李　然，賈　琛，葉　健，劉　昊，沈羅豐，王　偉，徐　鵬，蘇　哲

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司,北京 100013)

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高壓大流量乳化液泵站可靠性分析與研究

李然，賈琛，葉健，劉昊，沈羅豐，王偉，徐鵬，蘇哲

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司,北京 100013)

基于材料強(qiáng)度學(xué)、動力學(xué)、摩擦學(xué)、振動學(xué)、計算流體動力學(xué)等理論，采用有限元、流體仿真、液壓系統(tǒng)仿真等計算機(jī)仿真技術(shù)，結(jié)合創(chuàng)新的工藝和高精加工方法，攻克了大功率低速重載傳動技術(shù)和大通徑快速響應(yīng)泵頭技術(shù)，并通過耐久性、超載及變頻低速等可靠性試驗的考核，成功研制出高壓大流量乳化液泵站。研制的泵站在伊泰酸刺溝煤礦6上111面36MPa的超高應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行了工業(yè)性試驗，試驗結(jié)果表明：泵站運行可靠穩(wěn)定，故障率明顯低于國內(nèi)同類產(chǎn)品。

乳化液泵；可靠性；計算機(jī)仿真技術(shù)；工業(yè)性試驗

近年來，隨著我國大采高綜采工作面的日益增多，對乳化液泵的壓力、流量等方面的性能都提出了更高的要求，而壓力和流量的增加，泵站傳動系統(tǒng)的可靠性、液力系統(tǒng)的抗沖擊、抗氣蝕銹蝕能力以及密封的耐久性等方面均受到較大考驗。高壓大流量乳化液泵站的可靠性分析研究，是乳化液泵設(shè)計過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，是保證乳化液泵在綜采工作面安全、穩(wěn)定、可靠運行的重要保證[1]。

目前，國內(nèi)的科研及生產(chǎn)單位陸續(xù)開展了乳化液泵站可靠性方面的研究，并取得了階段性成果。這些研究成果可以歸納為以下三類：第一類專注于解決乳化液泵站元部件級的可靠性問題，如文獻(xiàn)[2]；第二類重點研究乳化液泵站故障監(jiān)控診斷技術(shù)，通過增強(qiáng)乳化液泵站可預(yù)期維修性，從而提高乳化液泵站的可靠性，如文獻(xiàn)[3]；第三類主要基于可靠性工程理論，對乳化液泵站的可靠性指標(biāo)進(jìn)行定性定量分析，如文獻(xiàn)[4]。

本文以可靠性理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用計算仿真技術(shù)、可靠性試驗方法、可靠性分析模型等方法，系統(tǒng)性地在乳化液泵站的設(shè)計、試驗和應(yīng)用的各個階段，對高壓大流量泵站的可靠性進(jìn)行了分析和研究，整體降低了乳化液泵站的故障概率，從而成功研制出TMBRW(400/37.5)型高可靠性乳化液泵站。

1　乳化液泵站可靠性設(shè)計與分析

乳化液泵站是集機(jī)、電、液為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)運動、齒輪副的低速重載旋轉(zhuǎn)運動、曲柄-連桿-滑塊機(jī)構(gòu)的復(fù)合運動、柱塞的往復(fù)直線運動、吸排液閥非線性運動等一系列復(fù)雜的運動模式，潛在故障點多，故障模式多樣化，成為乳化液泵站的可靠性設(shè)計的重要難點[1]。為此，綜合應(yīng)用動力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)、摩擦學(xué)等理論，及計算仿真和試驗技術(shù)相結(jié)合的方法，重點設(shè)計研制了大功率低速重載傳動系統(tǒng)、高壓大流量吸排液系統(tǒng)、高壓大流量電磁卸載閥等關(guān)鍵核心元部件，重點研究解決了傳動元部件耐久性、液壓元部件抗氣蝕銹蝕性、高可靠性電磁卸荷技術(shù)等難題。

1.1大功率低速重載傳動系統(tǒng)可靠性設(shè)計與分析

1.1.1大功率曲軸可靠性設(shè)計與分析

大功率曲軸是高壓大流量乳化液泵中最為關(guān)鍵的零件之一，其工作性能的優(yōu)劣決定著整臺泵的可靠性，其強(qiáng)度決定著整臺泵的承載能力，因此曲軸的可靠性強(qiáng)度設(shè)計分析，對于乳化液泵站的研制具有重要的意義。開發(fā)設(shè)計了大偏心距重載大功率曲軸，建立了“曲軸-連桿-滑塊”空間力系理論模型，并結(jié)合有限元技術(shù)，提出一套系統(tǒng)分析乳化液泵曲軸強(qiáng)度分析模型[5]。該模型基于動力學(xué)理論，獲得曲軸承受的周期性變化的液壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運動部分質(zhì)量的慣性力、驅(qū)動扭矩以及各曲拐間縱向和橫向扭矩的作用力耦合關(guān)系，見圖1，最終求解曲軸運動過程中各截面瞬態(tài)內(nèi)應(yīng)力；將動力學(xué)模型中確定的最危險工況下曲軸各曲拐的外載荷，根據(jù)有限寬度軸頸油膜分布理論轉(zhuǎn)化為有限元載荷，求解曲軸有限元應(yīng)力分布情況，如圖2所示。通過將有限元分析結(jié)果與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)偏差僅為9%，驗證了有限元模型的正確性，提高了乳化液泵曲軸強(qiáng)度設(shè)計的準(zhǔn)確性及高效性。

圖1　單曲拐受力模型

圖2　曲軸有限元應(yīng)力分布

1.1.2高可靠性重載斜齒輪副設(shè)計與分析

對于高壓大流量乳化液泵這種低速重載的應(yīng)用條件，過大的齒根彎曲應(yīng)力容易造成輪齒斷裂的事故，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。高可靠性大功率低速重載人字齒輪副傳動技術(shù)的研發(fā)，消除了傳統(tǒng)單側(cè)斜齒輪副存在的軸向分力對支撐軸承的損傷，軸承壽命提高了150%；同時改善了傳統(tǒng)齒輪副對“曲軸-齒輪”系統(tǒng)的偏置扭矩，曲軸的疲勞強(qiáng)度提高了90%；高效地優(yōu)化了減速系統(tǒng)空間設(shè)計，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊型乳化液泵設(shè)計，體積減少40%。采用齒高修行、齒根曲線優(yōu)化和大重合度的齒輪設(shè)計方法，并建立了基于最短接觸線的有限元齒輪優(yōu)化分析模型[6]，顯著提高了齒根疲勞強(qiáng)度，如圖3所示；采用霍夫勒人字齒高精磨齒加工算法，有效提高了人字齒加工精度；并攻克了無鍵裝配、人字齒高精嚙合、無損拆卸等人字齒輪副裝拆技術(shù)難題，極大提高了人字齒輪副的裝配精度及效率。

1.1.3高耐磨型滑塊-缸套摩擦副設(shè)計與分析

乳化液泵滑塊和滑道摩擦副是傳動系統(tǒng)中設(shè)計難度最大的部件，由于滑塊在乳化液泵滑道中做著高速往復(fù)直線運動，潛在的磨損故障難以消除，嚴(yán)重威脅著乳化液泵的整機(jī)壽命[2]。研究攻克了硬質(zhì)合金高耐磨表面處理、冷壓裝拆和薄壁激光精珩加工技術(shù)，創(chuàng)新設(shè)計了高耐磨性低摩擦系數(shù)的薄壁硬質(zhì)合金缸套和高強(qiáng)度高耐磨性鑄鐵滑塊(圖4)，與國內(nèi)傳統(tǒng)的“鑄鐵滑道-鋁合金滑塊”摩擦副相比，新型摩擦副的滑道硬度及耐磨性提高3倍以上，光潔度提高了200%，滑塊強(qiáng)度提升2倍以上，顯著提高了摩擦副可靠性和可維修性。

圖4　滑道硬質(zhì)合金鑲套設(shè)計

1.1.4高壽命滑動軸承設(shè)計與分析

曲軸滑動軸承是乳化液泵中最重要的基礎(chǔ)元件之一。曲軸與滑動軸承的潤滑失效，容易引發(fā)“燒瓦”甚至連桿斷裂的嚴(yán)重故障[7]。研制開發(fā)了高耐磨高壽命型滑動軸承，提出了基于二維Reynolds方程、能量方程和粘溫方程耦合計算分析的滑動軸承熱流體動力潤滑計算模型[8]，獲得了滑動軸承的油膜的壓力分布、油膜厚度分布和溫升分布。通過與最小油膜厚度理論值的對比分析，仿真與理論值的偏差僅為5.3%，驗證了模型的正確性，如圖5所示。依據(jù)動力潤滑模型計算和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析，滑動軸承的耐久性提高了5倍以上。

圖5　滑動軸承油膜厚度分布

1.2高壓大流量泵頭系統(tǒng)可靠性設(shè)計與分析

1.2.1大流量吸排液閥的設(shè)計與分析

高壓大流量乳化液泵吸排液閥的作用是通過柱塞的往復(fù)運動，實現(xiàn)周期性的高頻啟閉，從而實現(xiàn)泵的吸液和排液過程，因此吸排液閥的動態(tài)特性及抗沖擊性直接影響著乳化液泵的工作性能[1]。建立了基于AMESim的高頻大流量吸排液系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)計算模型，如圖6所示，提出了高頻大流量泵源流量脈動和噪音控制方法，創(chuàng)新設(shè)計了大通徑平面硬密封副和大面積差長導(dǎo)向閥芯結(jié)構(gòu)，應(yīng)用超聲波光整金屬表面處理、閥口紊流阻尼、自潤滑導(dǎo)向等技術(shù)手段，解決了平面硬密封副的重錘效應(yīng)和密封可靠性問題，顯著增大了吸排液閥的單位過液能力，減小了流阻損失。

圖6　吸排液系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)計算模型

1.2.2高耐磨型柱塞的設(shè)計與分析

國產(chǎn)泵站普遍采用金屬柱塞，而金屬柱塞在耐磨性、熱穩(wěn)定性方面均存在一定問題，金屬鍍層的脫落則更加劇了上述問題，因此國外泵站均采用了耐磨性高、熱穩(wěn)定性好的陶瓷柱塞[9]。創(chuàng)新研制了高耐磨自潤滑型大斷面金屬基陶瓷柱塞(圖7)，從本質(zhì)上解決了傳統(tǒng)金屬柱塞鍍層脫落、磨損、銹蝕等問題，同時創(chuàng)新設(shè)計了金屬基體-陶瓷外壁結(jié)構(gòu)，攻克了金屬-陶瓷可靠聯(lián)接技術(shù)，解決了大斷面陶瓷燒結(jié)致密性技術(shù)難題，與傳統(tǒng)金屬柱塞相比，許用抗壓強(qiáng)度提高5倍，硬度及耐磨性提高了80%，光潔度提高了300%；陶瓷-盤根摩擦副對介質(zhì)的反抽力要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)柱塞摩擦副，具有良好的自潤滑性和耐磨性，盤根壽命提高3倍以上。

圖7　高耐磨性陶瓷柱塞

1.2.3高壓大流量電磁卸載閥可靠性設(shè)計與分析

電磁卸載閥是依托于電磁先導(dǎo)閥控制技術(shù)，實現(xiàn)泵站卸荷壓力自動控制的關(guān)鍵部件[10]。其中，電磁先導(dǎo)閥可靠性及卸載閥耐久性是電磁卸載閥最核心的技術(shù)，并且長年被國外公司所壟斷。采用液動力補(bǔ)償技術(shù)、電流階躍控制技術(shù)及閥口開度優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)閥口壓力、流量與閥芯位移的動態(tài)平衡，解決了閥芯開啟、關(guān)閉瞬間的高頻振動、漩渦和氣蝕問題。創(chuàng)新研制了高頻響應(yīng)本安型泵站電磁先導(dǎo)閥，耐久性達(dá)到30萬次以上。采用CFD流場仿真技術(shù)以及微流場可視化技術(shù)，對高壓大流量下卸載閥口流場、速度場、壓力場進(jìn)行研究，如圖8所示，利用遺傳算法對卸載閥芯腔液容、阻尼孔大小、彈簧、控制活塞面積、卸載閥芯結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，有效遏制了氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生；同時采用合金熱噴涂技術(shù)，對易發(fā)生氣蝕的位置進(jìn)行表面處理，提高材料耐氣蝕性，從而研制出國內(nèi)首套高可靠性的電磁卸載閥[11]。

圖8　卸載閥閥口流場壓力分布

2　高壓大流量乳化液泵站可靠性試驗

乳化液泵站的可靠性測試是發(fā)現(xiàn)泵站早期問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此是設(shè)計研發(fā)過程中重要的環(huán)節(jié)。TMBRW(400/37.5)型泵站研制過程中按照MT/T188.2《煤礦用乳化液泵站 乳化液泵》標(biāo)準(zhǔn)[12]的要求進(jìn)行了型式試驗，重點完成500h耐久性試驗和超載試驗，同時創(chuàng)新地進(jìn)行變頻調(diào)速可靠性試驗。充分考核了乳化液泵在變頻低速工況下引發(fā)的傳動部件潤滑性能變差，可靠性降低的問題，同時和兩種國外同類型三柱塞泵站進(jìn)行了對比試驗。試驗結(jié)果驗證本公司研制的TMBRW(400/37.5)在不同轉(zhuǎn)速和流量、壓力等級下，總效率方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢，如圖9所示。

圖9　國內(nèi)外泵站不同轉(zhuǎn)速下總效率對比

3　工業(yè)性試驗可靠性分析

采用可靠性設(shè)計方法研制出的TMBRW(400/37.5)型乳化液泵在伊泰京粵酸刺溝煤礦6上111面自2014年5月開始進(jìn)行了為期6個月的工業(yè)性試驗。該工作面供液系統(tǒng)調(diào)定壓力為36MPa，是目前國內(nèi)泵站最高應(yīng)用水平。為了分析TMBRW(400/37.5)型乳化液泵的可靠性，與同工作面某國產(chǎn)同類型泵站進(jìn)行了可靠性數(shù)據(jù)分析對比，如表1所示。在36MPa的高壓應(yīng)用環(huán)境下，相比于同工作面的國產(chǎn)同類型泵站致命和嚴(yán)重類的故障率超過30%，而TMBRW(400/37.5)型乳化液泵的故障率僅限于易損件和電磁先導(dǎo)閥方面，均屬輕微故障，且故障率低于國產(chǎn)泵站，可靠性得到了充分的驗證。

表1　TMBRW(400/37.5)型乳化液泵與國產(chǎn)泵站

4　結(jié)束語

以可靠性理論為基礎(chǔ)，研發(fā)設(shè)計了高壓大流量乳化液泵，采用理論、仿真計算和試驗相結(jié)合的設(shè)計方法，采取了工藝創(chuàng)新和先進(jìn)的加工方式，從而攻克高壓大流量乳化液泵核心技術(shù)和關(guān)鍵部件，同時進(jìn)行了耐久性、超載和變頻低速等可靠性整機(jī)測試，最終通過在36MPa的超高應(yīng)用水平下工業(yè)性試驗驗證，可靠性高于國產(chǎn)同類產(chǎn)品，確認(rèn)了可靠性設(shè)計和研究的正確性和指導(dǎo)性。

[1]李然.礦用高壓大流量乳化液泵站應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(7)：93-96.

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[4]李風(fēng)偉.乳化液泵的可靠性分析及管理研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Reliability Analysis and Studying of Emulsion Pump Station with High Pressure and Large Discharge

LI Ran，JIA Chen，YE Jian，LIU Hao,SHEN Luo-feng，WANG Wei，XU Peng，SU Zhe

(Beijing Tiandi Ma’ke Electro-hydraulic control system Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Based on material strength，dynamics，fractions，tribology,vibrational science and computer fluid dynamic mechanics，then finite element，fluid simulation and hydraulic system simulation were applied，with a new technique and high precision process method，and transmission technology with high power，low speed and great loading and large drift diameter and quick response pump head technique were solved，then the reliability test were checked，which included durability，overloading and frequency conversion low velocity，and high pressure and large discharge emulsion pump station was developed successfully.The industry test was processed in 6up 111 working face with 36MPa super high application environment in Suancigou coal mine of Yitai，the test results showed that pump station was reliability，and failure rate was low than similarly products in home.

emulsion pump station；reliability；computer simulation technique；industrial test

2016-04-06

中央國有資本經(jīng)營預(yù)算重點產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級與發(fā)展資金項目(財企[2013]472號)；發(fā)改委能源自主創(chuàng)新及重點產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造(能源裝備)項目(發(fā)改投資(2015)1780號)；中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金資助項目(2016ZD002)；天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金(2014TDGZZD-01)

李然(1984-)，男，河北唐山人，助理研究員，博士。

TK730.42

A

1006-6225(2016)05-0029-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.009

[引用格式]李然，賈琛，葉健，等.高壓大流量乳化液泵站可靠性分析與研究[J].煤礦開采，2016，21(5)：29-32.