變頻調(diào)速高壓化學(xué)注漿泵的研制

蒲朝陽(yáng),袁 輝,安許良

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院,北京 100013;2.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013)

變頻調(diào)速高壓化學(xué)注漿泵的研制

蒲朝陽(yáng)1,2,袁 輝1,2,安許良1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院,北京 100013;2.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)煤礦地面預(yù)注漿工程中遇到復(fù)雜地層需要化學(xué)注漿時(shí)只能采用普通注漿泵,腐蝕損壞嚴(yán)重、不能滿(mǎn)足流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)等問(wèn)題,研制了適應(yīng)千米級(jí)深井地面預(yù)注漿工況的無(wú)級(jí)調(diào)速、高壓、耐腐蝕的 ZBBJ-300/35-H型注漿泵。該泵主要由變頻器、電動(dòng)機(jī)、減速箱、三缸泵、撬座、吸排管系及潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成,具有流量大且能無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、壓力高、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn),廠(chǎng)內(nèi)性能試驗(yàn)表明,該泵能滿(mǎn)足流量在 0～300L/min范圍內(nèi)無(wú)級(jí)可調(diào),注漿壓力達(dá)到 35MPa的設(shè)計(jì)要求。

變頻調(diào)速;化學(xué)注漿;注漿泵;千米級(jí)深井

我國(guó)早期化學(xué)注漿使用的大多數(shù)是隔膜泵,壓力都較低,且成本也較高[1]。隨著上世紀(jì) 90年代初黏土水泥漿的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,淺井筒地面預(yù)注漿較少采用化學(xué)注漿材料,而應(yīng)用于煤礦井下工作面或巷道破碎煤巖注漿加固等的化學(xué)注漿泵輸出壓力和流量都偏低[2-3],所以耐腐蝕高壓注漿泵一直沒(méi)有得到繼續(xù)開(kāi)發(fā),遇到復(fù)雜地層需要化學(xué)注漿時(shí)只能采用普通注漿泵替代。由于注漿泵的柱塞、吸排漿閥及泵頭內(nèi)腔等在注漿過(guò)程中均與化學(xué)漿液接觸,承受高壓交變腐蝕流體的侵蝕,腐蝕損壞嚴(yán)重。隨著千米深井特殊地層對(duì)高壓化學(xué)注漿泵的迫切需求和現(xiàn)代金屬防腐新技術(shù)的發(fā)展,為開(kāi)發(fā)新型高壓化學(xué)注漿泵提供了契機(jī)。同時(shí),由于在進(jìn)行化學(xué)注漿時(shí),化學(xué)注漿材料多數(shù)是甲、乙 2種液,甚至更多種液構(gòu)成。在進(jìn)行注漿的過(guò)程中,為了準(zhǔn)確控制漿液的凝固時(shí)間,各液的排漿量應(yīng)滿(mǎn)足一定的比例關(guān)系,也即要求注漿泵在注漿過(guò)程中,能隨時(shí)調(diào)節(jié)流量來(lái)滿(mǎn)足漿液的不同配比?；诖?研制了適應(yīng)千米級(jí)深井地面預(yù)注漿工況的無(wú)級(jí)調(diào)速、高壓、耐腐蝕的 ZBBJ-300/35-H型注漿泵。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

ZBBJ-300/35-H型注漿泵主要由變頻器、電動(dòng)機(jī)、減速箱、三缸泵、撬座、吸排管系及潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成,如圖 1所示。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速箱旋轉(zhuǎn),經(jīng)三缸泵主動(dòng)軸傳動(dòng),帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)使柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng),達(dá)到注漿泵吸排漿液的目的。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的頻率,改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速,可以實(shí)現(xiàn)注漿泵輸出流量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

變頻器 變頻器為風(fēng)機(jī)水泵專(zhuān)用變頻器,具有節(jié)能效果好、供電范圍寬、被控量可設(shè)定、控制精度高等特點(diǎn),其頻率可調(diào)范圍為 0～120Hz。

電動(dòng)機(jī) 由于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)是按在工頻電源下能獲得最佳特性而設(shè)計(jì)的,當(dāng)采用通用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),根據(jù)用途在特性、強(qiáng)度等方面受到限制,且在低頻區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱較為嚴(yán)重[2],電動(dòng)機(jī)采用了專(zhuān)用的變頻電動(dòng)機(jī),其在 3～50Hz段為恒扭矩特性,在 50～100Hz段為恒功率特性。

減速箱 置于電動(dòng)機(jī)與三缸泵之間,箱內(nèi)采用了易于加工的圓柱齒輪組成傳動(dòng)變速系統(tǒng)。由于三缸泵所需的輸入轉(zhuǎn)速較低,而電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速又較高,所以就需要對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行減速。減速箱在此不但彌補(bǔ)了三缸泵減速比的不足,而且便于電動(dòng)機(jī)布置在橇座的中心,使整體布置更合理、更美觀(guān)。

三缸泵 三缸泵為臥式三缸單作用柱塞泵,是注漿泵的工作機(jī)構(gòu),由動(dòng)力端和液力端組成。動(dòng)力端主要由泵缸體、主動(dòng)軸總成、主軸總成、連桿十字頭總成等組成。泵缸體為結(jié)構(gòu)件,由鋼板焊接后加工而成,可承裝三缸泵所有的零部件。三缸泵的驅(qū)動(dòng)是主動(dòng)軸輸入動(dòng)力,經(jīng)一級(jí)人字齒輪減速后帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn),主軸帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn),從而驅(qū)動(dòng)連桿十字頭和柱塞直線(xiàn)運(yùn)動(dòng);液力端主要由閥箱體、上水室、排水室、柱塞等組成。閥箱為承壓的合金鋼件,采用 3塊獨(dú)立的鍛鋼加匯流塊結(jié)構(gòu)。上水室、排水室均由閥座、閥體、閥膠皮、閥彈簧等組成。

撬座 撬座為型鋼組焊成的一個(gè)金屬構(gòu)架,主要用于固定和支撐注漿泵各組成部分,并設(shè)計(jì)有吊裝點(diǎn),以便于裝卸運(yùn)輸。同時(shí)還作為工作臺(tái)面,行走地板采用的是防滑花紋鋼板。

吸排管系 吸入管系由 100mm蝶閥和管線(xiàn)組成,排出管系由抗震壓力表、安全閥、放空閥及50mm旋塞閥和管線(xiàn)組成。安全閥為彈簧式結(jié)構(gòu),注漿泵排出壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟,以保證注漿泵的安全使用。在注漿泵開(kāi)始工作時(shí),放空閥的開(kāi)啟可以防止電動(dòng)機(jī)帶載啟動(dòng),以延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命;同時(shí),在注漿結(jié)束后,放空閥可以釋放注漿泵內(nèi)剩余的壓力,保證工作人員的安全。

潤(rùn)滑系統(tǒng) 潤(rùn)滑系統(tǒng)由三缸泵動(dòng)力端潤(rùn)滑和柱塞及柱塞密封潤(rùn)滑 2個(gè)系統(tǒng)組成,其中柱塞及柱塞密封潤(rùn)滑采用增壓潤(rùn)滑系統(tǒng)。2個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)均由齒輪油泵、溢流閥、壓力表、油箱及管線(xiàn)組成,動(dòng)力端油箱為三缸泵油底殼,柱塞潤(rùn)滑的油箱為獨(dú)立的可以沉淀的油箱 (這樣回來(lái)的廢油可二次利用),動(dòng)力由主動(dòng)軸兩側(cè)的齒輪帶動(dòng)。

圖1 ZBBJ-300/35-H型注漿泵主要結(jié)構(gòu)

2 主要性能參數(shù)

ZBBJ-300/35-H型注漿泵的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 性能特點(diǎn)

(1)工作壓力高 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的立井井筒地面預(yù)注漿的注漿終壓結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算,該泵的設(shè)計(jì)注漿壓力完全能滿(mǎn)足井深 1200m及以淺地面預(yù)注漿工程的要求。

(2)流量大且能無(wú)級(jí)調(diào)節(jié) 根據(jù)多年的注漿施工經(jīng)驗(yàn),采用化學(xué)材料注漿時(shí)注漿流量一般為100～200L/min,所以設(shè)計(jì)流量也完全能滿(mǎn)足千米級(jí)深井注漿的要求。由于采用變頻調(diào)速技術(shù),其注漿流量可以隨時(shí)根據(jù)注漿工況的要求進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)來(lái)滿(mǎn)足漿液的不同配比,流量準(zhǔn)確、可靠性高。

(3)防腐性好 為了避免柱塞、吸排漿閥、泵頭內(nèi)腔等受到高壓交變腐蝕流體作用,對(duì)三缸泵液力端的閥箱體內(nèi)部進(jìn)行了涂環(huán)氧樹(shù)脂防腐處理,其他零件表面均進(jìn)行了鍍鎳防腐處理;對(duì)吸漿管內(nèi)部進(jìn)行了掛膠防腐處理,排漿管內(nèi)部進(jìn)行了涂環(huán)氧樹(shù)脂防腐處理。

(4)柱塞密封摩擦副增壓潤(rùn)滑 為了避免柱塞和密封圈在高壓往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高溫過(guò)熱,燒傷密封圈導(dǎo)致其密封失效,對(duì)柱塞密封摩擦副采用了強(qiáng)制增壓潤(rùn)滑系統(tǒng)。

(5)節(jié)能、對(duì)電網(wǎng)沖擊小 電動(dòng)機(jī)在低頻區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),端電壓隨著轉(zhuǎn)速的降低而降低,效率提高,功率因數(shù)提高,減少了電動(dòng)機(jī)的能耗[3]。同時(shí)電動(dòng)機(jī)可以進(jìn)行軟啟動(dòng),啟動(dòng)壓降減小,大幅度減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

(6)體積小、質(zhì)量輕、安裝拆卸方便 由于使用了變頻調(diào)速,省去了機(jī)械變速箱、離合器等傳動(dòng)部件,使其體積更小,質(zhì)量更輕,結(jié)構(gòu)更為緊湊,可靠性明顯增強(qiáng)。同時(shí)缸蓋采用了快速裝卸的梯形螺紋,柱塞與十字頭采用了拆卸方便的彈性桿連接,使得注漿泵在清洗、拆卸保養(yǎng)或更換易損件時(shí)更快捷、方便,在施工現(xiàn)場(chǎng)就能完成。

4 研制與廠(chǎng)內(nèi)試驗(yàn)

與蘭州盛達(dá)采油機(jī)械制造有限公司共同研制,完成了 2臺(tái)樣機(jī)的試制,并根據(jù)《機(jī)動(dòng)往復(fù)泵試驗(yàn)方法》 (GB/T 7784-2006)中的有關(guān)規(guī)定,在廠(chǎng)內(nèi)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了基本性能試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)采用清水,其主要性能測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2所示。

表2 性能測(cè)試數(shù)據(jù)

在測(cè)試過(guò)程中,注漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),振動(dòng)、聲響、潤(rùn)滑、油溫、泄漏及保護(hù)裝置等無(wú)異?，F(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

ZBBJ-300/35-H型注漿泵具有流量大且能無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、壓力高、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。廠(chǎng)內(nèi)性能試驗(yàn)表明,該泵能滿(mǎn)足流量在 0～300L/min范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),注漿壓力達(dá)到35MPa的設(shè)計(jì)要求,適用于煤礦地面預(yù)注漿工程,同時(shí)也可應(yīng)用于水電、公路、鐵路等化學(xué)注漿工程。

[1]沈季良,等 .建井工程手冊(cè) (第四卷)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1986.

[2]朱延勇,呂華文 .QB152型便攜式注漿泵研制及應(yīng)用 [J].煤礦開(kāi)采,2007,12(5)：86-88.

[3]宋彥波,景魁英 .QB系列氣動(dòng)高壓雙液注漿泵的研究 [J].煤礦開(kāi)采,2006,11(3)：76-78.

[4]吳忠智,吳加林 .變頻器應(yīng)用手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[5]黎 勉,羅勇武,查曉春,等 .交流變頻調(diào)速在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].機(jī)床與液壓,1997(6)：15-16.

[責(zé)任編輯：張銀亮 ]

Development of Chemical Grouting Pump with Frequency Control and High Pressure

PU Chao-yang1,2,YUAN Hui1,2,AN Xu-liang1,2
(1.Shaft Drilling Branch,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.Beijing Zhongmei Mine Engineering Co.,Ltd,Beijing 100013,China)

There are several problems including only common pump used,serious erosion damage,no flux stepless adjustment in chemical grouting at complex geological area.ZBBJ-300/35-H grouting pump with stepless frequency control,high pressure and antierrosion for pre-grouting in 1000m deep mine.The pump mainly was composed of transducer,motor,gear box,triplex pump,suction pipe and lubrication system. It characterized with large flux,stepless adjustment,high pressue,anti-errosion,s mall volume,light mass and easy operaton.Quality test showed that this pump reached design requirement of stepless control at the range of 0～300l/min flux and 35MPa grouting pressure.

frequency control;chemical grouting;grouting pump;1000m deep mine

TD265.4 9

A

1006-6225(2011)02-0091-03

2010-10-26

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目：深厚沖積層千米深井快速建井關(guān)鍵技術(shù) (2008BAB33B01)

蒲朝陽(yáng) (1984-),男,貴州遵義人,碩士,主要從事注漿工程管理和注漿設(shè)備的研究。