空氣室對水煤漿隔膜泵性能影響的仿真研究

第33卷第2期煤炭科學(xué)技術(shù)2005年12月試驗研汽空氣室對水煤漿隔膜泵性能影響的仿真研究陳燎原',尹兆友2,陳歲繁(1.安徽理工大學(xué),安徽淮南232001;2.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司謝家集一礦,安徽淮南232001)摘要:建立了水煤漿隔膜泵工作特性的數學(xué)模型,不依賴(lài)傳統的“長(cháng)管”和“短管”設計計算公式,用數值計算方法求解空氣室容積。利用計算機對其影響泵的特性進(jìn)行仿真,從而直觀(guān)地檢驗該容積值是否恰當。關(guān)鍵詞:水煤漿隔膜泵;空氣室;計算機仿真中圖分類(lèi)號:TH323文獻標識碼:A文章編號:0253-2336(2005)12-0041-0Simulation research on air chamber affected to features ofcoal water mixture membrane pumpCHEN Liao-yuan, YIN Zhao-you, CHEn Sui-far(1. Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China;2. Xiejiaji No. I Mine, Huainan Coal Mining Gorup Corporation Lid., Huainan 232001, ChinaAbstract: A mathematics model for the operation features of the coal water mixture membrane pump was established. The volume of theair chamber was calculated with a numerical calculation method, but not base on the calculation formula of the traditional"long tubeand "short tube"design. The features affected to theere simulated with computer, which could directly inspect the volume valueKey words: coal water mixture membrane pump; air chamber; computer simulation隔膜泵是泵行業(yè)中技術(shù)難度最大、產(chǎn)品附加值壓油分隔,曲柄連桿機構帶動(dòng)活塞往復運動(dòng),并通最高的產(chǎn)品種類(lèi)之一。它采用隔膜將輸送介質(zhì)與驅過(guò)驅動(dòng)液壓缸的油液推動(dòng)隔膜作左右擺動(dòng),從而對動(dòng)介質(zhì)隔開(kāi),使輸送的固體顆粒與活塞運動(dòng)部件不輸送介質(zhì)作功。排出閥4和吸入閥5交替打開(kāi)和關(guān)接觸,避免了對泵造成的磨損。在國內,水煤漿隔閉,使工作腔完成吸液和排液過(guò)程?；钊髯兯龠\膜泵近年來(lái)才開(kāi)始研制,產(chǎn)品還沒(méi)有形成系列化。動(dòng),使得吸人和排出管內液體存在加速度和慣性水主要元件的設計也是借鑒機動(dòng)往復泵的設計方法。頭,必然會(huì )產(chǎn)生流量和壓力的脈動(dòng)。其中,空氣室的設計有所謂“短管”設計理論和長(cháng)管”設計理論。文獻[1,2]并沒(méi)有嚴格界定兩種理論公式的適用范圍,按不同理論設計的空氣室,對水煤漿隔膜泵特性的影響的差異也難以預測。本文避開(kāi)傳統設計公式,采用計算機數值模擬,仿真空氣室對泵特性的影響,從而可以直觀(guān)地中國煤化工少確定空氣室的合理尺寸。CNMHG1水煤漿隔膜泵工作原理圖1水煤漿隔膜泵工作原理水煤漿隔膜泵的工作原理如圖1所示。用一柔1—排液容器;2—排出管;3一空氣室;4排出閥;5-吸入性隔膜7將工作腔6內水煤漿與驅動(dòng)液壓缸8內液閥;6一工作腔;7-隔膜;8-驅動(dòng)液缸;9—連桿;10-曲柄41第33卷第12期煤炭科學(xué)技術(shù)2005年12月圖1中畫(huà)出排出管路的空氣室(吸入管路空Ⅱ-Ⅱ截面的非定常流伯努里方程氣室略),其作用是利用室內氣體可壓縮和膨脹的P特性,來(lái)儲存和釋放一部分煤漿,以減小管路內流∑妨量和壓力脈動(dòng)的程度,改善泵的工作條件。(2)本文僅討論單缸泵的排液過(guò)程特性,吸液過(guò)程M+∑=(,+∑)圖(3)及多聯(lián)泵的分析與此相似,不作贅述。2泵的理論流量和壓力特性h(4)2.1排液過(guò)程理論流量特性)rw(cos 6+Acos 20泵的流量特性和壓力特性是針對輸送介質(zhì)而言的。在正常工作情況下,隔膜僅起著(zhù)分隔輸送介質(zhì)(5)和驅動(dòng)液壓油的作用,其兩側液體壓力相同。根據式中P1、n1—排出閥前液體壓力、流速;流體力學(xué)連續性原理可知,輸送介質(zhì)的流量特性和hn—排出閥前液體因加速度產(chǎn)生的慣驅動(dòng)液壓油的流量特性相同。由于活塞為變速運性水頭,工作腔體積較小此項可動(dòng),吸入和排出過(guò)程是交替進(jìn)行的。所以,泵的瞬忽略不計時(shí)理論流量也是變化的。瞬時(shí)流量q為Z工作腔軸線(xiàn)至容器液面高度;P2、n2容器液面壓力、流速,t2很小可4o(sin 0+2sin 20)(1)忽略不計式中d—活塞直徑f+∑句—排液管路沿程水頭損失與局部水L——活塞瞬時(shí)運動(dòng)速度;頭損失之和;曲柄長(cháng);h——排液管路液體慣性水頭—曲柄角速度λ,、∑—管路沿程阻力系數、局部阻力系A—曲柄連桿比,A=r/,l為連桿長(cháng)數之和0—曲柄轉角。式(1)表示的流量特性如圖2所示,圖中給l、d排液管長(cháng)度、管徑出兩個(gè)工作循環(huán)的特性曲線(xiàn),轉角θ坐標起點(diǎn)為排管路液體加速度、活塞加速度p液體密度;液過(guò)程開(kāi)始點(diǎn)。在活塞往復運動(dòng)一次中,只有半個(gè)周期排液,流量按正弦規律變化。這種間斷并且脈g——重力加速度。對于確定的泵裝置,式(2)~(5)中,只有工動(dòng)的流量特性,導致在一個(gè)工作循環(huán)中排液壓力發(fā)生很大變化。作腔壓力P1和曲柄轉角是變量,這些計算式給出了無(wú)空氣室情況下p1與θ的關(guān)系,依此得到如圖3所示的壓力變化曲線(xiàn)。轉角/rad轉角rad圖2排液過(guò)程理論流量特性中國煤化工壓力特性2.2排液過(guò)程壓力特性tCNMHG對于圖1所示裝置,先分析未裝空氣室的情由于活塞變速運動(dòng)產(chǎn)生慣性水頭的影響,在排況。流體參數隨時(shí)間變化,為非定常流動(dòng)。以工作液過(guò)程中工作腔內壓力是非定常的。轉角坐標起腔中心線(xiàn)為基準,建立閥前I-I截面至排液容器點(diǎn)對應排液過(guò)程開(kāi)始點(diǎn),在排液開(kāi)始時(shí)活塞加速,第33卷第12期煤炭科學(xué)技術(shù)2005年12月形成正的壓力尖峰值,遠遠超過(guò)排液管路內靜水壓很小,所以有力(圖3中水平線(xiàn))。其中,克服沿程阻力和局部P3≈Pk≈P1阻力引起的壓力升高,相對于慣性水頭要小得多。因為空氣室內液體流動(dòng)加速了熱交換,氣體變而在排液結束時(shí),活塞減速度最大,又形成負的壓化可視為等溫過(guò)程:力峰值。因為慣性水頭與管路長(cháng)度成正比,所以,PIDk promo(9)在排出管路很長(cháng)時(shí),產(chǎn)生的壓力波動(dòng)將是很大的當泵的瞬時(shí)流量大時(shí),空氣室內氣體被壓縮,可能使泵和管路發(fā)生振動(dòng)。值得注意的是,如果排儲存一部分液量,反之,泵的瞬時(shí)流量小時(shí),氣體液結束時(shí)慣性水頭過(guò)大,會(huì )使工作腔產(chǎn)生負壓。結膨脹,釋放一部分液量,從而使得排出管路內流量果,排出閥將在吸液階段仍保持開(kāi)啟,這將使液體趨于均勻。因此,管路內流量與空氣室氣體體積變從吸液管直接進(jìn)人排液管,造成工作腔流動(dòng)環(huán)境惡化量有如下關(guān)系化。此外,液體在管路內變速運動(dòng)時(shí),還會(huì )增大沿程阻力和局部阻力。9p=9 dt(10)3空氣室影響的仿真式中q,q:—空氣室后排出管和泵的瞬時(shí)流量裝設空氣室是解決上述問(wèn)題的有效途徑。目—排出管液體速度;前,隔膜泵空氣室容積的確定,沿用機動(dòng)往復柱塞P3,P—空氣室出口和工作腔內壓力;泵的傳統設計方法,有“短管”理論和“長(cháng)管”P(pán),n—某時(shí)刻空氣室液面壓力和氣體體理論兩種。所謂“短管”理論,是指管路較短,積且靜壓力和水頭損失遠大于慣性水頭的簡(jiǎn)單情況。泵啟動(dòng)前空氣室液面壓力和氣體該理論忽略液體的慣性力,導出的空氣室容積計算體積。公式比較簡(jiǎn)單,與管路長(cháng)度無(wú)關(guān)。當空氣室后的管聯(lián)立上述方程可得到關(guān)于工作腔壓力p1的二路很長(cháng),慣性水頭不能忽略時(shí),“短管”理論公式階非線(xiàn)性方程,欲由此方程求出p1的解析解是困就不適用,也有采用日本學(xué)者的近似“長(cháng)管”理難的。為此,本文采用數值計算方法求解P1。論公式2,使用該公式須解復雜的方程組。按兩將活塞往復運動(dòng)一個(gè)循環(huán)的周期劃分成n個(gè)時(shí)種理論設計的空氣室容積,對水煤漿隔膜泵的流量間間隔Δt,Δt=t1-t11(i=1,2,…,n),下標和壓力特性有何影響,差別有多大,從公式本身難-1和i分別表示Mt時(shí)間間隔前后的參量,將流以分析。下面介紹用數值計算求解空氣室容積的方量和液體加速度離散化,用變量的差商代替變量的法,并仿真其對泵特性的影響,從而直觀(guān)地檢驗該導數。則第i時(shí)刻管路流量為容積值是否恰當。3.1仿真用數學(xué)模型qiqu="ro(sinθ1+t: -t利用圖1建立如下關(guān)系式:空氣室出口Ⅲ-Ⅲ入截面至排液容器Ⅱ-Ⅱ截面伯努里方程為)sin 20, )-thDHi-lP2液體加速度為++∑礦+hnpipi結合式(3)~(5),并略去空氣室慣性水頭dt dt(12)h和容器液面流速2,上式可寫(xiě)成:取排液開(kāi)始為計算初始時(shí)刻,空氣室容積為+"z=2,別to,對應氣體壓力po近似為Ⅲ-Ⅲ截面的靜壓力a,+2)P3=P2+pgz'p。設第i時(shí)刻,取上一時(shí)刻的工作腔壓中國煤化工,令p=p+Ap,代式中,Z'為排液高度。入CNMHG計算,求出壓力p1,du計算誤差為dt(7)空氣室液面至管路進(jìn)口或至工作腔的位置水頭,×100%(13)第33卷第12期煤炭科學(xué)技術(shù)2005年12月如e大于設定的允許誤差,則由程序自動(dòng)將p加壓力增量Ap后再次迭代計算。直至e,小于規定水位升降速度曲線(xiàn)值,各參數計算結果作為該時(shí)步的精確值。迭代計算依賴(lài)于空氣室初始容積t,此也為空氣室設計計算的目的。安裝空氣室后減小了壓力脈動(dòng),工程上以壓力脈動(dòng)率8的大小衡量空氣室水位高度曲線(xiàn)的效果。壓力脈動(dòng)率計算式為轉角6/rad6≈2PP×100%(14)圖6空氣室水位變化曲線(xiàn)計算時(shí)可以先取活塞行程容積的若干倍為tuo1一水位高度曲線(xiàn);2一水位升降速度曲線(xiàn)的初始值,由計算機求出一個(gè)循環(huán)中的最大壓力Pam和最小壓力pm,算出8。當δ,不滿(mǎn)足工程要高?？諝馐宜錃怏w被壓縮,體積減小以?xún)Υ嬉徊壳髸r(shí),計算機程序自動(dòng)增大υo,一般地,增大vo分液體,使排出管中的流量增加較少。反之,當泵可使δ減小。直到求出令人滿(mǎn)意的8為止,此時(shí)的瞬時(shí)流量小于平均流量時(shí),空氣室內和工作腔壓對應的υ0即為所求值。也可根據仿真結果手工調力下降?？諝馐覂葰怏w膨脹,其體積增大以釋放整部分液體,使排出管中流量減少不多。在泵的吸液過(guò)程,管路流量逐漸減小。這樣,通過(guò)空氣室氣體3.2彷真結果及分析本文仿真使用參數如下:水煤漿輸送量為25的壓縮和膨脹,就適時(shí)地調節了排出管的流量變yh,密度為1150kg/m3,輸送垂直高度為20m,化。整個(gè)工作循環(huán)中,管路流量圍繞在平均流量的排出管長(cháng)為100m,管徑為0.1m,空氣室內為常上下作小幅度波動(dòng),泵的工作壓力波動(dòng)幅度也明顯壓。裝空氣室后對泵特性影響的仿真結果如圖4~減小。雖然排液的全部過(guò)程中,工作腔和液壓缸的6所示,轉角θ坐標起點(diǎn)為排液開(kāi)始點(diǎn)。流量特性并不因空氣室而改變,但是兩者的壓力變化卻均勻了。用3種方法確定的空氣室都起到類(lèi)似的作用,表1比較了3種空氣室的作用效果?？梢钥闯?在本文給定管長(cháng)條件下,“長(cháng)管”理論因為考慮了慣性水頭的影響,穩壓效果優(yōu)于“短管”法,而迭轉角6/rad代法可以尋求比“長(cháng)管”法更好的結果。圖4排出管路流量特性表13種空氣室作用效果比較與行程最大壓最小壓壓力脈動(dòng)容積確定方法容積比力/MPa力/MPa率%“短管”理論計算8.50.2550.2348.5蘭0.22轉角/rad“長(cháng)管”理論計算11.10.0.239迭代仿真12.30.2520.244.8圖5工作腔壓力特性曲線(xiàn)l—迭代仿真確定的最佳容積;2—“長(cháng)管”理論計算的容積;3“短管”理論計算的容積4結語(yǔ)數值計篁方法確定的隔膜泵空氣室仿真結果表明,裝設空氣室后,排出管路的流容中國煤化工士比傳統計算公式求出量脈動(dòng)明顯削弱。在工作腔的排液過(guò)程,管路流量的CNMHG緩慢增大。這是因為當泵的瞬時(shí)流量大于平均流量(2)通過(guò)仿真手段可以預測并直觀(guān)地了解空時(shí),使排出管中流速增大,慣性水頭和流動(dòng)阻力損氣室改善泵壓力特性和管路流量特性的效果,從而失均增大,引起空氣室內壓力和泵工作腔內壓力升(下轉第73頁(yè))44第33卷第12期煤炭科學(xué)技術(shù)2005年12月條件、工程活動(dòng)狀況及涌水來(lái)源分析成果,結合井的效果,同時(shí)也具有堵塞層間裂隙、擴展順層空隙上井下的生產(chǎn)實(shí)際,可以采取適宜的防治對策,以的效果;測算并比較地面注漿水與井下涌水的水保證綜放開(kāi)采生產(chǎn)安全量,注漿水量遠大于井下涌水量;且未測算煤5以3.1防治對策上頂板裂隙水越流補給井下的混入水量,更未考慮(1)水文地質(zhì)工作者應做好綜放工作面的現地面注入巖層的粉煤灰量。場(chǎng)涌水觀(guān)測,超前排查防治水安全隱患(現在或將來(lái)可能發(fā)生的),同時(shí)為地面注漿減沉提供需要4結論的參考數據。礦山防治水的關(guān)鍵在于判別涌(突)水水源,(2)生產(chǎn)單位沿單斜向斜軸部掘一條泄水道,針對性地采取防治對策,有效地保證礦山安全生清臥見(jiàn)底,疏通泄水道泄放井下涌水,保證綜放工產(chǎn)。而灰色關(guān)聯(lián)分析要求提供龐大的數據群,其分作面正常開(kāi)采。析要點(diǎn)在于選取的數據要具備相應的典型性與特征(3)生產(chǎn)單位在低洼處做好預排水的水窩,性,分析結果有明確的直觀(guān)性特點(diǎn);水化學(xué)分析要輔設排水管路,及時(shí)將涌水排走,避免發(fā)生涌水積求掌握的水化學(xué)原理較復雜,其分析要點(diǎn)在于識別聚淹面事故。特征離子,分析結果比較客觀(guān)。為了將灰色關(guān)聯(lián)分(4)地面注漿人員應掌握合適的注漿時(shí)機,析的直觀(guān)性與水化學(xué)分析的客觀(guān)性有機地結合起完善注漿減沉工藝流程,選擇適當的注漿漿液配比來(lái),為礦井涌(突)水來(lái)源分析與防治水提供便濃度,或適當選用3%的水玻璃及磷酸鈉作為堵塞捷的分析方法,嘗試將兩者有機結合起來(lái),努力使層間裂隙的注漿堵水材料,間歇式交替注漿,可以之成為礦井涌(突)水來(lái)源分析的有效手段,為有效地減少含水層間的越流補給及注漿漿液的損礦山防治水工作提供新的分析思路與工作方向,同失時(shí)為地面注漿減沉與井下防治水生產(chǎn)等工程活動(dòng)提3.2防治效果供可靠的依據。3.2.1井下防治水效果通過(guò)綜合涌水來(lái)源分析和針對性的防治水對參考文獻:策,井下綜放工作面的生產(chǎn)未受涌(突)水影響,[1]柴登榜.礦井地質(zhì)工作手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版單面日產(chǎn)量超過(guò)7000t/d,回采期間未發(fā)生涌社,1986(突)水積聚淹面影響生產(chǎn)的安全事故。[2]鐘亞平,開(kāi)灤煤礦防治水綜合技術(shù)研究[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,20013.2.2地面注漿效果[3]沈照理.水文地球化學(xué)基礎[M].北京:地質(zhì)出版社,(1)地面注漿減沉,減緩了地面下沉量及下沉速度,有效地減少了鐵路基建維修等費用(2)注漿所用材料主要為電廠(chǎng)垃圾(粉煤作者簡(jiǎn)介:王欽東(1972-),男,河北唐山人,工程師,現灰),充填于地下巖層之中,減少了地面堆放所造在開(kāi)灤(集團)有限責任公司唐山礦業(yè)公司從事水文地質(zhì)工作。成的環(huán)境污染。(3)地面注漿既具有充填巖層減緩地面下沉收稿日期:2005-06-08;責任編輯:朱栓成(上接第44頁(yè))版杜,2001檢驗空氣室容積大小的合理性。[2]《往復泵設計》編寫(xiě)組.往復泵設計[M].北京:機械工(3)水煤漿隔膜泵具有一定輸送長(cháng)度的管路,業(yè)出版社,1987若用傳統設計理論計算空氣室,使用“長(cháng)管”公中國煤化工湖南收縣人,教授,從事式比“短管”公式可以獲得更好的穩壓效果。HCNMHG-6668933 E-mailchen@aust.edu.cn參考文獻[]張克危,流體機械原理(下冊)[M].北京:機械工業(yè)出收稿日期:2005-08-22;責任編輯:王宗禹73