蒲朝陽,袁 輝,安許良

(1.煤炭科學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)速高壓化學注漿泵的研制

蒲朝陽1,2,袁 輝1,2,安許良1,2

(1.煤炭科學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)

針對目前國內(nèi)煤礦地面預(yù)注漿工程中遇到復(fù)雜地層需要化學注漿時只能采用普通注漿泵,腐蝕損壞嚴重、不能滿足流量的無級調(diào)節(jié)等問題,研制了適應(yīng)千米級深井地面預(yù)注漿工況的無級調(diào)速、高壓、耐腐蝕的 ZBBJ-300/35-H型注漿泵。該泵主要由變頻器、電動機、減速箱、三缸泵、撬座、吸排管系及潤滑系統(tǒng)等組成,具有流量大且能無級調(diào)節(jié)、壓力高、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、操作簡便等特點,廠內(nèi)性能試驗表明,該泵能滿足流量在 0～300L/min范圍內(nèi)無級可調(diào),注漿壓力達到 35MPa的設(shè)計要求。

變頻調(diào)速;化學注漿;注漿泵;千米級深井

我國早期化學注漿使用的大多數(shù)是隔膜泵,壓力都較低,且成本也較高[1]。隨著上世紀 90年代初黏土水泥漿的開發(fā)應(yīng)用,淺井筒地面預(yù)注漿較少采用化學注漿材料,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有得到繼續(xù)開發(fā),遇到復(fù)雜地層需要化學注漿時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)腔等在注漿過程中均與化學漿液接觸,承受高壓交變腐蝕流體的侵蝕,腐蝕損壞嚴重。隨著千米深井特殊地層對高壓化學注漿泵的迫切需求和現(xiàn)代金屬防腐新技術(shù)的發(fā)展,為開發(fā)新型高壓化學注漿泵提供了契機。同時,由于在進行化學注漿時,化學注漿材料多數(shù)是甲、乙 2種液,甚至更多種液構(gòu)成。在進行注漿的過程中,為了準確控制漿液的凝固時間,各液的排漿量應(yīng)滿足一定的比例關(guān)系,也即要求注漿泵在注漿過程中,能隨時調(diào)節(jié)流量來滿足漿液的不同配比?；诖?研制了適應(yīng)千米級深井地面預(yù)注漿工況的無級調(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、電動機、減速箱、三缸泵、撬座、吸排管系及潤滑系統(tǒng)等組成,如圖 1所示。電動機帶動減速箱旋轉(zhuǎn),經(jīng)三缸泵主動軸傳動,帶動曲柄連桿機構(gòu)使柱塞作往復(fù)運動,達到注漿泵吸排漿液的目的。通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率,改變電機的輸出轉(zhuǎn)速,可以實現(xiàn)注漿泵輸出流量的無級調(diào)節(jié)。

變頻器 變頻器為風機水泵專用變頻器,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,其頻率可調(diào)范圍為 0～120Hz。

電動機 由于標準電動機是按在工頻電源下能獲得最佳特性而設(shè)計的,當采用通用變頻器運轉(zhuǎn)時,根據(jù)用途在特性、強度等方面受到限制,且在低頻區(qū)運轉(zhuǎn)時電動機發(fā)熱較為嚴重[2],電動機采用了專用的變頻電動機,其在 3～50Hz段為恒扭矩特性,在 50～100Hz段為恒功率特性。

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

三缸泵 三缸泵為臥式三缸單作用柱塞泵,是注漿泵的工作機構(gòu),由動力端和液力端組成。動力端主要由泵缸體、主動軸總成、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)動是主動軸輸入動力,經(jīng)一級人字齒輪減速后帶動主軸旋轉(zhuǎn),主軸帶動偏心輪旋轉(zhuǎn),從而驅(qū)動連桿十字頭和柱塞直線運動;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)計有吊裝點,以便于裝卸運輸。同時還作為工作臺面,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旋塞閥和管線組成。安全閥為彈簧式結(jié)構(gòu),注漿泵排出壓力達到設(shè)定值時自動開啟,以保證注漿泵的安全使用。在注漿泵開始工作時,放空閥的開啟可以防止電動機帶載啟動,以延長電動機的使用壽命;同時,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。

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

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)見表 1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3 性能特點

(1)工作壓力高 根據(jù)國家標準中規(guī)定的立井井筒地面預(yù)注漿的注漿終壓結(jié)束標準計算,該泵的設(shè)計注漿壓力完全能滿足井深 1200m及以淺地面預(yù)注漿工程的要求。

(2)流量大且能無級調(diào)節(jié) 根據(jù)多年的注漿施工經(jīng)驗,采用化學材料注漿時注漿流量一般為100～200L/min,所以設(shè)計流量也完全能滿足千米級深井注漿的要求。由于采用變頻調(diào)速技術(shù),其注漿流量可以隨時根據(jù)注漿工況的要求進行無級調(diào)節(jié)來滿足漿液的不同配比,流量準確、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,對三缸泵液力端的閥箱體內(nèi)部進行了涂環(huán)氧樹脂防腐處理,其他零件表面均進行了鍍鎳防腐處理;對吸漿管內(nèi)部進行了掛膠防腐處理,排漿管內(nèi)部進行了涂環(huán)氧樹脂防腐處理。

(4)柱塞密封摩擦副增壓潤滑 為了避免柱塞和密封圈在高壓往復(fù)運動時產(chǎn)生高溫過熱,燒傷密封圈導致其密封失效,對柱塞密封摩擦副采用了強制增壓潤滑系統(tǒng)。

(5)節(jié)能、對電網(wǎng)沖擊小 電動機在低頻區(qū)運轉(zhuǎn)時,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,減少了電動機的能耗[3]。同時電動機可以進行軟啟動,啟動壓降減小,大幅度減小了對電網(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,省去了機械變速箱、離合器等傳動部件,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。同時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)或更換易損件時更快捷、方便,在施工現(xiàn)場就能完成。

4 研制與廠內(nèi)試驗

與蘭州盛達采油機械制造有限公司共同研制,完成了 2臺樣機的試制,并根據(jù)《機動往復(fù)泵試驗方法》 (GB/T 7784-2006)中的有關(guān)規(guī)定,在廠內(nèi)對樣機進行了基本性能試驗。試驗介質(zhì)采用清水,其主要性能測試數(shù)據(jù)見表 2所示。

表2 性能測試數(shù)據(jù)

在測試過程中,注漿泵運轉(zhuǎn)平穩(wěn),振動、聲響、潤滑、油溫、泄漏及保護裝置等無異?，F(xiàn)象。

5 結(jié)束語

ZBBJ-300/35-H型注漿泵具有流量大且能無級調(diào)節(jié)、壓力高、耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、操作簡便等特點。廠內(nèi)性能試驗表明,該泵能滿足流量在 0～300L/min范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié),注漿壓力達到35MPa的設(shè)計要求,適用于煤礦地面預(yù)注漿工程,同時也可應(yīng)用于水電、公路、鐵路等化學注漿工程。

[1]沈季良,等 .建井工程手冊 (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].煤礦開采,2007,12(5)：86-88.

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

[4]吳忠智,吳加林 .變頻器應(yīng)用手冊 [M].北京：機械工業(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].機床與液壓,1997(6)：15-16.

[責任編輯：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”國家科技支撐計劃重點資助項目：深厚沖積層千米深井快速建井關(guān)鍵技術(shù) (2008BAB33B01)

蒲朝陽 (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。