气动充填泵的设计研究

马 东

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.潞安集团李村煤矿建设管理处，山西 长治 046000）

气动充填泵的设计研究

马 东1，2

（1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.潞安集团李村煤矿建设管理处，山西 长治 046000）

设计计算的气动充填泵，结构参数为：泵的理论流量Q=3m3/h；额定工作压力P2=5MPa；液缸活塞杆直径D2=46mm；汽缸活塞杆直径d=49mm；吸入管路和排出管路的直径d1=d2=26.6mm；进气口直径d=18mm。该泵具有较好性能，有较高效率。

气动充填泵；设计；参数

1 概述

1.1 充填采矿法

充填采矿法是当前逐步被普遍采用的采矿方法，它的生产工艺可概括为：随着回采工作面的推进，采空区用充填泵充填；其作用是支撑两帮、控制岩移，并作为回采工作继续进行的底版；或是矿床采完后的一次事后充填，以支撑上下周围矿岩，使相继矿柱得到顺利回采。

充填采矿法的优点是：1）采掘切割工程量少。2）适应矿体形态变化能力强，灵活性大，矿石损失率低。3）能够有效地围护围岩，减缓围岩移动。4）对于极薄矿脉或有多品种矿石的矿体，可以进行选别回采。5）能防止矿床开采时的内因火灾，有利于深热矿井工作面降温。

但是，充填采矿法多一充填工序，回采工艺相对复杂，采矿成本较高。以前，用在有色金属矿及贵重金属矿的开采，黑色金属矿一般不用或很少使用。现在，对于煤层有自燃发火倾向、建筑物下、水下采煤、围岩不稳定的煤矿，也开始用此种方法。

1.2 粉煤灰充填工艺流程

粉煤灰充填工艺流程可分为：制浆、输送、充填、滤水过程。粉煤灰作为井下注浆防火和充填材料具有的特点是：和易性好、制浆方便、对管路磨损小、可高倍线、高浓度输送、灰浆渗透性能好、充填密度高、有自硬性、不含可燃和助燃物质，含一定水分时，具有较强的密封隔气性能。利用粉煤灰充填采空区能达到防火的目的，能够较大幅度地减少地表移动和变形，保护耕地，消除环境污染，节省地面灰场的投资和大量征地。

1.3 气动充填泵的用途

该泵以压缩空气为动力源，主要用于井下的充填注浆之用，也可用于地铁、隧道、水利、建筑等注浆堵水及破碎岩石的固结工程。该泵体积小、重量轻、结构简单、性能优越、使用可靠，可用于井下作业；在易燃、易爆、强磁、辐射、多尘埃、温度变化大以及淋水的场合，也可安全使用。

1.4 气动充填泵的结构和工作原理

该泵的结构主要由框架、汽缸、活塞、短盖、联接箱、液缸、拉杆、进排浆阀、换向阀、调压阀和一些辅助件组成。其工作过程为：压缩空气通过分水滤气器，净化后的气体到定值调压阀和气压表，可以观察风流压力及判断分水滤气器是否堵塞，也可判断调压工作是否正常，调压阀上的气压表指示调节后输出的气体压力。从调压阀输出的气体经过油雾器（自动随气流加润滑油）到二位五通换向阀及行程阀，拉杆上的拨盘拨动行程阀，由行程阀控制换向阀，变换气流方向，推动汽缸活塞往复运动，汽缸排出的废气通过消声器排到大气中去，汽缸活塞拉杆直接推动液缸活塞，通过进排浆阀，完成吸排浆液的工作。

2 气动充填泵的设计计算

2.1 设计思路及设计参数

设计一台风动充填泵，以粉煤灰作为充填料，以水作为输送介质，并且该泵能输送两种充填介质。

泵的理论流量Q=3 m3/h；额定工作压力p2=5 MPa；供气压力 p1=6kg/cm2。

2.2 液缸计算

1）液缸活塞直径。选取活塞运动速度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 为流量，单位 m3/s；D2：活塞直径，m；K 为作用数，双作用泵K=2；Z为液缸数；α为流量系数，α=0.85～0.98，取 α=0.9；τ为排挤系数，考虑到活塞杆截面面积对流量减少的系数τ=0.9；v为活塞的平均速度，取v=0.3m/s。

2）选取往复次数n。直接作用泵n=16 min-1～120min-1；柱塞计量泵 n=10min-1～230 min-1；超高压和高黏液泵n=10 min-1～135 min-1；石油矿产用泵n=40 min-1～275 min-1；参照以上数据，选取n=45 min-1。

3）计算活塞行程长度。s=30v/n=30×0.3/45=0.2m。

4）计算行程比Φ。算式Φ=S/D。它大体上反映了总体长度与宽度的关系。程径比Φ过大，总体细长。程径比Φ过小，总体短而宽。程径比过大或过小，都会使往复泵的总体尺寸和重量增加，一般Φ值的取值范围是Φ=1.0～3.5。选取Φ=S/D2=0.2/0.06=3.33，符合要求。

5）确定吸入管路和排出管路的直径。管路内平均速度：c1=1.5 m/s～2.5 m/s；c2=1.0 m/s～2.0 m/s。选取 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。液缸材料选用45号钢，由GB38-76查得δB=610 MPa,由《机械设计手册》中查得：δ=PD2/(2.3[δ]-P)Φ=50×6/(2.3×1220-50)×1=0.01cm。

式中：P为液缸工作压力p=50 kgf/cm2；D2：液缸内径D2=6cm；[δ]为缸体材料的许用应力[δ]=δB/n，由《机械设 计 手 册》 查 得 ：n=5。 则 [δ]=δB/5=6100/5=1220 kgf/cm2；Φ为强度系数，无缝钢管取Φ=1。由《机械设计手册》中查得δ=8mm时取外径D=76mm。

7）液压缸筒变形计算。由《机械设计手册》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为缸筒内径的伸长量，cm；D为缸筒内径，D=6 cm；p 为缸筒内液体压力，p=50 kgf/cm2；ε 为材料的弹性系数，对于钢取ε=2.1×106kgf/cm2；u为泊松系数对于钢取u=0.3；δ为壁厚，cm。

8）液缸缸底厚度计算：按算式将δ≥0.433Dp/[δ]=0.433×6×50/1220=0.53cm。

式中：δ为缸底壁厚，cm；D 为油缸内径，cm；p为缸内最大油压，p=50kgf/cm2；[δ]为缸底材料许用应力，[δ]=1220kgf/cm2。

2.3 汽缸计算

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

式中：p1为汽缸上工作压力，p=6 kgf/cm2；p2为液缸工作压力，p=50kgf/cm2；T为汽缸工作总阻力，由《机械设计手册》，当v在0.2 m/s～0.5 m/s时，取理论作用力的20%～50%；这里活塞运动速度v=0.3 m/s，取T=20%P。

2）汽缸活塞杆直径。活塞杆拉压应力：δ=P/π/4d2≤[δ]，则活塞杆直径：d≥[4p/π [δ]]1/2=[4×1.20×50×π/4×602/(90π)]1/2=49mm。

式中：p 为活塞杆轴向载荷，p=1.25P2π/4D22；δ为活塞杆制造的许用应力，由《机械设计手册》查得：40cr调质，δB=1000 MPa、许用应力[δ]=90 MPa，取活塞杆直径d=50mm。

3）汽缸活塞直径。按算式A1=(D12-d2)π/4.

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

式中：A1为汽缸活塞面积，A1=28274.3 mm2；d 为活塞杆直径。d=50mm；D1为汽缸活塞直径，由《机械设计手册》取D1=200mm。

4）汽缸壁厚。汽缸材料选用A3钢。汽缸壁厚

式中：p1为汽缸工作压力，p1=6kgf/cm2；D1为汽缸活塞直径；D1=200 mm。[δ]为汽缸制造材料的许用应力，由 GB700-79 查得：A3 钢，δs=2200kgf/cm2。安全系数查得 n=8，许用应力[δ]=δs/8，则[δ]=275 kgf/cm2，取标准汽缸壁厚圆整δ=9mm。

5）耗气量计算。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为汽缸内径，D=20 cm；d为活塞杆直径d=5 cm；p1为汽缸工作压力，6kgf/cm2；v为活塞运动平均速度，300mm/s。

6）进（排）气口大小：容许活塞最大平均速度vm=1000 mm/s，工作压力6 kgf/cm2。耗气量为：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为汽缸内径，20 cm；d为活塞杆直径，5 cm；p1为汽缸工作压力，6kgf/cm2；v为活塞运动平均速度，1000 mm/s。汽缸的平均有效压力：pm=0.6P=0.6×6=3.6kgf/cm2，进气口直径 d1=18mm。

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

式中：δ为缸底壁厚，cm；D为汽缸内径，cm；p为缸内最大气压，kgf/cm2；[δ] 为缸底材料许用应力，275 kgf/cm2。

8）汽缸缸体变形计算：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）汽缸盖与汽缸之间，液压盖与液缸之间，活塞与活塞杆之间的固定密封，以及往复运动的活塞与汽缸之间的运动密封，选用O型密封圈；活塞杆的密封；采用V型密封圈密封。汽缸内径为200 mm,据《机械设计手册》汽缸端盖的密封，活塞与缸之间的密封选用“O型密封圈185×7.0GB3452.1-82”密封圈。2）汽缸活塞杆上装活塞段的轴径为65 mm，选用“O型密封圈56×5.3GB3452.1-82”作为活塞与活塞杆之间的密封。3）汽缸活塞杆的运动密封，采用v型密封圈，活塞杆直径为50 mm，由《机械设计手册》选“V型夹织物密封圈(b)50×65，橡胶 I-1，HG4-337-65”；汽缸工作压力为6 kgf/cm2，采用2个密封环作为一组，对活塞杆进行密封。

3 结束语

通过设计计算，气动充填泵的结构参数为：泵的理论流量Q=3m3/h；额定工作压力p2=5 MPa；液缸活塞杆直径D2=46 mm；汽缸活塞杆直径d=49 mm；吸入管路和排出管路的直径d1=d2=26.6 mm；进气口直径d=18mm。该泵具有较好性能、较高效率。

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

马 东（1964—），男，山西襄垣人，在读工程硕士研究生，高级工程师，主要从事煤矿生产管理工作。

徐树文