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      科研成果:高效抗磨泥浆泵研制

      字号:T|T
      作者:人气:-发表时间:2015-01-04 15:18:29
      黄河网
       

      据统计,自2001年6月10FGKN-30非金属抗磨泥浆泵开始研发,截止2004年12月27日不到四年时间10FGKN-30非金属抗磨泥浆泵及过流部件销售344台套。该产品的耐磨性能得到广大用户的一致好评。

      一、 10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵研制的背景

      自上世纪70年代开始,山东黄河河务局利用简易吸泥船在黄河河道中抽取泥沙,利用水力管道将泥沙输送至堤防背河侧沉放,帮宽加固黄河提防。这种加固堤防的方式,称之为“机械淤背固堤”,又简称“机淤”。至今,山东黄河进行机淤生产已有30余年的历史,已累计完成土方6亿多m3,对800余km的黄河大堤进行了不同程度的加固,显著增强了大堤工程强度,有效地提高了堤防防御洪水的能力。

      三十多年来,机淤生产一直采用铸铁泥浆泵,过流部件的抗磨蚀性能,是影响其使用寿命主要因素。如近几年, 机淤生产常采用的10PN-30型铸铁泥浆泵,由于过流介质含沙浓度大、颗粒粗 ( 中数粒径 0.097mm),磨蚀非常严重。据应用的17台10PN-30型铸铁泥浆泵统计,一般生产土方3万m3,叶轮及护板磨蚀报废(如照片1-1),泵壳开始穿孔,即使更换叶轮、护板,对泵壳采取补焊等措施,生产土方10万m3左右,整个泥浆泵报废。不仅提高了设备投资,而且频繁的停机换件和维修,还浪费大量的人力,影响有效生产时间和工效。 

      泥浆泵叶轮

      为延长泥浆泵的使用寿命,提高技术经济效益,通过对10PN-30型铸铁泥浆泵的调查和剖析,分析了该泵的磨蚀因素、磨蚀形态及部位。在此基础上采用SPH12合金粉末、HT4系列焊条、克耐龙(CNL)、HD208复合胶、麦卡12 #及改性超高分子量聚乙烯等多种新型抗磨蚀材料对10PN-30型铸铁泥浆泵进行综合防护试验研究,使铸铁泥浆泵的使用寿命成倍延长,取得显著效果。

      通过铸铁泥浆泵综合防护试验,发现改性超高分子量聚乙烯等非金属材料,以柔克刚,具有超强的抗磨蚀性能。于是就萌发了研制非金属高效抗磨泥浆泵的设想。2001年7月,山东黄河河务局科技处与济南黄河鼎立实业有限责任公司,开始合作研制“10FGKN—30型非金属高效抗磨泥浆泵”。

      二、10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵的研发过程

      (一)  非金属高效抗磨泥浆泵的设计

      1、设计方案。10FGKN—30型泵的设计以10PN—30铸铁泵为模型泵,并根据筛选的非金属材料重新优化设计。

      2、泵吸入口径及吐出口径的优化设计

      参照模型泵吸入(230mm)、吐出口径(180mm),通过对进出口流速验算,重新设定10FGKN—30泵吸入口径为250mm,吐出口径为200mm。优化修正后,可适当提高吸入和吐出流量,提高泵的抗汽蚀能力,可降低固体颗粒对流道的撞击,增强泥浆泵的抗磨蚀性能。

      3、泵叶轮的设计计算    

      通过相似法和速度系数法分析验算,叶轮最终确定的优化结构尺寸为:外径650mm ,出口宽 154mm,叶片4个 ,叶片入口安放角= 叶片出口安放角=30°,叶片包角90°,叶轮吸入口径220mm 。

      4、泵体涡室的设计计算

      泵体型式为螺旋渐开形涡室。泵体涡室的各部尺寸计算时考虑介质和流量因素,适当降低流体的圆周速度。通过分析计算,涡室基圆取D3=730mm;涡室入口宽度取b3=240mm ,适当增大涡室腔径向截面的扩散度。为满足涡室内各截面流速相等减小压水损失,对涡室8个典型断面面积进行了分析计算。扩散管:在涡室入口b3=240mm确定后,将涡室设计为对称扁圆形,内腔光滑过渡到泵出水口时达到内径Ф200mm 。吸入室:入口Ф250mm,出口同叶轮相接为Ф220mm,吸入室长度375 mm在靠近叶轮一侧加装手孔盖。

      泵体的强度验算: 由于泵体采用的新型材料为高分子聚合工程塑料、材料的屈服极限 是原使用材料铸件强度的60%,故需对泵体做强度验算。泵体外壁壁厚按照承受内压的厚壁筒计算为8.54mm,选定壁厚25mm,安全系数fm=3。对叶轮轮毂强度及键槽接触强度,键的剪切强度进行校核,均有较大的安全系数,故不再变动。由于前后护板在泵结构中不承受外力,联接力及内压力都由前、后盖传递。故变更为非金属材料后不用再校核强度。只要求在使用中检验其抗磨蚀效果。

      5、 泵结构型式的选择与确定

      该泵为涡壳式卧式离心泥浆泵,托架型式借用10PN模型泵。轴材料选用40Gr调质,轴承选用可调心双列向心球轴承3622。泵体选用高分子聚合工程塑料。衬板材料选用高分子聚合工程塑料制作或衬胶。叶轮材料选用低合金铸钢调质处理。泵与原动机采用弹性联轴器直接联接。泵与原动机固定在同一底座上。泵的轴封选用碳纤维+聚四氟乙烯填料密封,提高密封性能。填料室加注高压清水降低叶轮轮毂外缘的磨损。

      6、 径向力、轴向力及叶轮的平衡校核

      经计算校核轴承径向力、轴向力可满足使用要求。叶轮转速730 ,可按静平衡条件进行平衡试验,叶轮最大外圆处不平衡重不大于50 ,可在叶轮两盖板处钻孔去除不平衡重,也可在叶轮盖板外缘处偏心车削去除不平衡重。

      (二)、非金属高效抗磨泥浆泵制造工艺

      1、 泵体的制造工艺

      泵体毛坯的制造:由于选用材料为高分子聚合工程塑料,泵体是由液态材料在模具中保温实现大分子链接固化定型后再从模具中取出。由于泵体的内外形状都是不规则的蜗壳状,泵体内腔中的芯模在材料定型后从型腔中取出是非常困难的。若采用石膏材料做内芯模来完成制作,虽然能够通过破碎芯模来实现取型,但是由于石膏材料导热性差,会影响到工程塑料在聚合链接时的分子链长度,从而影响其耐磨性。经过多次模拟组图分解试验,将内芯模设计为圆柱定位芯块和外周涡室芯块两部分,将外周涡室芯块先从分型面剖切、再将上下两部分用线切割方法分切成为八个锲形块,从而解决了内芯模从型腔内取出的难题(照片2-1)。泵体外形的模具相对就简单了,在上下模具中考虑好与芯模的定位即可。这套全金属加工的模具加工完毕后一次试产就做出了合格的泵体产品。

      高效抗磨泥浆泵

      泵体的机械加工:由于泵体毛坯的加工余量很小,且材料的可切削性能良好,比原型泵泵体的加工相对容易得多。但在加工时需考虑工件温度和环境温度对尺寸精度的影响。在加工时预留的冷却收缩量需要比铸铁件加工时多出1~1.3倍。成品泵体如照片2-2。

      2、叶轮的制造工艺

      选用非金属材料,低合金铸钢材料制造两种叶轮。非金属叶轮制造工艺同泵体,成品如照片2-3。低合金铸钢材料叶轮,委托定点厂家严格安要求生产出合格产品(照片2-4)。

      高效抗磨泥浆泵

      3、 前后护板的制造工艺

      高分子聚合材料前后护板制造:改为高分子聚合材料后,按原图低尺寸制作金属模具。浇注液态材料在电炉恒温固化后,打开外模,取出芯模。冷却后转机械加工,机械加工工艺与原加工工艺相同,注意温度对尺寸精度的影响。成品高分子聚合材料护板如照片2-5。

      抗磨泥浆泵护板

      衬胶前后护板制造:先将按照图纸设计要求制作好的衬板钢骨架进行化学处理,将增强橡胶粘力的化学胶粘剂均匀地喷涂在骨架上;再按照设计要求,将加工好的生橡胶均匀平铺在模具低部,钢骨架放在模具里,上面均匀平铺生橡胶,直至达到设计要求填满模具;最后将模具上盖盖好,安放在压力机上,进行3小时的加热硫化,卸下模具,取出衬板。待其冷却后收缩至设计尺寸即可。成品衬胶护板如照片2-6。

      抗磨泥浆泵衬板

      (三)、安装工艺

      由于泵体材料的改变,在安装过程中应避免让泵体接受较大载荷。吊装时避免使原体单独受力。根据图纸参照《安装工艺卡》安装。

      (四)、非金属高效抗磨泥浆泵运转试验分析

      2002年8月,第一台10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵问世后,课题组选择应用积极性较高的济南黄河水利水电工程局为运转试验基地,成立运行试验小组。以在历城 46+350--47+260标段施工的6号船为试验船,配置为非金属泵壳、非金属叶轮、非金属护板。通过生产记录汇总分析,试验泵运转957小时,抽沙23.6万m3,平均流量560.53m3/h,平均含沙量703.08kg/m3,平均日产土方5357.27m3,时产土方241.76m3,每工日出土量297.63m3,时耗柴油34.76kg,单方耗油:014kg/m3。生产功效在黄河机淤生产中是非常高的,除与试验泵的性能密切相关外,与沙场等运行环境也有很大关系。2002年10月3日,试验组将试验泵拆开检查,泵壳稍有磨损,基本完好(见照片2-7),叶轮磨损稍重,但尚能使用、衬板磨损较重,已有两处穿孔。试验一举成功。据后来跟踪了解,该试验泵更换一套非金属护板和低合金铸钢叶轮,生产土方达到42.8万m3。  

      试验泵试验成功后,于2002年10月召开新闻发布会,在《黄河报》发布了《新一代抗磨泥浆泵在山东黄河问世》报道。截止目前,已销往河南、山东黄河等各施工单位86台,并在沿海抽砂、造田工程和青海西宁清淤中得到应用。根据用户要求,进行部件配置。在推广应用过程中,与用户保持密切联系,及时掌握该泵型运行状态,收集积累运行技术资料,根据存在的问题及用户的意见,不断改进完善。

      三、10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵简介 

      10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵,是以10EPN—30铸铁泥浆泵为原型,采用固液两相流理论和强抗磨非金属材料研发的新泵型。其泵壳、叶轮、护板等过流部件主要采用高分子聚合材料,对流道进行了优化设计。主要性能参数(清水)表1。

      表1 10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵主要性能参数(清水)

       

      泵型号

      流量Q

      扬程H

      (m)

      转速n

      (r/min)

      功率N(hp)

      效率

      (%)

      吸程

      (m)

      (m3/h)

      (l/s)

      轴功率

      电机功率

      10FGKN-30

      617

      1110

      1168

      171.5

      309

      324

      37

      31.8

      29.1

      730

      126.8

      171.8

      183.7

      185

      66.7

      73.7

      68.4

      6.5

       

      该泵具有高度耐磨,生产效率高,重量轻,安全方便等突出优点,取得较好的运转试验效果。自2002年8月问世以来,已推广销售86台套。经试验运行单泵生产土方可达30~40万m3,是铸铁泥浆泵的3~4倍,效果非常理想。在推广应用过程中,不断改进完善。目前,已成为技术成熟,各项性能指标稳定可靠,深受用户欢迎的新泵型。

      经对比试验分析,由于该泵高度耐磨,可长时间保持在高效率区工作,比10EPN-30型铸铁泵生产效率提高50%以上,土方综合生产单价下降0.3654元/ m3。抽沙能力按30万m3/台推算,86台套可节省生产投资942.7万元,社会经济效益显著。

      经山东省产品质量监督检验研究院检验(报告编号:Z050206-2006),样品符合技术要求。经山东省科技情报研究所查新检索(报告编号:200637b2800816):国内外未见与本项目相同研究的文献报道。2006年06月28 日通过山东省科技成果鉴定,鉴定委员会一致认为,该项目在泥浆泵抗磨新材料应用研究方面创新性强,处于国际先进水平,具有广阔的推广应用前景。

      成果获山东黄河河务局2005—2006年度重大创新奖。

      四、主要创新点

      (一)、首次开发出全非金属大型泥浆泵

      该泵涡室基圆取D3=730mm,叶轮外径650mm,清水流量1110 m3/h,属大型泥浆泵。泵壳、叶轮、护板等主要过流部件全采用抗磨高分子聚合材料制作,尚属首家。经山东省科技情报研究所查新检索(报告编号:200637b2800816):国内外未见与本项目相同研究的文献报道。

      (二)、对原型泵流道进行了优化设计

      对原型泵叶轮、涡室、吸入口径、吐出口径等过流部件根据筛选的非金属材料配方进行了优化设计,适当降低流体的圆周速度,提高吸入和吐出流量,可降低固体颗粒对流道的撞击,提高泵的抗汽蚀能力,增强泥浆泵的抗磨蚀性能。使泥浆泵长期保持在高效工作区,寿命(生产能力)是铸铁泥浆泵3~4倍

      (三)、发明了锲形内芯模具

      由于选用材料为高分子聚合工程塑料,泵体是由液态材料在模具中保温实现大分子链接固化定型后再从模具中取出。若采用石膏材料做内芯模来完成制作,虽然能够通过破碎芯模来实现取型,但是由于石膏材料导热性差,会影响到工程塑料在聚合链接时的分子链长度,从而影响其耐磨性。经过多次模拟组图分解试验,将内芯模设计为圆柱定位芯块和外周涡室芯块两部分,将外周涡室芯块先从分型面剖切、再将上下两部分用线切割方法分切成为八个锲形块,从而解决了内芯模从型腔内取出的难题。泵体外形的模具相对就简单了,在上下模具中考虑好与芯模的定位即可。这套全金属加工的模具加工完毕后一次试产就做出了合格的泵体产品。

      (四)、研究开发出非金属材料聚合新配方

      选择耐磨性好的非金属(聚乙内酰胺)材料为主料,根据泵壳、叶轮、护板等主要过流部件采用非金属制作,研制开发非金属材料聚合新配方,取得了成功效果。

      (五)、试验研究出非金属大型泥浆泵成型新工艺

      通过试验研究,总结出非金属大型泥浆泵泵壳、叶轮、护板等部件的非金属材料聚合新技术和成型新工艺,并熟练掌握,生产出高质量的成品。

      (六)、开发出衬胶护板新产品       

      在开发全非金属大型泥浆泵的基础上,研制开发出衬胶前后护板新产品,与非金属泥浆泵配套,供用户选择组合,深受用户欢迎。

      经山东省科技情报研究所查新检索(报告编号:200637b2800816):国内外未见与本项目相同研究的文献报道。该成果在黄委会、水利届、国内,都具有显著的创新性。

      五、非金属高效抗磨泥浆泵推广应用前景及效益

      (一)、推广应用前景

      实践证明,10FGKN-30非金属耐磨泥浆泵,具有结构合理,选材新颖、重量轻、易安装、效率高、耐磨好,使用寿命长等突出优点。不仅适用于黄河机淤生产,并在沿海抽砂、造田工程和青海西宁清淤中得到应用,具有较高的应用和推广价值。根据水利部、黄委会已经做出的黄河淤背固堤中长期规划,中期规划平均淤宽100m,黄河下游河南、山东两省黄河大堤机淤固堤尚需土方7亿m3。10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵具有广阔的推广应用前景,潜在着巨大的社会经济效益。

      (二)、社会经济效益

      自2002年8月至2005年12月,已销往河南、山东黄河等各施工单位86台,并在沿海抽砂、造田工程和青海西宁清淤中得到应用。

      经综合核算, 10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵加工制造成本34000元/台(以配备2套低合金铸钢叶轮计),销售单价48000元/台。推广销售86台套,完成产值86×4.8=412.8万元,创利税412.8-86×3.4=120.4万元,净利润120.4×(1-6%)=115.584万元。

      经运转分析,使用10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵比10EPN-30型铸铁泥浆泵折旧费可降低0.2054元/ m3,运转费降低0.16元/m3,土方综合生产成本下降了0.2054+0.16=0.3654元/ m3。自2002年问世以来,已销售86台。按抽沙能力的下限淤沙30万m3/台推算,可生产机淤方86×30=2580万m3,创产值2580×4.5(计划单价:元/ m3 )=12825万元,创利税12825-2580×2.5(综合生产成本: 元/ m3)=5160万元,节省生产投资2580×0.3654=942.7万元。

      该成果为机淤固堤施工提供了一种高效、耐磨新型设备,提高了机淤固堤施工的科学技术水平。在确保防洪安全、保证安全生产、改善劳动条件、消除公害污染、减轻自然灾害、有利于生态平衡和促进社会发展等方面所发挥的作用。

      六、主要完成单位

      山东黄河河务局科技处   济南黄河鼎立实业有限责任公司(于2008年改名为:济南金鼎诺泵业有限公司

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      七、主要完成人

      赵世来  王宗波  李长海  孙泉汇 郝彩萍  邱发财  苏琳琳  王东桂  张昭平  刘兴海  崔玉玲

       

      本文转自:水利部黄河水利委员会官网 黄河网  原文标题:《10FGKN—30非金属高效抗磨泥浆泵研制》

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