变频调速高压化学注浆泵的研制

蒲朝阳,袁 辉,安许良

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院,北京 100013;2.北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013)

变频调速高压化学注浆泵的研制

蒲朝阳1,2,袁 辉1,2,安许良1,2

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院,北京 100013;2.北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013)

针对目前国内煤矿地面预注浆工程中遇到复杂地层需要化学注浆时只能采用普通注浆泵,腐蚀损坏严重、不能满足流量的无级调节等问题,研制了适应千米级深井地面预注浆工况的无级调速、高压、耐腐蚀的 ZBBJ-300/35-H型注浆泵。该泵主要由变频器、电动机、减速箱、三缸泵、撬座、吸排管系及润滑系统等组成,具有流量大且能无级调节、压力高、耐腐蚀、体积小、质量轻、操作简便等特点,厂内性能试验表明,该泵能满足流量在 0～300L/min范围内无级可调,注浆压力达到 35MPa的设计要求。

变频调速;化学注浆;注浆泵;千米级深井

我国早期化学注浆使用的大多数是隔膜泵,压力都较低,且成本也较高[1]。随着上世纪 90年代初黏土水泥浆的开发应用,浅井筒地面预注浆较少采用化学注浆材料,而应用于煤矿井下工作面或巷道破碎煤岩注浆加固等的化学注浆泵输出压力和流量都偏低[2-3],所以耐腐蚀高压注浆泵一直没有得到继续开发,遇到复杂地层需要化学注浆时只能采用普通注浆泵替代。由于注浆泵的柱塞、吸排浆阀及泵头内腔等在注浆过程中均与化学浆液接触,承受高压交变腐蚀流体的侵蚀,腐蚀损坏严重。随着千米深井特殊地层对高压化学注浆泵的迫切需求和现代金属防腐新技术的发展,为开发新型高压化学注浆泵提供了契机。同时,由于在进行化学注浆时,化学注浆材料多数是甲、乙 2种液,甚至更多种液构成。在进行注浆的过程中,为了准确控制浆液的凝固时间,各液的排浆量应满足一定的比例关系,也即要求注浆泵在注浆过程中,能随时调节流量来满足浆液的不同配比。基于此,研制了适应千米级深井地面预注浆工况的无级调速、高压、耐腐蚀的 ZBBJ-300/35-H型注浆泵。

1 主要结构及工作原理

ZBBJ-300/35-H型注浆泵主要由变频器、电动机、减速箱、三缸泵、撬座、吸排管系及润滑系统等组成,如图 1所示。电动机带动减速箱旋转,经三缸泵主动轴传动,带动曲柄连杆机构使柱塞作往复运动,达到注浆泵吸排浆液的目的。通过调节变频器的频率,改变电机的输出转速,可以实现注浆泵输出流量的无级调节。

变频器 变频器为风机水泵专用变频器,具有节能效果好、供电范围宽、被控量可设定、控制精度高等特点,其频率可调范围为 0～120Hz。

电动机 由于标准电动机是按在工频电源下能获得最佳特性而设计的,当采用通用变频器运转时,根据用途在特性、强度等方面受到限制,且在低频区运转时电动机发热较为严重[2],电动机采用了专用的变频电动机,其在 3～50Hz段为恒扭矩特性,在 50～100Hz段为恒功率特性。

减速箱 置于电动机与三缸泵之间,箱内采用了易于加工的圆柱齿轮组成传动变速系统。由于三缸泵所需的输入转速较低,而电动机的输出转速又较高,所以就需要对电动机的输出转速进行减速。减速箱在此不但弥补了三缸泵减速比的不足,而且便于电动机布置在橇座的中心,使整体布置更合理、更美观。

三缸泵 三缸泵为卧式三缸单作用柱塞泵,是注浆泵的工作机构,由动力端和液力端组成。动力端主要由泵缸体、主动轴总成、主轴总成、连杆十字头总成等组成。泵缸体为结构件,由钢板焊接后加工而成,可承装三缸泵所有的零部件。三缸泵的驱动是主动轴输入动力,经一级人字齿轮减速后带动主轴旋转,主轴带动偏心轮旋转,从而驱动连杆十字头和柱塞直线运动;液力端主要由阀箱体、上水室、排水室、柱塞等组成。阀箱为承压的合金钢件,采用 3块独立的锻钢加汇流块结构。上水室、排水室均由阀座、阀体、阀胶皮、阀弹簧等组成。

撬座 撬座为型钢组焊成的一个金属构架,主要用于固定和支撑注浆泵各组成部分,并设计有吊装点,以便于装卸运输。同时还作为工作台面,行走地板采用的是防滑花纹钢板。

吸排管系 吸入管系由 100mm蝶阀和管线组成,排出管系由抗震压力表、安全阀、放空阀及50mm旋塞阀和管线组成。安全阀为弹簧式结构,注浆泵排出压力达到设定值时自动开启,以保证注浆泵的安全使用。在注浆泵开始工作时,放空阀的开启可以防止电动机带载启动,以延长电动机的使用寿命;同时,在注浆结束后,放空阀可以释放注浆泵内剩余的压力,保证工作人员的安全。

润滑系统 润滑系统由三缸泵动力端润滑和柱塞及柱塞密封润滑 2个系统组成,其中柱塞及柱塞密封润滑采用增压润滑系统。2个润滑系统均由齿轮油泵、溢流阀、压力表、油箱及管线组成,动力端油箱为三缸泵油底壳,柱塞润滑的油箱为独立的可以沉淀的油箱 (这样回来的废油可二次利用),动力由主动轴两侧的齿轮带动。

图1 ZBBJ-300/35-H型注浆泵主要结构

2 主要性能参数

ZBBJ-300/35-H型注浆泵的主要技术参数见表 1。

表1 主要技术参数

3 性能特点

(1)工作压力高 根据国家标准中规定的立井井筒地面预注浆的注浆终压结束标准计算,该泵的设计注浆压力完全能满足井深 1200m及以浅地面预注浆工程的要求。

(2)流量大且能无级调节 根据多年的注浆施工经验,采用化学材料注浆时注浆流量一般为100～200L/min,所以设计流量也完全能满足千米级深井注浆的要求。由于采用变频调速技术,其注浆流量可以随时根据注浆工况的要求进行无级调节来满足浆液的不同配比,流量准确、可靠性高。

(3)防腐性好 为了避免柱塞、吸排浆阀、泵头内腔等受到高压交变腐蚀流体作用,对三缸泵液力端的阀箱体内部进行了涂环氧树脂防腐处理,其他零件表面均进行了镀镍防腐处理;对吸浆管内部进行了挂胶防腐处理,排浆管内部进行了涂环氧树脂防腐处理。

(4)柱塞密封摩擦副增压润滑 为了避免柱塞和密封圈在高压往复运动时产生高温过热,烧伤密封圈导致其密封失效,对柱塞密封摩擦副采用了强制增压润滑系统。

(5)节能、对电网冲击小 电动机在低频区运转时,端电压随着转速的降低而降低,效率提高,功率因数提高,减少了电动机的能耗[3]。同时电动机可以进行软启动,启动压降减小,大幅度减小了对电网的冲击。

(6)体积小、质量轻、安装拆卸方便 由于使用了变频调速,省去了机械变速箱、离合器等传动部件,使其体积更小,质量更轻,结构更为紧凑,可靠性明显增强。同时缸盖采用了快速装卸的梯形螺纹,柱塞与十字头采用了拆卸方便的弹性杆连接,使得注浆泵在清洗、拆卸保养或更换易损件时更快捷、方便,在施工现场就能完成。

4 研制与厂内试验

与兰州盛达采油机械制造有限公司共同研制,完成了 2台样机的试制,并根据《机动往复泵试验方法》 (GB/T 7784-2006)中的有关规定,在厂内对样机进行了基本性能试验。试验介质采用清水,其主要性能测试数据见表 2所示。

表2 性能测试数据

在测试过程中,注浆泵运转平稳,振动、声响、润滑、油温、泄漏及保护装置等无异常现象。

5 结束语

ZBBJ-300/35-H型注浆泵具有流量大且能无级调节、压力高、耐腐蚀、体积小、质量轻、操作简便等特点。厂内性能试验表明,该泵能满足流量在 0～300L/min范围内无级调节,注浆压力达到35MPa的设计要求,适用于煤矿地面预注浆工程,同时也可应用于水电、公路、铁路等化学注浆工程。

[1]沈季良,等 .建井工程手册 (第四卷)[M].北京：煤炭工业出版社,1986.

[2]朱延勇,吕华文 .QB152型便携式注浆泵研制及应用 [J].煤矿开采,2007,12(5)：86-88.

[3]宋彦波,景魁英 .QB系列气动高压双液注浆泵的研究 [J].煤矿开采,2006,11(3)：76-78.

[4]吴忠智,吴加林 .变频器应用手册 [M].北京：机械工业出版社,2007.

[5]黎 勉,罗勇武,查晓春,等 .交流变频调速在液压系统中的应用 [J].机床与液压,1997(6)：15-16.

[责任编辑：张银亮 ]

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”国家科技支撑计划重点资助项目：深厚冲积层千米深井快速建井关键技术 (2008BAB33B01)

蒲朝阳 (1984-),男,贵州遵义人,硕士,主要从事注浆工程管理和注浆设备的研究。