阅读说明：本技术 一种跑道融雪复合管用注浆泵及其工作方法 (Grouting pump for runway snow melting composite pipe and working method of grouting pump ) 是由 刘斌 江绍辉 王辉 姜微微 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种跑道融雪复合管用注浆泵,注浆泵适用于小流量、高扬程,流体具有高粘性、大密度的特性,跑道融雪复合管用注浆泵为容积式往复泵,利用工作腔中容积周期性变化来输送流体,适用于输送流量较小、扬程较高的各种介质,符合该流体(浆料)输运特征。注浆泵为轴向柱塞泵,即柱塞平行于缸体轴线布置,具体为斜盘式轴向柱塞泵,包括柱塞(1)、缸体(2)、配流盘(3)、传动轴(4)、斜盘(5)、滑靴(6)、回程盘(7)及中心弹簧(8)。跑道融雪复合管用注浆泵的工作方法,柱塞腔,与配流盘排油窗相通,油液通过排油窗排出,形成排油过程；缸体每转一周,各个柱塞有半周吸油,半周排油；如果缸体不断旋转,泵便连续地吸油和排油。(The invention provides a grouting pump for a runway snow melting composite pipe, which is suitable for small flow and high lift, fluid has the characteristics of high viscosity and high density, and the grouting pump for the runway snow melting composite pipe is a positive displacement reciprocating pump, is used for conveying the fluid by utilizing the periodic change of the volume in a working cavity, is suitable for conveying various media with small flow and high lift, and accords with the conveying characteristics of the fluid (slurry). The grouting pump is an axial plunger pump, namely plungers are arranged in parallel to the axis of a cylinder body, and specifically is a swash plate type axial plunger pump which comprises plungers (1), a cylinder body (2), a valve plate (3), a transmission shaft (4), a swash plate (5), a sliding shoe (6), a return plate (7) and a central spring (8). The work method of the grouting pump for the runway snow melting composite pipe comprises the following steps that a plunger cavity is communicated with an oil discharge window of a valve plate, and oil is discharged through the oil discharge window to form an oil discharge process; each plunger has oil absorption in half cycle and oil discharge in half cycle per cycle of the cylinder body; if the cylinder body rotates continuously, the pump continuously sucks oil and discharges oil.)

一种跑道融雪复合管用注浆泵及其工作方法

技术领域

本发明涉及公共建筑和工业建筑技术领域，特别是跑道融雪复合管用注浆泵及其工作方法。

背景技术

流体加热融雪技术是指通过在道路下敷设换热管道将外部热量以流体形式输配，实现流体与道面积雪换热融化保证道面正常使用。道面下埋设的换热管不仅能够通过换热融化道面的积雪，而且必须满足不对道面的结构受力产生影响，承受飞机降落时的巨大冲击力。

流体加热融雪系统是使用循环泵将被加热液体在埋设于道面内部的管线中循环，通过管壁处的对流换热使热量从循环介质传向道面结构，依靠结构层内的热传导将热量传递到物体表面，进而通过热传递与冰雪进行热交换，从而达到融雪化冰的目的。在流体加热融雪系统中，乙二醇水溶液低凝固点溶液可作为循环介质；而埋设于道面中的管材，通常需要具有较好的强度和柔韧性，以便施工时安装，使用时具有较好的抵抗飞机荷载作用的能力。流体加热法采用了循环泵作为动力系统，提高了系统的可控性，且对于管道倾斜度、管道内部的洁净程度无特殊要求。

为了达到上述要求，埋设于地面下的管道为现场加工复合管，外套管为DN40 钢管，内套管为De25De的聚乙烯管道，在两管缝隙内灌注特质的水泥浆料，以保证复合管道的强度和换热效果。如何在现场施工过程中，达到设计要求，就要根据条件设计专门的注浆泵，而现有技术并没有对此设计的专门的注浆泵。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题设计本发明，本发明的目的在于提供一种专门设计的跑道融雪复合管用注浆泵，所述注浆泵适用于小流量、高扬程，并且流体具有高粘性、大密度的物理特性，所述注浆泵为容积式往复泵。

优选的，所述注浆泵为轴向柱塞泵，即柱塞平行于缸体轴线布置。

优选的，所述注浆泵为斜盘式轴向柱塞泵，包括柱塞(1)、缸体(2)、配流盘(3)、传动轴(4)、斜盘(5)、滑靴(6)、回程盘(7)以及中心弹簧(8)，其中柱塞(1)的头部安装滑靴(6)，滑靴(6)底面始终贴着斜盘(5)平面运动，回程盘(7)与滑靴(6)相邻并贴附，中心弹簧(8)支撑在柱塞(1)下方。

优选的，所述配油盘(3)与缸体(2)、滑靴(6)与柱塞(1)这两对高速运动副均采用一静压支承，所述柱塞式液压泵的柱塞(1)和缸体(2)均为圆柱形，所述柱塞(1)是斜盘式轴向柱塞泵的受力零件。

优选的，所述斜盘式轴向柱塞泵水力设计参数经由设计计算得到：所述柱塞(1)的外径为d＝35mm；所述柱塞(1)的横截面积为A＝962.11mm²；所述柱塞(1)的最大行程为h_p＝38mm；所述柱塞(1)的数量为Z＝7；所述传动轴转速为n＝100r/min；所述柱塞(1)的分布圆半径R＝58mm；所述斜盘(5)的倾斜角为γ＝18°。

优选的，所述斜盘式轴向柱塞泵用于输运流体特性为30：10：90＝水：压浆剂H-60：水泥的浆料，所述水泥的浆料密度为2590kg/m³，注浆压力为1.2 MPa，内管两头封堵，管内压力约为0.4MPa，注浆速度约为0.5m/s，注浆时间为2～3分钟，注浆泵设计扬程通过计算为47.3m。

优选的，所述斜盘式轴向柱塞泵的管件为内外套管，内外套管之间注浆填实，从而增强导热，其中外管为钢套管，管径为40mm，内管为聚乙烯加热管，管径为25mm，即注浆过流截面接为765.76mm²，注浆流量为0.383L/s，即为23 L/min，则注浆量为3分钟69L。

优选的，在斜盘式轴向柱塞泵中，所述配流盘(3)采用平面配油机构，在所述配流盘(3)的配流口的内外缘采用了密封带，又在其内外设置动压楔辅助支承，使缸体浮起，形成油膜。所述配流盘(3)包括两个配油窗口、内外密封带、辅助支承和泄油槽道。

优选的，所述配流盘(3)为静压支承配油盘，在配油盘配油窗口的外周或内周开设了一组静压支承，以期在缸体与配油盘平面之间形成一层稳定的油膜，所述油膜的厚度为5～10微米。

优选的，本发明的目的还在于提供一种跑道融雪复合管用注浆泵的工作方法，包括：当缸体带动柱塞旋转时，由于斜盘平面相对缸体存在一倾斜角γ，迫使柱塞(1)在柱塞腔内作直线往复运动；当缸体旋转，在180°～360°范围内，柱塞由对应180°位置的下死点开始不断伸出，柱塞腔容积不断增大，直至对应 0°位置的上死点为止；在这个过程中，柱塞腔刚好与配流盘(3)的吸油窗相通，油液被吸入柱塞腔内，这是吸油过程；随着缸体继续旋转，在0°～180°范围内，柱塞在斜盘约束下由上死点开始不断进入腔内，柱塞腔容积不断减小，直至下死点止；在这个过程中柱塞腔，与配流盘排油窗相通，油液通过排油窗排出，形成排油过程；缸体每转一周，各个柱塞有半周吸油，半周排油；如果缸体不断旋转，泵便连续地吸油和排油。

采用上述技术方案的有益效果在于：

提供一种专门设计的跑道融雪复合管用注浆泵，该泵适用于小流量、高扬程，并且流体具有高粘性、大密度的物理特性，采用容积式往复泵，利用工作腔中的容积周期性变化来输送流体，适用于输送流量较小、扬程较高的各种介质，如高黏度、具有腐蚀性、易燃易爆等各种液体。符合该流体(浆料)输运特征。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图的简要说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的注浆泵结构示意图；

附图2为根据本发明实施例的注浆套管结构示意图；

附图3为根据本发明实施例的柱塞运动过程示意图；

附图4为根据本发明实施例的柱塞运动方向与流动方向关系示意图；

附图5为根据本发明实施例的柱塞泵的流体域模型图；

附图6为根据本发明实施例的单个柱塞流体域最大形成；

附图7为根据本发明实施例的柱塞分布图；

附图8为根据本发明实施例的斜盘柱塞倾角18度情况下的对象之间尺寸标度图；

附图9为根据本发明实施例的配流盘结构示意图；

附图10为根据本发明实施例的柱塞泵流体域网格划分示意图；

附图11为根据本发明实施例的简化后柱塞网格图及剖面图；

附图12为根据本发明实施例的柱塞流域内部纵剖压力云图；

附图13为根据本发明实施例的柱塞流域出口压力图；

附图14为根据本发明实施例的纵剖湍流动能云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。

本实施例提供一种专门设计的跑道融雪复合管用注浆泵。

由于该泵的设计要求为小流量、高扬程，并且流体具有高粘性、大密度的物理特性，故选定为容积式往复泵。容积式往复泵是利用工作腔中的容积周期性变化来输送流体，适用于输送流量较小、扬程较高的各种介质，如高黏度、具有腐蚀性、易燃易爆等各种液体。符合该流体(浆料)输运特征。

为适应以上特点选定轴向柱塞泵，即柱塞平行于缸体轴线布置。柱塞泵的工作原理是当缸体被驱动时，柱塞在缸孔内往复运动，由柱塞、缸体、配流零件组成的密闭容腔的容积发生变化，完成吸、排油过程。

轴向柱塞泵主要有斜盘式(也称直轴式)和斜轴式两种结构形式，一般采用配流盘配流，在本发明中采用的是斜盘式轴向柱塞泵进行设计。而柱塞泵的效率在各种液压泵中是最高的，容积效率一般在95％左右，总效率在90％以上，比效率更重要的是柱塞泵在高功率工况下以高度可靠性运动的能力，在压力冲击，温度变化大的场合寿命不会明显下降。这种能力成为唯一能在14MPa或更高压力的情况下使用高水基工作介质，其他种类的液压泵一般限制在工作压力 10MPa以下。应用现代技术开发的柱塞泵，具有代表性的是通轴的斜盘式轴向柱塞泵，符合当代液压传动与控制基本特点，具有高效、节能、环保、高可靠性。

斜盘式轴向柱塞泵，由于配油盘与缸体、滑靴与柱塞这两对高速运动副均采用了一静压支承，省去了大容量止推轴承，具有结构紧凑，零件少，工艺性好，成本低，体积小，重量轻等优点，从而可以使该泵获得迅速发展，并且由于轴向泵比径向泵结构简单，制造成本低；斜盘式轴向柱塞泵容易实现无级变量，体积小，重量轻，维修方便；因而斜盘式轴向柱塞泵比较其他泵在技术经济指标上占很大优势，所以，斜盘式轴向柱塞泵在不断地改进和发展，其发展方向是：扩大使用范围、提高参数、改善性能、延长寿命、降低噪声，以适应液压技术不断发展的要求。斜盘式轴向柱塞泵是液压系统中的主要部件，斜盘式轴向柱塞泵是靠柱塞在柱塞腔内的往复运动，改变柱塞腔内容积实现吸油和排油的，是容积式液压泵的一种，柱塞式液压泵由于其主要零件柱塞和缸体均为圆柱形，加工方便，配合精度高，密封性能好，工作压力高而得到广泛的应用。柱塞是斜盘式轴向柱塞泵的主要受力零件之一；滑靴是目前高压柱塞泵常采用的形式之一，能适应高压力高转速的需要；配流盘设计的好坏也直接影响泵的效率和寿命。

如图1所示，斜盘式轴向柱塞泵包括柱塞(1)、缸体(2)、配流盘(3)、传动轴(4)、斜盘(5)、滑靴(6)、回程盘(7)以及中心弹簧(8)，其中柱塞(1) 的头部安装滑靴(6)，滑靴(6)底面始终贴着斜盘(5)平面运动，回程盘(7) 与滑靴(6)相邻并贴附，中心弹簧(8)支撑在柱塞(1)下方。

该斜盘式轴向柱塞泵水力设计参数经由设计计算得：

柱塞外径：d＝35mm；

柱塞横截面积：A＝962.11mm²；

柱塞最大行程：h_p＝38mm；

柱塞数：Z＝7；

传动轴转速：n＝100r/min；

柱塞分布圆半径：R＝58mm；

斜盘倾斜角：γ＝18°

该斜盘式轴向柱塞泵是用于输运流体特性为30：10：90＝水：压浆剂(H-60)：水泥的浆料，该浆料密度为2590kg/m³，注浆压力为1.2MPa，内管两头封堵，管内压力约为0.4MPa，注浆速度约为0.5m/s，注浆时间为2～3分钟，注浆泵设计扬程通过计算为47.3m。

如图2所示，由于该管为内外套管，内外套管之间注浆填实，从而增强导热，其中外管为钢套管，管径为40mm，内管为聚乙烯加热管，管径为25mm，即注浆过流截面接为765.76mm²，注浆流量为0.383L/s，即为23L/min，则注浆量为69L(按3分钟计)。

如图3所示为柱塞运动过程，其在运动过程中形成如图4所示的柱塞运动方向与流动方向关系图。

如图5所示柱塞泵的流体域模型图。斜盘式轴向柱塞泵还包括吸油窗口(9) 以及排油窗口(10)，对置的柱塞(1)分别设置在进口段(11)和出口段(12) 的顶面，所述进口段(11)通过进口弯管段(13)与进口延长段(14)连接，所述出口段(12)通过出口弯管段(15)与出口延长段(16)连接。

如图9所示，在盘式配有的轴向柱塞泵中，配流部位是最关键部位之一，直接影响着液压泵的可靠性和寿命。配流机构有平面和球面之分，在所述及的柱塞泵中，多采用平面配油机构。配油机构应当是工作可靠，漏损最少，滑动表面的磨损最少。这样，就须使缸体与配油盘平面之间形成一定厚度的油膜，防止金属直接接触，同时，还要使油膜为最低能耗的油膜厚度。为增加密封性，在配流口的内外缘采用了密封带，又在其内外设置动压楔辅助支承，使缸体浮起，形成油膜。实际运转表明，这种配油机构是可用的。但由于动压楔的斜面加工不方便而发展一种平面辅助支承，这种支承系由温度梯度产生支承力，配油盘的结构，有下述几部分组成：两个配油窗口、内外密封带、辅助支承和泄油槽道等。这种结构的配油盘已在成批生产的液压泵中使用，研损现象还常发生，因而，在实际上要特别注意，除了结构尺寸外，还要注意选择材质、精度。

由于静压支承技术的进展，发展了一种静压支承配油盘，在配油盘配油窗口的外周(或内周)专门开设了一组静压支承，以期在缸体与配油盘平面之间形成一层稳定的油膜，通常认为5～10微米左右。但由于配油结构的配油窗口压力场的支承力与配油间隙之间没有关系，只靠该支承力与柱塞的压紧力相平衡不能获得稳定的油膜，甚至不能运转，所以，为了实现上述要求，该压力场支承力能平衡大部分压紧力，而剩余压紧力将由配油部位的辅助支承承受，力图维持稳定的适宜油膜厚度。

本实施例中，经由设计计算，得到R₀＝5.5cm；R₁＝4.35cm；R₂＝4.8cm； R₃＝6.2cm；R₄＝6.7cm；R₅＝7.25cm；R₆＝8.4cm；

本实施例的注浆泵数值计算为：

1、三维建模及网格划分

如图10所示，柱塞泵流体域网格划分示意图，为获取柱塞泵柱塞流域出的压力的变化，采用ANSYS Fluent软件对其进行数值模拟。主要工作如下：首先利用SolidWorks软件对柱塞流体域部分进行分别建模，然后在ICEM CFD中分别对其进行网格划分，最后将网格导入ANSYS Fluent进行数值计算。

2、重叠网格法

在Fluent中，重叠网格可用于二维和三维模型，可以用于往复运动、旋转运动及不规则运动。能很好的描述部件运动，同时又能保证部件运动过程中的网格质量，可很好的适用于该柱塞泵柱塞流域的运动及内部流场。为了更好的适用该法进行数值计算和讨论内部流场，对柱塞流体域进行了必要的简化。简化结果如图11所示简化后柱塞网格图及剖面图。

3、计算结果及分析

计算结果如图12所示，当柱塞运动到最大行程时，柱塞流域上部负压增大，下部正压增大，使流体(浆料)正常排出。其出口压力波动变化图如图13所示。

如图14所示，其内部的湍流动能在柱塞下部流域分布均匀，即在该流体(浆料)的物理特性下(密度2590kg/m3)的流动状态相对均匀稳定。

通过以上分析得出，该柱塞泵柱塞流体域内的流动状态及压力分布基本符合设计要求，但由于该柱塞流域的分析为简化后的单柱塞动力学分析，与真实流动状态及压力分布还存在有一定的偏差，即单柱塞运动存在一定的压力脉动及流体运动分布不均，需进一步修正偏差。

本实施例的注浆泵工作方式如下：

当缸体带动柱塞旋转时，由于斜盘平面相对缸体存在一倾斜角γ，迫使柱塞 (1)在柱塞腔内作直线往复运动。当缸体旋转，在180°～360°范围内，柱塞由下死点(对应180°位置)开始不断伸出，柱塞腔容积不断增大，直至上死点(对应 0°位置)为止。在这个过程中，柱塞腔刚好与配流盘(3)的吸油窗相通，油液被吸入柱塞腔内，这是吸油过程。随着缸体继续旋转，在0°～180°范围内，柱塞在斜盘约束下由上死点开始不断进入腔内，柱塞腔容积不断减，直至下死点止。在这个过程中柱塞腔，刚好与配流盘排油窗相通，油液通过排油窗排出。这就是排油过程。由此可见，缸体每转一周，各个柱塞有半周吸油，半周排油。如果缸体不断旋转，泵便连续地吸油和排油。

本实施例提供一种专门设计的跑道融雪复合管用注浆泵，该泵适用于小流量、高扬程，并且流体具有高粘性、大密度的物理特性，采用容积式往复泵，利用工作腔中的容积周期性变化来输送流体，适用于输送流量较小、扬程较高的各种介质，如高黏度、具有腐蚀性、易燃易爆等各种液体。符合该流体(浆料)输运特征。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。