礦用離心泵的固體磨損與防治.doc

行業(yè)資料：_礦用離心泵的固體磨損與防治單位：_部門：_日期：_年_月_日第 1 頁 共 11 頁礦用離心泵的固體磨損與防治1引言目前，在煤礦采掘工作面使用的排水泵中，專門排泥沙的產(chǎn)品是空白。無論泥沙多少，普遍使用的依然是傳統(tǒng)的分段式多級清水離心泵。因此，磨損嚴(yán)重，水泵過早報廢，不但增加了成本，還常常直接影響生產(chǎn)進度。由于采煤工作面和掘進工作面都不可能單獨設(shè)置沉淀泥沙的水倉，無法就地清除泥沙等固體顆粒，所以，要解決用清水泵排泥沙的問題，暫時只能在提高易損件的材料性能上想想辦法，最終還要在徹底改變排水泵結(jié)構(gòu)上大做文章。這方面的專業(yè)研究工作，已持續(xù)多年，目前依然在緊張地進行。研究發(fā)現(xiàn)，固體顆粒對離心泵的磨損，在特定環(huán)境下，遵守著某種規(guī)律。把這一規(guī)律展現(xiàn)在我們面前，對癥下藥，就能找到較理想的解決方案。2工作面水樣采集固體重量比測定經(jīng)觀測，采煤工作面的涌水中，固體顆粒的含量隨著回采循環(huán)作業(yè)內(nèi)容的改變而變化，因而，具有周期性。一般情況下，在采前準(zhǔn)備結(jié)束，采煤作業(yè)開始之前，固體顆粒含量最少。采煤作業(yè)即將結(jié)束時，含量最多。采集水樣時，為了既減少采集次數(shù)，又能說明問題，可在正式開采前30分鐘內(nèi)采集一次，在采煤作業(yè)結(jié)束前30分鐘內(nèi)再采集一次。采集水樣的地點在采煤工作面下端頭，或在溜子道安裝的排水泵自己單獨的出水口。一般情況下，在巖石平巷掘進工作面的涌水中，在多臺鑿巖機集中打眼之前，固體顆粒含量最少。在爆破之后，在出巖作業(yè)的后三分之一時間內(nèi)，固體顆粒含量最多。在這兩個時段內(nèi)分別采集水樣。采集地點在耙斗機或裝巖機工作地點之后10m之內(nèi)，或在該工作面排水泵自己單獨的出水口。上面所采集的水樣，每次重2K0.2kg。稱過重量后，采用過濾法，用過濾紙濾出水樣中的全部固體顆粒。烘干后，稱出固體顆粒重量，則水樣的固體重量（百分比）比Caw為：固體重量Cow=-H%固、液混合物總重水樣的固體重量比Caw在漿體與粒狀物料輸送水利學(xué)（費祥俊著，請華大學(xué)出版社xx年5月出版）中被定義為重量比固體濃度，習(xí)慣用于輸送工業(yè)漿體。本文簡稱為固體重量比，現(xiàn)場有時習(xí)慣稱為泥沙重量比。一般情況下，當(dāng)一個工作面的涌水量小于10m3/h，固體重量比Cow明顯增大；涌水量大于80m3/h，固體重量比Cw明顯減小在同一礦井，在具有標(biāo)志性的煤層、巖層中大量采集水樣，便可以得到該礦井涌水中固體顆粒含量的一般規(guī)律。再根據(jù)涌水量、巖體的特性和破碎程度、松散顆粒遇水后的反應(yīng)等進一步分析整理，便可以用來指導(dǎo)排水設(shè)計和排水管理。表1是從現(xiàn)場獲得的一組綜合數(shù)據(jù)。3多級離心泵磨損部位及磨損過程3.1多級離心泵的磨損部位目前，礦用多級離心泵磨損最嚴(yán)重的部位是平衡盤，然后依次是葉輪口環(huán)、盤根套、中段的軸孔襯套等。一般固體顆粒不會把泵體外殼磨穿，不會把葉輪外徑磨小，也不會把葉片磨短。平衡盤磨損后變薄，使轉(zhuǎn)子向電機方向（向前）的竄量超限，從而產(chǎn)生連鎖損壞。葉輪口環(huán)和中段軸套磨損后，密封間隙變大，使離心泵出水不足或不出水，有時還拌有強烈的震動。3.2平衡盤的磨損過程平衡盤有軸向端面跳動，泵體平衡板也有軸向端面跳動。平衡盤轉(zhuǎn)動一周，會在轉(zhuǎn)到某一角度時，局部出現(xiàn)軸向間隙的最大間隙或最小間隙。平衡盤的平衡狀態(tài)是動態(tài)的，泵的轉(zhuǎn)子在某一平衡位置會前后作軸向脈動。工況點改變時，轉(zhuǎn)子會自動移到新的平衡位置作軸向脈動。這種軸向端面跳動和軸向脈動疊加后，軸向間隙b0便具有局部的動態(tài)最大間隙b0max和最小間隙b0min。假設(shè)：一個固體K的顆粒直徑為A，已隨著液體到達平衡盤前面的高壓區(qū)，并且b0maxAb0min則固體K將被液體從軸向最大間隙b0max附近裹進平衡盤的軸向間隙之內(nèi)。當(dāng)固體K剛剛跨進較小的距離S，平衡盤就轉(zhuǎn)到軸向間隙b0小于A的位置，或者平衡盤正竄回到軸向間隙b0小于A的位置。這時，平衡盤將對固體K產(chǎn)生擠壓，二者將發(fā)生相對運動。平衡盤端面會被固體K擠壓出凹痕，會被刮削出凹槽，直到固體K被研碎。如果這種規(guī)格的固體顆粒含量較高，就會以前仆后繼之勢，不斷被裹進來，使平衡盤端面很快出現(xiàn)第一道環(huán)形溝槽。隨著磨蝕的加劇，會在略大于第一道環(huán)形溝槽之外，相繼出現(xiàn)第二道溝槽、第三道溝槽。盡管如此，這時泵軸的竄量還沒有發(fā)生明顯改變，取出平衡盤可以看到這些環(huán)狀溝槽大致是同心的，排列較整齊。與此同時，平衡板也出現(xiàn)相似的溝槽。下面的現(xiàn)象值得注意：當(dāng)另一個固體W的顆粒直徑為B，也到達平衡盤高壓區(qū)，并且Bb0max則固體W將被擋在平衡盤的高壓區(qū)一側(cè)。此時，若大小不一的固體顆粒隨著液體不斷涌向平衡盤前面的高壓區(qū)，粒徑小于或等于A的固體顆粒會隨著液流通過軸向間隙。粒徑大于或等于B的固體顆粒會被隔在這里。我們稱這種現(xiàn)象為篩留現(xiàn)象。當(dāng)被篩留的固體顆粒達到一定數(shù)量，并且堵在軸向間隙的的入口處，會使液體壓力升高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子向后發(fā)生脈動，使軸向間隙瞬間加大。這時，這些大粒徑固體顆粒乘機大量擠入平衡盤的軸向間隙，出現(xiàn)強登陸現(xiàn)象。若這種現(xiàn)象接連發(fā)生，可使平衡盤在較短的時間內(nèi)被磨薄。3.3葉輪口環(huán)的磨損過程葉輪小裝到泵軸上之后，其口環(huán)存在徑向跳動；泵體口環(huán)孔也存在徑向跳動。葉輪轉(zhuǎn)動一周，會在轉(zhuǎn)到某一角度時，局部出現(xiàn)口環(huán)徑向間隙的最大間隙或最小間隙。轉(zhuǎn)動的泵軸會彎曲變形，產(chǎn)生最大撓度。這種徑向跳動與最大撓度疊加后，口環(huán)的徑向間隙b便有局部的動態(tài)最大間隙bmax和最小間隙bmin。同樣，口環(huán)的密封表面也會被固體顆粒擠壓、刮削出溝槽。然而，如果材料相同，由于口環(huán)的間隙不會象平衡盤那樣出現(xiàn)脈動和固體顆粒強登陸現(xiàn)象，所以，口環(huán)的磨損程度明顯小于平衡盤。這時，口環(huán)的磨損與平衡盤相比，不是主要矛盾。但是，應(yīng)當(dāng)注意，在取消平衡盤的多級泵中，口環(huán)的磨損將上升為主要矛盾，須認(rèn)真對待。4清除排水管道底部的沉降物排水管道，特別是單獨借用的大口徑永久管道的底部會沉降固體顆粒。這些徑過反復(fù)水選沉降下來的固體顆粒比重較大，表面呈球形，比較圓滑。當(dāng)上面所述的離心泵出水不足之后，流量下降，管道內(nèi)流速減慢，會增加固體顆粒的沉降量。倘若離心泵流量減少到某一個臨界值，這種沉降的固體顆粒會逆流而下，穿過閥門，充滿泵腔，不消幾十分鐘，就會使這臺水泵報廢。我們可以在現(xiàn)場做試驗，或在實驗室做模擬試驗，來驗證這一現(xiàn)象。為此，要核算最小流量時管道內(nèi)的流速值，一般應(yīng)大于1m/s。為提高流速，應(yīng)優(yōu)先選用直徑較小的排水管。以排沙潛水泵的管道安裝為例（見圖1），可在離心泵逆止閥1與閘閥4之間的管道上，或在管道底部的標(biāo)高最低處接出一根短管-除沙管。該除沙管用另外一個閘閥5控制，當(dāng)水中固體顆粒含量較多時，在井下就地排放。每次的排放量約0.2-0.3m3即可。這樣，就可以及時清除排水管道內(nèi)沉降的固體顆粒，可防止離心泵的意外磨損。經(jīng)驗表明，巖石掘進中，堅持在出巖作業(yè)期間定時排放泥沙，一般可延長離心泵的使用壽命3-10%左右，并且使退下來的水泵還有大修價值，或使大修更加容易。在自動化排水中，同樣應(yīng)當(dāng)增添定期清除排水管底部沉降物的輔助設(shè)備，若能配合采集水樣，及時分析、整理資料，就可以制定出更科學(xué)的水泵使用維護辦法，最大限度延長離心泵的壽命。當(dāng)然，這一措施最好在設(shè)計階段就已被采用。5取消平衡盤的新型排沙潛水泵用多級清水離心泵直接輸送含有固體顆粒的礦井水，主要矛已集中在軸向力的平衡上。因此，要延長水泵的使用壽命，取消平衡盤，（或取消平衡鼓），已成為必然趨勢。5.1耐磨材料的選擇根據(jù)不同用途，各類水泵零件采用不同的耐磨材料。清水泵為了長壽，耐磨材料是銅合金；排污泵起始于排紙漿，耐磨材料僅是普通鑄鐵。渣漿泵是單級泵，耐磨材料是高鉻鑄鐵；沙泵可以在河里采沙，耐磨材料是橡膠。可見，耐磨材料定義的范圍很寬。研究開發(fā)多級排沙水泵，要對付的是有硬度、有棱有角的沙，要研究沙在高壓、高速的狀態(tài)下對水泵磨蝕的規(guī)律。因此，選擇耐磨材料就顯得更加重要。下列零件的材料相同，按損壞程度由大向小的順序排列：平衡盤、葉輪口環(huán)、盤根套、軸套、導(dǎo)葉、泵體、葉輪。由此，排沙水泵選擇耐磨材料有了借鑒和依據(jù)，可從中獲得如下提示：5.1.1各種易損件應(yīng)當(dāng)使用硬度不同的優(yōu)質(zhì)材料。其中，容易磨損的采用硬度高的材料，不易磨損的零件用硬度低的材料。這樣，既能防止出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，又可降低造價。5.1.2取消要求材料硬度最高的平衡盤。把目前能夠應(yīng)用的硬度最高材料-鎢鈷硬質(zhì)合金用在葉輪口環(huán)和軸套上，以獲得最長的使用壽命，最佳的經(jīng)濟效益。5.2取消平衡盤辦法之一-提高單級泵揚程，替代多級泵用提高單級泵的揚程來替代以往的兩級、三級分段式多級泵，簡單易行。xx年，用揚程70m，流量100m3/h，功率37kw的單級雙吸排沙潛水泵實現(xiàn)了這一愿望。該泵為第四紀(jì)流沙層疏干井設(shè)計，之后又用于冬季北方洗煤廠廢水遠(yuǎn)方遙控循環(huán)利用（相距3km，用舊露天沉淀煤泥）。xx年，用揚程50m，流量12m3/h，允許通過固體顆粒直徑10mm，功率僅4.0kw的單級單吸排沙潛水泵再次實現(xiàn)了這一愿望。從那時起，葉輪與泵體的內(nèi)外口環(huán)均采用硬質(zhì)合金制造。第一次替代多級離心泵在下山掘進工作面排水，壽命提高5-8倍（摘自該泵xx年部級新產(chǎn)品鑒定證書）。被替代的多級離心泵功率竟有40kw，它的高壓水用來帶動射流泵（俗稱帶泵、水抽子）在下山排水。因此，這種小泵很快普及，并屢獲大獎。全國范圍不同地質(zhì)條件的上百家煤礦經(jīng)過十年的現(xiàn)場檢驗，證明這種排沙潛水泵的技術(shù)方案是可行的。目前，單級排沙潛水泵的品種、用途已大為擴展，如：用在采煤工作面，技術(shù)參數(shù)可達到：揚程95m，流量168m3/h。用在掘進工作面，技術(shù)參數(shù)可達到：揚程85m，流量158m3/h。效率均可達到62.1%。電機功率75kw。5.3取消平衡盤辦法之二-葉輪背靠背安裝，抵消軸向力葉輪個數(shù)為偶數(shù)，每兩個葉輪背靠背安裝，相互抵消軸向力，是徹底取消平衡盤的好辦法。xx年，用一種四級分段式多級排沙潛水泵實現(xiàn)了這一設(shè)想。這種泵，曾在甘肅一舉恢復(fù)了一個被淹礦井。這個礦井地面透水，攜帶大西北地表泥沙涌入井下，多次用普通離心泵恢復(fù)，均未湊效。該泵技術(shù)參數(shù)：揚程200m，流量80m3/h，效率59.3%，功率185kw。如今，經(jīng)過不懈的努力，又增添了多項實用技術(shù)，幾乎對原設(shè)計做了脫胎換骨的改進。技術(shù)參數(shù)已修改為：揚程320m，流量80m3/h，功率185kw。5.4排沙潛水泵結(jié)構(gòu)簡介上述排沙潛水泵是立式的，可就地安放，也可吊掛安裝。泵體與電機同軸，電機在上部，泵體在下部（下泵式）。排沙潛水泵結(jié)構(gòu)的主要特征是：電機安置在空氣室中?？諝馐蚁笠粋€敞口的茶杯。將茶杯的杯底朝上，杯口朝下，放入水中固定。這時，杯內(nèi)的空氣不會跑掉。預(yù)先將電機的定子、轉(zhuǎn)子和上下軸承支座安放在茶杯內(nèi)，再將電機軸從杯口向下伸出，這便是排沙潛水泵的電機模型。有了空氣室的保護，電機的定子、轉(zhuǎn)子、軸承和軸封都不會與水以及水中的泥沙、酸堿鹽等有害物直接接觸。因此，即便是潛入含大量泥沙的水中，電機也不會受到損害。另外，電機繞組用耐熱環(huán)氧樹脂澆注，將其固化，以便長期適應(yīng)井下環(huán)境要求。電機外殼被罩在導(dǎo)水套內(nèi)，水泵排出的水，全部從電機與導(dǎo)水套之間流過，電機實現(xiàn)了水外冷。這樣，排沙潛水泵可以露出水面工作。上述排沙潛水泵有單級單吸式、多級單吸式、單級雙吸式三種形式，均省去了泵軸在泵體外殼上重要易損件-泵軸的軸封，這是因為：單級單吸式的葉輪吸入口朝上，泵體下端面是封閉的。多級單吸式的首級葉輪在最上方，首級葉輪吸入口朝上，泵體下端面是封閉的。單級雙吸式的葉輪有上、下兩個吸入口。允許斷水空轉(zhuǎn)-不會對電機和泵體有絲毫損害。有水后，可繼續(xù)排水，無須專人守侯。這一要求，來自煤礦一線，由煤科總院上海分院調(diào)研后提出，使得排沙潛水泵在設(shè)計之初就按著這一有價值的課題攻關(guān)，以其獨特的結(jié)構(gòu)，在第一臺產(chǎn)品誕生時就實現(xiàn)了。出