井用潜水泵的试验研究及优化设计.pdf
引言 煤矿生产作为综合类生产行业,其涉及到的生 产环节及相关生产设备众多。除了耳熟能详的采煤 机、 刮板输送机、 液压支架等大型机电设备外, 还有 很多设备仅有部分专业人士知道其名称和用途。井 用潜水泵是煤矿生产中重要的地下水提取设备, 除 此之外该设备还被广泛应用于河流、水库以及水渠 等提水工程中。在实际应用中将井用潜水泵和电机 连接成一个整体同时放入水中工作完成地下水到地 表的提取任务[1]。 但是, 井用潜水泵在设计和制造过 程中由于技术人员设计思想存在局限性导致我国自 主生产的潜水泵性能不佳。 因此, 需对潜水泵进行优 化设计, 具体阐述如下。 1井用潜水泵现状分析 鉴于潜水泵造价低、使用方便以及运行噪音小 等优势, 被广泛应用于煤矿生产中。目前, 国内针对 潜水泵结构及零部件的选型设计是按照清水泵的思 路完成设计并制造。 但是, 煤矿综采工作面的水质是 有液相和固相两种状态物质组成的。 因此, 基于清水 泵思路设计并制造的潜水泵在煤矿中应用常会出现 工作效率低、 过流部件磨损严重以及寿命短等问题。 经现场实践可知,井用潜水泵磨损最为严重的 部位为叶轮[2]。使用一段时间后的潜水泵会出现叶 轮表面凹凸不平,继而导致潜水泵的工作效率无法 满足工作面的生产需求; 与此同时, 潜水泵叶轮及叶 片的磨损不均匀导致其在工作时会产生脉动线性, 从而导致潜水泵在工作时的振动加剧,继而降低了 泵内轴承和轴风的使用寿命。 针对当期前井用潜水泵的使用现状及其面临的 问题,本文在井用潜水泵试验研究的基础上对该设 备的叶轮、 叶片进行优化设计。 2井用潜水泵的工业性试验研究 目前,一般采用仿真分析 实践应用的手段分 析设备所存在的不足和急需改进的方向。 但是, 基于 仿真分析手段并不能准确获得实验结果,其与模型 试验的结果还存在一定的差距。 因此, 本文采用模型 试验对井用潜水泵的性能进行研究分析。 本文以后倾式叶轮和空间导叶的井用潜水泵为 研究对象,通过采用流量计和压力传感器等测量设 备对潜水泵在实际工作时的出口压力和出口流量等 参数进行测量, 继而得到潜水泵扬程和流量 (H-Q) 曲线及潜水泵流量和效率 (浊-Q) 曲线。扬程测量所 依据的原理如公式 (1) 所示 H (Z3 -Z 1) P2 -P 1 籽g v2 2 -v 1 2 2g .(1) 式中 H 为潜水泵的扬程; Z1为潜水泵进水处的高 度; Z3为潜水泵出水口处的高度; P1为潜水泵进水处 的压力; P2为潜水泵出水口处的压力; 籽 为流经潜水 泵介质的密度; v1为潜水泵进水处的平均流速; v2为 潜水泵出水口处的平均流速; g 为重力加速度。本次 试验的试验装置如下页图 1 所示。 本次试验着重分析潜水泵在不同流量状态下对 应的潜水泵工作效率以及扬程[3]。 试验结果如下页表 1 所示。 分析表 1 可知,随着潜水泵流量的增加其对应 的效率值呈现先增大后减小的趋势,其最大效率在 潜水泵流量为 36 m3/h 时产生; 而潜水泵扬程随着流 量增大而减小, 二者呈现反比的关系。 3潜水泵叶轮及导叶的优化设计 本文所研究的潜水泵是由倾斜式叶轮和空间导 叶结构成的[4]。因此, 针对该类型潜水泵的优化需对 井用潜水泵的试验研究及优化设计 侯锋 (山西省吕梁市兴县晋兴能源有限公司斜沟煤矿水暖环保科, 山西兴县033600) 摘要 针对井用潜水泵在实际应用过程中存在运行效率低、 设备振动大、 磨损严重的问题, 以后倾斜式叶轮和 空间导叶组成的潜水泵为研究对象, 在分析潜水泵应用现状的基础上, 开展了潜水泵的工业性试验研究, 并以效 率为目标函数优化设计了潜水泵的叶轮和导叶, 验证了本次优化设计的可行性和有效性, 为后续提升潜水泵的 效率、 降低其维修成本提供了方向。 关键词 潜水泵后倾斜式叶轮空间导叶工作效率扬程 中图分类号 TD442.2文献标识码 A文章编号 1003-773X (2020) 06-0017-02 收稿日期 2020-03-15 作者简介 侯锋 (1989) , 男, 本科, 毕业于黑龙江科技大学机 械工程专业, 从事电工维修工作。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.06.008 总第 206 期 2020 年第6 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 206 No.6, 2020 设计理论与方法 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 叶轮和导叶两个部件进行优化。 为确保潜水泵的最终优化效果,经对叶轮和导 叶优化设计后要求满足如下功能性能 1) 经优化设计后潜水泵的流量和扬程满足设计 要求; 2) 经优化设计后的潜水泵满足高效率工作的 要求; 3) 经优化设计后潜水泵要求设备在工作时的振 动和噪声均比较小; 4) 经优化设计后的潜水泵在工作时所承受的轴 向力和径向力均较小, 保证设备的运行稳定性; 5) 经优化设计后潜水泵的制造成本较低且制造 工艺相对简单。 潜水泵后倾斜式叶轮和空间导叶为设备优化的 重点。后倾式叶轮和空间导叶两个部件涉及的参数 众多, 若对所有参数均进行优化设计, 其运算量非常 大且后期改进时的制造成本也较高。 此外, 潜水泵受 到工作面井径的限制,最好不对后倾式叶轮的进门 口直径和空间导叶的出口直径进行改变[5]。 综上所述,仅对后倾式叶轮的进口角和出口角 以及空间导叶的进口角和出口角四个参数进行优化 设计。针对潜水泵上述参数的优化设计所采用的优 化流程如图 2 所示。 潜水泵优化设计所选用的工况为其效率最高的 工况, 此时潜水泵对应的流量为 36 m3/h, 与其对应 的潜水泵电动机的转速为 2 850 r/min。叶轮和导叶 优化的约束条件为潜水泵的效率。潜水泵叶轮和导 叶优化前后的参数对比及对应效率如表 2 所示。 如表 2 所示,经对潜水泵后倾式叶轮和空间导 叶进口角和出口角进行优化设计后,潜水泵的扬程 和效率均得到显著提升。 其中, 优化后潜水泵的扬程 从优化前的 6.6 m 增加到当前的 7.7 m, 优化后潜水 泵的效率从优化前的 70提升到当前的 74。综上 所述,对潜水泵后倾斜式叶轮和导叶进出口角进行 优化设计后极大提升了设备在大流量工作区的性 能, 增加了潜水泵的运行稳定性, 即证明本文对潜水 泵叶轮和叶片的优化设计是有效的。 4结语 井用潜水泵作为煤矿生产的关键设备,其主要 承担将地下水排放至地面的功能。为解决潜水泵在 实际应用中效率低、 振动大、 磨损严重等问题, 以后 倾斜式叶轮和空间导叶组成的潜水泵为研究对象, 以工作效率为目标函数对叶轮和导叶的进、出口角 进行优化设计。 经优化设计后, 潜水泵的扬程从 6.6 m 增加到 7.7 m, 效率从优 70提升到 74, 证明对潜 水泵的优化设计是可行, 应在今后推广应用。 参考文献 [1]周岭, 施卫东, 陆伟刚.井用潜水泵导叶的正交试验与优化设计 [J].排灌机械工程学报, 2011, 29 (4) 312-315. [2]袁秀文, 高江永, 钱一超.井用潜水泵新旧标准技术差异分析 [J].节水灌溉, 2013 (12) 62-65. 1潜水泵电动机; 2进水处; 3潜水泵主体; 4法兰; 5 水流管道; 6截止阀; 7潜水泵支架; 8潜水泵供电系统; 9电磁阀; 10DN400 型流量计; 11压力传感器; 12试 验数据采集开; 13试验数据处理上位机 图 1潜水泵模型试验装置示意图 潜水泵流量 / (m3 h-1)潜水泵工作效率 /扬程 /m 2465.98.8 3069.67.5 3571.76.4 3671.56.2 4265.44.6 4846.32.6 表 1不同流量下潜水泵工作效率及扬程对比 图 2潜水泵叶轮及导叶优化设计流程示意图 优化前优化后 叶轮进口角 / ()22.735.5 叶轮出口角 / ()44.727.3 导叶进口角 / ()22.615.5 导叶出口角 / ()79.361.8 对应扬程 /m6.67.7 效率 /7074 表 2潜水泵优化前后参数对比 1 2 3 4 5 6 77 8 910 1112 13 控制参数 网格划分流场校核 初始叶型 参数化拟合 数据库生成 优化计算 流场报告 流场报告 方案 (下转第 85 页) 18 2020 年第 6 期 以, 安全系数 K1 F7 F4 >1. 设备在爬坡时不会发生溜车现象,满足设计 要求。 下坡时设备下滑力 F8的计算公式为 F8 F 1 -滋 2F2. 经计算得 F868.2 kN。 在锚固架不支撑顶板时, 锚固拉移车会下滑, 锚 固架支撑顶板后, 由 3.1 知, 锚固架产生的最大摩擦 力 Ff961.4 kN。 安全系数 K2 Ff F8 >1,故设备在下坡时不会溜 车, 满足设计要求。 静止在坡道上时设备的最大静摩擦力 Ffmax的计 算公式 Ffmax 滋 1F2. 经计算得 Ffmax893.4 kN>F1。可见设备在没有 锚固架的情况下也不会溜车, 满足设计要求[3-5]。 4结语 锚固拉移车在井下7的坡道上静止、爬坡 或者下坡时都可以稳定工作,不会发生溜车现象。 同时, 锚固拉移车可实现迈步式自动前移, 大大降 低了工人的劳动强度,提高了安全性和工作效率, 推进综采面自动化、 无人化管理进程, 达到了国内 领先水平。 参考文献 [1]孙社民. 综采工作面滑靴式自移设备列车的关键技术研究[J]. 科技与企业, 2013 (20) 377-378. 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