409DEST_PATH_IMAGE044
>>
Figure 884385DEST_PATH_IMAGE058
或
Figure 245173DEST_PATH_IMAGE058
为常压时，全压力-
Figure 923727DEST_PATH_IMAGE058
≈
Figure 45267DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 162871DEST_PATH_IMAGE020
—抽气装置的联数（隔膜片数）；
—系数，
Figure 866833DEST_PATH_IMAGE024
对于单作用抽气装置，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
=1，=0，对双作用抽气装置，
Figure 131385DEST_PATH_IMAGE060
<1，0<
Figure 892799DEST_PATH_IMAGE022
<1；
3.每分钟往复次数n和行程长度S的选定
Figure 608557DEST_PATH_IMAGE040
选定后，隔膜片直径即为确定值。但因
Figure 704689DEST_PATH_IMAGE040
=
Figure 32214DEST_PATH_IMAGE016
/30，所以，必须再确定一个
Figure 918874DEST_PATH_IMAGE018
或
Figure 502302DEST_PATH_IMAGE016
，才能最后确定
Figure 768329DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 235826DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 545585DEST_PATH_IMAGE014
的组合方案。此时可先选取
Figure 367041DEST_PATH_IMAGE018
，尔后再确定。
抽气装置的冲次
Figure 8031DEST_PATH_IMAGE018
的一般取值范围n=20～100/min，提高n是减小抽气装置尺寸和重量的最有效途径，同时为了更好地提高抽气装置的吸入性能，n建议取55/min。
根据
Figure 488691DEST_PATH_IMAGE040
= 得
        =
Figure DEST_PATH_IMAGE064
                       (4)
4.活塞盘直径
Figure DEST_PATH_IMAGE066
的确定
                      (5)
值应按国家规定标准尺寸序列圆整。
5.程径比
Figure DEST_PATH_IMAGE070
的选择
Figure 80319DEST_PATH_IMAGE042
值的一般取值范围是
Figure 745262DEST_PATH_IMAGE042
=1.2～3.2。当n值很高时，有的取
Figure 524999DEST_PATH_IMAGE042
=0.7~1.2；对于高压或超高压泵，
Figure 670941DEST_PATH_IMAGE042
值可能大到Ψ=4～11。
程径比: 
        
Figure DEST_PATH_IMAGE072
                                  (6)
6. 抽气装置的理论流量：
     
Figure DEST_PATH_IMAGE074
         (7)
7.排气平衡时活塞盘与腔体间隙a的确定
排气平衡时上腔体积
Figure DEST_PATH_IMAGE076
Figure DEST_PATH_IMAGE078
Figure DEST_PATH_IMAGE080
                                                        (8)
式中D 3 —腔体盘内径，通过实际测绘腔体盘内径D 3 =1.08D，m；
此时上腔压力P a 和上腔体积V a 满足：
             P a V a =K a                                          (9)
考虑到排气阀门的阻力，P a =k a P 1 ，k a =1.07，P 1 为大气压。
Figure DEST_PATH_IMAGE082
                                                     (10)
Figure DEST_PATH_IMAGE084
                                                     (11)
8.吸气平衡时活塞盘与腔体间隙b的确定
Figure DEST_PATH_IMAGE086
Figure DEST_PATH_IMAGE088
                                            (12)
此时上腔压力P b 和上腔体积V b 满足：
       P b V b =K b                                               (13)
考虑到排气阀门的阻力，P b =k b P 1 ，k b =1.07，P 1 为大气压。
Figure DEST_PATH_IMAGE090
                                          (14)
Figure DEST_PATH_IMAGE092
                                                  (15)
9.最大真空度P的确定
排气时下腔的体积Vab
Figure DEST_PATH_IMAGE094
                                     (16)
P ab V ab =K ab                                        (17)
Figure DEST_PATH_IMAGE096
                        (18)
Kp1,Kp2为各级压力损失系数，取值范围为0.88~0.98。
10.吸入和排出管内径d1、d2的选取
这两值的选取主要取决于吸入、排出管内径介质的流速
Figure DEST_PATH_IMAGE098
和
Figure DEST_PATH_IMAGE100
。
Figure 977989DEST_PATH_IMAGE098
、
Figure 800451DEST_PATH_IMAGE100
过大，水力阻力损失过大，消耗的能量多，抽气装置的吸入性能差，而且容易产生液缸内的空化和汽蚀以及抽气装置的过流量现象；
Figure 815287DEST_PATH_IMAGE098
、
Figure 764920DEST_PATH_IMAGE100
过小，管路和液力端尺寸较大。在该抽气装置中，通常要限制、
Figure 34340DEST_PATH_IMAGE100
值，尤其是
Figure 788669DEST_PATH_IMAGE098
值限制更重要。一般取值范围是：=1～2.6 m/s, 
Figure 799799DEST_PATH_IMAGE100
=1.0～2.9 m/s。取=1.6 m/s,
Figure 969804DEST_PATH_IMAGE100
=2.4 m/s 。
Figure 244927DEST_PATH_IMAGE098
、
Figure 636201DEST_PATH_IMAGE100
选定后，
Figure 971367DEST_PATH_IMAGE034
、即可确定：
    
Figure 277639DEST_PATH_IMAGE034
=
Figure DEST_PATH_IMAGE102
                          (19)
    =                          (20)
通过以上公式确定抽气装置的主要参数，以实现设计的该抽气装置具有结构简单紧凑，体积小，可靠性高，具有良好的自吸性能等特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个二级抽气装置实施例的剖视图。
图2是单级抽气装置排气时的平衡状态图。
图3是单级抽气装置吸气时的平衡状态图。
图1中：1、连接轴，2、导向密封体，3、密封圈，4、首级下盘，5、首级下活塞盘，6、首级隔膜片，7、首级上活塞盘，8、首级上盘，9、穿杠螺栓，10、级间密封环，11、末级下盘，12、末级下活塞盘，13、末级隔膜片，14、末级上活塞盘，15、末级上盘16、出气口单向阀，17、出气口，18、驱动机构，19、进气口，20、进气口单向阀，21、首级下腔，22、首级活塞盘紧固螺栓，23、首级腔体单向连通阀，24、首级上腔，25、级间单向连通阀，26、级间连接轴密封圈27、末级下腔，28、末级上腔，29、末级活塞盘紧固螺栓，30、末级腔体单向连通阀，31、连接轴连接螺栓。
图2中：上下腔高度L，上腔高度L1,下腔高度L2,活塞盘厚度M,排气临界时活塞盘与上壁面宽度a，隔膜片厚度t，腔体盘内径D 3 。
图3中：吸入管内径d1，排出管内径d2，活塞盘直径D，上下腔内径D 2 ，活塞盘厚度M，吸气平衡时活塞盘与腔体间隙b。
具体实施方式
本发明的一个二级抽气装置实施例如图1所示结构，图1、图2和图3共同说明本发明提供的设计方法设计的一种二级抽气装置实施例的结构和工作原理。
依据实际空间条件隔膜泵在运行过程中，可进行水平、竖直、倾斜布置。结合图1，对竖直布置时的二级抽气装置实施形态进行说明，其他布置状态下的实施形态相同。
二级抽气装置靠近驱动机构18的一端为首级低压进气端。首级上盘8、首级下盘4包围部分为首级腔体，末级上盘15、末级下盘11包围部分为末级腔体。首末级腔体为节段式腔体可复制，具有一定的互换性。
首级腔体结构如下：首级腔体被首级上活塞盘7、首级下活塞盘5、首级隔膜片6分割为首级上腔24、首级下腔21。首级隔膜片6为环形，在首级隔膜片6内外圈的正反面分设一对环形凸台，通过首级上盘8、首级下盘4，压紧首级隔膜片6外圈，在首级上盘8、首级下盘4对称布置两个环形凹槽，配合首级隔膜片6外圈凸台，在压紧首级隔膜片6外圈的同时起到密封作用。在首级上活塞盘7、首级下活塞盘5对称布置两个环形凹槽，与首级隔膜片6内圈凸台配合，设置首级活塞盘紧固螺栓22以压紧首级上活塞盘7、首级下活塞盘5及首级隔膜片6内圈。在首级上活塞盘7、首级下活塞盘5之间镶嵌至少1个首级腔体单向连通阀23，连通首级上腔24与首级下腔21。
末级腔体结构如下：末级腔体被末级上活塞盘14、末级下活塞盘12、末级隔膜片13分割为末级上腔28、末级下腔27。末级隔膜片13为环形，在末级隔膜片13内外圈的正反面分设一对环形凸台，通过末级上盘15、末级下盘11，压紧末级隔膜片13外圈，在末级上盘15、末级下盘11对称布置两个环形凹槽，配合末级隔膜片13外圈凸台，在压紧末级隔膜片13外圈的同时起到密封作用。在末级上活塞盘14、末级下活塞盘12对称布置两个环形凹槽，与末级隔膜片13内圈凸台配合，设置末级活塞盘紧固螺栓29以压紧末级上活塞盘14、末级下活塞盘12及末级隔膜片13内圈。在末级上活塞盘14、末级下活塞盘12之间镶嵌至少1个末级腔体单向连通阀30，连通末级上腔28与末级下腔27。
首级下盘4布置进气口单向阀20并添加进气口19，末级上盘15布置出气口单向阀16并添加出气口17，进气口19与出气口17分别与进出口管路相连，在首级上盘8与末级下盘11之间镶嵌至少1个级间单向连通阀25，连通首级上腔24与末级下腔27。
从驱动机构18开始依次向上，各级活塞盘串联于连接轴1上，与其同步运动，具体布置方式如下：
首级下盘4外部布置导向密封体2，并在导向密封体2和首级下盘4外部之间增设一个密封圈3。连接轴1末端与驱动机构18相连，依次穿过导向密封体2、密封圈3、首级下盘4，连接首级上活塞盘7、首级下活塞盘5，在连接轴1与首级下活塞盘5接触位置设置一个轴肩，首级上活塞盘7与连接轴1通过螺纹连接，在连接轴1首级上活塞盘7外部位置设置一个卡环，通过轴肩、螺纹、卡环将首级上活塞盘7、首级下活塞盘5与连接轴1固定连接，使得首级上活塞盘7、首级下活塞盘5随连接轴1同步运动。连接轴1穿过首级上盘8和末级下盘11，进入末级腔体，在首级上盘8和末级下盘11与连接轴1接触位置上对称设置一对级间密封圈26，同时在二者之间添加一个级间密封环，防止级间泄露。连接轴1穿过末级下腔27，在末级上活塞盘14、末级下活塞盘12中间位置通过通过连接轴连接螺栓31与其固定连接，二者同步运动。在末级上盘15与连接轴连接螺栓31对应位置设置一个凹槽，避免连接轴1运动到顶端时与末级上盘15发生干涉，同时减小了隔膜泵的轴向尺寸。
各级上下盘组成了隔膜泵的泵体，通过穿杠螺栓9连接起来。
隔膜泵的工作过程：
连接轴1在驱动机构18的作用下做往复运动，使得各级活塞盘做往复运动，同时各级隔膜片发生变形。
当连接轴1向下运动时，各级活塞盘下移，各级隔膜片发生变形，各级上腔体积增大，气体压力减小，各级下腔体积减小，气体压力增大，出气口单向阀16关闭，进气口单向阀20关闭，级间单向连通阀25关闭，各级上下腔单向连通阀打开，各级气体从下腔体进入上腔体。
当连接轴1向上运动时，各级活塞盘上移，各级隔膜片发生变形，各级下腔体积增大，气体压力减小形成低压，各级上腔体积减小，气体压力增大，进气口单向阀20打开，气体进入首级下腔21；各级腔体单向连通阀关闭，级间单向阀25打开，气体从首级上腔24进入末级下腔27，当末级上腔29压力大于打开出气口单向阀16所需的压力时，出气口单向阀16打开，末级上腔29气体排出。
连接轴1在驱动机构18的作用下做完成一次往复运动，隔膜泵首末两级均完成一次进气、排气的过程，气体经过两次增压后排出，获得较高压力。当连接轴1做循环往复运动时，隔膜泵即可完成对气体的输送。
在进行抽气装置设计时，其基本性能参数——最大真空度P和流量Q。实际以首级的单级抽气装置为计算基础。
Figure 45798DEST_PATH_IMAGE002
  
     
Figure 996437DEST_PATH_IMAGE004
  
Figure DEST_PATH_IMAGE106
Figure DEST_PATH_IMAGE108
Figure DEST_PATH_IMAGE110
Figure 876012DEST_PATH_IMAGE006
                                            (21)
式中
Figure 979229DEST_PATH_IMAGE008
—抽气装置的实际流量，m3/s；
Figure 921777DEST_PATH_IMAGE010
—抽气装置的理论流量，m3/s；
ηvi—i级抽气装置的容积效率，i=1,2；
Figure 107514DEST_PATH_IMAGE012
—活塞盘截面积，㎡；
Figure 528131DEST_PATH_IMAGE014
—活塞盘直径，m；
D 2 —上下腔内径，D 2 =1.12D，m；
L—上下腔高度，m；
M—活塞盘厚度,m；
a—排气临界时活塞盘与上壁面宽度，m；
b—吸气临界时活塞盘与下壁面宽度，m；
t—隔膜片厚度，m;
h—隔膜行程，h=L-(0.5M+0.5t+b)-(a+0.5M-0.5t)=L-(M+a+b), m；
Figure 751433DEST_PATH_IMAGE016
—活塞盘行程长度，m；
k1—隔膜片刚性系数，k1=0.95；
k2—空气压缩系数，k2=0.90;
Figure 612686DEST_PATH_IMAGE018
—活塞盘的每分钟往复次数,spm；
Figure 537916DEST_PATH_IMAGE020
—抽气装置的联数（活塞盘数）；
Figure 512957DEST_PATH_IMAGE022
—系数，
Figure 574454DEST_PATH_IMAGE024
（
Figure 606607DEST_PATH_IMAGE026
——活塞盘连杆截面积，㎡），单作用抽气装置
Figure 19134DEST_PATH_IMAGE028
，；
—活塞盘平均速度，m/s；
由上式可知，要确定
Figure 916923DEST_PATH_IMAGE008
，必须确定
Figure 567479DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 133589DEST_PATH_IMAGE016
、、
Figure 543635DEST_PATH_IMAGE020
等与结构有关的参数。此外，在绘制总体方案图时，还需知道吸入管和排出管的内径
Figure 681486DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 799090DEST_PATH_IMAGE036
，它们也与
Figure 689686DEST_PATH_IMAGE008
有关。以上这些参数统称之谓抽气装置的结构参数。但是，
Figure 237473DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 846309DEST_PATH_IMAGE036
是在
Figure 767604DEST_PATH_IMAGE008
确定后确定的，如果在总体设计时预先选定了抽气装置型式和总体结构型式，那么，、即为已知，
Figure 593106DEST_PATH_IMAGE038
可预先选取。因此，决定
Figure 52512DEST_PATH_IMAGE008
的主要结构参数就是
Figure 668433DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 807290DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 138521DEST_PATH_IMAGE014
。
由该抽气装置的设计实践经验得知，为了确定
Figure 388237DEST_PATH_IMAGE018
、、
Figure 228679DEST_PATH_IMAGE014
组合的最佳方案，一般应选择合适的
Figure 299403DEST_PATH_IMAGE040
入手，而后再确定,进而再比较
Figure 943322DEST_PATH_IMAGE042
，由此而逐步确定组合的最佳方案。
1. 抽气装置容积效率ηvi的选择
抽气装置的容积效率ηvi与许多因素有关，很难在设计时精确确定。ηvi值选取过大，实际抽气装置的ηvi将低于予选值，抽气装置的流量也将低于设计值；ηvi选取过小，实际抽气装置的ηvi将高于予选值，抽气装置的流量也将大于设计值。如果考虑到抽气装置运转后的磨损，一般在选取ηvi值时，都要略低些。
ηvi选取的一般原则是：当抽气装置的排出压力
Figure 171785DEST_PATH_IMAGE044
高、流量
Figure 214958DEST_PATH_IMAGE008
小、每分钟往复次数n高、液力端余隙容积大、制造精度低且当输送高温、高粘度或低粘度、高饱和蒸汽压的液体介质或介质中含气量大、含有固体颗粒时，ηvi应选取较低值；反之，可取较高值。
ηvi的一般取值范围是：当输送常温清水时，ηvi =0.77～0.97；当输送石油产品、热水、液化烃等介质时，ηvi =0.52～0.77；当输送空气时，ηvi =0.23～0.52。
2.柱塞平均速度的选择
Figure 514145DEST_PATH_IMAGE040
的大小直接影响抽气装置各运动副零、部件的摩擦和磨损，特别是对隔膜片及其密封这一对运动副的影响尤为显著。
Figure 165706DEST_PATH_IMAGE040
不应选择过大。过大，摩擦和磨损严重，特别是当隔膜片及其密封一旦严重磨损，泄露就将增加，流量下降，排出压力也不能达到额定值。
Figure 356964DEST_PATH_IMAGE040
也不应选取过小，要获得一定的
Figure 653560DEST_PATH_IMAGE008
值，当
Figure 492334DEST_PATH_IMAGE040
一经确定，
Figure 759368DEST_PATH_IMAGE014
即为确定值。如果
Figure 706070DEST_PATH_IMAGE040
选取过小，
Figure 860102DEST_PATH_IMAGE014
值必然较大。这样一来，不仅使液力端径向尺寸增加，而且因隔膜力是和成正比的，传动端受力也随之骤增，从而回使抽气装置的总体尺寸和重量增大。
为了提供
Figure 866848DEST_PATH_IMAGE040
的定量选取范围，对目前已经投入生产的若干常见抽气装置型进行了统计和分析，得到了以下的经验公式。由统计可知，
Figure 108922DEST_PATH_IMAGE040
大小主要与折合成单联单作用抽气装置的有效功率
Figure 380110DEST_PATH_IMAGE046
有关，即：    
                         
Figure 809954DEST_PATH_IMAGE048
                        (22)
式中
Figure 536733DEST_PATH_IMAGE040
—活塞平均速度，m/s
Figure 77435DEST_PATH_IMAGE050
—统计系数，K t 取0.15~0.6。
k D —经验系数，为减小隔膜片直径，通常k D 取1.05~1.2。
Figure 468709DEST_PATH_IMAGE046
—折合成单联单作用抽气装置的有效功率，kw
      
Figure 554608DEST_PATH_IMAGE046
=
Figure 283530DEST_PATH_IMAGE052
≈              (23)
式中
Figure 608124DEST_PATH_IMAGE008
—抽气装置的流量，L/min，当选取um时，可近似带入理论流量
Figure 864924DEST_PATH_IMAGE056
；
Figure 81142DEST_PATH_IMAGE044
—抽气装置的排出压力，kgf/cm2；
—抽气装置的吸入压力，kgf/cm2，当
Figure 814666DEST_PATH_IMAGE044
>>
Figure 757215DEST_PATH_IMAGE058
或
Figure 942952DEST_PATH_IMAGE058
为常压时，全压力
Figure 363569DEST_PATH_IMAGE044
-
Figure 586871DEST_PATH_IMAGE058
≈
Figure 182544DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 107775DEST_PATH_IMAGE020
—抽气装置的联数（隔膜片数）；
Figure 82815DEST_PATH_IMAGE022
—系数，
Figure 409891DEST_PATH_IMAGE024
对于单作用抽气装置，
Figure 442045DEST_PATH_IMAGE060
=1，=0，对双作用抽气装置，
Figure 367724DEST_PATH_IMAGE060
<1，0<
Figure 297109DEST_PATH_IMAGE022
<1；
3.每分钟往复次数n和行程长度S的选定
Figure 752361DEST_PATH_IMAGE040
选定后，隔膜片直径即为确定值。但因
Figure 402916DEST_PATH_IMAGE040
=
Figure 969027DEST_PATH_IMAGE018
Figure 752919DEST_PATH_IMAGE016
/30，所以，必须再确定一个
Figure 129805DEST_PATH_IMAGE018
或
Figure 516924DEST_PATH_IMAGE016
，才能最后确定
Figure 368949DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 525124DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 72911DEST_PATH_IMAGE014
的组合方案。此时可先选取
Figure 681747DEST_PATH_IMAGE018
，尔后再确定
Figure 649917DEST_PATH_IMAGE016
。
Figure 411330DEST_PATH_IMAGE018
值选取的一般原则：
（1）隔膜式抽气装置要比活塞式取较低的
Figure 379286DEST_PATH_IMAGE018
值； 
（2）吸入性能要求高的抽气装置，应取较低的
Figure 223221DEST_PATH_IMAGE018
值；反之可取较高的
Figure 669246DEST_PATH_IMAGE018
值。因为，提高抽气装置吸入性能虽然有许多途径，但最有效的途径还是降低
Figure 550745DEST_PATH_IMAGE018
值；
（3）活塞直径大，程径比
Figure 437405DEST_PATH_IMAGE042
大，连杆比
Figure DEST_PATH_IMAGE116
大的，应取低值；反之，可取较高值；
（4）直接作用抽气装置应比机动泵的值低；
（5）单缸抽气装置应比多缸泵的
Figure 754358DEST_PATH_IMAGE018
值低；
（6）短期、间断性工作的抽气装置，
Figure 814849DEST_PATH_IMAGE018
可高些；长期、连续工作的泵，
Figure 885573DEST_PATH_IMAGE018
值应低些；
（7）卧式抽气装置应比立式泵的n值低些。
抽气装置的冲次
Figure 686783DEST_PATH_IMAGE018
的一般取值范围n=20～100/min，提高n是减小抽气装置尺寸和重量的最有效途径，同时为了更好地提高抽气装置的吸入性能，n建议取55/min。
根据
Figure 526563DEST_PATH_IMAGE040
=
Figure 757955DEST_PATH_IMAGE062
 得
        
Figure 50396DEST_PATH_IMAGE016
=
Figure 655296DEST_PATH_IMAGE064
                       (24)
4.活塞盘直径
Figure 100315DEST_PATH_IMAGE066
的确定
   
Figure 751876DEST_PATH_IMAGE068
                   (25)
Figure 544996DEST_PATH_IMAGE014
值应按国家规定标准尺寸序列圆整。
5.程径比
Figure 940205DEST_PATH_IMAGE070
的选择
值反映了抽气装置机组总体宽度和长度的关系，
Figure 327772DEST_PATH_IMAGE042
值大，总体则窄而长；
Figure 342608DEST_PATH_IMAGE042
值小，总体则宽而短。可见
Figure 26661DEST_PATH_IMAGE042
值选取得当，会使总体尺寸长、宽适称，外形美观且得到尺寸小，重量轻的综合效果。
Figure 695540DEST_PATH_IMAGE042
值选取的一般原则：
（1）
Figure 702286DEST_PATH_IMAGE018
值高时，取较小值；反之取较大值；
（2）排出压力大时，
Figure 944360DEST_PATH_IMAGE042
取大值；反之取小值。
Figure 467745DEST_PATH_IMAGE042
值的一般取值范围是
Figure 379813DEST_PATH_IMAGE042
=1.2～3.2。当n值很高时，有的取=0.7~1.2；对于高压或超高压泵，
Figure 912873DEST_PATH_IMAGE042
值可能大到Ψ=4～11。
程径比: 
                                          (26)
6. 抽气装置的理论流量：
              (27)
7.排气平衡时活塞盘与腔体间隙a的确定
排气平衡时上腔体积
Figure 853388DEST_PATH_IMAGE076
Figure 443562DEST_PATH_IMAGE080
                                                        (28)
式中D 3 —腔体盘内径，D 3 =1.08D，m；
此时上腔压力P a 和上腔体积V a 满足：
             P a V a =K a                                          (29)
考虑到排气阀门的阻力，P a =k a P 1 ，k a =1.07，P 1 为大气压。
Figure 198897DEST_PATH_IMAGE082
                                                     (30)
Figure 415115DEST_PATH_IMAGE084
                                                     (31)
8.吸气平衡时活塞盘与腔体间隙b的确定
Figure 45423DEST_PATH_IMAGE086
Figure 148639DEST_PATH_IMAGE088
                                            (32)
此时上腔压力P b 和上腔体积V b 满足：
       P b V b =K b                                               (33)
考虑到排气阀门的阻力，P b =k b P 1 ，k b =1.07，P 1 为大气压。
Figure 825608DEST_PATH_IMAGE090
                                          (34)
                                                  (35)
9.最大真空度P的确定
排气时下腔的体积Vab
Figure 697542DEST_PATH_IMAGE094
                                     (36)
P ab V ab =K ab                                        (37)
Figure 655265DEST_PATH_IMAGE096
(38)
Kp1,Kp2为各级压力损失系数，取值范围为0.88~0.98。
10.吸入和排出管内径d1、d2的选取
这两值的选取主要取决于吸入、排出管内径介质的流速
Figure 768714DEST_PATH_IMAGE098
和
Figure 441748DEST_PATH_IMAGE100
。
Figure 416788DEST_PATH_IMAGE098
、
Figure 743864DEST_PATH_IMAGE100
过大，水力阻力损失过大，消耗的能量多，抽气装置的吸入性能差，而且容易产生液缸内的空化和汽蚀以及抽气装置的过流量现象；
Figure 822893DEST_PATH_IMAGE098
、
Figure 969840DEST_PATH_IMAGE100
过小，管路和液力端尺寸较大。在该抽气装置中，通常要限制、值，尤其是
Figure 133209DEST_PATH_IMAGE098
值限制更重要。一般取值范围是：
Figure 783764DEST_PATH_IMAGE098
=1～2.6 m/s, 
Figure 349875DEST_PATH_IMAGE100
=1.0～2.9 m/s。取
Figure 133767DEST_PATH_IMAGE098
=1.6 m/s,
Figure 759920DEST_PATH_IMAGE100
=2.4 m/s 。
Figure 632192DEST_PATH_IMAGE098
、
Figure 749797DEST_PATH_IMAGE100
选定后，
Figure 905971DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 453759DEST_PATH_IMAGE036
即可确定：
    
Figure 62594DEST_PATH_IMAGE034
=
Figure 718310DEST_PATH_IMAGE102
                          (39)
    =
Figure 447680DEST_PATH_IMAGE104
                          (40)
通过以上公式确定抽气装置的主要参数，以实现设计的该抽气装置具有结构简单紧凑，体积小，可靠性高，具有良好的自吸性能等特点。
通过关系式来调整抽气装置几何参数，吸入管内径d1，排出管内径d2，活塞盘直径D，排气平衡时活塞盘与腔体间隙a，吸气平衡时活塞盘与腔体间隙b，使其具有结构简单紧凑，体积小，可靠性高，具有良好的自吸性能等特点，以达到便于搬运、安装、检查、保养和维修。根据实施例的三级抽气装置性能满足工艺对流量、最大真空度的要求。

Claims (9)

1.一种二级抽气装置的设计方法，其特征是，通过以下几个关系式来确定抽气装置几何参数，吸入管内径d1，排出管内径d2，活塞盘直径D，排气平衡时活塞盘与腔体间隙a，吸气平衡时活塞盘与腔体间隙b，具体为：
Figure DEST_PATH_331638DEST_PATH_IMAGE001
  
     
Figure DEST_PATH_321503DEST_PATH_IMAGE002
  
Figure DEST_PATH_930339DEST_PATH_IMAGE003
式中
Figure DEST_PATH_103831DEST_PATH_IMAGE004
—抽气装置的实际流量，m3/s；
Figure DEST_PATH_114513DEST_PATH_IMAGE005
—抽气装置的理论流量，m3/s；
ηvi—i级抽气装置的容积效率，i=1,2；
—活塞盘截面积，㎡；
Figure DEST_PATH_116284DEST_PATH_IMAGE007
—活塞盘直径，m；
D 2 —上下腔内径，通过实际测绘上下腔内径D 2 =1.12D，m；
L—上下腔高度，m；
M—活塞盘厚度,m；
a—排气临界时活塞盘与上壁面宽度，m；
b—吸气临界时活塞盘与下壁面宽度，m；
t—隔膜片厚度，m;
h—隔膜行程，h=L-(0.5M+0.5t+b)-(a+0.5M-0.5t)=L-(M+a+b), m；
Figure DEST_PATH_827888DEST_PATH_IMAGE008
—活塞盘行程长度，m；
k1—隔膜片刚性系数，k1=0.95；
k2—空气压缩系数，k2=0.90;
—活塞盘的每分钟往复次数,spm；
Figure DEST_PATH_18884DEST_PATH_IMAGE010
—抽气装置的联数（活塞盘数）；
Figure DEST_PATH_602312DEST_PATH_IMAGE011
—系数，
Figure DEST_PATH_852027DEST_PATH_IMAGE012
（
Figure DEST_PATH_774984DEST_PATH_IMAGE013
——活塞盘连杆截面积，㎡），单作用抽气装置，
Figure DEST_PATH_155467DEST_PATH_IMAGE015
；
—活塞盘平均速度，m/s；
                                               (1)
                     
Figure DEST_PATH_235604DEST_PATH_IMAGE017
                          (2)
式中
Figure DEST_PATH_716264DEST_PATH_IMAGE018
—统计系数，K t 取0.15~0.6；
k D —经验系数，为减小隔膜片直径，通常k D 取1.05~1.2；
Figure DEST_PATH_8705DEST_PATH_IMAGE019
—折合成单联单作用抽气装置的有效功率，kw
       
Figure DEST_PATH_803486DEST_PATH_IMAGE019
=
Figure DEST_PATH_497772DEST_PATH_IMAGE020
≈
Figure DEST_PATH_149334DEST_PATH_IMAGE021
              (3)
式中
Figure DEST_PATH_381601DEST_PATH_IMAGE004
—抽气装置的流量，L/min，当选取um时，可近似带入理论流量
Figure DEST_PATH_776810DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure DEST_PATH_325603DEST_PATH_IMAGE023
—抽气装置的排出压力，kgf/cm2；
Figure DEST_PATH_413645DEST_PATH_IMAGE024
—抽气装置的吸入压力，kgf/cm2，当>>
Figure DEST_PATH_817261DEST_PATH_IMAGE024
或
Figure DEST_PATH_220561DEST_PATH_IMAGE024
为常压时，全压力
Figure DEST_PATH_479504DEST_PATH_IMAGE023
-≈
Figure DEST_PATH_157796DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure DEST_PATH_681181DEST_PATH_IMAGE010
—抽气装置的联数（隔膜片数）；
Figure DEST_PATH_111025DEST_PATH_IMAGE011
—系数，
Figure DEST_PATH_24755DEST_PATH_IMAGE012
对于单作用抽气装置，
Figure DEST_PATH_565457DEST_PATH_IMAGE025
=1，=0，对双作用抽气装置，
Figure DEST_PATH_731045DEST_PATH_IMAGE025
<1，0<
Figure DEST_PATH_459967DEST_PATH_IMAGE011
<1；
               
Figure DEST_PATH_538781DEST_PATH_IMAGE008
=
Figure DEST_PATH_36759DEST_PATH_IMAGE026
                         (4)
         
Figure DEST_PATH_480510DEST_PATH_IMAGE027
                      (5)               
         
Figure DEST_PATH_696727DEST_PATH_IMAGE028
                                 (6)
   
Figure DEST_PATH_579233DEST_PATH_IMAGE029
           (7)
Figure DEST_PATH_931717DEST_PATH_IMAGE030
                                                     (8)
Figure DEST_PATH_61216DEST_PATH_IMAGE031
                                                     (9)
Figure DEST_PATH_499150DEST_PATH_IMAGE032
                                     (10)
         P a V a =K a                                    (11)
       P b V b =K b                                     (12)
       P ab V ab =K ab                                  (13)
Figure DEST_PATH_919767DEST_PATH_IMAGE033
   (14)
Figure DEST_PATH_392337DEST_PATH_IMAGE034
=
Figure DEST_PATH_177890DEST_PATH_IMAGE035
                  (15)
Figure DEST_PATH_103121DEST_PATH_IMAGE036
=
Figure DEST_PATH_327429DEST_PATH_IMAGE037
                  (16)。
2.根据权利要求1所述的一种二级抽气装置的设计方法，其特征是，
Figure DEST_PATH_841456DEST_PATH_IMAGE038
的取值范围是：当输送常温清水时，ηvi =0.77～0.97；当输送石油产品、热水、液化烃等介质时，ηvi =0.52～0.77；当输送空气时，ηvi =0.23～0.52。
3.根据权利要求1所述的一种二级抽气装置的设计方法，其特征是，往复式隔膜泵的冲次的取值范围n=20～100/min，最优为n取55/min。
4.根据权利要求1所述的一种二级抽气装置的设计方法，其特征是，
Figure DEST_PATH_538333DEST_PATH_IMAGE039
值的取值范围是
Figure DEST_PATH_300753DEST_PATH_IMAGE039
=1.2～3.2。
5.根据权利要求1所述的一种二级抽气装置的设计方法，其特征是，吸入和排出管内径d1、d2的选取取决于吸入、排出管内径介质的流速
Figure DEST_PATH_420019DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure DEST_PATH_875271DEST_PATH_IMAGE041
，在该抽气装置，要限制、值；取值范围是：=1～2.6 m/s, =1.0～2.9 m/s；最优为取=1.6 m/s, 
Figure DEST_PATH_675879DEST_PATH_IMAGE041
=2.4 m/s。
6.根据权利要求1所述的一种二级抽气装置的设计方法，其特征是，通过实际测绘上下腔内径D 2 =1.12D，通过实际测绘腔体盘内径D 3 =1.08D。
7.根据权利要求1所述的一种二级抽气装置的设计方法，其特征是，排气阀门的阻力系数k a =1.07，k b =1.07。
8.根据权利要求1所述的一种二级抽气装置的设计方法，其特征是，隔膜片刚性系数k1=0.95，空气压缩系数k2=0.90。
9.根据权利要求1所述的一种二级抽气装置的设计方法，其特征是，各级压力损失系数Kp1,Kp2,Kp3，取值范围为0.88~0.98。
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CN105351174A (zh) * 2015-11-18 2016-02-24 安徽工程大学 一种隔膜泵
CN105351175A (zh) * 2015-11-18 2016-02-24 安徽工程大学 一种非圆齿轮传动的隔膜泵
CN105351175B (zh) * 2015-11-18 2018-01-23 安徽工程大学 一种非圆齿轮传动的隔膜泵

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