注浆泵工作压力测试与结构设计改进

第28卷　第2期2006年4月三峡大学学报(自然科学版)

J of China Three G orges Univ.(Natural Sciences )Vol 128No.2Apr 12006

收稿日期:2006201210

基金项目:三峡大学重大科技资助项目(2004C01)

作者简介:廖湘辉(1964-),男,副教授,硕士,主要研究方向为水电工程机械.

注浆泵工作压力测试与结构设计改进

廖湘辉　李　力　蒋冰华

(三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌　443002)

摘要:对三腔往复式活塞注浆泵压力脉动进行研究,定性分析了注浆泵瞬时压力变化及压力脉动

形成原因.针对实际三腔体注浆泵工作压力不稳定影响注浆质量的问题,进行压力测试,找出了其不稳定因素,提出了对腔体结构和传动系统等方面的设计改进措施,对改进后的注浆泵测试表明:压力波动问题消除了,输出压力趋于稳定.

关键词:注浆泵;　压力脉动;　测试中图分类号:T H643:T H16 文献标识码:A 文章编号:16722948X (2006)022*******

Working Pressure T esting and Structural Design Improvement for Injection Pump

Liao Xianghui Li Li Jiang Binghua

(College of Mechanical &Material Engineering ,China Three G orges Univ.,Yichang 443002,China )Abstract The instantaneous change and t he p ulsating cause of t he working pressure in t he injection p ump cyl 2inder.In order to solve t he unstable pressure problem of a t hree 2cylinder injection p ump ,based on t he meas 2ure and t he analysis of act ual pressure ,t he modified scheme of design for t he cylinder struct ure and t he trans 2mission system is p ropo sed.As a result ,t he improved injection p ump has t he lower pressure waving and t he stable p ressure.

K eyw ords injection p ump ;　pressure p ulsation ;　measure

注浆泵在水电施工工程中应用非常广泛[122],例如用于对水工基础灌浆,通过注浆泵将水泥浆或砂浆注入水工建筑物的缝隙或孔洞中,提高坝体基础的坚固性以及密实性.因此注浆泵工作压力的稳定性直接影响到注浆泵的工作质量,压力波动越小,灌浆越平稳,灌入质量越好.然而由于注浆泵是靠注塞周期性往复运动来吸入和排出浆体,注塞运动和阀开启的跳动等因素必然导致腔体内液体压力产生波动.目前减小压力脉动主要途径是改变腔体的内部结构,但如何改进,没有成熟的理论或经验,因此保证注浆泵压力稳定是提高其工作质量的关键问题.通过实际测量和分析一个三腔往复式活塞注浆泵的压力脉动状态,提出对腔体结构和传动机构的改进方案,通过改进后的样机压力测量表明:注浆泵压力脉动显著下降,压力稳定性获得极大改善,很好地满足了施工要求.

1　注浆泵结构和工作原理

1.1　注浆泵结构

单腔往复泵工作原理见图1所示,当曲柄以角速度ω逆时针旋转时,活塞向右运动,腔体的容积突然增大,腔体内液体压力降低,在外压力作用下吸入阀打开而排出阀关闭,被输送的液体在压力差的作用下克服吸入管路和吸入阀等的阻力损失进入到腔体.当曲柄转过180°以后活塞向左移动,液体被挤压,腔体内液体压力急剧增加,在这一压力作用下吸入阀关闭而排出阀被关闭,腔体内液体在压力差的作用下被排送到排出管路中去.曲柄以角速度ω不停地旋转时,往复泵就不断地吸入和排出液体.

图1　单腔往复泵工作示意图

1.2　瞬时压力脉动分析

在不考虑任何容积损失的前提下,往复泵在每一瞬间排出的流量称为理论瞬时流量,简称瞬时流量.流体排出面积一定,瞬时压力与瞬时流量成正比关系,用瞬时压力来分析往复泵的压力脉动.对多缸往复泵,瞬时流量指所有腔体在同一瞬时排出的瞬时流量之和.往复泵的瞬时压力曲线见图2所示[3]

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图2　往复泵的流量曲线

从图中可以看出,腔体个数z 越多,合成的瞬时

压力Q 越均匀.当z =1时,液体的波动图象近似为一个正弦函数图象的上半部分,其最大值与平均值的差值很大.当z =2时,液体的波动图象近似为一个将正弦函数图下半部分翻转180°后形成的图象,其最大值与平均值之差距较第一种情况小.当z =4,5,6时,该图象的最大值与其平均值的差距都非常小.因此从经济性和实用性角度,在工程中常使用三腔体的注浆泵.图3所示为一个实际三腔往复式活塞注浆泵及传动系统结构简图,它由3个单腔往复泵组成

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图3　三腔往复式活塞注浆泵结构简图

2　注浆泵压力测试

针对实际的三腔注浆泵工作压力不稳定问题,进行了压力测试.采用硅压阻式压力传感器,传感器安装在从出浆管路上引出的支管上,见图3所示,利用数字信号采集系统实时采集.实验中工作介质采用自来水替代被注浆料,变换水压模拟实际腔体工作压力.分析实测不同工作压力状态下的压力脉动曲线变化发现,各种压强下压力脉动基本相同,图4所示为工作压力4M Pa 下测量的压力脉动图.从图中可看出,压力起伏变化较大,说明存在较大的压力脉动.由于压力脉动基本不随腔体工作压力变化,说明注浆泵在结构存在缺陷,需要改进

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图4　改进前的压力脉动曲线

根据测量结果分析,对注浆泵结构和传动系统等方面进行了重新设计和改进[425],主要如下:

(1)改进出液部分结构.改进前的阀球结构是机体下部分进液,上部直通出液.改进后为采用侧部出液,减小出液阀钢球在浆液中扰动产生的压力脉动.

(2)改进传动系统的支撑结构.改进前的传动系统支撑采用的是滚珠轴承,为避免滚动轴承固有振动对压力脉动的影响,将支撑改为滑动轴承,减小了传动系统的影响,同时使运转变得比较平稳.

(3)优化腔体内部结构,改变压缩体积比,使其产生的压力波动趋于最小化.

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