气动隔膜泵自动启停装置的研究与应用

张亮ZHANG Liang

（冀中能源邯郸矿业集团有限公司矿山管理分公司，邯郸 056000）

0 引言

目前，煤矿井下工作面排水方式多采用电动排水和风动排水。但在井下由于地质条件变化，造成巷道高低起伏较多，各个低洼点容易出现积水，不论采取哪种方式，均需要人员经常观察水位、水情，造成劳动资源的浪费；另外电动排水由于动力原因，耗能高，运行过程中设备易损坏，维修费用高，现场使用与风动排水相比较，局限性多。水害作为煤矿五大地质灾害之一，防治水工作非常重要，水泵排水在煤矿始终作为一项重要工作来抓，才能保证现场正常生产。在水泵的选择上，现场主要有电动泵与风动泵两种，电动泵根据功率的不同适合不同的水仓使用，应用范围比较广泛，但是存在一个弊端，电动泵管理不当容易烧坏，修复成本高且耗能量大，气动泵相对而言，动力主要来于高压风力，扬程较小，适合落差相对较小的巷道水仓使用，节能耐用，使用较为广泛。

气动隔膜泵是一种小型排水设备，常用于井下涌水量不大的采掘工作面。采用压缩空气为动力，适用于井下各类复杂和空间狭小的环境，在各种水质中均能正常使用，气动隔膜泵自解决了传统的以电为动力的问题，在煤矿井下快速地推广应用。气动隔膜泵根据使用场合不同、排放的水质不同，分别采用了丁晴橡胶、氯丁橡胶等材料制作。以更好地满足不同场合的需要，均取得了满意的效果。

由于上述气动隔膜泵排水方便、使用安全的特点，因此被广泛应用在煤矿井下水窝排水的工作中，气动隔膜泵采用压缩空气为动力源，用压缩空气驱动中心泵轴在相对的两个膜片之间频繁往复运动，并通过进出口单向阀作用实现介质输送过程。气动隔膜泵工作利用压缩空气给泵提供动力，当水位低于一定程度时，泵已打不出水，但压缩空气还在给泵提供动力，不仅浪费了压风资源、增加了泵的磨损，对安全生产造成隐患。如何能够在水位降低道要求范围内，自动关闭压缩空气，停止泵的工作，使泵的使用寿命延长，研制出一种结构简单、可根据水位情况进行自动启闭的全自动控制气动隔膜泵是本领域技术人员急需解决的技术问题。

1 气动隔膜泵工作原理

井下高压风管中的压缩气体通过高压气动阀门，将压缩空气输入到气动隔膜泵，来驱动气动隔膜泵中间体内连接轴来带动隔膜泵泵体介质室内的膜片工作，做往复拉伸运动来达到自吸介质的作用。气动隔膜泵一般分两种，一种是QBY气动隔膜泵，俗称外置配气阀隔膜泵，从外观上看：泵体中间有一个配气阀和一个导向阀，一般是被称为：“气室”，都设置在隔膜泵的中心部位。另一种是QBK气动隔膜泵，俗称内置配气阀隔膜泵，因为从外观上看：只有中间一个配气阀，其他和QBY气动隔膜泵相同，两边隔排立柱和上下进出口管。介质流动通过两个回流管和外隔膜室，称为“介质室”。介质在通过隔膜泵时，软密封球芯和阀座不停的开关动作，使得每个外隔膜室内的介质只能单向地交替地填充和排出，球芯和阀座对通过的压力差做出反应。并且由于球芯和阀座的软密封形式，还可以通过含小颗粒的介质。

2 气动隔膜泵特性

①气动隔膜泵代替了传统电泵，能够在易燃易爆的环境中使用且成本低。②在各种恶劣的工作环境，如煤矿井下的积水排放、由于积水中的煤渣多，管路易于堵塞，这样对电泵叶轮、泵体磨损较大，电机发热易损。气动隔膜泵可通过较大颗粒煤渣，且排水流量可通过调节高压进气阀进行调整，管道堵塞时自动停止工作，直至通畅。③用压缩空气作为动力，流量随出口阻力的变化而自动调整，适合用于中高粘度的流体。而离心泵的工作点是以水为基准设定好的，如果用于粘度稍高的流体，则需要配套相应的泵体和电机，泵的制造成本大大提高。④气动隔膜泵体积小，适合于井下安装条件受限的狭小空间，不需要专门打设底座，占地面极小，连接高压进气管路和进水、排水管路即可进行工作。可作为移动式物料输送泵。⑤由于气动隔膜泵的特殊结构，能够将物料在输送过程中与外界隔离，适合使用在有危害性、腐蚀性的物料处理中。⑥气动隔膜泵的动力部分和输送部分互不连通，可用于输送化学性质不稳定的流体。很多难以人工完成的工作都可以通过气动隔膜泵来完成，降低了工人劳动强度，间接地保证了工人的人身安全。

3 气动隔膜泵优点

气动隔膜泵具有质量可靠使用震动小、寿命长、噪音低、使用范围广等优点，既能在干净水质环境下工作，又能在含有泥沙、腐蚀性水质环境下工作，具有泥浆泵、离心泵、潜水泵等排水设备的许多优点。

①使用范围广，对水质要求低，能够排放颗粒较大的杂质以及泥沙较多的水质，抽送泥浆、杂质时，对泵磨损较小。②可通过控制阀门大小，来控制扬程、流量。（气压调节在1-8.4bar之间）③采用压缩空气为动力，在井下有有瓦斯涌出及无电源场所均可工作，安全性能高。④气动单向隔膜泵不需灌泵，吸程高达8.8米，扬程达84米，出口压力≧8.4bar。⑤气动隔膜泵抽送介质与泵的运动部件完全隔开，输送的介质不会向外泄漏。因此抽送有毒、易挥发或腐蚀性介质时，不会造成泵体的损坏。⑥体积小，适用于各种井下环境。⑦气动隔膜泵无须用油润滑，即使空转，对泵也无任何影响。⑧气动隔膜泵结构简单、安装、维修方便，介质不会接触到配气阀，联杆等运动部件，杜绝了因部件的磨损而使工作性能下降。⑨能够适应粘稠度较高的水质。（粘度在25000厘泊以下）⑩操作简单、工作可靠、通过开、闭高压控制阀门即可实现气动隔膜泵的工作与停止，具有超载停机功能，如果出现超负荷现象，保护动作，气动隔膜泵停止工作，故障排除，负荷恢复正常后，自动启动运行。

对于涌水量不大，又需经常进行间歇性排水的地点，目前常用的做法是将位于矿井巷道内的气动隔膜泵的压风供风量阀门大小调到合适程度，一直供风，气动隔膜泵24小时不间断地进行排水，这样就导致了矿井压风的浪费，造成压风管网系统压力不足，风锤、风动钻机等风动工具不能正常使用，影响矿井采掘工作面正常的安全生产作业。即目前的排水方法浪费了大量的矿井压风资源，同时也缩短了气动隔膜泵的使用寿命。

针对上述气动隔膜泵排水装置资源浪费严重，且易导致矿井压风压力不足的缺陷，需要研制出根据水仓水位高低，控制气动隔膜泵的开启和关闭，做到有水开泵，无水停泵，无需人工干预的气动隔膜泵自动排水控制装置成为本次研究的课题。

4 研究及实施过程

为实现气动隔膜泵自动控制，实现水满启动水少停泵的原则，我们组织技术人员及气动隔膜泵使用单位技术负责人在现场盯守观察，经过多次试验改进，最终达到最佳使用效果。我们自行研发的气动隔膜泵自动控制排水装置，气动隔膜泵自动控制排水装置包括控制主机、浮漂、压风管、排水管、配重、连杆、气动阀、磁铁、钢珠等。

图2 气动隔膜泵自动控制装置实物图

气动隔膜泵自动控制排水装置特征是所述控制主机连接浮漂和配重，浮漂、配重和连杆位于控制主机的下方，主机阀门进风侧连接进风管，主机阀门出风侧连接气动隔膜泵，主阀进气接头为气动快插接头，易于装配，插接迅速。本发明的优点是水位发生变化时，浮漂和配重根据浮力大小，随水位高低上下浮动，最终通过连杆机构与主机内磁铁作用，控制主机气动阀的阀门开与关，实现风路的瞬通与瞬闭，杜绝了气动隔膜泵连续小风量供风而造成的资源浪费，进而实现气动隔膜泵的工作与停止，实现了气动隔膜泵自动控制。

气动隔膜泵自动控制装置的工作原理：

①水仓水位上升，浮漂在浮力作用下带动配重和连杆向上移动，连杆推动空心杠杆向上抬起，在抬高到一定高度后，空心杠杆内的滚珠在重力作用下向另一侧滚动，压动杠杆磁铁一侧下降，同时在磁铁吸力的作用下快速下降，杠杆上滚轮向下移动，压住气动阀门开关，气动阀门打开，压风通过气动阀门进入气动隔膜泵，气动隔膜泵工作开始排水。②随着排水工作的进行，水仓水位下降，浮漂没有了浮力支撑，在配重的带动下开始随着水面向下移动，当配重重力大于磁铁吸引力时，杠杆带动滚轮向上抬起，松开气动阀门控制开关，气动阀门关闭，气动隔膜泵停止工作。③随着时间推移，水仓内水位又不断上升，气动隔膜泵自动排水控制装置重复步骤①和步骤②，实现水仓内积水的间歇性排放。

图3 气动隔膜泵自动控制装置原理结构示意

气动隔膜泵自动排水控制装置的研制成功，并投入使用以来，从运行情况来看，既不用专人开停泵，又达到了节能的效果，大大节省了资金投入。并且减少了因人为操作不当对设备造成的影响。通过本次尝试，证明此项研发是成功的，值得大力推广。

5 主要技术创新内容

①气动隔膜泵自动控制装置在水位达到上限高度时开启，水位降到下限高度时关闭，实现了气动隔膜泵间歇性排水，与原有的排水装置连续排水方式相比，大大节约了矿井压风的使用量、延长了气动隔膜泵的使用寿命。②不设置专人开停气动隔膜泵泵，降低了人力资源成本，减少了因人为操作不当或责任心不到位造成的误操作。③适用于各种有积水的采掘巷道，无需电源即可完成自动控制排水，配合气动隔膜泵使用，能够实现气动隔膜泵自动开停，做到有水排水无水停泵，杜绝了因气动隔膜泵长期小流量工作，减少了工作时间，有效降低了气动隔膜泵的磨损。

6 实践检验效果

气动隔膜泵自动排水控制装置投入使用以来，克服了电泵易烧坏电机的弊端，符合了节能减排的要求，实现了气动隔膜泵自动化控制，节省了劳动用工，降低了能耗，同时减少了维修量，使用效果好，运行稳定良好，通过使用效果看，气动隔膜泵自动排水控制装置技术研发是成功的。

7 经济效益和社会效益

实践证明，气动隔膜泵自动排水控制装置是切实可行的，气动隔膜泵自动排水控制装置投入运行以后，延长了设备使用寿命、减少了人员投入和维修投入，具有良好的经济效益和社会效益，具有非常高的推广价值。

7.1 经济效益

①气动隔膜泵自动排水控制装置投入应用后，实现了气动隔膜泵间歇性排水，大大节约了矿井压风的使用量、延长了气动隔膜泵的使用寿命，此项预计每年可为矿节约材料费和维修费约30万元。②实现了气动隔膜泵自动开停，做到有水排水无水停泵，无需人工干预，节约了工人工资，此项预计每年可减少工资费用约35万元。通过此项技术研发，可为企业节省费用：30万元+35万元=65万元。

7.2 社会效益

气动隔膜泵自动排水控制装置项目研发成功实施后，增加了排水的可靠性，减少事故隐患，为安全生产打下了坚实的基础，同时节省了劳动用工，降低了能耗，减少了气动隔膜泵维修工作量和维修费用，受到了使用单位的一致好评。气动隔膜泵自动排水控制装置投入使用后，大大减少了因设备停机而造成影响生产的时间，减少了经济损失，降低了维修成本，提高了工作效率。气动隔膜泵自动排水控制装置实施后，大大节约了劳动用工，降低了能源损耗，减少了劳动力成本投入和资源的浪费，提高了工作效率，延长了设备服务年限，提高了工作效率，大大提升了矿井的科技水平与社会形象。

8 技术总结

本课题研究能够自动开停气动隔膜泵的控制装置，该气动隔膜泵自动排水控制装置包括气动隔膜泵和水位自动控制排水装置，水位自动控制装置包括气动控制阀、推杆和可漂浮于水中的浮漂，气动控制阀的进气端与气源相连通，出气端与气动隔膜泵的进气口相连通，连杆的底端与浮漂固定相连以使浮漂可推动连杆升降，连杆的顶端置于控制阀控制端的下方，以使浮漂升起时推杆触动控制阀的启、闭来控制控制气动隔膜泵开停；采用气动主阀和浮漂相结合，用连杆的升降控制气动主阀的通断，使得水位下降至连杆脱离信号阀后气动主阀即关闭，避免气动隔膜泵空转造成能源的浪费和机器的损耗，提高设备使用寿命。本课题研究的创新成果在于：气动隔膜泵自动启停装置结构简单，安装、维修方便，根据水仓水位升降，利用控制器中的连杆机构控制高压气动阀门，可以做到水位升到一定高度后高压气动阀门打开，自动起动气动隔膜泵，水位下降到设定高度后，自动停泵。无需人工操作，减少了隔膜泵的空载损耗，既降低了劳动力成本，又节约了压风资源，延长了气动隔膜泵的使用寿命。