空气室对水煤浆隔膜泵性能影响的仿真研究

第30卷第12期煤炭科学技术2005年12月试验研我空气室对水煤浆隔膜泵性能影响的仿真研究陈燎原’,尹兆友2,陈岁繁(1.安徽理工大学,安徽淮南232001;2.淮南矿业(集团)有限责任公司谢家集一矿,安徽淮南232001)摘要:建立了水煤浆隅膜泵工作特性的数学模型,不依赖传统的“长管”和“短管”设计计算公式,用数值计算方法求解空气室容积。利用计算机对其影响泵的特性进行仿真,从而直观地检验该容积值是否恰当。关键词:水煤浆隔膜泵;空气室;计算机仿真中图分类号:TH323文献标识码:A文章编号:0253-2336(2005)12-0041-04Simulation research on air chamber affected to features ofcoal water mixture membrane pumpCHEN Liao-yuan, YIN Zhao-you, CHEN Sui-fan(l. Anhui Uniersity of Science and Technology, Huainan 232001, China;2. Xiejiaji No. I Mine, Huainan Coal Mining Gorup Corporation Ld., Huainan 232001, ChinaAbstract: A mathematics model for the operation features of the coal water mixture membrs established. The volume of theair chamber was calculated with a numerical calculation methodbase on the calculation formula of the traditional "long tubeand"short tube"design. The features affected to the pump were simulated with computer, which could directly inspect the volume valuesuitable or notKey words: coal water mixture membrane pump; air chamber; computer simulation隔膜泵是泵行业中技术难度最大、产品附加值压油分隔,曲柄连杆机构带动活塞往复运动,并通最高的产品种类之一。它采用隔膜将输送介质与驱驱动液压缸的油液推动隔膜作左右摆动,从而对动介质隔开,使输送的固体颗粒与活塞运动部件不输送介质作功。排出阀4和吸入阀5交替打开和关接触,避免了对泵造成的磨损。在国内,水煤浆隔闭,使工作腔完成吸液和排液过程。活塞作变速运膜泵近年来才开始研制,产品还没有形成系列化动,使得吸人和排出管内液体存在加速度和惯性水主要元件的设计也是借鉴机动往复泵的设计方法。头,必然会产生流量和压力的脉动其中,空气室的设计有所谓“短管”设计理论和n「Pn“长管”设计理论。文献[1,2]并没有严格界定两种理论公式的适用范围,按不同理论设计的空气室,对水煤浆隔膜泵特性的影响的差异也难以预测。本文避开传统设计公式,采用计算机数值模拟,仿真空气室对泵特性的影响,从而可以直观地斗。7少确定空气室的合理尺寸。1水煤浆隔膜泵工作原理图1水煤浆隔膜泵工作原理水煤浆隔膜泵的工作原理如图1所示。用一柔排液容器;2一排出管;3一空气室;4排出阀;5-吸人第33卷第12期煤炭科学技术2005年12月图1中画出排出管路的空气室(吸入管路空Ⅱ-Ⅱ截面的非定常流伯努里方程:气室略),其作用是利用室内气体可压缩和膨胀的Pg2g+hu =z,+P2.U2PI特性,来储存和释放一部分煤浆,以减小管路内流+矿f+∑勾+h量和压力脉动的程度,改善泵的工作条件。本文仅讨论单缸泵的排液过程特性,吸液过程f+∑矿=(λ+∑(3)及多联泵的分析与此相似,不作赘述。2泵的理论流量和压力特性h(4)2.1排液过程理论流量特性2a,=(e)ira( cos 8+ Acos 20泵的流量特性和压力特性是针对输送介质而言的。在正常工作情况下,隔膜仅起着分隔输送介质(5)和驱动液压油的作用,其两侧液体压力相同。根据式中p1、n—排出阀前液体压力、流速;流体力学连续性原理可知,输送介质的流量特性和hn—排出阀前液体因加速度产生的惯驱动液压油的流量特性相同。由于活塞为变速运性水头,工作腔体积较小此项可动,吸入和排出过程是交替进行的。所以,泵的瞬忽略不计时理论流量也是变化的。瞬时流量q为Z,工作腔轴线至容器液面高度P2、v2容器液面压力、流速,t2很小可9. =Un ="ro( sin 8+sin 20)(1)忽略不计;式中d—活塞直径;f+∑——排液管路沿程水头损失与局部水活塞瞬时运动速度头损失之和;曲柄长;hn排液管路液体惯性水头;—曲柄角速度;λ,、∑—管路沿程阻力系数、局部阻力系A—曲柄连杆比,A=r/,l为连杆长;数之和—曲柄转角式(1)表示的流量特性如图2所示,图中给l、d排液管长度、管径管路液体加速度、活塞加速度出两个工作循环的特性曲线,转角6坐标起点为排液过程开始点。在活塞往复运动一次中,只有半个p液体密度;周期排液,流量按正弦规律变化。这种间断并且脉g——重力加速度。对于确定的泵装置,式(2)~(5)中,只有工动的流量特性,导致在一个工作循环中排液压力发作腔压力p1和曲柄转角8是变量,这些计算式给出生很大变化。了无空气室情况下p1与θ的关系,依此得到如图3所示的压力变化曲线。转角8/rad转角rad图2排液过程理论流量特性图3排液过程工作腔压力特性22排液过程压力特性对于图1所示装置,先分析未装空气室的情由于活塞变速运动产生惯性水头的影响,在排况。流体参数随时间变化,为非定常流动。以工作液过程中工作腔内压力是非定常的。转角θ坐标起腔中心线为基准,建立阀前I-I截面至排液容器点对应排液过程开始点,在排液开始时活塞加速,第33卷第12期煤炭科学技术005年12月形成正的压力尖峰值,远远超过排液管路内静水压很小,所以有:力(图3中水平线)。其中,克服沿程阻力和局部P3Pk≈P阻力引起的压力升高,相对于惯性水头要小得多。因为空气室内液体流动加速了热交换,气体变而在排液结束时,活塞减速度最大,又形成负的压化可视为等温过程:力峰值。因为惯性水头与管路长度成正比,所以PIDk Pxo ko在排出管路很长时,产生的压力波动将是很大的当泵的瞬时流量大时,空气室内气体被压缩可能使泵和管路发生振动。值得注意的是,如果排储存一部分液量,反之,泵的瞬时流量小时,气体液结束时惯性水头过大,会使工作腔产生负压。结膨胀,释放一部分液量,从而使得排出管路内流量果,排出阀将在吸液阶段仍保持开启,这将使液体趋于均匀。因此,管路内流量与空气室气体体积变从吸液管直接进入排液管,造成工作腔流动环境恶化量有如下关系化。此外,液体在管路内变速运动时,还会增大沿程阻力和局部阻力。(10)3空气室影响的仿真式中q,q:——空气室后排出管和泵的瞬时流量装设空气室是解决上述问题的有效途径。目——排出管液体速度;前,隔膜泵空气室容积的确定,沿用机动往复柱塞P,P—空气室出口和工作腔内压力;泵的传统设计方法,有“短管”理论和“长管P,n—某时刻空气室液面压力和气体体理论两种。所谓“短管”理论,是指管路较短,积;且静压力和水头损失远大于惯性水头的简单情况。泵启动前空气室液面压力和气体该理论忽略液体的惯性力,导出的空气室容积计算体积。公式比较简单,与管路长度无关。当空气室后的管联立上述方程可得到关于工作腔压力p1的二路很长,惯性水头不能忽略时,“短管”理论公式阶非线性方程,欲由此方程求出p1的解析解是困就不适用,也有采用日本学者的近似“长管”理难的。为此,本文采用数值计算方法求解p1。论公式2,使用该公式须解复杂的方程组。按两将活塞往复运动一个循环的周期划分成n个时种理论设计的空气室容积,对水煤浆隔膜泵的流量间间隔Δ,△t=t1-t1(i=1,2,…,n),下标和压力特性有何影响,差别有多大,从公式本身难-1和i分别表示△t时间间隔前后的参量,将流以分析。下面介绍用数值计算求解空气室容积的方量和液体加速度离散化,用变量的差商代替变量的法,并仿真其对泵特性的影响,从而直观地检验该导数。则第i时刻管路流量为容积值是否恰当。3.1仿真用数学模型Api q0=rw(sin 0+利用图1建立如下关系式:空气室出口Ⅲ-Ⅲ截面至排液容器Ⅱ-Ⅱ截面伯努里方程为Dsin 28, )-2ki-Vi-IP3 3Pg 2gn2g++∑hP2液体加速度为4-4结合式(3)~(5),并略去空气室惯性水头dt dh和容器液面流速v2,上式可写成取排液开始为计算初始时刻,空气室容积为2n+m+(x,a+25t,对应气体压力po近似为Ⅲ-Ⅲ截面的静压力P3=P2+pgzp。设第i时刻,取上一时刻的工作腔(6)压力p1;-为本时刻迭代初值P,令P=P+Ap,代式中,Z为排液高度。入式(6)~(12)进行迭代计算,求出压力P1dv. dqe 4(7)计算误差为dt dt dPI-pPn×100%第33卷第12期煤炭科学技术005年12月如er大于设定的允许误差,则由程序自动将p加压力增量Ap后再次迭代计算。直至e,小于规定水位升降速度曲线0值,各参数计算结果作为该时步的精确值。迭代计算依赖于空气室初始容积t,此也为空气室设计计算的目的。安装空气室后减小了压力脉动,工程上以压力脉动率6的大小衡量空气室水位高度曲线的效果。压力脉动率计算式为转角6/rad100%(14)图6空气室水位变化曲线计算时可以先取活塞行程容积的若干倍为t1—水位高度曲线;2一水位升降速度曲线的初始值,由计算机求出一个循环中的最大压力高。空气室所充气体被压缩,体积减小以储存一部Pnm和最小压力pm,算出8。当δ,不满足工程要求时,计算机程序自动增大υo,一般地,增大to分液体,使排出管中的流量增加较少。反之,当泵可使δ减小。直到求出令人满意的8为止,此时的瞬时流量小于平均流量时,空气室内和工作腔压对应的υ0即为所求值。也可根据仿真结果手工调力下降。空气室内气体膨胀,其体积增大以释放部分液体,使排出管中流量减少不多。在泵的吸液整过程,管路流量逐渐减小。这样,通过空气室气体3.2仿真结果及分析本文仿真使用参数如下:水煤浆输送量为25的压缩和膨胀,就适时地调节了排出管的流量变化。整个工作循环中,管路流量围绕在平均流量的myh,密度为1150kg/m3,输送垂直高度为20m,上下作小幅度波动,泵的工作压力波动幅度也明显排出管长为100m,管径为0.1m,空气室内为常减小。虽然排液的全部过程中,工作腔和液压缸的压。装空气室后对泵特性影响的仿真结果如图4流量特性并不因空气室而改变,但是两者的压力变6所示,转角θ坐标起点为排液开始点。化却均匀了用3种方法确定的空气室都起到类似的作用,表1比较了3种空气室的作用效果。可以看出,在本文给定管长条件下,“长管”理论因为考虑了惯性水头的影响,稳压效果优于“短管”法,而迭转角6/rad代法可以寻求比“长管”法更好的结果。4排出管路流量特性表13种空气室作用效果比较容积确定方法与行程最大压最小压压力脉动容积比力/MPa力/MPa率%“短管”理论计算8.50.2550.2348.5兰0.22转角6/rad长管”理论计算1.10.2530.2395.6迭代仿真12.30.2520.24图5工作腔压力特性曲线l一迭代仿真确定的最佳容积;2-“长管”理论计算的容积4结语3“短管”理论计算的容积(1)利用数值计算方法确定的隔膜泵空气室仿真结果表明,装设空气室后,排出管路的流容积,调节流量和压力的效果比传统计算公式求出量脉动明显削弱。在工作腔的排液过程,管路流量的容积更优缓慢增大。这是因为当泵的瞬时流量大于平均流量(2)通过仿真手段可以预测并直观地了解空时,使排出管中流速增大,惯性水头和流动阻力损气室改善泵压力特性和管路流量特性的效果,从而第33卷第12期煤炭科学技术2005年12月条件、工程活动状况及涌水来源分析成果,结合井的效果,同时也具有堵塞层间裂隙、扩展顺层空隙上井下的生产实际,可以采取适宜的防治对策,以的效果;测算并比较地面注浆水与井下涌水的水保证综放开采生产安全。量,注浆水量远大于井下涌水量;且未测算煤5以3.1防治对策上顶板裂隙水越流补给井下的混入水量,更未考虑(1)水文地质工作者应做好综放工作面的现地面注入岩层的粉煤灰量。场涌水观测,超前排查防治水安全隐患(现在或将来可能发生的),同时为地面注浆减沉提供需要4结论的参考数据。矿山防治水的关键在于判别涌(突)水水源(2)生产单位沿单斜向斜轴部掘一条泄水道,针对性地采取防治对策,有效地保证矿山安全生清卧见底,疏通泄水道泄放井下涌水,保证综放工产。而灰色关联分析要求提供庞大的数据群,其分作面正常开采。析要点在于选取的数据要具备相应的典型性与特征(3)生产单位在低洼处做好预排水的水窝性,分析结果有明确的直观性特点;水化学分析要辅设排水管路,及时将涌水排走,避免发生涌水积求掌握的水化学原理较复杂,其分析要点在于识别聚淹面事故。特征离子,分析结果比较客观。为了将灰色关联分(4)地面注浆人员应掌握合适的注浆时机,析的直观性与水化学分析的客观性有机地结合起完善注浆减沉工艺流程,选择适当的注浆浆液配比来,为矿井涌(突)水来源分析与防治水提供便浓度,或适当选用3%的水玻璃及磷酸钠作为堵塞捷的分析方法,尝试将两者有机结合起来,努力使层间裂隙的注浆堵水材料,间歇式交替注浆,可以之成为矿井涌(突)水来源分析的有效手段,为有效地减少含水层间的越流补给及注浆浆液的损矿山防治水工作提供新的分析思路与工作方向,同失时为地面注浆减沉与井下防治水生产等工程活动提3.2防治效果供可靠的依据。32.1井下防治水效果通过综合涌水来源分析和针对性的防治水对参考文献:策,井下综放工作面的生产未受涌(突)水影响[1]柴登榜,矿井地质工作手册[M].北京:煤炭工业出版单面日产量超过7000t/d,回采期间未发生涌社,1986(突)水积聚淹面影响生产的安全事故。[2]钟亚平.开滦煤矿防治水综合技术研究[M],北京:煤炭工业出版社,20013.2.2地面注浆效果[3]沈照理,水文地球化学基础[M].北京:地质出版社(1)地面注浆减沉,减缓了地面下沉量及下沉速度,有效地减少了铁路基建维修等费用。(2)注浆所用材料主要为电厂垃圾(粉煤作者简介:王钦东(1972-),男,河北唐山人,工程师,现灰),充填于地下岩层之中,减少了地面堆放所造在开滦(集团)有限责任公司唐山矿业公司从事水文地质工作。成的环境污染。(3)地面注浆既具有充填岩层减缓地面下沉收稿日期:2005-06-08;责任编辑:朱栓成(上接第44页)版社,2001检验空气室容积大小的合理性。[2]《往复泵设计》编写组,往复泵设计[M].北京:机械工(3)水煤浆隔膜泵具有一定输送长度的管路,业出版社,1987若用传统设计理论计算空气室,使用“长管”公作者简介:陈燎原(1950-),男,湖南攸县人,教授,从事式比“短管”公式可以获得更好的稳压效果。矿山机械的教学与科研工作。Tel:0554-668933,E-mal:lychen@aust.edu.cn参考文献械原理(下机械工05-08-22;责任编辑: