泥浆泵工作机理研究

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泥浆泵是泵类产品中出现较早的-种。至今已有几百年的历史。在离心式和容积式两大类泵中，泥浆泵属于容积式泵。它借助于工作腔里的容积周期性变化来达到输送液体的目的。原动机的机械能经泵直接转化为输送液体的压力能：泵的流量值取决于泵工作腔容积的变化值及其在单位时间内的变化次数(频率)，而(在理论上)与排出压力无关。

泥浆泵上常用的用于衰减排出系统波动的装置--空气包是泥浆泵液力系统的重要组成部分。

它利用空气包内空气的压缩性和膨胀性来贮存(或放出)比平均流量多的(或少的)那部分液体，从而达到减小管路内流量脉动的目的。

研究表明。当空气包与泵及管路系统具有最佳匹配时.可以最大限度地衰减管路内液体的流量脉动.同时也最大限度地衰减由流量脉动引起的压力脉动，提高泵的工作性能及寿命≌气包的减振效率与空气包的容积、预充气压力、入 口颈管尺寸、泵的结构参数等因素有关。只有适当地设计空气包并适当地安装它，才能获得预期的减振效果l蚓。

本课题基于生产需要～理论研究与实际相结合，具有-定的经济效益和实用价值。

1 空气包排出管路流体动态特性分析空气包是清除管路内流量脉动的-个很有效的装置。它利用空气包内气体的压缩和膨胀来贮存或放出比平均流量多的或少的那部分液体，从而达到减小其后排出管路中流量脉动的目的。假设泵的平均流量为q ，当瞬时流量大于平均流量 q。时，空气包前管路中的液体就可以部分地进入空气包；当瞬时流量小于平均流量q。时，空气包可以向管路中释放部分液体。由此可见，由于设置了空气包，使空气包后管路内的瞬时流量脉动值比泵的流量脉动值大为减校如果空气室内具有足够的空气容积，使空气压力在-个很小的范围内波动。则空气室管路内液体的流动就接近于稳定流≌气包的作用直接表现为它对流量脉动的衰减。研究证明.安装空气包后，泵缸内压力脉动值也会减校但必须指出，空气室消减流量及压力脉动的效果不仅撒于空气包本身。而且与管路的配置有很大关系。

2 空气包排出管路动力学模型的建立本文只讨论三缸单作用泥浆泵的情况。三缸单作用泥浆泵瞬时排量的周期为 2'rd3，其表达式为：ql；A 。，[sin(P) sin2(P手)][(P0号)]qrARt，)[sinP争sin2P][(p手～ )] (1)为 J 便 于研 究将 上式 展开成 傅 里叶级 数 ：Ic 1 l2-(孚)cos-s( 仃)- - 。 -2fl3n) -. -(孕-)cos(手-)-s(孚 仃)- - - - - - - - 3 )-- -- -. A[-号-cos(竽肼)cos( 舸)-cos(孕 训收稿 日期 ：2013-04-04作者简介 ：张 建(1985-)，男 ，江苏徐州人 ，工学学士 ，助理工程师 ，从事地质勘探工作。

- 61-。 工作研究 中国资源综合利用 第8期A[-cos( -)cos(孚-肼)-cos(等 丌)]- - - - 。 - - - - - - (2)下面对 n进行讨论。

当n为奇数时，争- 1(- 1)-(- 1). 1- 1(- 1)-(- 1)% -- I- -- 罚 .A[-- 1 1(- 1)j.A[- - 1 1(- )。 4(23n) 。 4(2-3n)(3)当n为偶数时，1- (- 1) 1-(- 1)。

1-(- 1) 1-(- 1)-- 厂 --.A[-- 1-I- 1-J十- 1-J-- 1-)].A[- 1--I- 1-7十I- 1-J-l- 1，)]。 4(23n) 4(2-3n) -1l3n 1-3n 3n (4) - ------：- lJ 1- ( )同理可以推出b 。

当 为奇数时，争( )争志 (5)当n为偶数时，b 为 0：- - 2 上20唧 1- 根据以上推导可以写出三缸单作用泵瞬时流量的傅里叶级数表达式： -争蠹箭 (6)3 空气包的动力学基本方程泥浆泵--空气包--排出管路系统见图 1。

几 f -I 厂------～ 图 1 泥浆泵-- 空气包--排 出管路 系统设泵的脉动源汇于O点，A点为支点，在 A点附近有 ：fPlft Q Q2Q3 (7)设空气包内气体的预压力为 ，泵工作时气体的瞬态压力为 。对于空气包入口支管及壳体内液体，由受力平衡可得FM3a，在此管路中 ，，即，PA M3a。据此列出受力方程 ： KzQPs (8)以上式中：Q --泵的瞬时流量；p厂 排出管路中的流量；p厂 空气包入口支管的流量；Pl--泵的压力 ；吩- 排出管路 中的压力损失；P厂 空气包支管人口处的压力损失；胶囊的弹性力(考虑到胶囊在平衡位置附近发生脉动，其变形很小，故可认为单 ：0)；- - 空气包壳体及支管内所研究段液体 的等效质量 ：A --空气包壳体及支管内所研究段液体的等效面积；- 排出管路中所研究段做加速运动的液体的等效质量：A：厂 排出管路中所研究段做加速运动的液体的等效面积；△户l广- 空气包壳体及支管内所研究段液体的流动阻力(为研究问题 的方便 ，设其与流量Q。成比例，为△辟 ，Q )；- 排出管路中所研究段液体后的阻力损失(当空气包发挥作用时其随时间变化很小，为研究问题的方便，可认为 ：0)；广 排出管路 中所研究段液体 的阻力系数；- - 空气包壳体及支管内所研究段液体的阻力系数。

据此可以写出空气包后管路的流量表达式：㈣ [1n 2 ，4，6·” J， ， -第8期 张 建 ：泥浆泵工作机理研究 。 工作研究- - 垒璺 ( 虫 2 ] f9、2 (an)l上式中：p，-- 平均流量；--曲柄转角；- - 排出管路中所研究段液体惯性与空气包及其支管内所研究段液体惯性之比；口- 流体频率与空气包固有频率的平方比；- - 排出管路中所研究段的阻力系数与泵的平均排量、曲柄转速及空气包状态参数之间的关系；c--在相同流量下空气包支管阻力与排出管路中所研究段的阻力之间的关系；A--衰减系数。

由上式可以推算出：no (10)通过以上分析可知，空气包以后排出管路中流量 Q：的各次谐波分量的衰减撒于以下因素。

(1)空气包及其支管阻力与排出管路中所研究段的阻力之比C。C值的大小由空气包支管路的形状、泵的平均排量及空气包后排出管路中所研究管段的形状及结构有关。因此，可以采取措施适当地降低空气包支管路阻力系数。具体为增大支管路的截面积.缩短支管路的长度；在空气包的孔 口与壳内的圆锥面相接触处做成圆滑过渡，减小应力集中值。

(2)泵工作参数和空气包支管路液体惯性影响的系数 ao。从 ao的表达式可以看出，影响 ao的因素有空气包气体平衡位置压力、泵的平均排量、泵的冲次、空气包支管所研究段液体质量及截面积。

因此，可以适当地降低空包气体平衡位置压力、空气包支管所研究段液体截面积，提高泵的冲次、空气包支管所研究段液体质量。

(3)排出管路中所研究段液体惯性与空气包及其支管中所研究段液体惯性之比k。从k的表达式可以看出.影响的因素有：排出管路中所研究段液体长度与截面积≌气包内所研究段液体长度与截面积。因此，可以适当地增大排出管路中所研究段液体长度和空气包内所研究段液体截面积，减姓气包内所研究段液体的长度和排出管路中所研究段液体截面积。

(4)平衡位置时气体体积与活塞行程体积之比。 对于空气包来说，只要其充气压力满足-定的条件，当其体积越大时，其消波减振性能越好。同样的条件下， 值越大意味着空气包内气体体积越大。因此，在条件许可的情况下，可以适当提高空气包的气体体积.以达到消波减振、稳流降噪的作用。

4 MalIlab软件对流量仿真用 Matlab软件对泵流量 O 、空气包后排出管路中的流量 Q：进行仿真，通过图形来比较流量的变化规律。取D170 mm、n90 r/rain、Pb20 Mpa、k50、y4"r/21、A，rD2/4、S2R0.305、Al/7、C-0.03、0：0.0081 l，把数据代入前面推导出的流量公式绘出的在曲柄连杆比影响下的泵流量与空气包后排出管路流量曲线见图 1。

xlO-堇塞- 0j5.2 i： - ：≤ .- .棼 ：l 张来斌 ，陈如恒.空气包工作原理及设计方法的分析与讨论[J].石油矿锄械，1993，22(2)：60-63。

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