矿用离心泵固体磨损与防治

矿用离心泵固体磨损与防治

I引言

目前，在煤矿采掘工作面运用的排水泵中，特地排泥沙的产品是空

白。无论泥沙多少，普遍运用的仍然是传统的分段式多级清水离心泵。

因此，磨损严峻，水泵过早报废，不但增加了本钱，还经常直接影响生

产进度。

由于采煤工作面和掘进工作面都不行能单独设置沉淀泥沙的水仓,

无法就地去除泥沙等固体颗粒，所以，要解决用“清水泵”排泥沙的问题，

临时只能在提高易损件的材料性能上想想方法，最终还要在彻底转变

排水泵结构上大做文章。这方面的专业研讨工作，已持续多年，目前仍

然在紧急地进行。

研讨发现，固体颗粒对离心泵的磨损，在特定环境下，遵守着某种

规律。把这一规律呈现在我们面前，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，固体颗粒的含量伴着回采循环作业

内容的转变而改变，因此，具有周期性。

一般情况下，在采前准备结束，采煤作业开头之前，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，为了既削减采集

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次数，又能说明问题，可在正式开采前3()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l()m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2K0.2kgo称过重量后，采纳过滤法,

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，请华高校出版社20XX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。

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一般情况下，当一个工作面的涌水量小于H)m3/h,固体重量比Cow

明显增大；涌水量大于8()m3/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。再依据涌水量、岩体的特

性和破裂程度、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峻的部位是平衡盘，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，

使离心泵出水缺乏或不出水，有时还拌有剧烈的震惊。

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，局部显现轴向间隙的最大间隙或最小间

隙。

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下面的现象值得留意:

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>bOmaX

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伴着液体不断涌向平衡盘前面的高

压区，粒径小于或等于A的固体颗粒会伴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

H

O

当被“筛留”的固体颗粒到达肯定数量，并且堵在轴向间隙的的入口

处，会使液体压力上升，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，显现”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，局部显现口环径向间

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。

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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，口环的密封外表也会被

固体颗粒挤压、刮削出沟槽。

然而，假如材料相同，由于口环的间隙不会象平衡盘那样显现”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，不是主要冲突。

但是，应当留意，在取消平衡盘的多级泵中，口环的磨损将上升为

主要冲突，须认真对待。

4去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远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，外表呈球形，

比拟圆滑。当上面所述的离心泵出水缺乏之后，流量下降，管道内流速

减慢，会增加固体颗粒的沉降量。倘若离心泵流量削减到某一个临界值,

这种沉降的固体颗粒会逆流而下，穿过阀门，充满泵腔，不消几非常钟，

就会使这台水泵报废。我们可以在现场做实验，或在试验室做模拟实验,

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lm/s。为

提高流速，应优先选用直径较小的排水管。

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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掌握，当水中固体颗粒含量较多时，在

井下就地排放。每次的排放量约即可。这样，就可以按时去除排水管道

内沉降的固体颗粒，可防止离心泵的意外磨损。

经验说明，岩石掘进中，坚持在出岩作业期间定时排放泥沙，一般

可延长离心泵的运用寿命3/0%左右，并且使退下来的水泵还有大修

价值，或使大修更加简单。

在自动化排水中，同样应当增加定期去除排水管底部沉降物的辅

助装备，若能协作采集水样，按时分析、整理资料，就可以制定出更科

学的水泵运用维护方法，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纳。

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，要延长水泵的运用寿命，取消平衡盘，（或

取消平衡鼓），已成为必定趋势。

5.1耐磨材料的先择

依据不同用途，各类水泵零件采纳不同的耐磨材料。清水泵为了长

寿，耐磨材料是铜合金；排污泵起始于排纸浆，耐磨材料仅是一般铸铁。

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渣浆泵是单级泵，耐磨材料是高铭铸铁；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。

研讨开发多级排沙水泵，要应付的是有硬度、有棱有角的“沙“，要

研讨沙在高压、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。

以下零件的材料相同，按损坏程度由大向小的挨次排列：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：

各种易损件应当运用硬度不同的优质材料。其中，简单磨损的采纳

硬度高的材料，不易磨损的零件用硬度低的材料。这样，既能防止显现

薄弱环节，又可降低造价。

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

料一鸨钻硬质合金用在叶轮口环和轴套上，以获得最长的运用寿命，最

正确的经济效益。

5.2取消平衡盘方法之一--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，简洁

易行。

1988年，用扬程70m,流量XXXm3/h,功率37kw的单级双吸排

沙潜水泵完成了这一愿望。该泵为第四纪流沙层疏干井设计，之后又用

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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,答应通过固体颗粒直径10mm,

功率仅4.0kw的单级单吸排沙潜水泵再次完成了这一愿望。从那时起，

叶轮与泵体的内外口环均采纳硬质合金制造。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20XX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、用途己大为扩展，如：

①用在采煤工作面，技术参数可到达：扬程95m,流量168m3/h。

②用在掘进工作面，技术参数可到达：扬程85m,流量158m3/h。

效率均可到达62.1%。电机功率75kw。

5.3取消平衡盘方法之二-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，互相抵消轴向力，是彻

底取消平衡盘的好方法。

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20XX年，用一种四级分段式多级排沙潜水泵完成了这一想象。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，屡次用一般离心泵恢复，均未凑效。

该泵技术参数：扬程200m,流量80m3/h,效率59.3%,功率185kwo

如今，经过不懈的努力，又增加了多项适用技术，几乎对原设计做了洗

心革面的改进。技术参数已修改为：扬程320m,流量8()m3/h,功率

185kwo

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：电机安顿在“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”的爱护，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，以便长期顺应井下环境要求。

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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，电机完成了“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一泵轴的轴封，这是由于：

①单级单吸式的叶轮吸入口朝上，泵体下端面是封闭的。

②多级单吸式的首级