固定壓管間隙泵頭與自適應壓管間隙泵頭性能的比較

劉云 李朋浩 王瑞鵬 / 保定雷弗流體科技有限公司

0 引言

蠕動泵作為水質檢測中的重要配套設備，泵頭是流體傳輸系統中的核心部件，對傳輸效果起著至關重要的作用[1]。在長周期運行過程中，如何通過泵頭的設計，彌補易損件——泵管變化帶來的傳輸效果，長期以來一直是蠕動泵行業難題之一。目前業內常見的泵頭為固定壓管間隙泵頭和自適應壓管間隙泵頭，兩種不同設計原理的泵頭，其傳輸效果各有優點。

本文通過試驗驗證，對比兩款不同設計原理多通道泵頭的傳輸性能，分析出兩款泵頭的差異，為選型做指導。

1 泵頭設計原理

壓管間隙是指蠕動泵泵頭的滾輪外圓包絡面與壓塊工作面之間形成的間隙，該間隙的最佳值是蠕動泵泵頭能夠可靠地汲取被輸送液體的間隙。如果由于制造誤差、彈性泵管壁厚誤差等原因使實際間隙偏離該值，則會影響泵的正常吸入量，當間隙過大時甚至會使泵無法工作[2]。反之，當實際間隙小于最佳值時，泵工作在過壓狀態下，過壓狀態雖然不至于影響泵的正常工作，但所需驅動扭矩增大，彈性泵管的磨損隨之加劇，間隙越小，上述現象越嚴重，其結果會造成泵的耗能過大，泵管極易損壞。

1.1 固定壓管間隙泵頭

固定壓管間隙泵頭的設計原理是上壓塊的壓緊力固定，隨著泵頭的長時間運行，壓管間隙不可調節。壓管間隙的調節是在安裝泵管初期時，根據泵管的壁厚尺寸，通過手動調節上壓塊的壓緊位置，從而將壓管間隙固定。隨著泵頭的長時間運行，泵管出現不同程度的磨損，與初始泵頭的壓緊力相比，此時泵頭的壓緊力出現較大的偏差。

1.2 自適應壓管間隙泵頭

自適應壓管間隙泵頭的設計原理是上壓塊的壓緊力可調節，隨著泵頭的長時間運行，壓管間隙通過彈簧本身的自適應設計，壓管間隙可根據泵管壁厚自動調節。隨著泵頭的長時間運行，泵管出現不同程度的磨損，與初始泵頭的壓緊力相比，此時泵頭的壓緊力較接近。

2 基本性能的理論分析對比

泵頭的基本性能主要包含流量準確度、通道一致性、泵管壽命、傳輸壓力等。

2.1 流量準確度

流量準確度即多次傳輸的液量間的波動量，影響流量準確度的因素較多，例如泵管的尺寸、泵管的彈性、泵管的磨損程度、泵頭的穩定性、磨損程度、電機的準確度及穩定性等。隨著泵頭長時間的運行，流量會發生變化。泵管本身的壁厚、內徑尺寸有差異，安裝在不同泵頭上時，表現的流量的變化趨勢是不同的。

對于固定壓管間隙泵頭而言，當壁厚、內徑尺寸有差異的泵管與之適配時，因其壓管間隙固定的特點，隨著運行時間的延長，泵管出現磨損，壁厚變小，泵管的閉合力相差較大，隨之表現出流量的明顯差異。

對于自適應壓管間隙泵頭而言，因其彈性的壓管間隙，可根據不同尺寸的泵頭進行自我調節，隨著泵頭運行時間的延長，泵管出現磨損，壁厚變小，自適應壓管間隙泵頭通過彈性的調節，可適配不同狀態的泵管，隨之表現出流量的相對穩定，流量的準確度稍高。

2.2 通道一致性

通道一致性適用于多通道泵頭，在相同狀態下，各通道的傳輸量的差異性即為通道一致性。影響通道一致性的因素很多，例如泵管壁厚、內徑、硬度的差異，各通道上壓塊的設計及差異，滾輪尺寸的差異等。

對于多通道固定壓管間隙泵頭，因上壓塊的壓管間隙固定，無法根據泵管尺寸的差異進行調節，最終表現出泵管的閉合力不同，從而各通道間的傳輸量有較大差異。

對于多通道自適應壓管間隙泵頭，因上壓塊的彈性自適應特點，可根據不同尺寸的泵管進行自適應調節，從而各通道泵管的閉合力較接近，傳輸量差異較小，通道一致性高于固定壓管間隙泵頭。

2.3 泵管壽命

泵管壽命的表征形式有很多，流量變化率、壓力變化率、外觀破損等均可表征泵管的失效模式。

泵管在上壓塊和滾輪之間不斷的擠壓——回彈——擠壓的循環動作中，外表面與上壓塊、滾輪間有摩擦，泵管處于擠壓的狀態下，內表面與內表面之間也有摩擦。隨著運行時間的延長，泵管經過長時間的內外部的摩擦，內外表面均有磨損，壁厚逐漸變薄，彈性逐漸減弱，隨之流量也將減少。當內表面或外表面的磨損達到一定程度時，泵管的彈性接近于消失的狀態，此時流量幾乎為0，但因泵頭高轉速的運行，仍有部分介質由于慣性傳輸至出口，此時明顯發現，流量變化率極大，泵管出口壓力幾乎為0；當內表面或外表面的磨損出現某一薄弱點時，此薄弱點的應力集中，最終將在此薄弱點出現裂紋、裂口，最終泵管出現破損[3]。破損是泵管失效的最終狀態，在此之前會出現流量的異?；驂毫Φ漠惓?。本文用流量的變化率來表征泵管的失效。

泵管在與固定壓管間隙泵頭適配時，固定壓管間隙泵頭的過壓量是固定值，因泵管之間尺寸存在差異，實際安裝使用時，泵頭上壓塊對尺寸大的泵管的擠壓力大于尺寸小的泵管。隨著運行時間的延長，尺寸大的泵管磨損程度大于尺寸小的泵管的磨損程度，尺寸大的泵管首先會出現破損。

泵管在與自適應壓管間隙泵頭適配時，因上壓塊是彈性自適應設計，與固定壓管間隙泵頭相比較，泵管安裝在自適應壓管間隙泵頭上時，有活動空間，泵管受到的擠壓力小。根據泵管的尺寸，上壓塊可以自動調整壓管間隙，泵管所受到的擠壓力均衡，有效避免了對泵管的過壓，降低了能量消耗。隨著運行時間的延長，各泵管出現不同程度的磨損，彈性上壓塊也會自適應調節，最終的結果是延長了泵管的使用壽命。

2.4 傳輸壓力

泵管在上壓塊和滾輪相互作用的情況下，呈現出擠壓——回彈——擠壓的循環動作。在此過程中，泵管入口壓力為負壓，出口壓力為正壓，在壓力差的作用下，介質通過泵管內壁被輸送至出口，達到傳輸介質的目的。隨著運行時間的延長，泵管表面出現磨損，泵管的壁厚變小，彈性減弱，在上壓塊和滾輪的相互擠壓作用下，泵管的回彈力減弱，泵管內壁的壓力差減小。

泵管與固定壓管間隙泵頭適配時，泵管的表面未經過磨損，在上壓塊和滾輪的相互作用下，初始傳輸壓力最大。隨著運行時間的延長，因壓管間隙固定，泵管的表面被磨損，泵管的壁厚變小，彈性減弱，泵管內壁的壓力差減小。與初始傳輸壓力相比，此時泵管的傳輸壓力變小，當泵管的彈性消失時，泵管內壁的壓力差降至為0，無法實現傳輸介質的目的[4]。

泵管與自適應壓管間隙泵頭適配時，泵管的表面未經磨損，在上壓塊和滾輪的相互作用下，初始傳輸壓力最大。隨著運行時間的延長，泵管的表面磨損，壁厚變小，彈性減弱。因上壓塊的自適應調節的特殊功能，可根據泵管壁厚的變化，自行調節上壓塊的壓管間隙，此時泵管內壁的傳輸壓力與初始傳輸壓力相比，變化不大。隨著泵管磨損程度加深，泵管的彈性逐漸消失，上壓塊無法再通過自行調節壓管間隙達到調整泵管內壁壓力差的目的，此時無法實現傳輸介質的目的。

3 固定壓管間隙泵頭與自適應壓管間隙泵頭基本性能的實驗驗證對比

為了對比固定壓管間隙泵頭與自適應壓管間隙泵頭的各項性能，盡可能提高驗證試驗的可比性，隨機選取固定壓管間隙泵頭DG6 和自適應壓管間隙泵頭DL10 各三臺，安裝同一種材質、同一規格的泵管，進行各項性能的測試。

3.1 流量準確度對比試驗

1）試驗條件及步驟

（1）選取2 臺同款F 型驅動器，內徑為1.3 mm，壁厚為0.85 mm 的聚氯乙烯泵管，根據各泵頭的技術要求，截取規定長度的泵管，安裝對應的卡套，分別安裝在DG6 泵頭的棘輪卡片和DL10 泵頭上，泵管入口、出口保持固定且長度均保持一致，約200 mm，傳輸介質為純凈水。

（2）安裝DG6 泵頭的驅動器選擇流量模式，轉速設置為低轉速，以泵管剛吸水且不回流的狀態為標準，確定棘輪卡片的合適的擋位，后續測試過程中保持不變。

（3）兩臺驅動器全部選擇時間分配模式，運行時長設置為60 s，轉速設置為最高轉速100 rpm，待泵管內壁充滿純凈水后，將天平示值清零，稱量一定時間內的出液量，連續稱量5 次，記錄并計算流量。

（4）將泵管更換為內徑為1.52 mm，壁厚為0.85 mm 的聚氯乙烯泵管，重復上述（1）～（3）步驟。

2）數據處理公式

平均流量=N次測量的流量/N，單位為g/min；

絕對誤差=測量的最大流量值-測量的最小流量值；

流量準確度=絕對誤差/平均流量，單位為%。

3）數據處理

（1）流量數據處理，DG6 泵頭流量數據見表1，DL10 泵頭流量數據見表2。

表1 DG6 泵頭流量數據

表2 DL10 泵頭流量數據

（2）流量準確度對比曲線

DG6 泵頭流量準確度對比見圖1，DL10 泵頭流量準確度對比見圖2。

圖1 DG6 泵頭流量準確度對比曲線

圖2 DL10 泵頭流量準確度對比曲線

4）試驗結果分析

（1）DG6 泵頭安裝1.3×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉速100 rpm，各通道流量準確度范圍1.2%～3.6%。

（2）DG6 泵頭安裝1.52×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉速100 rpm，各通道流量準確度范圍1.5%～3.0%。

（3）DL10 泵頭安裝1.3×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉速100 rpm，各通道流量準確度范圍0.5%～1.0%。

（4）DL10 泵頭安裝1.52×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉速100 rpm，各通道流量準確度范圍0.4%～1.0%。

從試驗結果分析，安裝同種規格同種材質的泵管，在相同的轉速下，連續測量5 次流量，固定壓管間隙泵頭的流量準確度稍低于自適應壓管間隙泵頭的流量準確度，與理論分析基本相符。

3.2 通道一致性對比試驗

1）試驗條件及步驟：同本文3.1 中 1）。

2）數據處理公式：

通道間絕對誤差=通道間平均流量最大值-通道間平均流量最小值；

通道一致性=通道間絕對誤差/各通道流量平均值，單位為%。

3）數據處理

流量數據處理，DG6 泵頭通道一致性數據見表3，DL10 泵頭通道一致性數據見表4。

表3 DG6 泵頭通道一致性數據

表4 DL10 泵頭通道一致性數據

DG6 泵頭與DL10 泵頭通道一致性曲線見圖3。

圖3 DG6 泵頭與DL10 泵頭通道一致性曲線

4）試驗結果分析

（1）DG6 泵頭安裝1.3×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉速100 rpm，通道一致性為3.12%。

（2）DG6 泵頭安裝1.52×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉速100 rpm，通道一致性為2.74%。

（3）DL10 泵頭安裝1.3×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉速100 rpm，通道一致性為2.50%。

（4）DL10 泵頭安裝1.52×0.85 聚氯乙烯泵管，最高轉速100 rpm，通道一致性為2.32%。

從試驗結果分析，安裝同種規格同種材質的泵管，在相同的轉速下，通過連續測量的5 次流量，計算各通道一致性，多通道固定壓管間隙泵頭的通道一致性稍低于多通道自適應壓管間隙泵頭的通道一致性，與理論分析基本相符。

3.3 泵管壽命對比試驗

1）試驗條件

（1）因聚氯乙烯泵管壽命較長，此試驗采用硅膠管。

（2）截取單根長度約500 mm 的內徑為1 mm、壁厚為0.92 mm 的硅膠管，根據各泵頭的技術要求，安裝對應的卡套，分別安裝在DG6 泵頭的棘輪卡片和DL10 泵頭上，泵管入口、出口保持固定且長度均保持一致，約200 mm，傳輸介質為純凈水。

（3）安裝DG6 泵頭的驅動器選擇流量模式，轉速設置為低轉速，以泵管剛吸水且不回流的狀態為標準，確定棘輪卡片合適的擋位，后續測試過程中保持不變。

（4）兩臺驅動器全部選擇流量模式，轉速設置為最高轉速100 rpm，待泵管內壁充滿純凈水后，開始計時，直至泵管出現傳輸水或破損。運行時長即為泵管的壽命。

2）泵管額定壽命計算

據相關驗證，泵管在室溫23 ℃，以600 rpm 的轉速在一個三滾輪的泵頭上進行測試，硅膠管的壽命約75 h。

泵頭的滾輪數越多，轉速越高，泵管磨損就越嚴重；基本可以認為滾輪數、轉速成比例地影響泵管的壽命。

3）數據處理（見表5）

表5 泵管實際運行壽命數據

4）試驗結果分析

（1）DG6 泵頭安裝1×0.92 硅膠管，轉速100 rpm的條件下連續運行，泵管的實際運行壽命不低于240 h。

（2）DL 泵頭安裝1×0.92 硅膠管，轉速100 rpm的條件下連續運行，泵管的實際運行壽命不低于360 h。

（3）從泵管實際運行壽命數據分析，安裝同種規格同種材質的泵管，在相同的轉速下，多通道固定壓管間隙泵頭的泵管壽命低于多通道自適應壓管間隙泵頭的泵管壽命，與理論分析基本相符。

3.4 傳輸壓力對比試驗

1）試驗條件及步驟

（1）同本文3.3 中試驗條件及步驟1）（1）。

（2）同本文3.3 中試驗條件及步驟1）（2）。

（3）兩臺驅動器選擇流量模式，轉速設置為低轉速，待泵管內壁充滿純凈水后，選取其中一根泵管，出口端連接壓力表，測試出口端的壓力。

（4）測試其他所有通道的泵管壓力，并記錄。

（5）將轉速設置為最高轉速100 rpm，開始計時，每連續運行24 h，用本試驗步驟（3）中方法測試每個通道泵管的出口壓力，并記錄，直至任一泵管出現壓力為0，測試終止。

2）數據處理公式

泵管壓力變化=泵管最終壓力-泵管初始壓力，單位為MPa。

3）數據處理

（1）壓力數據處理見表6。

表6 泵管傳輸壓力數據

（2）壓力變化曲線見圖4。

圖4 泵管壓力變化曲線

4）試驗結果分析

通過泵管壓力變化曲線可知，在泵管連續運行至240 h 時，DG6 泵頭出現泵管失效，此時測試DG6 泵頭和DL10 泵頭所有泵管的傳輸壓力，發現與各自通道的初始壓力相比，DL10 泵頭泵管的壓力變化不大，而DG6 泵頭的泵管壓力變化較大，與理論分析基本相符。

4 結語

通過實驗設計驗證，可推斷自適應壓管間隙泵頭DL10 流量準確度、通道一致性、泵管壽命及傳輸壓力等性能均優于固定壓管間隙泵頭DG6，但DL10泵頭因其成本偏高，多用于流動分析儀設備配套使用[5]；DG6 泵頭因其成本低的優勢，使用范圍廣，多用于小流量、多通道流體傳輸場合。