矿用离心泵的固体磨损与防治

矿用离心泵的固体磨损与防治矿用离心泵的固体磨损与防治 1 引言引言 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 b0max a b0min 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 b b0max 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