往復(fù)式單作用泵采用自重球閥方案時(shí)主參數(shù)的設(shè)計(jì)

摘" 要：往復(fù)式單作用泵設(shè)計(jì)中采用自重球閥方案時(shí)，閥座孔直徑dk、球體直徑df、球體升程hmax這3個(gè)主參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)系到泵的壽命和容積效率，需要根據(jù)理論公式同時(shí)兼顧實(shí)際使用效果，通過(guò)多方案對(duì)比實(shí)驗(yàn)及長(zhǎng)期工況實(shí)驗(yàn)的方法，選擇合適的方案組。設(shè)計(jì)中關(guān)閥速度[vf]與滯后角度[β]分別對(duì)閥座孔直徑dk作用效果正好相反，選型時(shí)需要強(qiáng)調(diào)主要矛盾，對(duì)次要矛盾可通過(guò)調(diào)整泵的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（n、S、D）來(lái)達(dá)到矛盾的統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：自重球閥；關(guān)閥速度；球閥的滯后角度；當(dāng)量推舉系數(shù)；容積效率；壓力-容積效率曲線；差異化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH38" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）13-0084-04

Abstract： When the self-weight ball valve scheme is adopted in the design of reciprocating single-acting pump， the optimal design of three main parameters， namely， seat hole diameter dk， sphere diameter df and sphere lift hmax， is related to the life and volume efficiency of the pump， so it is necessary to take into account the actual use effect at the same time according to the theoretical formula. Through the methods of multi-scheme contrast experiment and long-term working condition experiment， the appropriate scheme group is selected. In the design， the valve closing speed [vf] and the lag angle [β] have opposite effects on the diameter of the valve seat hole， respectively. The principal contradiction should be emphasized in type selection， and the secondary contradiction can be unified by adjusting the main structural parameters （n， S， and D） of the pump.

Keywords： self-weight ball valve; valve closing speed; lag angle of ball valve; equivalent push coefficient; volume efficiency; pressure-volume efficiency curve; differential design

往復(fù)式單作用泵采用自重球閥時(shí)球體直徑df與閥座孔直徑dk的參數(shù)選擇，一般方法先依照經(jīng)驗(yàn)確定閥座孔流速范圍，然后求出閥座孔直徑dk，從圖1看，存在著公式df=dk/sin α，當(dāng)確定半錐角α后即可計(jì)算出球體直徑df。往復(fù)泵的理論知識(shí)告訴我們，dk與df選擇并不簡(jiǎn)單，其中關(guān)聯(lián)到球閥的使用壽命和泵的容積效率[1]，下面以本公司某型號(hào)注漿泵為例，介紹一種理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，采用多方案對(duì)比的形式求解自重球閥主參數(shù)dk、df 及升程hmax的方法。通過(guò)本文研究，希望達(dá)到此3個(gè)參數(shù)合理選取的目的。

1" 輸入要求

本公司生產(chǎn)的某型號(hào)三缸單作用注漿泵，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

泵基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下。

曲柄回轉(zhuǎn)半徑R=4.5 cm，連桿長(zhǎng)度L=27 cm，閥球采用鋼球（材質(zhì)GCr15），重度rf=7.85 g/mL，泵送介質(zhì)為水泥漿，水灰質(zhì)量比為1∶2，重度rj=1.85 g/mL， 半錐角α=60°，需要確定鋼球直徑df、閥座孔dk、鋼球升程hmax。

2" 理論計(jì)算及球閥選型

計(jì)算依據(jù)是按2個(gè)方面來(lái)權(quán)衡，一方面是球閥允許關(guān)閉的速度[vf]，影響閥的壽命；另一方面是球閥關(guān)閉的許用滯后角度[β]，影響泵的容積效率[2]。

1）根據(jù)閥的許用關(guān)閉速度[vf]，來(lái)計(jì)算dk（注：由于查詢的資料源自1987年資料，公式計(jì)量單位為cm-g-s制，讀者可以自行轉(zhuǎn)換m-kg-s制）。[vf]許用范圍一般在5～12 cm/s。

，（1）

式中，

[vf]=3×Q0.35[2]，（2）

式中：Q為單缸的流量，單位L/min，

，（3）

式中：D=5 cm；S=9 cm；n=158 r/min，計(jì)算出Q=27.90 L/min，按式（2）計(jì)算，[vf]=9.6 cm/s，符合許用范圍。

式（1）中，ξ1為當(dāng)量推舉系數(shù)，這里ξ1≈1；kh取值，本泵連桿比λ=R/L=0.17，符合λlt;0.25，往復(fù)泵設(shè)計(jì)手冊(cè)指出kh≈1.03；km取值，km=3×Q-0.008=0.944。

代入上面數(shù)值按式（1）計(jì)算，見(jiàn)表2（水灰比為1∶2）。

介質(zhì)為清水時(shí)，自重球閥參數(shù)見(jiàn)表3。

2）根據(jù)閥關(guān)閉許用滯后角度[β]，來(lái)計(jì)算dk。

（4）

式中：[β]=1.2Q0.2，經(jīng)計(jì)算低速檔時(shí)，[β]1=2.335°；高速檔時(shí)，[β]2=2.549°，符合范圍[β]≤2.5°。代入上面數(shù)值按式（4）計(jì)算后列表，見(jiàn)表4（水灰比為1∶2）。

介質(zhì)為清水時(shí)，見(jiàn)表5。

3）分析計(jì)算結(jié)果。降低關(guān)閥速度[vf]，按式（1），用于提高閥的使用壽命，則閥座孔徑dk較大（閥球直徑df也較大）。另一方面為提高泵的容積效率，按式（4），使滯后角度[β]較小時(shí)，閥座孔徑dk較小（閥球直徑df也較小），[vf]與[β]對(duì)閥座孔徑dk的影響正好步調(diào)相反，必須權(quán)衡[vf]與[β]，找出合適的閥座孔徑dk與閥球直徑df。本泵工作時(shí)主要用于低轉(zhuǎn)速高壓檔位，閥球及閥座孔參數(shù)盡量滿足此檔位的參數(shù)需求。結(jié)合表2和表3，筆者設(shè)計(jì)了2種規(guī)格的自重球閥參數(shù)對(duì)比（表6），通過(guò)廠內(nèi)工況實(shí)驗(yàn)來(lái)分別檢測(cè)使用效果，選擇實(shí)際最優(yōu)組作為最終選擇方案。其中關(guān)閥速度[vf]與滯后角度[β]是按式（1）與式（4）反推計(jì)算求解。

選型方案一時(shí)，滯后角度比方案二略大，角度范圍在0.28～0.65°，容積效率將會(huì)略小；但是關(guān)閥速度[vf]，方案一比方案二小，使用壽命會(huì)更長(zhǎng)。

4）2種方案球閥的升程選擇。

按公式

hmax=[vf]/ω，" " " " " " " " " （5）

式中：ω為曲柄平均角速度ω=πn/30，單位為弧度/s，ω=16.54[2]。

可以按計(jì)算出的vf，來(lái)計(jì)算2種選型的球閥中球的升程。

2種閥的升程對(duì)比見(jiàn)表7。

3" 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1）聯(lián)接管路圖，如圖2所示，采用開放式試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)定原理[3]。

試驗(yàn)分別用清水和水泥漿試驗(yàn)，水泥漿的水灰（質(zhì)量）比為1∶2，采用高速制漿機(jī)進(jìn)行快速制漿，制好的水泥漿存儲(chǔ)在大容量攪拌機(jī)內(nèi)，里面葉片低速攪拌，防止水泥漿沉淀。泵實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，水泥漿一定需要過(guò)濾，否則漿液中未攪散的顆粒通過(guò)高壓閥門時(shí)會(huì)堵閥，導(dǎo)致壓力波動(dòng)。注漿泵的出口接上壓力表記錄壓力，出口管路上采用隔膜式安全閥，防止壓力超過(guò)限定壓力。安全閥后聯(lián)接機(jī)械式高壓閥門，通過(guò)節(jié)流的方式，模擬現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整壓力，高壓閥門出口串聯(lián)電磁流量計(jì)，記錄泵的實(shí)時(shí)流量，水泥漿液最后流回大容量攪拌機(jī)內(nèi)，管路內(nèi)循環(huán)泵送，持續(xù)調(diào)壓到實(shí)驗(yàn)壓力[4]。

按照上面計(jì)算的結(jié)果，閥的對(duì)比實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的是泵的流量及反映的容積效率，壓力波動(dòng)與流量并不直接相關(guān)，壓力波動(dòng)關(guān)聯(lián)因素：泵的缸數(shù)，連接管路，管路上的高壓閥門結(jié)構(gòu)，漿液介質(zhì)粒度、粘度物理性能，試驗(yàn)的過(guò)程除了檢測(cè)流量，也要兼顧在相同管路配置下壓力波動(dòng)[5]。

2）試驗(yàn)記錄。2組閥組分別進(jìn)行清水測(cè)試和水泥漿測(cè)試。電磁流量計(jì)流量測(cè)試量是個(gè)平均值，瞬時(shí)值會(huì)有波動(dòng)。試驗(yàn)中操作者能觀測(cè)的參數(shù)，只有壓力表波動(dòng)及流量計(jì)的數(shù)值，試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表8。壓力調(diào)節(jié)檔位0、3、6、9、12 MPa，繪制壓力-容積效率曲線，如圖3所示[6]。下面只對(duì)6、9 MPa進(jìn)行現(xiàn)象描述。

試水泥漿時(shí)，采用方案1閥組（閥球直徑Φ45 mm組），壓力調(diào)節(jié)到6 MPa，瞬時(shí)波動(dòng)0.4 MPa，持續(xù)送漿過(guò)程中，壓力在6～9 MPa范圍內(nèi)慢慢增加，長(zhǎng)時(shí)間不用調(diào)整高壓閥。用閥門調(diào)壓到9 MPa時(shí)，波動(dòng)0.8 MPa。運(yùn)行30 min后換高速擋，壓力4 MPa，很穩(wěn)定，指針不動(dòng)。

采用方案2閥組（閥球直徑Φ38.1 mm組），壓力6 MPa，波動(dòng)0.4 MPa，瞬時(shí)波動(dòng)和方案1差不多，壓力不能穩(wěn)定在6～10 MPa范圍，需要時(shí)調(diào)整高壓閥門開度。試車30 min，調(diào)換高速擋，壓力調(diào)為4 MPa，指針?lè)€(wěn)定略有跳動(dòng)，跳動(dòng)值沒(méi)有方案1指針?lè)€(wěn)定。

4" 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及選擇合適閥組

圖3中水泥漿介質(zhì)下2種閥的容積效率都比清水介質(zhì)高，因?yàn)楸梦雺侯^不一樣，公式Ps=ρgH中雖然在大容量攪拌機(jī)中液面H一樣情況下，但2種介質(zhì)密度ρ不一樣，本次試驗(yàn)水泥漿產(chǎn)生的吸入壓頭是清水介質(zhì)的1.85倍，吸入壓頭Ps越大，容積效率越大。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中分析，方案1的容積效率比方案2的要高3%左右，和計(jì)算理論值有一定的偏離，如果偏離值高到10%，就需要重新調(diào)速泵的基本主參數(shù)（轉(zhuǎn)速n，行程S，活塞直徑D），直到偏離在允許范圍內(nèi)。

壓力波動(dòng)與容積效率并不直接相關(guān)，壓力波動(dòng)在相同管路中對(duì)比，可作為閥組的輔助選項(xiàng)，從表8觀察，方案1的壓力穩(wěn)定性要好于方案2。

試驗(yàn)后拆開泵頭觀察鋼球和閥環(huán)磨損基本一樣，因試驗(yàn)時(shí)間不長(zhǎng)，2組閥的壽命無(wú)法對(duì)比。有一種方法，是用聲強(qiáng)計(jì)在泵頭測(cè)試鋼球運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊噪音，噪音值越大，說(shuō)明關(guān)閥速度越大。方案一產(chǎn)生的沖擊噪音明顯低10 dB左右。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，決定對(duì)方案1、方案2進(jìn)行小批量工地驗(yàn)證，為提高泵的壽命，方案中的閥環(huán)材質(zhì)采用硬質(zhì)合金，現(xiàn)場(chǎng)如果損壞，直接更換球體。

5" 工況試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)12個(gè)月的用戶使用，對(duì)于高壓圍幕注漿施工中（大于6 MPa），方案1的流量大，壓力穩(wěn)定性高。該泵采用方案1進(jìn)行大批量生產(chǎn)。閥環(huán)材質(zhì)硬度提高后，兩方案泵頭液力端只更換鋼球。

在遠(yuǎn)距離輸送水泥砂漿時(shí)，對(duì)流量波動(dòng)無(wú)要求，側(cè)重于減少堵泵性能，方案2抗堵泵能力強(qiáng)。因?yàn)闇p小了閥座孔徑dk，介質(zhì)通過(guò)閥座孔的流速要高一些，同時(shí)提高h(yuǎn)max，增加了球的導(dǎo)向間隙，此時(shí)關(guān)閉速度相應(yīng)更高，需要采取有效措施提高球閥壽命，比如閥球采用更耐磨的材料，或者閥球的限位采用高分子彈性材料等。

6" 結(jié)論

1）往復(fù)泵采用自重球閥參數(shù)設(shè)計(jì)中，首先理論上選取合適的dk、df，計(jì)算[vf]，鋼球升程hmax。

2）按照dk，df，hmax，選擇多組進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)合壓力-容積效率曲線，選取一組最佳數(shù)值，兼顧容積效率及使用壽命。實(shí)驗(yàn)后，如果容積效率達(dá)不到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要重新調(diào)整泵的基本主參數(shù)（轉(zhuǎn)速n，行程S，活塞直徑D），直到偏離在允許范圍內(nèi)。

3）自重球閥的對(duì)比實(shí)驗(yàn)側(cè)重點(diǎn)是容積效率，其與壓力波動(dòng)不直接相關(guān)。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)泵的實(shí)際測(cè)重項(xiàng)目進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)。

本研究與前人工作比較，除了利用理論公式計(jì)算自重球閥相關(guān)參數(shù)，找到幾組理論參數(shù)，還利用這些組球閥參數(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，反過(guò)來(lái)修訂泵的基本主參數(shù)，從而能獲得更優(yōu)化性能的往復(fù)泵球閥數(shù)據(jù)，使得球閥壽命及容積效率兼顧。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣興文，曾學(xué)兵，盧揚(yáng).低溫往復(fù)泵容積效率淺析[J].裝備制造與教育，2017（3）：54-56.

[2] 往復(fù)泵設(shè)計(jì)編寫組.往復(fù)泵設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：175-186.

[3] 蔣姣麗.測(cè)定容積式泵容積效率的方法比較[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，2012（4）：56-57.

[4] 李宗義，王安平，文宏.BW380/8型往復(fù)式泥漿泵的研制[J].裝備制造技術(shù)，2015（1）：112-114.

[5] 范強(qiáng)，向月，呂瑞典.壓裂泵容積效率仿真[J].機(jī)械，2000（1）：33-36.

[6] 地質(zhì)鉆探用往復(fù)式泥漿泵試驗(yàn)方法：DZ/T0120—1994[S].地質(zhì)礦產(chǎn)部，1994.