BC800泵車泥漿泵并聯(lián)運行的流量脈動特性分析

王 杰

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團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的配套設備，采用液壓驅(qū)動和履帶行走的組合方式，相比傳統(tǒng)的電機膠帶式泥漿泵，具有搬遷方便，輸出流量無級可調(diào)的優(yōu)點，近幾年來在井下定向鉆孔工程中得到廣泛應用[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)無法適應大直徑螺桿鉆具對動力介質(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，而且體積和重量過大，難以在煤礦井下狹小的工作環(huán)境中應用。因此，采用雙泥漿泵并聯(lián)工作的形式可以在整機體積和重量略微增加的基礎上實現(xiàn)泥漿泵車輸出流量的大幅提升，是一種技術可行，成本經(jīng)濟的解決方案。

泵車搭載的泥漿泵為典型的三柱塞單作用往復泵結構，在工程應用時，可以忽略其流量脈動特性，認為其平均輸出流量近似恒定。但兩臺泥漿泵在并聯(lián)運行時，需考慮其輸出流量的疊加特性，其瞬時輸出流量隨兩泵的初始相位差和轉(zhuǎn)速的不同表現(xiàn)出復雜的變化過程，因此，在系統(tǒng)設計時有必要對雙泵并聯(lián)輸出的流量特性進行理論計算和分析，采取相應的應用措施，避免流量脈動對鉆具運行的穩(wěn)定性和設備安全性造成不利影響。

1 BC800泥漿泵車的工作原理

BC800型泥漿泵車在結構上采用模塊化設計，主要由履帶底盤、液壓泵站、電磁啟動器、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，電磁啟動器用于控制泥漿泵車上防爆電機的啟停。履帶式行走機構實現(xiàn)了泥漿泵車的自行走，提高了泥漿泵的搬遷效率。結構布局如圖1所示。

圖1 BC800泥漿泵車結構布局

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

2 三柱塞往復泵的流量計算公式

2.1 理論瞬時流量

三柱塞單作用往復泵的機構運動原理如圖2所示，包括動力端和液力端兩大主要部分，動力端采用曲柄連桿機構將曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成活塞的直線運動，活塞帶動與之相連的液力端柱塞往復運動實現(xiàn)工作腔容積的周期變化，在一個周期內(nèi)，單個柱塞完成一次吸排水過程，三個相位差2π/3的柱塞交替運動實現(xiàn)往復泵的連續(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流量[6，7]，可由工作腔容積的變化率求得。

圖2 三柱塞往復泵的機構運動原理

動力端活塞的位移公式為[8]：

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

活塞速度的計算公式為：

通常情況下，連桿長度l≥4r，可近似認為1-λ2sin2φ≈1，所以，柱塞1的瞬時流量：

式中，A為柱塞面積；當q>0時為排出流量，q<0時為吸入流量。

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

往復泵的曲柄為勻速運動，φ=ωt=2πnt，排出流量用時間函數(shù)表示為：

由于三個柱塞的運動規(guī)律相同，相位差為2π/3，所以，往復泵的理論瞬時流量計算公式為：

當兩臺三柱塞往復泵并聯(lián)運行時，其瞬時輸出流量為兩泵瞬時輸出流量公式的疊加，以主泥漿泵的第一個柱塞的相位角為基準，設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)的瞬時流量計算公式為[9]：

2.2 理論平均流量

從三柱塞往復泵的運動規(guī)律不難看出，柱塞往復一次的運動行程S=2r，泵的理論平均流量可表示為：

課程結束后對本門課程進行實訓考核，考核內(nèi)容為考試大綱規(guī)定的實訓內(nèi)容?？己瞬扇‰S機抽簽形式。將實訓考核結果、實訓報告成績進行統(tǒng)計分析。

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)是衡量往復泵流量脈動程度的指標，由于三柱塞往復泵的瞬時流量平均值不是其算術平均值，流量脈動的上下振幅不一致，所以引入兩個流量不均勻系數(shù)δq1和δq2來表示，計算公式為[6]：

式中，Qmax為往復泵瞬時排出流量的最大值；Qmin為往復泵瞬時排出流量的最小值；Qm為理論瞬時平均流量。

2.4 小結

從瞬時流量和流量脈動系數(shù)的計算公式可以看出，對于單臺三柱塞往復泵來說，其流量脈動系數(shù)僅與其連桿比λ有關，該參數(shù)在泥漿泵設計時已定，為其固有參數(shù)。而兩泵并聯(lián)運行時，疊加后的流量脈動特性與初始相位差θ有關，由于初始相位角具有隨機性且隨轉(zhuǎn)速差變化，計算難度較大，往往采用計算機編程計算[10，11]。本文采用Python語言及Matplotlib繪圖庫編程計算和繪制泥漿泵的瞬時流量輸出曲線。

3 實例計算

3.1 泥漿泵主要參數(shù)

考慮到空間限制和使用需求，泵車泥漿泵為兩臺流量不同的三柱塞往復泵，其主要技術參數(shù)見表1。

表1 泥漿泵主要技術參數(shù)

3.2 單臺泥漿泵的瞬時流量特性

當主、副泥漿泵單獨運行時，其瞬時流量曲線如圖3所示。

圖3 泥漿泵的瞬時流量曲線

從圖3中可以看出：

1)主、副泥漿泵單獨工作的瞬時流量曲線為周期性脈動曲線，角周期為三柱塞的相位差2π/3，主泥漿泵的時間周期為T1=0.038s，副泥漿泵的時間周期為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，計算得δq1=6.13%，δq2=16.87%。

3.3 并聯(lián)泥漿泵的瞬時流量特性

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

1)當兩泵的初始相位差θ= 0時，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，當主泥漿泵的轉(zhuǎn)速n1和副泥漿泵的轉(zhuǎn)速n2相同時，疊加流量曲線具有周期性，時間周期T=0.038s，與單泵運行的流量曲線周期吻合，其他情況下為不規(guī)則曲線。

2)當兩泵的轉(zhuǎn)速不變時，疊加后的流量曲線隨初始相位差θ的變化而表現(xiàn)為不同的脈動特性，可以用并聯(lián)流量的不均勻系數(shù)衡量其脈動程度，在0～π范圍內(nèi)，θ以π/36為步長，計算得到并聯(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的對應關系

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情況，兩個系數(shù)越接近，流量曲線越平滑。

4 并聯(lián)泥漿泵的應用措施

4.1 轉(zhuǎn)速控制

對于并聯(lián)運行的泥漿泵，當兩泵的轉(zhuǎn)速及結構參數(shù)完全相同時，具有最佳的運行效果，在工程實踐中也最常用[12]，但需采取相應的轉(zhuǎn)速控制及檢測措施，成本較高。

4.2 相位角控制

當兩臺三柱塞泥漿泵的相位角控制在π/3時，則疊加流量曲線與一臺六柱塞泵的流量輸出曲線一致，但相位控制難度太大，實際應用時可采用兩泵輸入軸剛性連接的方式，對泵的結構及強度要求較高。

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吸收或釋放多余的液體，從而降低泵的流量和壓力脈動，提高泥漿泵輸出介質(zhì)的平穩(wěn)性，該方法經(jīng)濟可靠，在工程實踐中應用最多[13-15]。

5 結 語

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