基于液壓力變化的防“飛車”風(fēng)動渦輪潛水泵設(shè)計(jì)

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(安徽理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院， 安徽 淮南　232001)

引言

目前，礦井下常用的中小型潛水泵主要為電動潛水泵，其隔爆防水性難以保證，長期使用后絕緣性差，電機(jī)易燒毀。隨著井下風(fēng)動工具的不斷普及，市場上出現(xiàn)了一種以壓縮空氣作為動力源的風(fēng)動潛水泵，使用該介質(zhì)的水泵不僅能克服電氣火花引爆煤礦井下瓦斯等易爆氣體的安全隱患，同時(shí)還因結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，被廣泛應(yīng)用于煤礦等行業(yè)[1]。目前風(fēng)動泵應(yīng)用較多的主要是氣動隔膜泵與風(fēng)動渦輪泵。氣動隔膜泵工作原理近似于柱塞泵，可以空運(yùn)行，但該泵存在工作效率低，隔膜易損壞，檢修率高等問題[2]。而風(fēng)動渦輪泵因采用渦輪旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，氣動效率高；機(jī)械傳動部分主要靠上下兩只封閉軸承支承泵軸工作，且采用骨架油封，結(jié)構(gòu)簡單，自潤滑性好，平穩(wěn)性優(yōu)良，能有效保證泵在額定范圍內(nèi)高速運(yùn)行[3]。但此類產(chǎn)品在井下實(shí)際使用中，泵抽水端的水時(shí)有時(shí)無 ,易出現(xiàn)空載情況?？蛰d以后，渦輪轉(zhuǎn)速急劇增加，易造成“飛車”現(xiàn)象，極大限制了該類型泵在井下的推廣使用，本研究的重點(diǎn)就是在于解決這個(gè)難題。目前市場上解決風(fēng)動渦輪泵“飛車”的方法主要有兩種，一種是傳感器模式，產(chǎn)品本身帶電，用在井下安全性不可靠；一種是離心式限速器，雖然安全可靠，但工作效率低，流量小，很難應(yīng)用于大功率潛水泵。

1　自調(diào)速風(fēng)動泵設(shè)計(jì)

針對以上問題，結(jié)合礦井排水環(huán)境惡劣，水中雜質(zhì)多，井下輸氣管道布置多的情況，本研究依據(jù)出口節(jié)流方式調(diào)節(jié)空載狀態(tài)下風(fēng)動渦輪式馬達(dá)的轉(zhuǎn)速[4]，以泵排水出口有無液壓力進(jìn)行換向閥的轉(zhuǎn)換， 實(shí)現(xiàn)風(fēng)動泵自調(diào)速目的，防止“飛車”現(xiàn)象發(fā)生。

1.1　風(fēng)動泵結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為該渦輪式風(fēng)動潛水泵結(jié)構(gòu)示意圖。該泵的工作部分屬離心泵，根據(jù)離心力甩水原理設(shè)計(jì)出來[5]。其動力部分采用壓縮空氣作為動力源，無污染，空氣可以循環(huán)使用。同時(shí)壓縮空氣可以直接從大氣中取用，無須配比或加工,從原動力介質(zhì)方面來說節(jié)省較大的經(jīng)濟(jì)投入。該渦輪泵的動力部分主要由渦輪、葉輪構(gòu)成；機(jī)械傳動部分由泵軸、軸承座、上軸承、渦輪座、下軸承和骨架油封等多個(gè)部分構(gòu)成。具體工作過程為壓縮空氣從進(jìn)風(fēng)嘴壓入帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，通過泵軸將動力傳遞到葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)吸排水功能，最終將水從出水口排出。

圖1　風(fēng)動渦輪潛水泵結(jié)構(gòu)示意圖

1.2　自調(diào)速氣動控制原理

為解決風(fēng)動泵空載時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速過高問題，考慮采用節(jié)流調(diào)速回路，該回路具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、使用維護(hù)方便、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。節(jié)流調(diào)速回路主要有采用節(jié)流閥的進(jìn)口節(jié)流調(diào)速和出口節(jié)流調(diào)速。由文獻(xiàn)[6]可知，在采用參數(shù)相同的節(jié)流閥情況下，相比進(jìn)口節(jié)流調(diào)速，出口節(jié)流調(diào)速回路承受負(fù)值負(fù)載能力強(qiáng)，即可阻止工作部件前沖，且運(yùn)動平穩(wěn)性好。因此，在前述研究基礎(chǔ)上，并結(jié)合風(fēng)動渦輪泵的實(shí)際工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種采用出口節(jié)流調(diào)速的自調(diào)速氣動控制回路，如圖2所示。該氣動控制部分主要由壓力計(jì)、氣動馬達(dá)(同圖1渦輪)、氣控方向閥、定值減壓閥、節(jié)流閥、開關(guān)閥、液壓換向閥等主要部分構(gòu)成。渦輪式風(fēng)動潛水泵排氣部分與氣動控制部分的組合裝置主要是通過將進(jìn)風(fēng)嘴處的壓力經(jīng)定值減壓閥連接到機(jī)械聯(lián)動開關(guān)閥，通過機(jī)械聯(lián)動開關(guān)閥的開合實(shí)現(xiàn)氣控?fù)Q向閥中控制氣路的通斷，實(shí)現(xiàn)氣控方向閥閥芯的左右換位，出水口處的液壓力推動活塞桿移動，實(shí)現(xiàn)出口節(jié)流調(diào)速，以恒定渦輪的轉(zhuǎn)速，可避免渦輪的“飛車”現(xiàn)象。

圖2　基于液壓力變化的自調(diào)速風(fēng)動潛水泵的氣動控制原理圖

其具體工作原理如下：當(dāng)水較多時(shí)，機(jī)械聯(lián)動開關(guān)閥手柄由出水口液壓力推動活塞桿作用后置于右位，左邊的氣路即處于封閉狀態(tài)，氣控?fù)Q向閥處于右位，此時(shí)從氣動渦輪馬達(dá)里排出來的高壓氣體直接通過消聲器排到大氣中，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的滿負(fù)荷轉(zhuǎn)動；當(dāng)水被排盡或較少時(shí)，出水口處液壓力較小，機(jī)械聯(lián)動閥手柄由彈簧彈力推動活塞桿作用后機(jī)械聯(lián)動置于左位，左邊的氣路開通，氣動換向閥在控制回路中氣體的作用下置于左位，此時(shí)渦輪式氣動馬達(dá)出口氣體就會先通過節(jié)流閥再通過消聲器排出，即可實(shí)現(xiàn)出口節(jié)流調(diào)速的目的。

考慮井下工作環(huán)境惡劣，環(huán)境對氣動元件的壽命影響大，為提高系統(tǒng)可靠性，并基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的需要，在實(shí)際使用中設(shè)計(jì)了一種用于本結(jié)構(gòu)的氣動換向閥，控制力來自風(fēng)動泵出口的液壓力，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中小孔和大孔的出口回路的切換，相當(dāng)于出口節(jié)流閥的作用。其原理是：水較多時(shí)，產(chǎn)生的液壓力推動活塞桿的運(yùn)動，封住了小的直徑孔，氣體從大的直徑孔排出;水被排盡或較少時(shí)，液壓力減小， 彈簧恢復(fù)彈力推動活塞桿的移動，使得大孔被封住，從而氣體從小孔排出，達(dá)到出口節(jié)流的目的。為減少氣體對換向閥閥芯(活塞桿)的沖擊，從閥的底端開了多個(gè)進(jìn)氣孔，設(shè)計(jì)中需保證多個(gè)進(jìn)氣孔的截面積之和不得小于較大排氣孔的截面積。

表1性能參數(shù)

型號最大流量m3/h最大揚(yáng)程m工作氣壓kPa額定轉(zhuǎn)速r/min耗風(fēng)量m3/min噪聲值dB(A)出水口徑mm整機(jī)重量kgFQW20?35W2035400～70040004～5<1004030

1.前端蓋　2.彈簧　3.活塞桿　4.缸筒　5.密封圈　6.后端蓋圖3　氣動換向閥結(jié)構(gòu)圖

以風(fēng)動潛水泵為FQW20-35W型號為例，其性能參數(shù)見表1。

35 m的揚(yáng)程約相當(dāng)于3個(gè)大氣壓，考慮壓力的損失，取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓即100 kPa，計(jì)算活塞桿的液壓力F：

F=p×π×﹙D/2﹚2=196.25 N

其中：p為出水口處液壓力；D為活塞桿直徑；F為液壓力。

根據(jù)圖3中活塞桿的行程L為58 mm，計(jì)算彈簧系數(shù)k：

k=F/L=3.38 N·m

其中：k為彈簧系數(shù)。

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》查得彈簧的性能參數(shù)[7]，計(jì)算最小推動力Fmin為：

Fmin=k′×L=3.25×58=188.5 N

其中：Fmin為最小推動力；k′為單圈剛度。

由于F=196.25 N>Fmin=188.5 N，滿足工作時(shí)最小彈簧力要求，可以保證閥芯(活塞桿)在液壓力變化時(shí)正常換向。

2　現(xiàn)場試驗(yàn)

圖4為基于液壓力變化的自調(diào)速風(fēng)動泵安裝總圖，圖5為自調(diào)速風(fēng)動泵現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。由圖可知，自調(diào)速風(fēng)動渦輪潛水泵由氣動換向閥與氣動元件集成裝置、風(fēng)動潛水泵組成，它們之間通過氣路連接，各氣動元件均密封在集成裝置的殼體內(nèi)：風(fēng)動渦輪潛水泵進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口作為氣動控制系統(tǒng)氣路連接的一部分連入氣動控制系統(tǒng)，完成自調(diào)速出口節(jié)流。

圖4　基于液壓力變化的自調(diào)速風(fēng)動泵安裝總圖

具體實(shí)施措施為：將氣動換向閥接到渦輪風(fēng)動泵出氣口處，右側(cè)的水管接風(fēng)動潛水泵排水口的一支路，靠近上方的一風(fēng)管由氣動換向閥上側(cè)的消聲器接出，放置于水面之上。實(shí)際使用時(shí)，將此裝置放置水中，打開進(jìn)氣口開關(guān)閥即可啟動風(fēng)動泵工作，通過液壓力的變化，實(shí)現(xiàn)出口節(jié)流自動調(diào)速目的，從而達(dá)到防“飛車”的要求。

圖5　自調(diào)速風(fēng)動泵現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)靈敏度高，能在有無液體時(shí)自動實(shí)現(xiàn)不同直徑孔的出氣口的排放，從而實(shí)現(xiàn)降速，使泵體轉(zhuǎn)速保持在5000～6000 r/min，實(shí)現(xiàn)防“飛車”的目的。

3　結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種可在內(nèi)控式氣動控制系統(tǒng)下進(jìn)行安全高效排水的新型風(fēng)動渦輪潛水泵，實(shí)現(xiàn)了氣動控制系統(tǒng)與本體結(jié)構(gòu)的一體化，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。該泵可由出口液壓力的變化，使得氣控?fù)Q向閥閥芯移動，保證風(fēng)動泵啟動快、噪聲低和連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的工作狀態(tài)。經(jīng)多次試驗(yàn)表明，該水泵根據(jù)出口液壓力的變化檢測有無排水情況，保證了系統(tǒng)的靈敏度，可靠性高，通過特有的內(nèi)控式氣動控制裝置可有效解決礦用渦輪式風(fēng)動潛水泵的空載“飛車”問題，實(shí)現(xiàn)安全高效、連續(xù)無人監(jiān)控的機(jī)械化排水作業(yè)，尤其適應(yīng)于礦山各種易燃易爆惡劣工況，有壓縮氣體動力源的施工排水作業(yè)等，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]石磊.潛淡FWQB型風(fēng)動潛水泵在煤礦的應(yīng)用[J].煤，2007，(1):36-37.

[2]江曉鵬.氣動隔膜泵的工作原理及常見故障排除[J].煤，2012，(4):1-3.

[3]馬希青,于治福,崔堅(jiān),等.礦用風(fēng)動水泵風(fēng)動葉輪轉(zhuǎn)速的理論分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2005，30(1):126-128.

[4]姜繼海,宋錦春.液壓與氣壓傳動[M].北京：高等教育出版社，2002：223-227.

[5]張景成，張立秋.水泵與水泵站[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010：5-6.

[6]李壯云，賀小峰，萬會雄.液壓元件與系統(tǒng)(第3版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：307-311.

[7]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.