一種礦用氣動(dòng)注液泵特性試驗(yàn)研究

孫志林

（煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

1 工作原理

本文研究的是一種用來(lái)給煤礦井下單體支柱、液壓支架補(bǔ)液的往復(fù)式氣動(dòng)泵，其以壓縮空氣為動(dòng)力源，利用氣缸將低壓液體轉(zhuǎn)換為高壓液體，將高壓液體注入液壓支架或單體支柱，使單體支柱在高壓液體的作用下逐漸升高，起到支撐作用。注液泵工作原理如圖1 所示，壓縮空氣做為動(dòng)力源進(jìn)入差壓換向閥后，推動(dòng)活塞盤(pán)運(yùn)動(dòng)做功，通過(guò)限位開(kāi)關(guān)自動(dòng)換向，實(shí)現(xiàn)注液泵連續(xù)工作。泵由氣缸泵體、氣缸大活塞、換向閥組件、液壓缸組件、缸蓋、進(jìn)氣控制開(kāi)關(guān)和出漿快速接頭等組成。

圖1 氣動(dòng)注液泵工作原理圖

2 試驗(yàn)裝置、依據(jù)、方法及工況

2.1 試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的礦用氣動(dòng)注液泵，樣機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)裝置工作原理見(jiàn)圖2，主要試驗(yàn)儀器有氣體流量計(jì)、液體流量計(jì)、精密氣體壓力表、耐震壓力表。

圖2 試驗(yàn)裝置工作原理圖

表1 試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)依據(jù)、方法、工況

試驗(yàn)方法按照GB/T 9234-2018 《機(jī)動(dòng)往復(fù)泵》、GB/T 7784-2018 《機(jī)動(dòng)往復(fù)泵試驗(yàn)方法》、GB/T 5621-2008《鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具性能試驗(yàn)方法》，采用流量計(jì)法測(cè)量排漿流量[1-3]。

試驗(yàn)方法：排漿壓力從最小值(排出管路閥門(mén)全開(kāi)時(shí),為克服試驗(yàn)系統(tǒng)阻力而必須的排出壓力)開(kāi)始,然后按間隔5 MPa 進(jìn)行升壓(試驗(yàn)泵的最大排漿壓力為30 MPa),在每一檔排漿壓力下,同時(shí)測(cè)量泵速(活塞往復(fù)次數(shù))、排漿流量、耗氣量、吸入壓力、排出壓力值。每個(gè)壓力檔參數(shù)的測(cè)量次數(shù)為3 次，間隔1 min，取算術(shù)平均值作為測(cè)量值。

試驗(yàn)工況：試驗(yàn)介質(zhì)（20±1）℃清水，工作氣壓（0.50±0.01）MPa，設(shè)計(jì)排漿壓力30 MPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)參數(shù)有排漿流量、排漿壓力、耗氣量、氣壓、往復(fù)次數(shù)，計(jì)算參數(shù)有理論流量、容積效率、總效率。

（1）容積效率[3]：KV=Q/Qt×100%

式中 Q——額定狀態(tài)下實(shí)際流量，L/min

Qt——額定狀態(tài)下理論流量，L/min

（2）泵輸出有效功率P=pQ/60

式中 P——輸出功率，kW

p——排漿壓力，MPa

Q——排漿流量，L/min

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

2022 年6 月，對(duì)氣動(dòng)注液泵的特性參數(shù)（注漿流量、容積效率、總效率）進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)測(cè)試不同排漿壓力參數(shù)，得出了不同工況下的注液泵的注漿流量、容積效率及總效率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表（氣壓0.5 MPa 下）

（1）實(shí)測(cè)排漿流量隨排漿壓力的變化規(guī)律及分析

由圖3 可知，隨著排漿壓力的升高，排漿流量逐漸降低，當(dāng)排漿壓力小于5 MPa 時(shí)，排漿流量隨排漿壓力升高的降低速率較慢。當(dāng)排漿壓力大于5 MPa 后，排漿流量隨排漿壓力升高而降低的速率明顯加快。

圖3 排漿流量隨排漿壓力的變化

（2）容積效率隨排漿壓力的變化規(guī)律及分析

由圖4 可知，隨著排漿壓力的升高，容積效率逐漸升高，當(dāng)排漿壓力為10 MPa 左右時(shí)，容積效率最高，隨后逐漸呈下降趨勢(shì)。分析其變化原因，在低壓排漿時(shí),活塞往返次數(shù)較快,從而造成閥的遲滯現(xiàn)象。排出閥和吸入閥關(guān)閉滯后,當(dāng)活塞在吸入行程終止而排出行程開(kāi)始時(shí),吸入閥未及時(shí)關(guān)閉,排出閥又未及時(shí)開(kāi)啟,使部分液體從液缸漏回吸入管路；同樣,當(dāng)排出行程終止而吸入行程開(kāi)始時(shí),排出閥未及時(shí)關(guān)閉,致使部分液體從排出管路漏回液缸中，降低了泵的容積效率。另外隨著壓力的升高，泄露、余隙容積對(duì)容積系數(shù)的影響變大，進(jìn)而降低了容積效率。

圖4 容積效率隨排漿壓力的變化

(3)總效率隨排漿壓力的變化規(guī)律及分析

由圖5 可知，隨著排漿壓力的升高，注液泵總效率先升后降，當(dāng)排漿壓力在（10-20）MPa 時(shí)，總效率最高。排漿壓力升至20 MPa 后，總效率開(kāi)始下降且速度加快。分析其變化原因，一方面是總效率與容積系數(shù)高度正相關(guān)，容積效率升高，總效率也升高，同時(shí)隨著排漿壓力的升高，缸體溫度、溢流閥開(kāi)啟等造成能量損失，進(jìn)而使總效率下降速度變快。

圖5 總效率隨排漿壓力的變化

4 結(jié)語(yǔ)

礦用氣動(dòng)注液泵排漿流量隨排漿壓力的升高而降低，在泵體積不變的前提下，可通過(guò)提高活塞往復(fù)次數(shù)提高注液泵的流量，但往復(fù)次數(shù)過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致閥的遲滯等問(wèn)題，惡化注液泵的工作條件。注液泵的容積效率和總效率隨著排漿壓力的升高先增加后降低，在某一范圍達(dá)到最大值，該研究成果可供相關(guān)人員在設(shè)計(jì)和測(cè)試注液泵時(shí)參考。