BC800泵車泥漿泵并聯(lián)運(yùn)行的流量脈動(dòng)特性分析

王 杰

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

泥漿泵車作為煤礦井下全液壓定向鉆機(jī)的配套設(shè)備，采用液壓驅(qū)動(dòng)和履帶行走的組合方式，相比傳統(tǒng)的電機(jī)膠帶式泥漿泵，具有搬遷方便，輸出流量無(wú)級(jí)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)在井下定向鉆孔工程中得到廣泛應(yīng)用[1，2]。隨著 “頂板高位大直徑”鉆孔新工藝的不斷推廣[3]，現(xiàn)有泥漿泵車的輸出流量已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)大直徑螺桿鉆具對(duì)動(dòng)力介質(zhì)的流量需求，而高壓大流量的石油鉆井泥漿泵不僅成本昂貴，而且體積和重量過(guò)大，難以在煤礦井下狹小的工作環(huán)境中應(yīng)用。因此，采用雙泥漿泵并聯(lián)工作的形式可以在整機(jī)體積和重量略微增加的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)泥漿泵車輸出流量的大幅提升，是一種技術(shù)可行，成本經(jīng)濟(jì)的解決方案。

泵車搭載的泥漿泵為典型的三柱塞單作用往復(fù)泵結(jié)構(gòu)，在工程應(yīng)用時(shí)，可以忽略其流量脈動(dòng)特性，認(rèn)為其平均輸出流量近似恒定。但兩臺(tái)泥漿泵在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，需考慮其輸出流量的疊加特性，其瞬時(shí)輸出流量隨兩泵的初始相位差和轉(zhuǎn)速的不同表現(xiàn)出復(fù)雜的變化過(guò)程，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)雙泵并聯(lián)輸出的流量特性進(jìn)行理論計(jì)算和分析，采取相應(yīng)的應(yīng)用措施，避免流量脈動(dòng)對(duì)鉆具運(yùn)行的穩(wěn)定性和設(shè)備安全性造成不利影響。

1 BC800泥漿泵車的工作原理

BC800型泥漿泵車在結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由履帶底盤、液壓泵站、電磁啟動(dòng)器、主泥漿泵系統(tǒng)、副泥漿泵系統(tǒng)和水路蓄能器等部分組成[4]，其中，電磁啟動(dòng)器用于控制泥漿泵車上防爆電機(jī)的啟停。履帶式行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了泥漿泵車的自行走，提高了泥漿泵的搬遷效率。結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 BC800泥漿泵車結(jié)構(gòu)布局

整機(jī)采用負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，利用液壓驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)了泥漿泵的輸入轉(zhuǎn)速控制，主、副泥漿泵由液壓馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可以分別調(diào)速，具有單泵運(yùn)行和雙泵運(yùn)行兩種模式，輸出流量可在0～800L/min的范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，最高輸出壓力10MPa，從而滿足煤礦井下定向鉆孔過(guò)程中不同工況下的多種流量需求[5]。

2 三柱塞往復(fù)泵的流量計(jì)算公式

2.1 理論瞬時(shí)流量

三柱塞單作用往復(fù)泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理如圖2所示，包括動(dòng)力端和液力端兩大主要部分，動(dòng)力端采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)將曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成活塞的直線運(yùn)動(dòng)，活塞帶動(dòng)與之相連的液力端柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作腔容積的周期變化，在一個(gè)周期內(nèi)，單個(gè)柱塞完成一次吸排水過(guò)程，三個(gè)相位差2π/3的柱塞交替運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)泵的連續(xù)吸水和排水，在不考慮容積效率的情況下，泵在每一瞬間排出或吸入的流量稱為理論瞬時(shí)流量[6，7]，可由工作腔容積的變化率求得。

圖2 三柱塞往復(fù)泵的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

動(dòng)力端活塞的位移公式為[8]：

式中，r為曲柄半徑；l為連桿長(zhǎng)度，λ=r/l為連桿比；φ為曲柄轉(zhuǎn)角。

活塞速度的計(jì)算公式為：

通常情況下，連桿長(zhǎng)度l≥4r，可近似認(rèn)為1-λ2sin2φ≈1，所以，柱塞1的瞬時(shí)流量：

式中，A為柱塞面積；當(dāng)q>0時(shí)為排出流量，q<0時(shí)為吸入流量。

由瞬時(shí)流量公式可見(jiàn)，單缸的排出流量存在明顯的周期性波動(dòng)，表現(xiàn)為流量脈動(dòng)的特點(diǎn)，在一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)周期0～2π內(nèi)，排出流量可用分段函數(shù)表示為：

往復(fù)泵的曲柄為勻速運(yùn)動(dòng)，φ=ωt=2πnt，排出流量用時(shí)間函數(shù)表示為：

由于三個(gè)柱塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，相位差為2π/3，所以，往復(fù)泵的理論瞬時(shí)流量計(jì)算公式為：

當(dāng)兩臺(tái)三柱塞往復(fù)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其瞬時(shí)輸出流量為兩泵瞬時(shí)輸出流量公式的疊加，以主泥漿泵的第一個(gè)柱塞的相位角為基準(zhǔn)，設(shè)副泥漿泵的相位角與主泥漿泵的差值為θ，稱為初始相位差，則兩泵并聯(lián)的瞬時(shí)流量計(jì)算公式為[9]：

2.2 理論平均流量

從三柱塞往復(fù)泵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不難看出，柱塞往復(fù)一次的運(yùn)動(dòng)行程S=2r，泵的理論平均流量可表示為：

課程結(jié)束后對(duì)本門課程進(jìn)行實(shí)訓(xùn)考核，考核內(nèi)容為考試大綱規(guī)定的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容。考核采取隨機(jī)抽簽形式。將實(shí)訓(xùn)考核結(jié)果、實(shí)訓(xùn)報(bào)告成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

式中，n為泵的曲軸轉(zhuǎn)速；s為柱塞的行程。

2.3 流量不均勻系數(shù)

流量不均勻系數(shù)是衡量往復(fù)泵流量脈動(dòng)程度的指標(biāo)，由于三柱塞往復(fù)泵的瞬時(shí)流量平均值不是其算術(shù)平均值，流量脈動(dòng)的上下振幅不一致，所以引入兩個(gè)流量不均勻系數(shù)δq1和δq2來(lái)表示，計(jì)算公式為[6]：

式中，Qmax為往復(fù)泵瞬時(shí)排出流量的最大值；Qmin為往復(fù)泵瞬時(shí)排出流量的最小值；Qm為理論瞬時(shí)平均流量。

2.4 小結(jié)

從瞬時(shí)流量和流量脈動(dòng)系數(shù)的計(jì)算公式可以看出，對(duì)于單臺(tái)三柱塞往復(fù)泵來(lái)說(shuō)，其流量脈動(dòng)系數(shù)僅與其連桿比λ有關(guān)，該參數(shù)在泥漿泵設(shè)計(jì)時(shí)已定，為其固有參數(shù)。而兩泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，疊加后的流量脈動(dòng)特性與初始相位差θ有關(guān)，由于初始相位角具有隨機(jī)性且隨轉(zhuǎn)速差變化，計(jì)算難度較大，往往采用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算[10，11]。本文采用Python語(yǔ)言及Matplotlib繪圖庫(kù)編程計(jì)算和繪制泥漿泵的瞬時(shí)流量輸出曲線。

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 泥漿泵主要參數(shù)

考慮到空間限制和使用需求，泵車泥漿泵為兩臺(tái)流量不同的三柱塞往復(fù)泵，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 泥漿泵主要技術(shù)參數(shù)

3.2 單臺(tái)泥漿泵的瞬時(shí)流量特性

當(dāng)主、副泥漿泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，其瞬時(shí)流量曲線如圖3所示。

圖3 泥漿泵的瞬時(shí)流量曲線

從圖3中可以看出：

1)主、副泥漿泵單獨(dú)工作的瞬時(shí)流量曲線為周期性脈動(dòng)曲線，角周期為三柱塞的相位差2π/3，主泥漿泵的時(shí)間周期為T1=0.038s，副泥漿泵的時(shí)間周期為T2=0.025s。

3)由于主、副泥漿泵的連桿比均為1/6，所以兩者的流量不均勻系數(shù)相同，計(jì)算得δq1=6.13%，δq2=16.87%。

3.3 并聯(lián)泥漿泵的瞬時(shí)流量特性

當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，主泥漿泵調(diào)至最高流量后，在增加副泥漿泵的流量，其瞬時(shí)流量曲線為主、副泥漿泵的流量曲線疊加。

1)當(dāng)兩泵的初始相位差θ= 0時(shí)，得到的流量曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出：疊加流量曲線隨兩泵轉(zhuǎn)速的不同表現(xiàn)為不同的規(guī)律，當(dāng)主泥漿泵的轉(zhuǎn)速n1和副泥漿泵的轉(zhuǎn)速n2相同時(shí)，疊加流量曲線具有周期性，時(shí)間周期T=0.038s，與單泵運(yùn)行的流量曲線周期吻合，其他情況下為不規(guī)則曲線。

2)當(dāng)兩泵的轉(zhuǎn)速不變時(shí)，疊加后的流量曲線隨初始相位差θ的變化而表現(xiàn)為不同的脈動(dòng)特性，可以用并聯(lián)流量的不均勻系數(shù)衡量其脈動(dòng)程度，在0～π范圍內(nèi)，θ以π/36為步長(zhǎng)，計(jì)算得到并聯(lián)泥漿泵的流量不均勻系數(shù)與相位差的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 流量不均勻系數(shù)與初始相位差θ的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從圖5中可以看出：

1)不論θ取何值，疊加后的流量不均勻系數(shù)均不大于疊加前主、副泥漿泵的流量不均勻系數(shù)。

2)流量不均勻系數(shù)δq1和δq2的靠近程度代表了疊加后的流量脈動(dòng)情況，兩個(gè)系數(shù)越接近，流量曲線越平滑。

4 并聯(lián)泥漿泵的應(yīng)用措施

4.1 轉(zhuǎn)速控制

對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的泥漿泵，當(dāng)兩泵的轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同時(shí)，具有最佳的運(yùn)行效果，在工程實(shí)踐中也最常用[12]，但需采取相應(yīng)的轉(zhuǎn)速控制及檢測(cè)措施，成本較高。

4.2 相位角控制

當(dāng)兩臺(tái)三柱塞泥漿泵的相位角控制在π/3時(shí)，則疊加流量曲線與一臺(tái)六柱塞泵的流量輸出曲線一致，但相位控制難度太大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可采用兩泵輸入軸剛性連接的方式，對(duì)泵的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度要求較高。

4.3 蓄能器的使用

在泥漿泵的入口或出口處增加皮囊或隔膜式蓄能器，利用蓄能器中緩沖氣體的可壓縮性來(lái)吸收或釋放多余的液體，從而降低泵的流量和壓力脈動(dòng)，提高泥漿泵輸出介質(zhì)的平穩(wěn)性，該方法經(jīng)濟(jì)可靠，在工程實(shí)踐中應(yīng)用最多[13-15]。

5 結(jié) 語(yǔ)

BC800泵車于2020年3月開(kāi)始煤礦井下工業(yè)性試驗(yàn)，目前運(yùn)行狀態(tài)良好。在實(shí)際應(yīng)用中，由于難以采取控制主、副泥漿泵的相位差的具體方法，采用在合流處增設(shè)蓄能器的措施，有效降低了水路系統(tǒng)的流量和壓力脈動(dòng)，滿足了大直徑定向鉆孔的工藝需求。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明：采用雙泥漿泵并聯(lián)工作的形式在理論和實(shí)踐上均具有可行性，不僅可以提高泵車的輸出流量，同時(shí)還能降低瞬時(shí)流量的脈動(dòng)不均勻系數(shù)。