矿用离心泵的固体磨损与防治.doc

矿用离心泵的固体磨损与防治1引言目前，在煤矿采掘工作面使用的排水泵中，专门排泥沙的产品是空白。无论泥沙多少，普遍使用的依然是传统的分段式多级清水离心泵。因此，磨损严重，水泵过早报废，不但增加了成本，还常常直接影响生产进度。由于采煤工作面和掘进工作面都不可能单独设置沉淀泥沙的水仓，无法就地清除泥沙等固体颗粒，所以，要解决用清水泵排泥沙的问题，暂时只能在提高易损件的材料性能上想想办法，最终还要在彻底改变排水泵结构上大做文章。这方面的专业研究工作，已持续多年，目前依然在紧张地进行。研究发现，固体颗粒对离心泵的磨损，在特定环境下，遵守着某种规律。把这一规律展现在我们面前，对症下药，就能找到较理想的解决方案。2工作面水样采集固体重量比测定经观测，采煤工作面的涌水中，固体颗粒的含量随着回采循环作业内容的改变而变化，因而，具有周期性。一般情况下，在采前准备结束，采煤作业开始之前，固体颗粒含量最少。采煤作业即将结束时，含量最多。采集水样时，为了既减少采集次数，又能说明问题，可在正式开采前30分钟内采集一次，在采煤作业结束前30分钟内再采集一次。采集水样的地点在采煤工作面下端头，或在溜子道安装的排水泵自己单独的出水口。一般情况下，在岩石平巷掘进工作面的涌水中，在多台凿岩机集中打眼之前，固体颗粒含量最少。在爆破之后，在出岩作业的后三分之一时间内，固体颗粒含量最多。在这两个时段内分别采集水样。采集地点在耙斗机或装岩机工作地点之后10m之内，或在该工作面排水泵自己单独的出水口。上面所采集的水样，每次重2K0.2kg。称过重量后，采用过滤法，用过滤纸滤出水样中的全部固体颗粒。烘干后，称出固体颗粒重量，则水样的固体重量（百分比）比Caw为：固体重量Cow=-H%固、液混合物总重水样的固体重量比Caw在浆体与粒状物料输送水利学（费祥俊著，请华大学出版社1994年5月出版）中被定义为重量比固体浓度，习惯用于输送工业浆体。本文简称为固体重量比，现场有时习惯称为泥沙重量比。一般情况下，当一个工作面的涌水量小于10m3/h，固体重量比Cow明显增大；涌水量大于80m3/h，固体重量比Cw明显减小在同一矿井，在具有标志性的煤层、岩层中大量采集水样，便可以得到该矿井涌水中固体颗粒含量的一般规律。再根据涌水量、岩体的特性和破碎程度、松散颗粒遇水后的反应等进一步分析整理，便可以用来指导排水设计和排水管理。表1是从现场获得的一组综合数据。3多级离心泵磨损部位及磨损过程3.1多级离心泵的磨损部位目前，矿用多级离心泵磨损最严重的部位是平衡盘，然后依次是叶轮口环、盘根套、中段的轴孔衬套等。一般固体颗粒不会把泵体外壳磨穿，不会把叶轮外径磨小，也不会把叶片磨短。平衡盘磨损后变薄，使转子向电机方向（向前）的窜量超限，从而产生连锁损坏。叶轮口环和中段轴套磨损后，密封间隙变大，使离心泵出水不足或不出水，有时还拌有强烈的震动。3.2平衡盘的磨损过程平衡盘有轴向端面跳动，泵体平衡板也有轴向端面跳动。平衡盘转动一周，会在转到某一角度时，局部出现轴向间隙的最大间隙或最小间隙。平衡盘的平衡状态是动态的，泵的转子在某一平衡位置会前后作轴向脉动。工况点改变时，转子会自动移到新的平衡位置作轴向脉动。这种轴向端面跳动和轴向脉动叠加后，轴向间隙b0便具有局部的动态最大间隙b0max和最小间隙b0min。假设：一个固体K的颗粒直径为A，已随着液体到达平衡盘前面的高压区，并且b0maxAb0min则固体K将被液体从轴向最大间隙b0max附近裹进平衡盘的轴向间隙之内。当固体K刚刚跨进较小的距离S，平衡盘就转到轴向间隙b0小于A的位置，或者平衡盘正窜回到轴向间隙b0小于A的位置。这时，平衡盘将对固体K产生挤压，二者将发生相对运动。平衡盘端面会被固体K挤压出凹痕，会被刮削出凹槽，直到固体K被研碎。如果这种规格的固体颗粒含量较高，就会以前仆后继之势，不断被裹进来，使平衡盘端面很快出现第一道环形沟槽。随着磨蚀的加剧，会在略大于第一道环形沟槽之外，相继出现第二道沟槽、第三道沟槽。尽管如此，这时泵轴的窜量还没有发生明显改变，取出平衡盘可以看到这些环状沟槽大致是同心的，排列较整齐。与此同时，平衡板也出现相似的沟槽。下面的现象值得注意：当另一个固体W的颗粒直径为B，也到达平衡盘高压区，并且Bb0max则固体W将被挡在平衡盘的高压区一侧。此时，若大小不一的固体颗粒随着液体不断涌向平衡盘前面的高压区，粒径小于或等于A的固体颗粒会随着液流通过轴向间隙。粒径大于或等于B的固体颗粒会被隔在这里。我们称这种现象为筛留现象。当被筛留的固体颗粒达到一定数量，并且堵在轴向间隙的的入口处，会使液体压力升高，导致转子向后发生脉动，使轴向间隙瞬间加大。这时，这些大粒径固体颗粒乘机大量挤入平衡盘的轴向间隙，出现强登陆现象。若这种现象接连发生，可使平衡盘在较短的时间内被磨薄。3.3叶轮口环的磨损过程叶轮小装到泵轴上之后，其口环存在径向跳动；泵体口环孔也存在径向跳动。叶轮转动一周，会在转到某一角度时，局部出现口环径向间隙的最大间隙或最小间隙。转动的泵轴会弯曲变形，产生最大挠度。这种径向跳动与最大挠度叠加后，口环的径向间隙b便有局部的动态最大间隙bmax和最小间隙bmin。同样，口环的密封表面也会被固体颗粒挤压、刮削出沟槽。然而，如果材料相同，由于口环的间隙不会象平衡盘那样出现脉动和固体颗粒强登陆现象，所以，口环的磨损程度明显小于平衡盘。这时，口环的磨损与平衡盘相比，不是主要矛盾。但是，应当注意，在取消平衡盘的多级泵中，口环的磨损将上升为主要矛盾，须认真对待。4清除排水管道底部的沉降物排水管道，特别是单独借用的大口径永久管道的底部会沉降固体颗粒。这些径过反复水选沉降下来的固体颗粒比重较大，表面呈球形，比较圆滑。当上面所述的离心泵出水不足之后，流量下降，管道内流速减慢，会增加固体颗粒的沉降量。倘若离心泵流量减少到某一个临界值，这种沉降的固体颗粒会逆流而下，穿过阀门，充满泵腔，不消几十分钟，就会使这台水泵报废。我们可以在现场做试验，或在实验室做模拟试验，来验证这一现象。为此，要核算最小流量时管道内的流速值，一般应大于1m/s。为提高流速，应优先选用直径较小的排水管。以排沙潜水泵的管道安装为例（见图1），可在离心泵逆止阀1与闸阀4之间的管道上，或在管道底部的标高最低处接出一根短管-除沙管。该除沙管用另外一个闸阀5控制，当水中固体颗粒含量较多时，在井下就地排放。每次的排放量约0.2-0.3m3即可。这样，就可以及时清除排水管道内沉降的固体颗粒，可防止离心泵的意外磨损。经验表明，岩石掘进中，坚持在出岩作业期间定时排放泥沙，一般可延长离心泵的使用寿命3-10%左右，并且使退下来的水泵还有大修价值，或使大修更加容易。在自动化排水中，同样应当增添定期清除排水管底部沉降物的辅助设备，若能配合采集水样，及时分析、整理资料，就可以制定出更科学的水泵使用维护办法，最大限度延长离心泵的寿命。当然，这一措施最好在设计阶段就已被采用。5取消平衡盘的新型排沙潜水泵用多级清水离心泵直接输送含有固体颗粒的矿井水，主要矛已集中在轴向力的平衡上。因此，要延长水泵的使用寿命，取消平衡盘，（或取消平衡鼓），已成为必然趋势。5.1耐磨材料的选择根据不同用途，各类水泵零件采用不同的耐磨材料。清水泵为了长寿，耐磨材料是铜合金；排污泵起始于排纸浆，耐磨材料仅是普通铸铁。渣浆泵是单级泵，耐磨材料是高铬铸铁；沙泵可以在河里采沙，耐磨材料是橡胶。可见，耐磨材料定义的范围很宽。研究开发多级排沙水泵，要对付的是有硬度、有棱有角的沙，要研究沙在高压、高速的状态下对水泵磨蚀的规律。因此，选择耐磨材料就显得更加重要。下列零件的材料相同，按损坏程度由大向小的顺序排列：平衡盘、叶轮口环、盘根套、轴套、导叶、泵体、叶轮。由此，排沙水泵选择耐磨材料有了借鉴和依据，可从中获得如下提示：5.1.1各种易损件应当使用硬度不同的优质材料。其中，容易磨损的采用硬度高的材料，不易磨损的零件用硬度低的材料。这样，既能防止出现薄弱环节，又可降低造价。5.1.2取消要求材料硬度最高的平衡盘。把目前能够应用的硬度最高材料-钨钴硬质合金用在叶轮口环和轴套上，以获得最长的使用寿命，最佳的经济效益。5.2取消平衡盘办法之一-提高单级泵扬程，替代多级泵用提高单级泵的扬程来替代以往的两级、三级分段式多级泵，简单易行。1988年，用扬程70m，流量100m3/h，功率37kw的单级双吸排沙潜水泵实现了这一愿望。该泵为第四纪流沙层疏干井设计，之后又用于冬季北方洗煤厂废水远方遥控循环利用（相距3km，用旧露天沉淀煤泥）。1989年，用扬程50m，流量12m3/h，允许通过固体颗粒直径10mm，功率仅4.0kw的单级单吸排沙潜水泵再次实现了这一愿望。从那时起，叶轮与泵体的内外口环均采用硬质合金制造。第一次替代多级离心泵在下山掘进工作面排水，寿命提高5-8倍（摘自该泵1991年部级新产品鉴定证书）。被替代的多级离心泵功率竟有40kw，它的高压水用来带动射流泵（俗称带泵、水抽子）在下山排水。因此，这种小泵很快普及，并屡获大奖。全国范围不同地质条件的上百家煤矿经过十年的现场检验，证明这种排沙潜水泵的技术方案是可行的。目前，单级排沙潜水泵的品种、用途已大为扩展，如：用在采煤工作面，技术参数可达到：扬程95m，流量168m3/h。用在掘进工作面，技术参数可达到：扬程85m，流量158m3/h。效率均可达到62.1%。电机功率75kw。5.3取消平衡盘办法之二-叶轮背靠背安装，抵消轴向力叶轮个数为偶数，每两个叶轮背靠背安装，相互抵消轴向力，是彻底取消平衡盘的好办法。1995年，用一种四级分段式多级排沙潜水泵实现了这一设想。这种泵，曾在甘肃一举恢复了一个被淹矿井。这个矿井地面透水，携带大西北地表泥沙涌入井下，多次用普通离心泵恢复，均未凑效。该泵技术参数：扬程200m，流量80m3/h，效率59.3%，功率185kw。如今，经过不懈的努力，又增添了多项实用技术，几乎对原设计做了脱胎换骨的改进。技术参数已修改为：扬程320m，流量80m3/h，功率185kw。5.4排沙潜水泵结构简介上述排沙潜水泵是立式的，可就地安放，也可吊挂安装。泵体与电机同轴，电机在上部，泵体在下部（下泵式）。排沙潜水泵结构的主要特征是：电机安置在空气室中。空气室象一个敞口的茶杯。将茶杯的杯底朝上，杯口朝下，放入水中固定。这时，杯内的空气不会跑掉。预先将电机的定子、转子和上下轴承支座安放在茶杯内，再将电机轴从杯口向下伸出，这便是排沙潜水泵的电机模型。有了空气室的保护，电机的定子、转子、轴承和轴封都不会与水以及水中的泥沙、酸碱盐等有害物直接接触。因此，即便是潜入含大量泥沙的水中，电机也不会受到损害。另外，电机绕组用耐热环氧树脂浇注，将其固化，以便长期适应井下环境要求。电机外壳被罩在导水套内，水泵排出的水，全部从电机与导水套之间流过，电机实现了水外冷。这样，排沙潜水泵可以露出水面工作。上述排沙潜水泵有单级单吸式、多级单吸式、单级双吸式三种形式，均省去了泵轴在泵体外壳上重要易损件-泵轴的轴封，这是因为：单级单吸式的叶轮吸入口朝上，泵体下端面是封闭的。多级单吸式的首级叶轮在最上方，首级叶轮吸入口朝上，泵体下端面是封闭的。单级双吸式的叶轮有上、下两个吸入口。允许断水空转-不会对电机和泵体有丝毫损害。有水后，可继续排水，无须专人守侯。这一要求，来自煤矿一线，由煤科总院上海分院调研后提出，使得排沙潜水泵在设计之初就按着这一有价值的课题攻关，以其独特的结构，在第一台产品诞生时就实现了。出厂时，空转试验必须台台作，就连75kw、185kw也不列外。在煤矿正以现代化、机械化装备自己的今天，人们已开始设想排水自动化。需求清水仓的水泵，需求沿顶板掘进、在巷道低凹处自动排水的水泵，需求在爆炸危险环境使用的大型排沙潜水泵，等等，呼声越来越高。因此，多级排沙水泵的研究已受到广泛关注。自从排沙潜水泵问世以来，许多设计单位、大中型煤矿纷纷配合研究，大胆尝试，为这一新生事物作出了贡献。第 9 页 共 9 页