BC800泵车泥浆泵并联运行的流量脉动特性分析

王 杰

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

泥浆泵车作为煤矿井下全液压定向钻机的配套设备，采用液压驱动和履带行走的组合方式，相比传统的电机胶带式泥浆泵，具有搬迁方便，输出流量无级可调的优点，近几年来在井下定向钻孔工程中得到广泛应用[1，2]。随着 “顶板高位大直径”钻孔新工艺的不断推广[3]，现有泥浆泵车的输出流量已经无法适应大直径螺杆钻具对动力介质的流量需求，而高压大流量的石油钻井泥浆泵不仅成本昂贵，而且体积和重量过大，难以在煤矿井下狭小的工作环境中应用。因此，采用双泥浆泵并联工作的形式可以在整机体积和重量略微增加的基础上实现泥浆泵车输出流量的大幅提升，是一种技术可行，成本经济的解决方案。

泵车搭载的泥浆泵为典型的三柱塞单作用往复泵结构，在工程应用时，可以忽略其流量脉动特性，认为其平均输出流量近似恒定。但两台泥浆泵在并联运行时，需考虑其输出流量的叠加特性，其瞬时输出流量随两泵的初始相位差和转速的不同表现出复杂的变化过程，因此，在系统设计时有必要对双泵并联输出的流量特性进行理论计算和分析，采取相应的应用措施，避免流量脉动对钻具运行的稳定性和设备安全性造成不利影响。

1 BC800泥浆泵车的工作原理

BC800型泥浆泵车在结构上采用模块化设计，主要由履带底盘、液压泵站、电磁启动器、主泥浆泵系统、副泥浆泵系统和水路蓄能器等部分组成[4]，其中，电磁启动器用于控制泥浆泵车上防爆电机的启停。履带式行走机构实现了泥浆泵车的自行走，提高了泥浆泵的搬迁效率。结构布局如图1所示。

图1 BC800泥浆泵车结构布局

整机采用负载敏感液压系统，利用液压驱动的方式实现了泥浆泵的输入转速控制，主、副泥浆泵由液压马达独立驱动，可以分别调速，具有单泵运行和双泵运行两种模式，输出流量可在0～800L/min的范围内无级调节，最高输出压力10MPa，从而满足煤矿井下定向钻孔过程中不同工况下的多种流量需求[5]。

2 三柱塞往复泵的流量计算公式

2.1 理论瞬时流量

三柱塞单作用往复泵的机构运动原理如图2所示，包括动力端和液力端两大主要部分，动力端采用曲柄连杆机构将曲轴的旋转运动转变成活塞的直线运动，活塞带动与之相连的液力端柱塞往复运动实现工作腔容积的周期变化，在一个周期内，单个柱塞完成一次吸排水过程，三个相位差2π/3的柱塞交替运动实现往复泵的连续吸水和排水，在不考虑容积效率的情况下，泵在每一瞬间排出或吸入的流量称为理论瞬时流量[6，7]，可由工作腔容积的变化率求得。

图2 三柱塞往复泵的机构运动原理

动力端活塞的位移公式为[8]：

式中，r为曲柄半径；l为连杆长度，λ=r/l为连杆比；φ为曲柄转角。

活塞速度的计算公式为：

通常情况下，连杆长度l≥4r，可近似认为1-λ2sin2φ≈1，所以，柱塞1的瞬时流量：

式中，A为柱塞面积；当q>0时为排出流量，q<0时为吸入流量。

由瞬时流量公式可见，单缸的排出流量存在明显的周期性波动，表现为流量脉动的特点，在一个完整的运动周期0～2π内，排出流量可用分段函数表示为：

往复泵的曲柄为匀速运动，φ=ωt=2πnt，排出流量用时间函数表示为：

由于三个柱塞的运动规律相同，相位差为2π/3，所以，往复泵的理论瞬时流量计算公式为：

当两台三柱塞往复泵并联运行时，其瞬时输出流量为两泵瞬时输出流量公式的叠加，以主泥浆泵的第一个柱塞的相位角为基准，设副泥浆泵的相位角与主泥浆泵的差值为θ，称为初始相位差，则两泵并联的瞬时流量计算公式为[9]：

2.2 理论平均流量

从三柱塞往复泵的运动规律不难看出，柱塞往复一次的运动行程S=2r，泵的理论平均流量可表示为：

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式中，n为泵的曲轴转速；s为柱塞的行程。

2.3 流量不均匀系数

流量不均匀系数是衡量往复泵流量脉动程度的指标，由于三柱塞往复泵的瞬时流量平均值不是其算术平均值，流量脉动的上下振幅不一致，所以引入两个流量不均匀系数δq1和δq2来表示，计算公式为[6]：

式中，Qmax为往复泵瞬时排出流量的最大值；Qmin为往复泵瞬时排出流量的最小值；Qm为理论瞬时平均流量。

2.4 小结

从瞬时流量和流量脉动系数的计算公式可以看出，对于单台三柱塞往复泵来说，其流量脉动系数仅与其连杆比λ有关，该参数在泥浆泵设计时已定，为其固有参数。而两泵并联运行时，叠加后的流量脉动特性与初始相位差θ有关，由于初始相位角具有随机性且随转速差变化，计算难度较大，往往采用计算机编程计算[10，11]。本文采用Python语言及Matplotlib绘图库编程计算和绘制泥浆泵的瞬时流量输出曲线。

3 实例计算

3.1 泥浆泵主要参数

考虑到空间限制和使用需求，泵车泥浆泵为两台流量不同的三柱塞往复泵，其主要技术参数见表1。

表1 泥浆泵主要技术参数

3.2 单台泥浆泵的瞬时流量特性

当主、副泥浆泵单独运行时，其瞬时流量曲线如图3所示。

图3 泥浆泵的瞬时流量曲线

从图3中可以看出：

1)主、副泥浆泵单独工作的瞬时流量曲线为周期性脉动曲线，角周期为三柱塞的相位差2π/3，主泥浆泵的时间周期为T1=0.038s，副泥浆泵的时间周期为T2=0.025s。

3)由于主、副泥浆泵的连杆比均为1/6，所以两者的流量不均匀系数相同，计算得δq1=6.13%，δq2=16.87%。

3.3 并联泥浆泵的瞬时流量特性

当并联运行时，主泥浆泵调至最高流量后，在增加副泥浆泵的流量，其瞬时流量曲线为主、副泥浆泵的流量曲线叠加。

1)当两泵的初始相位差θ= 0时，得到的流量曲线如图4所示。

从图4中可以看出：叠加流量曲线随两泵转速的不同表现为不同的规律，当主泥浆泵的转速n1和副泥浆泵的转速n2相同时，叠加流量曲线具有周期性，时间周期T=0.038s，与单泵运行的流量曲线周期吻合，其他情况下为不规则曲线。

2)当两泵的转速不变时，叠加后的流量曲线随初始相位差θ的变化而表现为不同的脉动特性，可以用并联流量的不均匀系数衡量其脉动程度，在0～π范围内，θ以π/36为步长，计算得到并联泥浆泵的流量不均匀系数与相位差的变化关系如图5所示。

图5 流量不均匀系数与初始相位差θ的对应关系

从图5中可以看出：

1)不论θ取何值，叠加后的流量不均匀系数均不大于叠加前主、副泥浆泵的流量不均匀系数。

2)流量不均匀系数δq1和δq2的靠近程度代表了叠加后的流量脉动情况，两个系数越接近，流量曲线越平滑。

4 并联泥浆泵的应用措施

4.1 转速控制

对于并联运行的泥浆泵，当两泵的转速及结构参数完全相同时，具有最佳的运行效果，在工程实践中也最常用[12]，但需采取相应的转速控制及检测措施，成本较高。

4.2 相位角控制

当两台三柱塞泥浆泵的相位角控制在π/3时，则叠加流量曲线与一台六柱塞泵的流量输出曲线一致，但相位控制难度太大，实际应用时可采用两泵输入轴刚性连接的方式，对泵的结构及强度要求较高。

4.3 蓄能器的使用

在泥浆泵的入口或出口处增加皮囊或隔膜式蓄能器，利用蓄能器中缓冲气体的可压缩性来吸收或释放多余的液体，从而降低泵的流量和压力脉动，提高泥浆泵输出介质的平稳性，该方法经济可靠，在工程实践中应用最多[13-15]。

5 结 语

BC800泵车于2020年3月开始煤矿井下工业性试验，目前运行状态良好。在实际应用中，由于难以采取控制主、副泥浆泵的相位差的具体方法，采用在合流处增设蓄能器的措施，有效降低了水路系统的流量和压力脉动，满足了大直径定向钻孔的工艺需求。应用经验表明：采用双泥浆泵并联工作的形式在理论和实践上均具有可行性，不仅可以提高泵车的输出流量，同时还能降低瞬时流量的脉动不均匀系数。