礦用離心泵的固體磨損與防治

    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。
    1、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2kg±0.2kg。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Cow為：
                          固體重量
                  Cow = -------------------- H % 
                          固、液混合物總重
    水樣的固體重量比Cow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1994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Cow明顯減小在同一礦井，在具有標志性的煤層、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、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)。
    表   1    
              項 目  采 煤 工 作 面             掘 進 工 作 面  
　              采煤作業(yè)即將結(jié)束前         出巖作業(yè)即將結(jié)束前
固體重量比Cow      0.83-5.48 %                       0.41-9.62 % 
    2、心泵磨損部位及磨損過程
    2.1  多級離心泵的磨損部位
    目前，礦用多級離心泵磨損最嚴重的部位是平衡盤，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。
    2.2  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 b0max＞A＞b0min，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  B≥b0max， 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。
    2.3 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，須認真對待。
    3、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。
    4、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。
    4.1 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：
    4.1.1 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。
    4.1.2 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。
    4.2 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。
    1988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。該泵為第四紀流沙層疏干井設(shè)計，之后又用于冬季北方洗煤廠廢水遠方遙控循環(huán)利用（相距3km，用舊露天沉淀煤泥）。
    1989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1991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：
    ① 用在采煤工作面，技術(shù)參數(shù)可達到：揚程95m，流量168m3/h。
    ② 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。
    4.3 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。
    1995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。
    4.4 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：
    a、電機安置在"空氣室"中
    "空氣室"象一個敞口的"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：
    ① 單級單吸式的葉輪吸入口朝上，泵體下端面是封閉的。
    ② 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。
    ③ 單級雙吸式的葉輪有上、下兩個吸入口。
    b、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。出廠時，空轉(zhuǎn)試驗必須臺臺作，就連75kw、185kw也不列外。
    在煤礦正以現(xiàn)代化、機械化裝備自己的今天，人們已開始設(shè)想排水自動化。需求"清水倉"的水泵，需求沿頂板掘進、在巷道低凹處自動排水的水泵，需求在爆炸危險環(huán)境使用的大型排沙潛水泵，等等，呼聲越來越高。因此，"多級排沙水泵"的研究已受到廣泛關(guān)注。自從排沙潛水泵問世以來，許多設(shè)計單位、大中型煤礦紛紛配合研究，大膽嘗試，為這一新生事物作出了貢獻。
    單級、多級"排沙潛水泵" 以及臥式多級"排沙離心泵"的結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)和現(xiàn)場反饋的信息等詳細資料，今后將陸續(xù)向讀者介紹。