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摘 要： 为填补国内市场上能满足多喷嘴对置水煤浆气化技术工艺系统工作需求的煤浆泵的空白，设计并研发了四缸单作用高压隔膜泵，阐述了泵的结构、关键技术以及优势，并制造出样机进行了试车验证，结果显示，性能合格，运行平稳，对国内煤气化技术的发展具有重要的意义。
关键词： 多喷嘴对置工艺系统；四缸单作用高压隔膜泵；试车试验
中图分类号：TH323 文献标识码：
0 前言
煤炭是我国的主要能源，为了满足我国能源结构调整的需要，大型煤化工成套设备已被列入今后国家大力发展的16项重大技术装备任务之一[1]，其中煤气化技术已成为我国解决能源问题、减少环境污染的战略选择[2]。大型高压隔膜泵是煤气化技术的核心装备，是大型煤化工成套设备国产化的关键，具有输送压力高、输送流量大、耐高温、耐磨蚀、易损件寿命高、维修简便、连续运转效率高、运行成本低、高效节能环保等优点。然而由于多喷嘴（目前都是四喷嘴）对置水煤浆气化技术工艺系统操作条件苛刻，对系统连续稳定生产要求很高，加上煤浆泵制造技术比较复杂，因此长期以来煤浆泵基本依靠进口[3-4]，进口产品不仅价格昂贵，而且其性能也不能完全满足我国自主创新的多喷嘴对置水煤浆气化技术工艺生产要求。多喷嘴对置工艺系统要求对置的两个喷嘴需要一台煤浆泵双输出实现同步喂料，目前国内市场上，四喷嘴对置工艺系统中应用的双喂料泵除采用进口双缸双作用泵以外，唯一的国产应用是双联三缸泵（单作用隔膜泵），但是双联泵体积过大，成本高，安装困难，易损件多，过于紧凑，检修空间狭小且操作复杂。针对这一瓶颈问题，本文在能够满足应用要求且保留双联泵原有优点并克服缺点的基础上，设计并研发一种能满足气化炉喂料工作需求且成本较低的四缸单作用高压隔膜泵，并制造出样机进行试车以验证泵的性能。
1 四缸单作用高压隔膜泵的结构及关键技术
四缸单作用隔膜泵由液力端、动力端、液压控制系统、电气控制系统、电机减速机部装、进料压力补偿系统以及出料压力补偿系统等几部分组成，其中液力端包括4个隔膜室，4个进料阀，4个出料阀以及4个油缸腔体。工作原理是电动机通过传动系统带动四拐曲轴、连杆、十字头，使旋转运动转变为往复直线运动，通过介杆、活塞杆传递给活塞。当活塞向后运动时，活塞借助油介质使隔膜向后移动，进料压力打开进料阀，吸进矿浆充满隔膜室。当活塞向前运动时，活塞借助油介质将隔膜向前推动，出料阀开，矿浆排出到泵外，从而实现连续不断的吸排浆过程。
四缸单作用隔膜泵采用新型四拐曲轴动力端为其提供动力，动力端箱体为与之匹配的三支撑动力端箱体，进料阀采用直通阀结构，进料阀箱与进料管联接形式使用阀箱体与进料管三通一体结构，液压控制系统采用四油缸补排油技术实现供油。
曲轴是把原动机的旋转运动转化为活塞往复运动的重要部件之一[5]。工作时，它将承受周期的交变载荷，产生交变的扭转应力和弯曲应力，因此也是曲柄连杆机构中重要的受力部件。为研究新型四拐曲轴动力学性能是否满足要求，首先用ADINA的隐式动力学确定四拐曲轴的最危险工况，然后再对其进行强度分析。设定边界条件为：输入端施加径向约束，输出端施加轴向约束，支撑上施加全约束，曲轴与支撑之间做接触，二、四拐上施加30T活塞力。经分析得到的结果显示，曲轴所受最大应力为65Mpa，低于材料许用应力，所产生的应变也在许用范围内，满足强度要求。
箱体主要起支撑与固定作用，也是重要的受力部件之一，为保证其强度满足要求，根据四拐曲轴的分析，确定箱体的最危险工况，然后在此工况下对其强度进行分析。施加边界条件，箱体轴承座孔处承受曲轴支反力，按照余弦分布力方式施加，在箱体底面地角螺栓处施加Y、Z方向约束，靠近液力端与缸体联接面施加X方向约束。经分析得到的结果显示，箱体的最大应力和最大应变均出现在中间轴承座处，最大应力值为62.838MPa，最大变形值为0.203mm，均在许用范围内，满足强度要求。
四缸单作用隔膜泵采用两个氮气包组合结构实现出料脉动削弱功能。为使泵的出口脉动率达到应用要求，利用ADINA对泵送水煤浆的出料脉动率进行分析研究，充气压力为0.5～0.65倍的工作压力，经分析得到的结果显示出口最大流速为2671.38mm/s，最小流速为2643.44mm/s，平均流速为2656.97mm/s，其脉动率为1.05%，满足工艺要求。
2 四缸单作用高压隔膜泵的优势
四缸单作用隔膜泵是作为固液两相介质输送的水煤浆气化关键配套设备，该产品具有效率高，运行可靠和成本低等许多优点，有利于节约能源和环境保护。四缸单作用隔膜泵是为煤化工四喷嘴对置工艺系统专门设计的隔膜泵，以取代国外进口设备，实现单作用隔膜泵满足四喷嘴工艺系统的要求。主要优点有单作用动力端受力更均匀，运转更平稳；活塞杆不窜油，零故障率；出料补偿系统故障率低，检修方便；各个隔膜室出料量完全相同，流量更加稳定；能够完成更大流量、压力的工艺系统需求；关键在于售后服务及时方便，价格优势，服务优势，备件价格等等取代进口。
3四缸单作用高压隔膜泵的试车验证
依照理论设计依据研发制造出四缸单作用高压隔膜泵样机，对其进行24小时的清水试车性能试验。通过验证，得到泵的各项性能曲线如图1所示。
由图1可知，泵样机的流量维持在100～110m3/h之间，效率均高于80%。将图1所示结果与标准GB/T7784-2006性能试验曲线对比分析可知，四缸单作用高压隔膜泵样机的试验结果曲线和结果数据基本与标准示例吻合，性能合格，运行平稳，达到应用要求。
4 结论
1.设计并研发了一种较为理想的能够满足四喷嘴工艺系统要求的四缸单作用高压隔膜泵，并对其结构、关键技术以及优势进行了介绍。
2.依据理论结果制造出泵样机，并进行了24小时清水试车试验，结果表明，四缸单作用高压隔膜泵性能合格，运行平稳，符合要求，为国内煤气化技术的发展提供了可靠的途徑，打破了国内对置式四喷嘴煤气化工艺用高压喂料隔膜泵一直以来被国外设备垄断的局面。
参考文献
[1]张洋.高压隔膜泵液力端流固耦合分析[J].中国新技术新产品，2017（24）：34-36.
[2]吴磊.液动隔膜泵机械结构设计的分析[J].科学技术创新，2017（26）：102-103.
[3]武伟.基于ADINA模拟隔膜泵氮气包气囊工作过程[J].中国新技术新产品，2017（1）：78-79.
[4]胡成名.隔膜泵浆体管道振动分析及减振技术[J].管道技术与设备，2016（4）：52-54.
[5]张艳林.隔膜泵曲轴轴承半套过盈装配压缩量仿真研究[J].中国新技术新产品，2016（21）：56-57.
关键词： 多喷嘴对置工艺系统；四缸单作用高压隔膜泵；试车试验
中图分类号：TH323 文献标识码：
0 前言
煤炭是我国的主要能源，为了满足我国能源结构调整的需要，大型煤化工成套设备已被列入今后国家大力发展的16项重大技术装备任务之一[1]，其中煤气化技术已成为我国解决能源问题、减少环境污染的战略选择[2]。大型高压隔膜泵是煤气化技术的核心装备，是大型煤化工成套设备国产化的关键，具有输送压力高、输送流量大、耐高温、耐磨蚀、易损件寿命高、维修简便、连续运转效率高、运行成本低、高效节能环保等优点。然而由于多喷嘴（目前都是四喷嘴）对置水煤浆气化技术工艺系统操作条件苛刻，对系统连续稳定生产要求很高，加上煤浆泵制造技术比较复杂，因此长期以来煤浆泵基本依靠进口[3-4]，进口产品不仅价格昂贵，而且其性能也不能完全满足我国自主创新的多喷嘴对置水煤浆气化技术工艺生产要求。多喷嘴对置工艺系统要求对置的两个喷嘴需要一台煤浆泵双输出实现同步喂料，目前国内市场上，四喷嘴对置工艺系统中应用的双喂料泵除采用进口双缸双作用泵以外，唯一的国产应用是双联三缸泵（单作用隔膜泵），但是双联泵体积过大，成本高，安装困难，易损件多，过于紧凑，检修空间狭小且操作复杂。针对这一瓶颈问题，本文在能够满足应用要求且保留双联泵原有优点并克服缺点的基础上，设计并研发一种能满足气化炉喂料工作需求且成本较低的四缸单作用高压隔膜泵，并制造出样机进行试车以验证泵的性能。
1 四缸单作用高压隔膜泵的结构及关键技术
四缸单作用隔膜泵由液力端、动力端、液压控制系统、电气控制系统、电机减速机部装、进料压力补偿系统以及出料压力补偿系统等几部分组成，其中液力端包括4个隔膜室，4个进料阀，4个出料阀以及4个油缸腔体。工作原理是电动机通过传动系统带动四拐曲轴、连杆、十字头，使旋转运动转变为往复直线运动，通过介杆、活塞杆传递给活塞。当活塞向后运动时，活塞借助油介质使隔膜向后移动，进料压力打开进料阀，吸进矿浆充满隔膜室。当活塞向前运动时，活塞借助油介质将隔膜向前推动，出料阀开，矿浆排出到泵外，从而实现连续不断的吸排浆过程。
四缸单作用隔膜泵采用新型四拐曲轴动力端为其提供动力，动力端箱体为与之匹配的三支撑动力端箱体，进料阀采用直通阀结构，进料阀箱与进料管联接形式使用阀箱体与进料管三通一体结构，液压控制系统采用四油缸补排油技术实现供油。
曲轴是把原动机的旋转运动转化为活塞往复运动的重要部件之一[5]。工作时，它将承受周期的交变载荷，产生交变的扭转应力和弯曲应力，因此也是曲柄连杆机构中重要的受力部件。为研究新型四拐曲轴动力学性能是否满足要求，首先用ADINA的隐式动力学确定四拐曲轴的最危险工况，然后再对其进行强度分析。设定边界条件为：输入端施加径向约束，输出端施加轴向约束，支撑上施加全约束，曲轴与支撑之间做接触，二、四拐上施加30T活塞力。经分析得到的结果显示，曲轴所受最大应力为65Mpa，低于材料许用应力，所产生的应变也在许用范围内，满足强度要求。
箱体主要起支撑与固定作用，也是重要的受力部件之一，为保证其强度满足要求，根据四拐曲轴的分析，确定箱体的最危险工况，然后在此工况下对其强度进行分析。施加边界条件，箱体轴承座孔处承受曲轴支反力，按照余弦分布力方式施加，在箱体底面地角螺栓处施加Y、Z方向约束，靠近液力端与缸体联接面施加X方向约束。经分析得到的结果显示，箱体的最大应力和最大应变均出现在中间轴承座处，最大应力值为62.838MPa，最大变形值为0.203mm，均在许用范围内，满足强度要求。
四缸单作用隔膜泵采用两个氮气包组合结构实现出料脉动削弱功能。为使泵的出口脉动率达到应用要求，利用ADINA对泵送水煤浆的出料脉动率进行分析研究，充气压力为0.5～0.65倍的工作压力，经分析得到的结果显示出口最大流速为2671.38mm/s，最小流速为2643.44mm/s，平均流速为2656.97mm/s，其脉动率为1.05%，满足工艺要求。
2 四缸单作用高压隔膜泵的优势
四缸单作用隔膜泵是作为固液两相介质输送的水煤浆气化关键配套设备，该产品具有效率高，运行可靠和成本低等许多优点，有利于节约能源和环境保护。四缸单作用隔膜泵是为煤化工四喷嘴对置工艺系统专门设计的隔膜泵，以取代国外进口设备，实现单作用隔膜泵满足四喷嘴工艺系统的要求。主要优点有单作用动力端受力更均匀，运转更平稳；活塞杆不窜油，零故障率；出料补偿系统故障率低，检修方便；各个隔膜室出料量完全相同，流量更加稳定；能够完成更大流量、压力的工艺系统需求；关键在于售后服务及时方便，价格优势，服务优势，备件价格等等取代进口。
3四缸单作用高压隔膜泵的试车验证
依照理论设计依据研发制造出四缸单作用高压隔膜泵样机，对其进行24小时的清水试车性能试验。通过验证，得到泵的各项性能曲线如图1所示。
由图1可知，泵样机的流量维持在100～110m3/h之间，效率均高于80%。将图1所示结果与标准GB/T7784-2006性能试验曲线对比分析可知，四缸单作用高压隔膜泵样机的试验结果曲线和结果数据基本与标准示例吻合，性能合格，运行平稳，达到应用要求。
4 结论
1.设计并研发了一种较为理想的能够满足四喷嘴工艺系统要求的四缸单作用高压隔膜泵，并对其结构、关键技术以及优势进行了介绍。
2.依据理论结果制造出泵样机，并进行了24小时清水试车试验，结果表明，四缸单作用高压隔膜泵性能合格，运行平稳，符合要求，为国内煤气化技术的发展提供了可靠的途徑，打破了国内对置式四喷嘴煤气化工艺用高压喂料隔膜泵一直以来被国外设备垄断的局面。
参考文献
[1]张洋.高压隔膜泵液力端流固耦合分析[J].中国新技术新产品，2017（24）：34-36.
[2]吴磊.液动隔膜泵机械结构设计的分析[J].科学技术创新，2017（26）：102-103.
[3]武伟.基于ADINA模拟隔膜泵氮气包气囊工作过程[J].中国新技术新产品，2017（1）：78-79.
[4]胡成名.隔膜泵浆体管道振动分析及减振技术[J].管道技术与设备，2016（4）：52-54.
[5]张艳林.隔膜泵曲轴轴承半套过盈装配压缩量仿真研究[J].中国新技术新产品，2016（21）：56-57.