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科研成果:高效抗磨泥漿泵研製

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作者:人氣:-發表時間:2015-01-04 15:18:29
黃河網
 

據統計,自2001年6月10FGKN-30非金屬抗磨泥漿泵開始研發,截止2004年12月27日不到四年時間10FGKN-30非金屬抗磨泥漿泵及過流部件銷售344台套。該產品的耐磨性能得到廣大用戶的一致好評。

一、 10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵研製的背景

自上世紀70年代開始,山東黃河河務局利用簡易吸泥船在黃河河道中抽取泥沙,利用水力管道將泥沙輸送至堤防背河側沉放,幫寬加固黃河提防。這種加固堤防的方式,稱之為“機械淤背固堤”,又簡稱“機淤”。至今,山東黃河進行機淤生產已有30餘年的曆史,已累計完成土方6億多m3,對800餘km的黃河大堤進行了不同程度的加固,顯著增強了大堤工程強度,有效地提高了堤防防禦洪水的能力。

三十多年來,機淤生產一直采用鑄鐵泥漿泵,過流部件的抗磨蝕性能,是影響其使用壽命主要因素。如近幾年, 機淤生產常采用的10PN-30型鑄鐵泥漿泵,由於過流介質含沙濃度大、顆粒粗 ( 中數粒徑 0.097mm),磨蝕非常嚴重。據應用的17台10PN-30型鑄鐵泥漿泵統計,一般生產土方3萬m3,葉輪及護板磨蝕報廢(如照片1-1),泵殼開始穿孔,即使更換葉輪、護板,對泵殼采取補焊等措施,生產土方10萬m3左右,整個泥漿泵報廢。不僅提高了設備投資,而且頻繁的停機換件和維修,還浪費大量的人力,影響有效生產時間和工效。 

泥漿泵葉輪

為延長泥漿泵的使用壽命,提高技術經濟效益,通過對10PN-30型鑄鐵泥漿泵的調查和剖析,分析了該泵的磨蝕因素、磨蝕形態及部位。在此基礎上采用SPH12合金粉末、HT4係列焊條、克耐龍(CNL)、HD208複合膠、麥卡12 #及改性超高分子量聚乙烯等多種新型抗磨蝕材料對10PN-30型鑄鐵泥漿泵進行綜合防護試驗研究,使鑄鐵泥漿泵的使用壽命成倍延長,取得顯著效果。

通過鑄鐵泥漿泵綜合防護試驗,發現改性超高分子量聚乙烯等非金屬材料,以柔克剛,具有超強的抗磨蝕性能。於是就萌發了研製非金屬高效抗磨泥漿泵的設想。2001年7月,山東黃河河務局科技處與濟南黃河鼎立實業有限責任公司,開始合作研製“10FGKN—30型非金屬高效抗磨泥漿泵”。

二、10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵的研發過程

(一)  非金屬高效抗磨泥漿泵的設計

1、設計方案。10FGKN—30型泵的設計以10PN—30鑄鐵泵為模型泵,並根據篩選的非金屬材料重新優化設計。

2、泵吸入口徑及吐出口徑的優化設計

參照模型泵吸入(230mm)、吐出口徑(180mm),通過對進出口流速驗算,重新設定10FGKN—30泵吸入口徑為250mm,吐出口徑為200mm。優化修正後,可適當提高吸入和吐出流量,提高泵的抗汽蝕能力,可降低固體顆粒對流道的撞擊,增強泥漿泵的抗磨蝕性能。

3、泵葉輪的設計計算    

通過相似法和速度係數法分析驗算,葉輪最終確定的優化結構尺寸為:外徑650mm ,出口寬 154mm,葉片4個 ,葉片入口安放角= 葉片出口安放角=30°,葉片包角90°,葉輪吸入口徑220mm 。

4、泵體渦室的設計計算

泵體型式為螺旋漸開形渦室。泵體渦室的各部尺寸計算時考慮介質和流量因素,適當降低流體的圓周速度。通過分析計算,渦室基圓取D3=730mm;渦室入口寬度取b3=240mm ,適當增大渦室腔徑向截麵的擴散度。為滿足渦室內各截麵流速相等減小壓水損失,對渦室8個典型斷麵麵積進行了分析計算。擴散管:在渦室入口b3=240mm確定後,將渦室設計為對稱扁圓形,內腔光滑過渡到泵出水口時達到內徑Ф200mm 。吸入室:入口Ф250mm,出口同葉輪相接為Ф220mm,吸入室長度375 mm在靠近葉輪一側加裝手孔蓋。

泵體的強度驗算: 由於泵體采用的新型材料為高分子聚合工程塑料、材料的屈服極限 是原使用材料鑄件強度的60%,故需對泵體做強度驗算。泵體外壁壁厚按照承受內壓的厚壁筒計算為8.54mm,選定壁厚25mm,安全係數fm=3。對葉輪輪轂強度及鍵槽接觸強度,鍵的剪切強度進行校核,均有較大的安全係數,故不再變動。由於前後護板在泵結構中不承受外力,聯接力及內壓力都由前、後蓋傳遞。故變更為非金屬材料後不用再校核強度。隻要求在使用中檢驗其抗磨蝕效果。

5、 泵結構型式的選擇與確定

該泵為渦殼式臥式離心泥漿泵,托架型式借用10PN模型泵。軸材料選用40Gr調質,軸承選用可調心雙列向心球軸承3622。泵體選用高分子聚合工程塑料。襯板材料選用高分子聚合工程塑料製作或襯膠。葉輪材料選用低合金鑄鋼調質處理。泵與原動機采用彈性聯軸器直接聯接。泵與原動機固定在同一底座上。泵的軸封選用碳纖維+聚四氟乙烯填料密封,提高密封性能。填料室加注高壓清水降低葉輪輪轂外緣的磨損。

6、 徑向力、軸向力及葉輪的平衡校核

經計算校核軸承徑向力、軸向力可滿足使用要求。葉輪轉速730 ,可按靜平衡條件進行平衡試驗,葉輪最大外圓處不平衡重不大於50 ,可在葉輪兩蓋板處鑽孔去除不平衡重,也可在葉輪蓋板外緣處偏心車削去除不平衡重。

(二)、非金屬高效抗磨泥漿泵製造工藝

1、 泵體的製造工藝

泵體毛坯的製造:由於選用材料為高分子聚合工程塑料,泵體是由液態材料在模具中保溫實現大分子鏈接固化定型後再從模具中取出。由於泵體的內外形狀都是不規則的蝸殼狀,泵體內腔中的芯模在材料定型後從型腔中取出是非常困難的。若采用石膏材料做內芯模來完成製作,雖然能夠通過破碎芯模來實現取型,但是由於石膏材料導熱性差,會影響到工程塑料在聚合鏈接時的分子鏈長度,從而影響其耐磨性。經過多次模擬組圖分解試驗,將內芯模設計為圓柱定位芯塊和外周渦室芯塊兩部分,將外周渦室芯塊先從分型麵剖切、再將上下兩部分用線切割方法分切成為八個鍥形塊,從而解決了內芯模從型腔內取出的難題(照片2-1)。泵體外形的模具相對就簡單了,在上下模具中考慮好與芯模的定位即可。這套全金屬加工的模具加工完畢後一次試產就做出了合格的泵體產品。

高效抗磨泥漿泵

泵體的機械加工:由於泵體毛坯的加工餘量很小,且材料的可切削性能良好,比原型泵泵體的加工相對容易得多。但在加工時需考慮工件溫度和環境溫度對尺寸精度的影響。在加工時預留的冷卻收縮量需要比鑄鐵件加工時多出1~1.3倍。成品泵體如照片2-2。

2、葉輪的製造工藝

選用非金屬材料,低合金鑄鋼材料製造兩種葉輪。非金屬葉輪製造工藝同泵體,成品如照片2-3。低合金鑄鋼材料葉輪,委托定點廠家嚴格安要求生產出合格產品(照片2-4)。

高效抗磨泥漿泵

3、 前後護板的製造工藝

高分子聚合材料前後護板製造:改為高分子聚合材料後,按原圖低尺寸製作金屬模具。澆注液態材料在電爐恒溫固化後,打開外模,取出芯模。冷卻後轉機械加工,機械加工工藝與原加工工藝相同,注意溫度對尺寸精度的影響。成品高分子聚合材料護板如照片2-5。

抗磨泥漿泵護板

襯膠前後護板製造:先將按照圖紙設計要求製作好的襯板鋼骨架進行化學處理,將增強橡膠粘力的化學膠粘劑均勻地噴塗在骨架上;再按照設計要求,將加工好的生橡膠均勻平鋪在模具低部,鋼骨架放在模具裏,上麵均勻平鋪生橡膠,直至達到設計要求填滿模具;最後將模具上蓋蓋好,安放在壓力機上,進行3小時的加熱硫化,卸下模具,取出襯板。待其冷卻後收縮至設計尺寸即可。成品襯膠護板如照片2-6。

抗磨泥漿泵襯板

(三)、安裝工藝

由於泵體材料的改變,在安裝過程中應避免讓泵體接受較大載荷。吊裝時避免使原體單獨受力。根據圖紙參照《安裝工藝卡》安裝。

(四)、非金屬高效抗磨泥漿泵運轉試驗分析

2002年8月,第一台10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵問世後,課題組選擇應用積極性較高的濟南黃河水利水電工程局為運轉試驗基地,成立運行試驗小組。以在曆城 46+350--47+260標段施工的6號船為試驗船,配置為非金屬泵殼、非金屬葉輪、非金屬護板。通過生產記錄匯總分析,試驗泵運轉957小時,抽沙23.6萬m3,平均流量560.53m3/h,平均含沙量703.08kg/m3,平均日產土方5357.27m3,時產土方241.76m3,每工日出土量297.63m3,時耗柴油34.76kg,單方耗油:014kg/m3。生產功效在黃河機淤生產中是非常高的,除與試驗泵的性能密切相關外,與沙場等運行環境也有很大關係。2002年10月3日,試驗組將試驗泵拆開檢查,泵殼稍有磨損,基本完好(見照片2-7),葉輪磨損稍重,但尚能使用、襯板磨損較重,已有兩處穿孔。試驗一舉成功。據後來跟蹤了解,該試驗泵更換一套非金屬護板和低合金鑄鋼葉輪,生產土方達到42.8萬m3。  

試驗泵試驗成功後,於2002年10月召開新聞發布會,在《黃河報》發布了《新一代抗磨泥漿泵在山東黃河問世》報道。截止目前,已銷往河南、山東黃河等各施工單位86台,並在沿海抽砂、造田工程和青海西寧清淤中得到應用。根據用戶要求,進行部件配置。在推廣應用過程中,與用戶保持密切聯係,及時掌握該泵型運行狀態,收集積累運行技術資料,根據存在的問題及用戶的意見,不斷改進完善。

三、10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵簡介 

10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵,是以10EPN—30鑄鐵泥漿泵為原型,采用固液兩相流理論和強抗磨非金屬材料研發的新泵型。其泵殼、葉輪、護板等過流部件主要采用高分子聚合材料,對流道進行了優化設計。主要性能參數(清水)表1。

表1 10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵主要性能參數(清水)

 

泵型號

流量Q

揚程H

(m)

轉速n

(r/min)

功率N(hp)

效率

(%)

吸程

(m)

(m3/h)

(l/s)

軸功率

電機功率

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

 

該泵具有高度耐磨,生產效率高,重量輕,安全方便等突出優點,取得較好的運轉試驗效果。自2002年8月問世以來,已推廣銷售86台套。經試驗運行單泵生產土方可達30~40萬m3,是鑄鐵泥漿泵的3~4倍,效果非常理想。在推廣應用過程中,不斷改進完善。目前,已成為技術成熟,各項性能指標穩定可靠,深受用戶歡迎的新泵型。

經對比試驗分析,由於該泵高度耐磨,可長時間保持在高效率區工作,比10EPN-30型鑄鐵泵生產效率提高50%以上,土方綜合生產單價下降0.3654元/ m3。抽沙能力按30萬m3/台推算,86台套可節省生產投資942.7萬元,社會經濟效益顯著。

經山東省產品質量監督檢驗研究院檢驗(報告編號:Z050206-2006),樣品符合技術要求。經山東省科技情報研究所查新檢索(報告編號:200637b2800816):國內外未見與本項目相同研究的文獻報道。2006年06月28 日通過山東省科技成果鑒定,鑒定委員會一致認為,該項目在泥漿泵抗磨新材料應用研究方麵創新性強,處於國際先進水平,具有廣闊的推廣應用前景。

成果獲山東黃河河務局2005—2006年度重大創新獎。

四、主要創新點

(一)、首次開發出全非金屬大型泥漿泵

該泵渦室基圓取D3=730mm,葉輪外徑650mm,清水流量1110 m3/h,屬大型泥漿泵。泵殼、葉輪、護板等主要過流部件全采用抗磨高分子聚合材料製作,尚屬首家。經山東省科技情報研究所查新檢索(報告編號:200637b2800816):國內外未見與本項目相同研究的文獻報道。

(二)、對原型泵流道進行了優化設計

對原型泵葉輪、渦室、吸入口徑、吐出口徑等過流部件根據篩選的非金屬材料配方進行了優化設計,適當降低流體的圓周速度,提高吸入和吐出流量,可降低固體顆粒對流道的撞擊,提高泵的抗汽蝕能力,增強泥漿泵的抗磨蝕性能。使泥漿泵長期保持在高效工作區,壽命(生產能力)是鑄鐵泥漿泵3~4倍

(三)、發明了鍥形內芯模具

由於選用材料為高分子聚合工程塑料,泵體是由液態材料在模具中保溫實現大分子鏈接固化定型後再從模具中取出。若采用石膏材料做內芯模來完成製作,雖然能夠通過破碎芯模來實現取型,但是由於石膏材料導熱性差,會影響到工程塑料在聚合鏈接時的分子鏈長度,從而影響其耐磨性。經過多次模擬組圖分解試驗,將內芯模設計為圓柱定位芯塊和外周渦室芯塊兩部分,將外周渦室芯塊先從分型麵剖切、再將上下兩部分用線切割方法分切成為八個鍥形塊,從而解決了內芯模從型腔內取出的難題。泵體外形的模具相對就簡單了,在上下模具中考慮好與芯模的定位即可。這套全金屬加工的模具加工完畢後一次試產就做出了合格的泵體產品。

(四)、研究開發出非金屬材料聚合新配方

選擇耐磨性好的非金屬(聚乙內酰胺)材料為主料,根據泵殼、葉輪、護板等主要過流部件采用非金屬製作,研製開發非金屬材料聚合新配方,取得了成功效果。

(五)、試驗研究出非金屬大型泥漿泵成型新工藝

通過試驗研究,總結出非金屬大型泥漿泵泵殼、葉輪、護板等部件的非金屬材料聚合新技術和成型新工藝,並熟練掌握,生產出高質量的成品。

(六)、開發出襯膠護板新產品       

在開發全非金屬大型泥漿泵的基礎上,研製開發出襯膠前後護板新產品,與非金屬泥漿泵配套,供用戶選擇組合,深受用戶歡迎。

經山東省科技情報研究所查新檢索(報告編號:200637b2800816):國內外未見與本項目相同研究的文獻報道。該成果在黃委會、水利屆、國內,都具有顯著的創新性。

五、非金屬高效抗磨泥漿泵推廣應用前景及效益

(一)、推廣應用前景

實踐證明,10FGKN-30非金屬耐磨泥漿泵,具有結構合理,選材新穎、重量輕、易安裝、效率高、耐磨好,使用壽命長等突出優點。不僅適用於黃河機淤生產,並在沿海抽砂、造田工程和青海西寧清淤中得到應用,具有較高的應用和推廣價值。根據水利部、黃委會已經做出的黃河淤背固堤中長期規劃,中期規劃平均淤寬100m,黃河下遊河南、山東兩省黃河大堤機淤固堤尚需土方7億m3。10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵具有廣闊的推廣應用前景,潛在著巨大的社會經濟效益。

(二)、社會經濟效益

自2002年8月至2005年12月,已銷往河南、山東黃河等各施工單位86台,並在沿海抽砂、造田工程和青海西寧清淤中得到應用。

經綜合核算, 10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵加工製造成本34000元/台(以配備2套低合金鑄鋼葉輪計),銷售單價48000元/台。推廣銷售86台套,完成產值86×4.8=412.8萬元,創利稅412.8-86×3.4=120.4萬元,淨利潤120.4×(1-6%)=115.584萬元。

經運轉分析,使用10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵比10EPN-30型鑄鐵泥漿泵折舊費可降低0.2054元/ m3,運轉費降低0.16元/m3,土方綜合生產成本下降了0.2054+0.16=0.3654元/ m3。自2002年問世以來,已銷售86台。按抽沙能力的下限淤沙30萬m3/台推算,可生產機淤方86×30=2580萬m3,創產值2580×4.5(計劃單價:元/ m3 )=12825萬元,創利稅12825-2580×2.5(綜合生產成本: 元/ m3)=5160萬元,節省生產投資2580×0.3654=942.7萬元。

該成果為機淤固堤施工提供了一種高效、耐磨新型設備,提高了機淤固堤施工的科學技術水平。在確保防洪安全、保證安全生產、改善勞動條件、消除公害汙染、減輕自然災害、有利於生態平衡和促進社會發展等方麵所發揮的作用。

六、主要完成單位

山東黃河河務局科技處   濟南黃河鼎立實業有限責任公司(於2008年改名為:濟南AG8泵業有限公司

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七、主要完成人

趙世來  王宗波  李長海  孫泉匯 郝彩萍  邱發財  蘇琳琳  王東桂  張昭平  劉興海  崔玉玲

 

本文轉自:水利部黃河水利委員會官網 黃河網  原文標題:《10FGKN—30非金屬高效抗磨泥漿泵研製》

此文關鍵字:抗磨泥漿泵 高效泥漿泵