四缸單作用高壓隔膜泵新產品設計研發

姬小東

摘 要： 為填補國內市場上能滿足多噴嘴對置水煤漿氣化技術工藝系統工作需求的煤漿泵的空白，設計并研發了四缸單作用高壓隔膜泵，闡述了泵的結構、關鍵技術以及優勢，并制造出樣機進行了試車驗證，結果顯示，性能合格，運行平穩，對國內煤氣化技術的發展具有重要的意義。

關鍵詞： 多噴嘴對置工藝系統；四缸單作用高壓隔膜泵；試車試驗

中圖分類號：TH323 文獻標識碼：

0 前言

煤炭是我國的主要能源，為了滿足我國能源結構調整的需要，大型煤化工成套設備已被列入今后國家大力發展的16項重大技術裝備任務之一[1]，其中煤氣化技術已成為我國解決能源問題、減少環境污染的戰略選擇[2]。大型高壓隔膜泵是煤氣化技術的核心裝備，是大型煤化工成套設備國產化的關鍵，具有輸送壓力高、輸送流量大、耐高溫、耐磨蝕、易損件壽命高、維修簡便、連續運轉效率高、運行成本低、高效節能環保等優點。然而由于多噴嘴（目前都是四噴嘴）對置水煤漿氣化技術工藝系統操作條件苛刻，對系統連續穩定生產要求很高，加上煤漿泵制造技術比較復雜，因此長期以來煤漿泵基本依靠進口[3-4]，進口產品不僅價格昂貴，而且其性能也不能完全滿足我國自主創新的多噴嘴對置水煤漿氣化技術工藝生產要求。多噴嘴對置工藝系統要求對置的兩個噴嘴需要一臺煤漿泵雙輸出實現同步喂料，目前國內市場上，四噴嘴對置工藝系統中應用的雙喂料泵除采用進口雙缸雙作用泵以外，唯一的國產應用是雙聯三缸泵（單作用隔膜泵），但是雙聯泵體積過大，成本高，安裝困難，易損件多，過于緊湊，檢修空間狹小且操作復雜。針對這一瓶頸問題，本文在能夠滿足應用要求且保留雙聯泵原有優點并克服缺點的基礎上，設計并研發一種能滿足氣化爐喂料工作需求且成本較低的四缸單作用高壓隔膜泵，并制造出樣機進行試車以驗證泵的性能。

1 四缸單作用高壓隔膜泵的結構及關鍵技術

四缸單作用隔膜泵由液力端、動力端、液壓控制系統、電氣控制系統、電機減速機部裝、進料壓力補償系統以及出料壓力補償系統等幾部分組成，其中液力端包括4個隔膜室，4個進料閥，4個出料閥以及4個油缸腔體。工作原理是電動機通過傳動系統帶動四拐曲軸、連桿、十字頭，使旋轉運動轉變為往復直線運動，通過介桿、活塞桿傳遞給活塞。當活塞向后運動時，活塞借助油介質使隔膜向后移動，進料壓力打開進料閥，吸進礦漿充滿隔膜室。當活塞向前運動時，活塞借助油介質將隔膜向前推動，出料閥開，礦漿排出到泵外，從而實現連續不斷的吸排漿過程。

四缸單作用隔膜泵采用新型四拐曲軸動力端為其提供動力，動力端箱體為與之匹配的三支撐動力端箱體，進料閥采用直通閥結構，進料閥箱與進料管聯接形式使用閥箱體與進料管三通一體結構，液壓控制系統采用四油缸補排油技術實現供油。

曲軸是把原動機的旋轉運動轉化為活塞往復運動的重要部件之一[5]。工作時，它將承受周期的交變載荷，產生交變的扭轉應力和彎曲應力，因此也是曲柄連桿機構中重要的受力部件。為研究新型四拐曲軸動力學性能是否滿足要求，首先用ADINA的隱式動力學確定四拐曲軸的最危險工況，然后再對其進行強度分析。設定邊界條件為：輸入端施加徑向約束，輸出端施加軸向約束，支撐上施加全約束，曲軸與支撐之間做接觸，二、四拐上施加30T活塞力。經分析得到的結果顯示，曲軸所受最大應力為65Mpa，低于材料許用應力，所產生的應變也在許用范圍內，滿足強度要求。

箱體主要起支撐與固定作用，也是重要的受力部件之一，為保證其強度滿足要求，根據四拐曲軸的分析，確定箱體的最危險工況，然后在此工況下對其強度進行分析。施加邊界條件，箱體軸承座孔處承受曲軸支反力，按照余弦分布力方式施加，在箱體底面地角螺栓處施加Y、Z方向約束，靠近液力端與缸體聯接面施加X方向約束。經分析得到的結果顯示，箱體的最大應力和最大應變均出現在中間軸承座處，最大應力值為62.838MPa，最大變形值為0.203mm，均在許用范圍內，滿足強度要求。

四缸單作用隔膜泵采用兩個氮氣包組合結構實現出料脈動削弱功能。為使泵的出口脈動率達到應用要求，利用ADINA對泵送水煤漿的出料脈動率進行分析研究，充氣壓力為0.5～0.65倍的工作壓力，經分析得到的結果顯示出口最大流速為2671.38mm/s，最小流速為2643.44mm/s，平均流速為2656.97mm/s，其脈動率為1.05%，滿足工藝要求。

2 四缸單作用高壓隔膜泵的優勢

四缸單作用隔膜泵是作為固液兩相介質輸送的水煤漿氣化關鍵配套設備，該產品具有效率高，運行可靠和成本低等許多優點，有利于節約能源和環境保護。四缸單作用隔膜泵是為煤化工四噴嘴對置工藝系統專門設計的隔膜泵，以取代國外進口設備，實現單作用隔膜泵滿足四噴嘴工藝系統的要求。主要優點有單作用動力端受力更均勻，運轉更平穩；活塞桿不竄油，零故障率；出料補償系統故障率低，檢修方便；各個隔膜室出料量完全相同，流量更加穩定；能夠完成更大流量、壓力的工藝系統需求；關鍵在于售后服務及時方便，價格優勢，服務優勢，備件價格等等取代進口。

3四缸單作用高壓隔膜泵的試車驗證

依照理論設計依據研發制造出四缸單作用高壓隔膜泵樣機，對其進行24小時的清水試車性能試驗。通過驗證，得到泵的各項性能曲線如圖1所示。

由圖1可知，泵樣機的流量維持在100～110m3/h之間，效率均高于80%。將圖1所示結果與標準GB/T7784-2006性能試驗曲線對比分析可知，四缸單作用高壓隔膜泵樣機的試驗結果曲線和結果數據基本與標準示例吻合，性能合格，運行平穩，達到應用要求。

4 結論

1.設計并研發了一種較為理想的能夠滿足四噴嘴工藝系統要求的四缸單作用高壓隔膜泵，并對其結構、關鍵技術以及優勢進行了介紹。

2.依據理論結果制造出泵樣機，并進行了24小時清水試車試驗，結果表明，四缸單作用高壓隔膜泵性能合格，運行平穩，符合要求，為國內煤氣化技術的發展提供了可靠的途徑，打破了國內對置式四噴嘴煤氣化工藝用高壓喂料隔膜泵一直以來被國外設備壟斷的局面。

參考文獻

[1]張洋.高壓隔膜泵液力端流固耦合分析[J].中國新技術新產品，2017（24）：34-36.

[2]吳磊.液動隔膜泵機械結構設計的分析[J].科學技術創新，2017（26）：102-103.

[3]武偉.基于ADINA模擬隔膜泵氮氣包氣囊工作過程[J].中國新技術新產品，2017（1）：78-79.

[4]胡成名.隔膜泵漿體管道振動分析及減振技術[J].管道技術與設備，2016（4）：52-54.

[5]張艷林.隔膜泵曲軸軸承半套過盈裝配壓縮量仿真研究[J].中國新技術新產品，2016（21）：56-57.