泥浆输送设备

在非金属矿产加工生产中，物料的湿法细磨、分级、压滤脱水等许多地方都要用泥浆输送设备。对于各种不同的用途，泥浆输送设备有离心式和容积式两种。前者如叶轮式泥浆泵、砂泵；后者如往复式隔膜泵、螺杆泵等。

一、离心式泥浆泵

（一）离心式泥浆泵的工作原理

离心式泥浆泵又名砂泵，其结构与离心式水泵相似，如图6-7所示。

图6-7　离心式泥浆泵

1-联轴器；2-主轴；3-轴承座；4-轴承；5-填料压盖；6-轴套；7-水封填料箱；8-平衡盘；9-后衬套；10-叶轮；11-前衬套；12-前壳体；13-后壳体；14-机座

在泥浆泵的壳体内有一个叶轮10，被安装在直接与电动机轴相联或为传动装置带动的旋转主轴上。叶轮上有数片均匀分布的形状特殊的叶片，在叶片间形成了泥浆的通道。泵壳为螺旋形蜗壳。泥浆进口管安于壳体的轴心处，泥浆出口管装在壳体的切线方向上。

当叶轮随主轴高速旋转时，壳体内泥浆受叶片的推动，跟随旋转，产生了很大的离心力，这种离心力所具有的压强，即为叶轮处泥浆的动压头。当泥浆流到壳体出口处时，流道扩大流速降低，于是部分动压头转化为静压头，当此压头高于泵外系统的压头时，泥浆就被排出泵外。

随着泵内泥浆的排出，叶轮中部逐渐降为负压，于是机外的泥浆被吸入，砂泵就是这样把泥浆不断地吸入和排出，进行着输送工作。

由离心泵的工作原理可见，泵的压头是随着叶轮直径和转速的增加而增大的，但受到泵用材料强度、制造精度、耗用功率等方面的影响，离心泵叶轮直径不宜过大，转速不宜过高，因此，离心式泥浆泵的压力不能很高，单级泵的压力，一般不超过0.2MPa。

（二）主要结构部件和特点

1.叶轮

叶轮10是直接作用于泥浆的部件，要求它有足够的强度和耐磨性。它选用耐磨材料制造，如灰口铸铁、高硅铸铁、镍铬铸铁、铸钢、钛合金、天然橡胶和合成橡胶等。一般采用开式和半开式叶轮，为加强叶片的刚性和强度，也可采用闭式叶轮。叶轮内的流道宽大平滑，叶片短厚而片少（2～4片）。

在叶轮前后盖板上还制有径向或旋转方向凸出的付叶片，用于防止固体颗粒进入轴封装置。

在叶轮的后盖板上应开4～6个小孔，使叶轮后方与吸入口处的压力尽量一致，以达到平衡轴向力的目的。这种开平衡孔办法简单易行，但会引起泥浆回流，泵送效率降低，同时仍有10%～25%的轴向力得不到平衡。采用安装盘8的办法，可进一步平衡轴向力。

2.壳体

离心式泥浆泵的壳体，内部曲线平滑，流道宽大，壳体内密封环（图6-7中密封环已与前衬套整体制造）与叶轮进口处外缘的间隙较大。一般把壳体做成剖分式结构，即分成前壳体12和后壳体13，以便于清洗和处理阻塞事故。装配时，壳体的中心线与叶轮旋转中心线重合。在壳体内表面，还分别衬有前壳护板衬套11和后壳护板衬套9，这些橡胶质的护板衬套有较好的耐磨性，容易更换，对壳体起保护作用。

壳体内环形通道截面的变化较小，外形近似圆盘形，泵送的效率较低。

为了保证泥浆泵在整个使用期间不因部件的磨损而降低送浆效率，可装设叶轮与壳体间隙的调整机构。

为了在泵的使用过程中及时清除堵塞物，应在壳体的适当位置开设检修孔。在剖分式壳体上采用摇臂连接方式，有利于快速装拆。

3.主轴与轴承

主轴使用碳素钢等材料制成，有足够刚性和强度。如在它的轴封部位上加装耐磨材料制成的轴套，则可提高其使用寿命。主轴一端通过法兰式挠性联轴器1与电机转轴相联，主轴的另一端装着叶轮10。整个主轴用轴承4安装在泥浆泵的机座14上。

因为离心泵工作时有轴向力存在，所以安装主轴的轴承应选用止推滚动轴承。如果轴向力不大或泵的功率较少，也可以选用径向滚动轴承或巴氏合金衬里的滑动轴承。

4.轴封装置

在旋转主轴与固定壳体的交接处，必须有轴封装置，它对泵的使用情况和泵送效率有很大的影响，多数采用简单的压盖填料箱轴封装置。带水封环的填料箱结构效果较好。

填料箱安装在壳体上，或与壳体整体制造。填料又称盘根，是一种用浸透润滑油脂的棉麻纤维或合成纤维制成的软填料，或是在纤维中加入软金属的半金属填料，或在纤维中混入石墨、石棉等制成填料。轴封的严密性用松紧填料压盖的方法来保证。压盖常用青铜等耐磨材料制成。在水封环中注入干净的水，使填料箱得到经常的冲洗，这样即使有固体颗粒进入填料箱，也会被及时排出，以延长填料寿命，避免主轴表面的磨损。

（三）离心式泥浆泵的使用

1.这种泵是依靠叶轮带动泥浆旋转，使其产生离心力来工作的，泥浆在离心力作用下所产生的压力为

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式中　ρ——泥浆密度（g/cm3）；

ω——泥浆旋转角速度（rad）；

r——泥浆旋转半径（m）。

可见，离心力所产生的压力与该流体的密度成正比。如果泥浆中含有较多空气，那末泵送这种泥浆时所产生的压力就很小，甚至难以送出去，这就是“气缚”现象。所以在开泵以前，泵内和吸入管内必须充满泥浆，排除空气。也可将泵体置于受吸液面之下，让泥浆自己流入泵内，免去了“灌泵”操作。

2.保证有良好的轴封，防止空气漏入泵体，调紧填料压盖可加强轴封的严密性。但调得过紧，会因填料与主轴摩擦阻力急剧增大而使主轴无法转动。

3.安装吸入管时应尽量少用弯管和接头，以免影响吸入高度，管道接口处要严密无缝，不能漏气，可用肥皂水作泄漏试验。吸入管上不能产生有留气体的“气袋”。

4.根据离心泵的特性曲线，泥浆输送量可用出浆管道上的阀门进行调节。

5.离心式泥浆泵是一种高速转动的机械，主轴可以与电机轴直联，但须注意两轴对中整个设备应在同一基础，不与其它基础相连，以免发生共振。

6.配管（吸入管，输浆管）应有其它构件支撑，避免壳体荷载过重。

（四）主要性能

现在我国此类泵产品有PN型泥浆泵，用来输送最大浓度按重量计不超过50%～60%浓度的泥浆或含砂浆；PS型砂泵，输送含固体物质按重量计不超过65%的含砂量或污浊液体。它们的规格、性能见表6-7、表6-8，性能曲线见图6-8、图6-9。

二、往复隔膜式泥浆泵

往复隔膜泥浆泵简称隔膜泵。

普通结构的隔膜泵能输出压力为0.8～1.2MPa的流体，在非金属矿产加工生产中常用隔膜泵为压滤机供浆。一般泵送的压力越高，过滤效率越高，榨取的泥料含水率越低。我国能制造输送压力为2MPa以上的隔膜泵。

（一）隔膜泵的结构

表6-7　PN型泥浆泵规格性能（摘）

注：1、2、3、4为出口径毫米数被25除所得整数值；P为杂质泵；N为泥浆泵。

表6-8　PS型砂泵性能（摘）

注： 、4为出口径毫米数被25除所得整数值；P为杂质泵；S为砂泵。

图6-8　2PN型泥浆泵性能曲线图

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按缸体数目不同，隔膜泵有单缸泵、双缸泵和多缸泵。双缸泵比单缸泵的生产能力大，输浆的速度和压力较均匀，因此，电机的负荷也较均匀。多缸泵的性能则更好，如相位差为120。的三缸泵，其瞬间最小流量约为平均流量的87%，瞬时最大流量为平均流量的106%。但多缸泵结构比较复杂，造价较高。目前使用最广泛的是双缸隔膜泵，它的结构如图6-10所示。

双缸泵实质上是由二个单缸泵组合的，把二个泵送系统对称地安装在机架两侧，共用电动机、机械传动机构、进浆管道和出料管道。所以只要剖析其中一个泵送系统就可以了。

它的结构部件主要有机架、机械传动系统、柱塞和柱塞缸、隔膜和隔膜室、阀门和阀门室、空气室、压力调节器等。

1.机架

它是安装和支承机械传动系统和泥浆输送系统的构件，用铸铁或铸钢整体铸造而成，在其装配面上需经机械加工。也可用钢板焊接而成或用装配式结构。机架的形状有立式喇叭状（图6-10）和立式四棱柱状两种。通过地脚螺丝安装在混凝土基础上，要求机架的制造在保证有足够的刚性和强度前提下，减轻重量，节约材料，缩小外形尺寸。

图6-10　双缸隔膜泵

1-曲柄；2-连杆；3-柱塞；4-压盖；5-填料；6-管道；7-柱塞缸；8-隔膜室；9-隔膜；10-进浆阀；11-阀门室；12-出浆阀；13-管道；14-空气室；15-出浆管；16-电动机；17、18-螺栓；19-贮油筒；20-保险阀；21-输油阀

2.机械传动系统

隔膜泵的送液作用，首先是由于泵体上柱塞3往复运动而获得。根据机械运动原理，柱塞在曲柄连杆机构带动下作往复运动时，往复的频率，或者说曲柄轴的转速是受到一定限制的。为不使这种往复运动产生过大的惯性冲击力，在负荷较大的情况下，通常要求曲柄轴的转速小于60r/min。所以隔膜泵的传动系统，在传递动力的同时还必须有一定的减速比。

隔膜泵上的机械传动系统有减速器传动和皮带传动两种形式。图6-10所示为减速器传动。电动机与减速器都安装在泵体的机架上。电动机16的主轴与减速器输入轴相联。减速器的输出轴上安装着曲柄1，当曲柄旋转时，连杆2和柱塞3作上下往复运动。这种形式使整个设备结构紧凑，外形美观；皮带传动机构，是电动机经二级皮带轮传动使曲柄旋转的机构，挠性皮带对设备有一定的保险作用，直径与重量较大的皮带轮有飞轮作用，使电机负荷比较均匀，且具有加工比较容易等优点。其缺点是设备笨重，外形尺寸和占地面积较大。

3.柱塞和柱塞缸

圆柱形的柱塞3是一条钢柱（铸铁空心件），它可以在柱塞缸7内作上下往复运动，柱塞与柱塞缸的接触表面，按配合要求作了很好的精加工。为加强它们之间配合紧密度，在柱塞缸的上部安装有压盖填料箱式密封装置，调节紧固螺柱，可使压盖4压紧填料5，增加缸内密封性。柱塞缸下部稍有扩大，内贮液压油，一侧有孔径管道6与压力调节器的贮油筒19底部相通，另一侧有孔与隔膜室8的右半室相通。

4.隔膜和隔膜室

隔膜室8中的隔膜9是这种往复式泥浆泵的特有部件。隔膜通常是一块厚10～25mm的圆形橡皮。有很好的强度和柔软性，耐热、耐油。选用Ⅰ-1组低硬度耐油橡胶比较适宜，它的拉断力不小于8MPa，拉断伸长率不小于350%，拉断永久变形不大于30%。隔膜把隔膜室分成左右两室，右室径孔板通柱塞缸，左室径孔板通阀门室11。所以，隔膜把机械活动部分与泥浆输送部分隔离开来，使隔膜泵具有耐磨、使用寿命长、容易清洗、不易堵塞等优点。

5.阀门和阀门室

在阀门室11中有进浆阀10和出浆阀12。进浆阀下方与进浆管道相连；出浆阀上方与出浆管道13及空气室14相连，对阀门的要求是：①阀的流通面积较大，对液流的阻力较小；②阀的闭启灵活自如。关闭时，阀体与阀座之间的接触严密无泄漏，开启时，阀体离阀座的距离适当，容易复位；③阀体本身重量恰当，当依靠其自重落在阀座上时，冲击力小。同时，不会轻易离位，阀门闭合良好；④阀的强度、刚性耐磨性好，在承受相当大压力时，不会变形和破坏。在受泥浆多次冲击后，仍能保持原形；⑤进浆阀和出浆阀可以互换。

目前常用的有球形阀和平板阀两种，它们都是单向阀。依靠液压向上顶开，依靠自重落下复位。有些泵在阀座上方的阀门室里，装有挡盖，用以限制阀体离座的距离。为检修、安装、清洗的方便，阀门室上开有检修孔，平时用盖板封闭着。

6.空气室

空气室是一个圆球形（或圆柱形等）的中空壳体，内部充填着一定压力（一般为大气压）的空气。空气室底部与阀门室和出浆管相通，空气室顶部装有指示输浆压力的压力表。

由于柱塞在整个冲程中的往复运动是变速运动，所以隔膜泵送浆的瞬时压力与流量会随着时间有相应的起伏变化。这种不均匀的脉动输液情况，说明液体在通过泵体和配管时有加速度存在。由加速度所产生的阻抗，会增加泵用电机的消耗功率，并引起液流冲击，加剧管道磨损，缩短设备使用寿命，还使泵体和配管产生振动，发生噪音。为了缓和这种脉动情况，采取了一些措施，如将单缸泵改为双缸泵或多缸泵，安装弹簧式缓冲装置等，设置空气室则是一种最简单而有效的办法。

在泵的排出冲程、出浆管道中压力增大时，封闭在空气室中的空气被压缩，吸收部分压力能，贮存部分液体，使管道内的压力和流量不会上升得太高；在管道中压力逐步降低时，被压缩的气体膨胀，释放出压力能。贮存的液体补充到管道的液流中，使出浆管道内的压力和流量不会迅速减少。所以，空气室好似电路中的滤波器一样，对管道中的液流起到了缓冲脉动作用。

由于泵的脉动输液情况，使压力表指针时常摆动较大，影响压力表使用寿命。为了保护压力表，可安装压力表开关，只在读示压力时才将开关打开。压力表与空气室的连接管最好选用螺旋管，以免操作不慎时泥浆直接喷入表中，影响精度。

7.压力调节器

压力调节器由贮油筒19（图6-10）、保险阀20和输油阀21等组成。贮油筒内装满与柱塞缸中同样的液压油，它的底部经管道6与柱塞缸7相通。保险阀20被压力弹簧压在阀座上，压力大小可由螺旋18调节。输油阀被拉力弹簧拉紧在阀座上，拉力大小由螺旋17调节。

隔膜泵的压力调节过程是这样进行的：当柱塞3向上运动时，柱塞缸内压力降低，形成负压，在外界大气压与缸内压力差值大到足以克服拉力弹簧的拉力时，输油阀21便向下打开，贮油筒内的油液经管道6流入柱塞缸，于是缸内压力不再下降；当柱塞3向下运动时，缸内压力增加，形成正压，当正压值大到足以克服压力弹簧的压力时，保险阀20便被顶开，缸中的油液经管道6排向贮油筒，柱塞缸内压力不再增加。而柱塞缸内的压力是通过隔膜传递给阀门室中泥浆的，缸内压力大小反映了隔膜泵输液压力的大小。所以，只要调节压力弹簧的压力，就可控制泵送泥浆的压力。

由上述情况可见，压力调节器既有调压、保险作用，又有输油、补油作用。

拉力弹簧的正常拉力值按下述步骤调节：

先让柱塞处于冲程的中间位置，在柱塞缸及与缸相通的隔膜室右半部、管道和贮油筒中充满油液，关闭保险阀和输油阀。然后开动电机使柱塞向上运动，并调节输油阀上拉力弹簧的拉力，使柱塞向上运动到极限位置时，输油阀正好仍未打开。这样在以后运转中，若因泄漏等情况造成缸内油量减少而出现更大负压时，输油阀就会打开，向缸中补油，避免缸内压力过低，使隔膜向油缸一侧过分的弯曲变形。

压力弹簧的正常压力应以隔膜泵输液的额定最高压力为标准，或以输液系统所需最高压力为标准进行调节。

隔膜泵的实际输液压力是随负载的阻力而变化的，负载（例如压滤机）的阻力越大，它的输液压力也越大。在理论上，可以提供无限大的压力，可是实际上要受隔膜材料、泵体结构和泵用功率等多种因素的限制。所以，应把压力弹簧的压力调节到柱塞排液冲程时出浆管道压力（有压力表显示）达到规定数值时，柱塞缸内的液压油正好冲开保险阀、排向贮油筒。这样就可防止泵体因出现压力过高而损坏的情况，同时也保证输送的泥浆能达到一定的压力要求。

（二）隔膜泵工作原理

电动机经过机械传动曲柄连杆机构，使柱塞上下往复运动。在柱塞上升时，柱塞缸容积增大，产生部分真空，缸内压力下降，当缸内压力降低至小于阀门室11中的压力时，隔膜9向柱塞缸一侧弯曲变形，这时，阀门室容积逐渐增大，室内压力也随之降低，当出现较大负值时，泥浆在外界大气压作用下经过进浆管道，冲开进浆阀10，进入阀门室。当柱塞下压时，缸内容积减少，压力渐增，并通过油液传递给隔膜，当缸内压力大于阀门室中压力时，隔膜向阀门室一侧弯曲变形，充满在阀门室里的泥浆受到隔膜的推力，压住了单向进浆阀10，当推力大于出浆管道中压力时，泥浆冲开单向出浆阀12，进入输浆管道，排到其它系统去。

只要柱塞不断地上下往复运动，就使泥浆被隔膜泵不停地吸入和输出。

三、隔膜泵的设计计算

（一）生产能力

隔膜泵的生产能力是指泵送液体或泥浆的流量，可按下式计算：

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式中　m——泵缸数目；

Q——单位时间的体积流量（m3/h）；

A——柱塞断面积（m2）， ；

d——柱塞直径（m）；

s——柱塞冲程（m）；等于曲柄长度的一倍；

n——曲柄轴回转速度（r/min）；

ηr——隔膜泵容积系数，ηr＝0.65～0.85。

隔膜泵容积系数的意义是实际排出量与理论排出量的比值。产生（1-ηr）的原因是：①因进浆阀没有完全关闭严密而引起的常时泄漏；②因出浆阀没有完全关闭严密而引起的常时泄漏；③由于进浆阀关闭的迟后，在柱塞排液冲程时，阀门室中的泥浆向进浆管倒流；④由于出浆阀关闭的迟后，在柱塞吸液冲程时，出浆管道中泥浆向阀门室倒流；⑤由于液体（或泥浆）的压缩性而使排液量减少，当用气流搅拌的泥浆被泵送时，由于泥浆中含有较多的空气，这种情况就较为严重；⑥管道及泵体连接处密封不良，造成液体向外部泄漏或空气向泵送系统侵入；⑦隔膜泵的设计、制造质量较差。

（二）功率

隔膜泵的功率主要消耗在泵送泥浆方面，其次消耗在机械传动的摩擦方面，可按下式计算：

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式中　N——功率消耗（kW）；

Q——生产能力（m3/h）；

p——输浆压力（MPa）；

η——机械传动总效率，η＝0.65～0.8。

配用电机的功率较式（6-3）的计算值大20%～30%，再按标准选型。

（三）空气室的容积和壁厚

一般来说，空气室容积大一些，缓冲作用就强一些。但过大了，使设备体型庞大，而且也是不必要的。空气室适宜容积可按下式确定：

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式中　V——空气室容积（m3）；

i——隔膜泵排量变化率，其意义是瞬时最大排量与平均排量的差值和平均排量的比值，单缸为0.55；双缸为0.11；三缸为0.012；

A—柱塞的横断面积（m2）；

s——柱塞冲程（m）；

k——许用脉动变化率，其意义是脉动压力振幅与泵的输液平均压力之比。随工作性质的要求选取。一般取k＝0.01～0.05。如对压滤机供浆时，对脉动要求不高，可取k＝0.05。

空气室的壁厚可根据薄壁容器强度公式计算：

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式中δ——空气室壁厚（mm）；

p——空气室承受的最高压力，按隔膜泵额定最高压力确定（MPa）；

D——空气室内径，按空气室适宜容积确定（mm）；

σ——制造空气室材料的许用应力， ，σb为材料的抗拉强度极限（MPa）；n为安全系数，取n＝5；

C——考虑泥浆对空气室内壁的磨损、腐蚀等因素的放大尺寸，取C＝2～6mm。

当用铸造法制造时，要求壁厚δ＞6mm。

（四）曲柄连杆机构的设计

隔膜泵柱塞的往复运动，通常由电机经减速机构和曲柄连杆机构的传动来实现。

曲柄连杆机构的设计按下述步骤进行：

1.根据所选用电机型号和减速传动的速比，确定曲柄轴的转速n，并要求n＜60r/min。

2.根据隔膜泵的缸数m、柱塞直径d和所需的生产能力Q，确定曲柄长度a（m）。

3.确定连杆长度b。

四、隔膜泵的使用

1.开机前先要检查各运动部件是否有故障，润滑情况是否良好，泵体与配管连接处是否有漏气现象。

2.在柱塞缸和贮油筒中应加满液压油。按输浆压力要求和正确的方法调节好压力调节器中弹簧的弹力。

3.检查阀门情况，并把泥浆灌入阀门室，以利及时送浆。

4.若在出浆管道上装有截止阀，在开机前必须将它打开。为避免产生操作不慎而造成的问题，可在出浆管道上安装安全阀。当管内压力过高时，安全阀自动打开，管内压力不再上升。

5.隔膜泵是一种往复泵，当柱塞往复次数n、冲程s一定时，泵的流量Q就一定。要想改变Q，就应改变n或s，在实际使用时要做到这一点会使泵的结构复杂化。所以，通常调节流量的方法是在出浆管道上安装旁路支管。切忌用出浆管道阀门来调节，否则将造成事故。

6.隔膜泵具有自吸能力，为了防止因泵停止工作时，进浆管内的泥浆自行沉降而发生堵住进浆管底阀，造成第二次起动困难的情况，允许不装底阀。

五、隔膜泵与砂泵的比较

隔膜泵与砂泵的比较如表6-9所列。

表6-9　隔膜泵与砂泵的比较

隔膜泵的技术性能列于表6-10。

表6-10　国产隔膜泵规格和技术性能

六、螺杆泵

螺杆泵又名莫诺泵，适用于输送泥浆悬浮液。按螺杆数不同，有单杆、双杆、三杆等多种结构形式。图6-11为单杆螺杆泵的结构。

螺杆泵的主要结构部件是带有双头螺纹内腔的定子1和带有单头螺纹表面的转子2。定子的螺距为转子螺距的1/2。

在由耐磨橡胶制成的定子内表面与转子外面之间形成了弯曲的孔腔7。当转子转动时，孔腔的形状不断地变化，使泥浆由进浆口A吸入，在转子挤压下，从出浆口B输出。

图6-11　螺杆泵结构图

1-定子；2-转子；3-机体；4-销子；5-连接杆；6-空心转轴；7-孔腔

泵的空心转轴6与电动机直接相连。轴孔中间有一根连接杆5。连接杆的一端以活动铰链结构连接在转轴上，另一端用销子4和活动铰链结构与转子2的一端相接。当电机带动空心转轴旋转时，通过连接杆的传动，使转子2旋转。转速为1500～3000r/min。

这种泵的结构轻巧，外形小，送浆平稳，适应性强，可以与压滤机、喷雾干燥器、注浆成型生产线等配套使用，效果良好。按泵规格型号不同，单杆泵的生产能力为10～500L/min；输浆压力为0.14～1MPa，螺杆愈长，压力愈高。

国产单杆螺杆泵技术性能列于表6-11。

表6-11　部分螺杆泵技术性能