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據(jù)統(tǒng)計，自2001年6月10FGKN-30非金屬抗磨泥漿泵開始研發(fā)，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臺套。該產(chǎn)品的耐磨性能得到廣大用戶的一致好評。

一、 10FGKN—30非金屬抗磨泥漿泵研制的背景

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(cè)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(chǎn)已有30余年的歷史，已累計完成土方6億多m3，對800余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御洪水的能力。

三十多年來，機淤生產(chǎn)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(chǎn)常采用的10PN-30型鑄鐵泥漿泵，由于過流介質(zhì)含沙濃度大、顆粒粗 ( 中數(shù)粒徑 0.097mm)，磨蝕非常嚴重。據(jù)應用的17臺10PN-30型鑄鐵泥漿泵統(tǒng)計，一般生產(chǎn)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(chǎn)土方10萬m3左右，整個泥漿泵報廢。不僅提高了設(shè)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(chǎn)時間和工效。 

為延長泥漿泵的使用壽命，提高技術(shù)經(jīng)濟效益，通過對10PN-30型鑄鐵泥漿泵的調(diào)查和剖析，分析了該泵的磨蝕因素、磨蝕形態(tài)及部位。在此基礎(chǔ)上采用SPH12合金粉末、HT4系列焊條、克耐龍(CNL)、HD208復合膠、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(fā)現(xiàn)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。于是就萌發(fā)了研制非金屬抗磨泥漿泵的設(shè)想。2001年7月，山東黃河河務局科技處與濟南黃河鼎立實業(yè)有限責任公司，開始合作研制“10FGKN—30型非金屬抗磨泥漿泵”。

二、10FGKN—30非金屬抗磨泥漿泵的研發(fā)過程

（一）  非金屬抗磨泥漿泵的設(shè)計

1、設(shè)計方案。10FGKN—30型泵的設(shè)計以10PN—30鑄鐵泵為模型泵，并根據(jù)篩選的非金屬材料重新優(yōu)化設(shè)計。

2、泵吸入口徑及吐出口徑的優(yōu)化設(shè)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(shè)定10FGKN—30泵吸入口徑為250mm，吐出口徑為200mm。優(yōu)化修正后，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(shè)計計算    

通過相似法和速度系數(shù)法分析驗算，葉輪終確定的優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhì)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面的擴散度。為滿足渦室內(nèi)各截面流速相等減小壓水損失，對渦室8個典型斷面面積進行了分析計算。擴散管：在渦室入口b3=240mm確定后，將渦室設(shè)計為對稱扁圓形，內(nèi)腔光滑過渡到泵出水口時達到內(nèi)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(cè)加裝手孔蓋。

泵體的強度驗算: 由于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(nèi)壓的厚壁筒計算為8.54mm，選定壁厚25mm，安全系數(shù)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，均有較大的安全系數(shù)，故不再變動。由于前后護板在泵結(jié)構(gòu)中不承受外力，聯(lián)接力及內(nèi)壓力都由前、后蓋傳遞。故變更為非金屬材料后不用再校核強度。只要求在使用中檢驗其抗磨蝕效果。

5、 泵結(jié)構(gòu)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(diào)質(zhì)，軸承選用可調(diào)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制作或襯膠。葉輪材料選用低合金鑄鋼調(diào)質(zhì)處理。泵與原動機采用彈性聯(lián)軸器直接聯(lián)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(jīng)計算校核軸承徑向力、軸向力可滿足使用要求。葉輪轉(zhuǎn)速730 ，可按靜平衡條件進行平衡試驗，葉輪大外圓處不平衡重不大于50 ，可在葉輪兩蓋板處鉆孔去除不平衡重，也可在葉輪蓋板外緣處偏心車削去除不平衡重。

（二）、非金屬抗磨泥漿泵制造工藝

1、 泵體的制造工藝

泵體毛坯的制造：由于選用材料為高分子聚合工程塑料，泵體是由液態(tài)材料在模具中保溫實現(xiàn)大分子鏈接固化定型后再從模具中取出。由于泵體的內(nèi)外形狀都是不規(guī)則的蝸殼狀，泵體內(nèi)腔中的芯模在材料定型后從型腔中取出是非常困難的。若采用石膏材料做內(nèi)芯模來完成制作，雖然能夠通過破碎芯模來實現(xiàn)取型，但是由于石膏材料導熱性差，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(jīng)過多次模擬組圖分解試驗，將內(nèi)芯模設(shè)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面剖切、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(nèi)芯模從型腔內(nèi)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后一次試產(chǎn)就做出了合格的泵體產(chǎn)品。

泵體的機械加工：由于泵體毛坯的加工余量很小，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(huán)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、葉輪的制造工藝

選用非金屬材料，低合金鑄鋼材料制造兩種葉輪。非金屬葉輪制造工藝同泵體，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(chǎn)出合格產(chǎn)品（照片2-4）。

3、 前后護板的制造工藝

高分子聚合材料前后護板制造：改為高分子聚合材料后，按原圖低尺寸制作金屬模具。澆注液態(tài)材料在電爐恒溫固化后，打開外模，取出芯模。冷卻后轉(zhuǎn)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。

襯膠前后護板制造：先將按照圖紙設(shè)計要求制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涂在骨架上；再按照設(shè)計要求，將加工好的生橡膠均勻平鋪在模具低部，鋼骨架放在模具里，上面均勻平鋪生橡膠，直至達到設(shè)計要求填滿模具；后將模具上蓋蓋好，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。待其冷卻后收縮至設(shè)計尺寸即可。成品襯膠護板如照片2-6。

（三）、安裝工藝

由于泵體材料的改變，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(jù)圖紙參照《安裝工藝卡》安裝。

（四）、非金屬抗磨泥漿泵運轉(zhuǎn)試驗分析

2002年8月，臺10FGKN—30非金屬抗磨泥漿泵問世后，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(zhuǎn)試驗基地，成立運行試驗小組。以在歷城 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(chǎn)記錄匯總分析，試驗泵運轉(zhuǎn)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(chǎn)土方5357.27m3，時產(chǎn)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(chǎn)功效在黃河機淤生產(chǎn)中是非常高的，除與試驗泵的性能密切相關(guān)外，與沙場等運行環(huán)境也有很大關(guān)系。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(jù)后來跟蹤了解，該試驗泵更換一套非金屬護板和低合金鑄鋼葉輪，生產(chǎn)土方達到42.8萬m3。  

試驗泵試驗成功后，于2002年10月召開新聞發(fā)布會，在《黃河報》發(fā)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臺，并在沿海抽砂、造田工程和青海西寧清淤中得到應用。根據(jù)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(lián)系，及時掌握該泵型運行狀態(tài)，收集積累運行技術(shù)資料，根據(jù)存在的問題及用戶的意見，不斷改進完善。

三、10FGKN—30非金屬抗磨泥漿泵簡介 

10FGKN—30非金屬抗磨泥漿泵，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(fā)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(yōu)化設(shè)計。主要性能參數(shù)（清水）表1。

表1 10FGKN—30非金屬抗磨泥漿泵主要性能參數(shù)（清水）

該泵具有高度耐磨，生產(chǎn)效率高，重量輕，安全方便等突出優(yōu)點，取得較好的運轉(zhuǎn)試驗效果。自2002年8月問世以來，已推廣銷售86臺套。經(jīng)試驗運行單泵生產(chǎn)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(shù)成熟，各項性能指標穩(wěn)定可靠，深受用戶歡迎的新泵型。

經(jīng)對比試驗分析，由于該泵高度耐磨，可長時間保持在率區(qū)工作，比10EPN-30型鑄鐵泵生產(chǎn)效率提高50％以上，土方綜合生產(chǎn)單價下降0.3654元/ m3。抽沙能力按30萬m3/臺推算，86臺套可節(jié)省生產(chǎn)投資942.7萬元，社會經(jīng)濟效益顯著。

經(jīng)山東省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院檢驗（報告編號：Z050206-2006），樣品符合技術(shù)要求。經(jīng)山東省科技情報研究所查新檢索（報告編號：200637b2800816）：國內(nèi)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面創(chuàng)新性強，處于國際先進水平，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(chuàng)新獎。

四、主要創(chuàng)新點

（一）、首次開發(fā)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制作，尚屬首家。經(jīng)山東省科技情報研究所查新檢索（報告編號：200637b2800816）：國內(nèi)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(yōu)化設(shè)計

對原型泵葉輪、渦室、吸入口徑、吐出口徑等過流部件根據(jù)篩選的非金屬材料配方進行了優(yōu)化設(shè)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工作區(qū)，壽命（生產(chǎn)能力）是鑄鐵泥漿泵3～4倍

（三）、發(fā)明了鍥形內(nèi)芯模具

由于選用材料為高分子聚合工程塑料，泵體是由液態(tài)材料在模具中保溫實現(xiàn)大分子鏈接固化定型后再從模具中取出。若采用石膏材料做內(nèi)芯模來完成制作，雖然能夠通過破碎芯模來實現(xiàn)取型，但是由于石膏材料導熱性差，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(jīng)過多次模擬組圖分解試驗，將內(nèi)芯模設(shè)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面剖切、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(nèi)芯模從型腔內(nèi)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后一次試產(chǎn)就做出了合格的泵體產(chǎn)品。

（四）、研究開發(fā)出非金屬材料聚合新配方

選擇耐磨性好的非金屬（聚乙內(nèi)酰胺）材料為主料，根據(jù)泵殼、葉輪、護板等主要過流部件采用非金屬制作，研制開發(fā)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(jié)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(shù)和成型新工藝，并熟練掌握，生產(chǎn)出高質(zhì)量的成品。

（六）、開發(fā)出襯膠護板新產(chǎn)品       

在開發(fā)全非金屬大型泥漿泵的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)出襯膠前后護板新產(chǎn)品，與非金屬泥漿泵配套，供用戶選擇組合，深受用戶歡迎。

經(jīng)山東省科技情報研究所查新檢索（報告編號：200637b2800816）：國內(nèi)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(nèi)，都具有顯著的創(chuàng)新性。

五、非金屬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(jié)構(gòu)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(yōu)點。不僅適用于黃河機淤生產(chǎn)，并在沿海抽砂、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(jù)水利部、黃委會已經(jīng)做出的黃河淤背固堤中長期規(guī)劃，中期規(guī)劃平均淤寬100m，黃河下游河南、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(jīng)濟效益。

（二）、社會經(jīng)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臺，并在沿海抽砂、造田工程和青海西寧清淤中得到應用。

經(jīng)綜合核算, 10FGKN—30非金屬抗磨泥漿泵加工制造成本34000元/臺（以配備2套低合金鑄鋼葉輪計）,銷售單價48000元/臺。推廣銷售86臺套,完成產(chǎn)值86×4.8=412.8萬元，創(chuàng)利稅412.8－86×3.4=120.4萬元，凈利潤120.4×(1－6%)=115.584萬元。

經(jīng)運轉(zhuǎn)分析，使用10FGKN—30非金屬抗磨泥漿泵比10EPN-30型鑄鐵泥漿泵折舊費可降低0.2054元/ m3，運轉(zhuǎn)費降低0.16元/m3，土方綜合生產(chǎn)成本下降了0.2054+0.16=0.3654元/ m3。自2002年問世以來，已銷售86臺。按抽沙能力的下限淤沙30萬m3/臺推算，可生產(chǎn)機淤方86×30=2580萬m3，創(chuàng)產(chǎn)值2580×4.5(計劃單價:元/ m3 )=12825萬元,創(chuàng)利稅12825-2580×2.5(綜合生產(chǎn)成本: 元/ m3)=5160萬元,節(jié)省生產(chǎn)投資2580×0.3654=942.7萬元。

該成果為機淤固堤施工提供了一種、耐磨新型設(shè)備，提高了機淤固堤施工的科學技術(shù)水平。在確保防洪安全、保證安全生產(chǎn)、改善勞動條件、消除公害污染、減輕自然災害、有利于生態(tài)平衡和促進社會發(fā)展等方面所發(fā)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(yè)有限責任公司（于2008年改名為：濟南金鼎諾泵業(yè)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(fā)財  蘇琳琳  王東桂  張昭平  劉興海  崔玉玲

本文轉(zhuǎn)自：水利部黃河水利委員會官網(wǎng) 黃河網(wǎng)  原文標題：《10FGKN—30非金屬抗磨泥漿泵研制》