馬 東

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.潞安集團(tuán)李村煤礦建設(shè)管理處，山西 長(zhǎng)治 046000）

氣動(dòng)充填泵的設(shè)計(jì)研究

馬 東1，2

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.潞安集團(tuán)李村煤礦建設(shè)管理處，山西 長(zhǎng)治 046000）

設(shè)計(jì)計(jì)算的氣動(dòng)充填泵，結(jié)構(gòu)參數(shù)為：泵的理論流量Q=3m3/h；額定工作壓力P2=5MPa；液缸活塞桿直徑D2=46mm；汽缸活塞桿直徑d=49mm；吸入管路和排出管路的直徑d1=d2=26.6mm；進(jìn)氣口直徑d=18mm。該泵具有較好性能，有較高效率。

氣動(dòng)充填泵；設(shè)計(jì)；參數(shù)

1 概述

1.1 充填采礦法

充填采礦法是當(dāng)前逐步被普遍采用的采礦方法，它的生產(chǎn)工藝可概括為：隨著回采工作面的推進(jìn)，采空區(qū)用充填泵充填；其作用是支撐兩幫、控制巖移，并作為回采工作繼續(xù)進(jìn)行的底版；或是礦床采完后的一次事后充填，以支撐上下周圍礦巖，使相繼礦柱得到順利回采。

充填采礦法的優(yōu)點(diǎn)是：1）采掘切割工程量少。2）適應(yīng)礦體形態(tài)變化能力強(qiáng)，靈活性大，礦石損失率低。3）能夠有效地圍護(hù)圍巖，減緩圍巖移動(dòng)。4）對(duì)于極薄礦脈或有多品種礦石的礦體，可以進(jìn)行選別回采。5）能防止礦床開采時(shí)的內(nèi)因火災(zāi)，有利于深熱礦井工作面降溫。

但是，充填采礦法多一充填工序，回采工藝相對(duì)復(fù)雜，采礦成本較高。以前，用在有色金屬礦及貴重金屬礦的開采，黑色金屬礦一般不用或很少使用?，F(xiàn)在，對(duì)于煤層有自燃發(fā)火傾向、建筑物下、水下采煤、圍巖不穩(wěn)定的煤礦，也開始用此種方法。

1.2 粉煤灰充填工藝流程

粉煤灰充填工藝流程可分為：制漿、輸送、充填、濾水過程。粉煤灰作為井下注漿防火和充填材料具有的特點(diǎn)是：和易性好、制漿方便、對(duì)管路磨損小、可高倍線、高濃度輸送、灰漿滲透性能好、充填密度高、有自硬性、不含可燃和助燃物質(zhì)，含一定水分時(shí)，具有較強(qiáng)的密封隔氣性能。利用粉煤灰充填采空區(qū)能達(dá)到防火的目的，能夠較大幅度地減少地表移動(dòng)和變形，保護(hù)耕地，消除環(huán)境污染，節(jié)省地面灰場(chǎng)的投資和大量征地。

1.3 氣動(dòng)充填泵的用途

該泵以壓縮空氣為動(dòng)力源，主要用于井下的充填注漿之用，也可用于地鐵、隧道、水利、建筑等注漿堵水及破碎巖石的固結(jié)工程。該泵體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、使用可靠，可用于井下作業(yè)；在易燃、易爆、強(qiáng)磁、輻射、多塵埃、溫度變化大以及淋水的場(chǎng)合，也可安全使用。

1.4 氣動(dòng)充填泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

該泵的結(jié)構(gòu)主要由框架、汽缸、活塞、短蓋、聯(lián)接箱、液缸、拉桿、進(jìn)排漿閥、換向閥、調(diào)壓閥和一些輔助件組成。其工作過程為：壓縮空氣通過分水濾氣器，凈化后的氣體到定值調(diào)壓閥和氣壓表，可以觀察風(fēng)流壓力及判斷分水濾氣器是否堵塞，也可判斷調(diào)壓工作是否正常，調(diào)壓閥上的氣壓表指示調(diào)節(jié)后輸出的氣體壓力。從調(diào)壓閥輸出的氣體經(jīng)過油霧器（自動(dòng)隨氣流加潤(rùn)滑油）到二位五通換向閥及行程閥，拉桿上的撥盤撥動(dòng)行程閥，由行程閥控制換向閥，變換氣流方向，推動(dòng)汽缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，汽缸排出的廢氣通過消聲器排到大氣中去，汽缸活塞拉桿直接推動(dòng)液缸活塞，通過進(jìn)排漿閥，完成吸排漿液的工作。

2 氣動(dòng)充填泵的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)一臺(tái)風(fēng)動(dòng)充填泵，以粉煤灰作為充填料，以水作為輸送介質(zhì)，并且該泵能輸送兩種充填介質(zhì)。

泵的理論流量Q=3 m3/h；額定工作壓力p2=5 MPa；供氣壓力 p1=6kg/cm2。

2.2 液缸計(jì)算

1）液缸活塞直徑。選取活塞運(yùn)動(dòng)速度v=0.3 m/s，按公式：q=D22v/8πKZτα.可得 D2=[8q/(vπKZτα)]1/2=[8×3/3600/(0.3π×2×2×0.9×0.9]1/2=0.046m。

式中：q 為流量，單位 m3/s；D2：活塞直徑，m；K 為作用數(shù)，雙作用泵K=2；Z為液缸數(shù)；α為流量系數(shù)，α=0.85～0.98，取 α=0.9；τ為排擠系數(shù)，考慮到活塞桿截面面積對(duì)流量減少的系數(shù)τ=0.9；v為活塞的平均速度，取v=0.3m/s。

2）選取往復(fù)次數(shù)n。直接作用泵n=16 min-1～120min-1；柱塞計(jì)量泵 n=10min-1～230 min-1；超高壓和高黏液泵n=10 min-1～135 min-1；石油礦產(chǎn)用泵n=40 min-1～275 min-1；參照以上數(shù)據(jù)，選取n=45 min-1。

3）計(jì)算活塞行程長(zhǎng)度。s=30v/n=30×0.3/45=0.2m。

4）計(jì)算行程比Φ。算式Φ=S/D。它大體上反映了總體長(zhǎng)度與寬度的關(guān)系。程徑比Φ過大，總體細(xì)長(zhǎng)。程徑比Φ過小，總體短而寬。程徑比過大或過小，都會(huì)使往復(fù)泵的總體尺寸和重量增加，一般Φ值的取值范圍是Φ=1.0～3.5。選取Φ=S/D2=0.2/0.06=3.33，符合要求。

5）確定吸入管路和排出管路的直徑。管路內(nèi)平均速度：c1=1.5 m/s～2.5 m/s；c2=1.0 m/s～2.0 m/s。選取 c1=c2=1.5 m/s；所以 d1=d2=[4q/(πc1)]1/2=[4×3/3600/(π×1.5)]1/2=0.0266m=26.6mm。

6）液缸壁厚。液缸材料選用45號(hào)鋼，由GB38-76查得δB=610 MPa,由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查得：δ=PD2/(2.3[δ]-P)Φ=50×6/(2.3×1220-50)×1=0.01cm。

式中：P為液缸工作壓力p=50 kgf/cm2；D2：液缸內(nèi)徑D2=6cm；[δ]為缸體材料的許用應(yīng)力[δ]=δB/n，由《機(jī)械設(shè) 計(jì) 手 冊(cè)》 查 得 ：n=5。 則 [δ]=δB/5=6100/5=1220 kgf/cm2；Φ為強(qiáng)度系數(shù)，無縫鋼管取Φ=1。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查得δ=8mm時(shí)取外徑D=76mm。

7）液壓缸筒變形計(jì)算。由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得：ΔD=pD2(1-1/2u)/2εδ=50×62(1-1/2×0.3)/2×2.1×106×0.8=4.55×10-4cm。

式中：ΔD為缸筒內(nèi)徑的伸長(zhǎng)量，cm；D為缸筒內(nèi)徑，D=6 cm；p 為缸筒內(nèi)液體壓力，p=50 kgf/cm2；ε 為材料的彈性系數(shù)，對(duì)于鋼取ε=2.1×106kgf/cm2；u為泊松系數(shù)對(duì)于鋼取u=0.3；δ為壁厚，cm。

8）液缸缸底厚度計(jì)算：按算式將δ≥0.433Dp/[δ]=0.433×6×50/1220=0.53cm。

式中：δ為缸底壁厚，cm；D 為油缸內(nèi)徑，cm；p為缸內(nèi)最大油壓，p=50kgf/cm2；[δ]為缸底材料許用應(yīng)力，[δ]=1220kgf/cm2。

2.3 汽缸計(jì)算

1）汽缸活塞面積：按算式p2A2+T=p1A1。則A1=(P2A2+T)/P1=50×π/4×602+20%×50×π/4×602/6=28274.3mm2

式中：p1為汽缸上工作壓力，p=6 kgf/cm2；p2為液缸工作壓力，p=50kgf/cm2；T為汽缸工作總阻力，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，當(dāng)v在0.2 m/s～0.5 m/s時(shí)，取理論作用力的20%～50%；這里活塞運(yùn)動(dòng)速度v=0.3 m/s，取T=20%P。

2）汽缸活塞桿直徑?；钊麠U拉壓應(yīng)力：δ=P/π/4d2≤[δ]，則活塞桿直徑：d≥[4p/π [δ]]1/2=[4×1.20×50×π/4×602/(90π)]1/2=49mm。

式中：p 為活塞桿軸向載荷，p=1.25P2π/4D22；δ為活塞桿制造的許用應(yīng)力，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得：40cr調(diào)質(zhì)，δB=1000 MPa、許用應(yīng)力[δ]=90 MPa，取活塞桿直徑d=50mm。

3）汽缸活塞直徑。按算式A1=(D12-d2)π/4.

則汽缸活塞直徑：D1=[π/4/A1+d2]1/2=[π/4×28274.2+502]1/2=196.2mm.

式中：A1為汽缸活塞面積，A1=28274.3 mm2；d 為活塞桿直徑。d=50mm；D1為汽缸活塞直徑，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取D1=200mm。

4）汽缸壁厚。汽缸材料選用A3鋼。汽缸壁厚

式中：p1為汽缸工作壓力，p1=6kgf/cm2；D1為汽缸活塞直徑；D1=200 mm。[δ]為汽缸制造材料的許用應(yīng)力，由 GB700-79 查得：A3 鋼，δs=2200kgf/cm2。安全系數(shù)查得 n=8，許用應(yīng)力[δ]=δs/8，則[δ]=275 kgf/cm2，取標(biāo)準(zhǔn)汽缸壁厚圓整δ=9mm。

5）耗氣量計(jì)算。由公式得：Qz=0.236v(2D2-d2)(p1+1)×10-5=0.236×300×(2×2002-5.02)(6+1)×10-5=3.84m3/min。

式中：D為汽缸內(nèi)徑，D=20 cm；d為活塞桿直徑d=5 cm；p1為汽缸工作壓力，6kgf/cm2；v為活塞運(yùn)動(dòng)平均速度，300mm/s。

6）進(jìn)（排）氣口大?。喝菰S活塞最大平均速度vm=1000 mm/s，工作壓力6 kgf/cm2。耗氣量為：Qz=0.236vm (2D2-d2)(p1+1)×10-5=0.236×1000×(2×2002-5.02)(6+1)×10-5=12.9m3/min。

式中：D為汽缸內(nèi)徑，20 cm；d為活塞桿直徑，5 cm；p1為汽缸工作壓力，6kgf/cm2；v為活塞運(yùn)動(dòng)平均速度，1000 mm/s。汽缸的平均有效壓力：pm=0.6P=0.6×6=3.6kgf/cm2，進(jìn)氣口直徑 d1=18mm。

7）汽缸缸底厚度計(jì)算。由公式得：δ≥0.433DP/[δ]=0.433×20×6/275=1.28cm。

式中：δ為缸底壁厚，cm；D為汽缸內(nèi)徑，cm；p為缸內(nèi)最大氣壓，kgf/cm2；[δ] 為缸底材料許用應(yīng)力，275 kgf/cm2。

8）汽缸缸體變形計(jì)算：由公式得：ΔD=pD2(1-1/2u)/2εδ=6×202(1-1/2×0.3)/2×2.1×106×0.9=5.4×10-4cm。

2.4 充填泵各部件的密封

1）汽缸蓋與汽缸之間，液壓蓋與液缸之間，活塞與活塞桿之間的固定密封，以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞與汽缸之間的運(yùn)動(dòng)密封，選用O型密封圈；活塞桿的密封；采用V型密封圈密封。汽缸內(nèi)徑為200 mm,據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》汽缸端蓋的密封，活塞與缸之間的密封選用“O型密封圈185×7.0GB3452.1-82”密封圈。2）汽缸活塞桿上裝活塞段的軸徑為65 mm，選用“O型密封圈56×5.3GB3452.1-82”作為活塞與活塞桿之間的密封。3）汽缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)密封，采用v型密封圈，活塞桿直徑為50 mm，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選“V型夾織物密封圈(b)50×65，橡膠 I-1，HG4-337-65”；汽缸工作壓力為6 kgf/cm2，采用2個(gè)密封環(huán)作為一組，對(duì)活塞桿進(jìn)行密封。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過設(shè)計(jì)計(jì)算，氣動(dòng)充填泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：泵的理論流量Q=3m3/h；額定工作壓力p2=5 MPa；液缸活塞桿直徑D2=46 mm；汽缸活塞桿直徑d=49 mm；吸入管路和排出管路的直徑d1=d2=26.6 mm；進(jìn)氣口直徑d=18mm。該泵具有較好性能、較高效率。

Design Research of Aerodynamic Filling Pump

MA Dong1，2
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi030024；2.Licun Mine Construction and Administration Office,Lu'an Group,Changzhi Shanxi046000)

The structural parameters of the designed aerodynamic filling pump are:theoretical flow Q=3m3/h,rated operating pressure P2=5MPa,diameter of cylinder piston rod d=49mm,diameters of suction pipe and discharge pipe d1=d2=26.6mm,and diameter of inlet port d=18mm.The pump has better performance and high efficiency.

aerodynamic filling pump;design;parameters

TD40

A

1672-5050（2011）03-0051-03

2010-10-21

馬 東（1964—），男，山西襄垣人，在讀工程碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)管理工作。

徐樹文