ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ГРУНТОВЫХ НАСОСОВ И ИЗНОС РАБОЧИХ ДЕТАЛЕЙ НАСОСА

Основные показатели, характеризующие работу насосов и установок: технологические, эргономические и надежностные.

Обычно различают номинальные показатели, при которых насос должен эксплуатироваться, и оптимальные, соответствующие максимальному экономическому эффекту от использования насоса. Под оптимальным режимом чаще всего понимают работу в режиме максимального КПД. Во многих случаях номинальный и оптимальный режимы работы насосов и установок не совпадают. Это объясняется необходимостью в производственных условиях обеспечить какой-либо показатель работы установки, который не совпадает на рабочих характеристиках насоса с режимом максимального КПД.

К технологическим показателям насосов (установок) можно отнести: подачу, напор, мощность; вид и параметры энергетического питания привода; характеристики перекачиваемых и потребляемых сред; кавитационные свойства; характеристики самовсасывания; коэффициент полезного действия; массу, габаритные размеры насоса или установки.

Подачей или производительностью насоса называется количество жидкости, подаваемой насосом в единицу времени.

В зависимости от характера установки, обслуживаемой насосом, подача выражается в объемных или весовых единицах. Объемная подача Q измеряется в м3/ч, м3/сек, л/мин и т.п. Весовая подача G измеряется в т/ч, кг/сек и т.п. Весовая и объемная подачи связаны соотношением [1]:

G = g Q,                                                                                     (1.1)

где g – объемный вес жидкости.

Объемный вес g представляет собой вес единицы объема жидкости, изменяется при изменении температуры. Величину его при новой температуре t3= t0+D t можно определить по формуле

где g объемный вес жидкости при температуре tо; Dt – изменение температуры; aоб – коэффициент объемного расширения.
Теоретическую производительность центробежного насоса определяют по формуле Q = p D2 b2 v2r , м3/сек                                           (1.3)

Напором насоса Н называется приращение механической энергии, получаемое каждым килограммом жидкости, проходящей через насос, т.е. разность удельных энергий жидкости при выходе из насоса и при входе в него. Это приращение энергии происходит за счет энергии, получаемой насосом от двигателя. Напор измеряется в кГ·м/кГ, или сокращенно, в м.

Если удельная энергия жидкости при выходе из насоса (Рисунок 1.1.)

За число оборотов n принимается частота вращения вала насоса в об/мин. Назначение или выбор числа оборотов зависят от ряда условий, из которых наиболее важными являются тип насоса и двигателя, допустимая высота всасывания, степень экономичности, весовые и габаритные показатели. Отдельные образцы современных лопастных насосов имеют n = 24 000 об/мин и более.

Разность отметок оси насоса Zo и свободного уровня жидкости в приемном резервуаре Z1 называется геометрической высотой всасывания и выражается формулой

Нвс = Zo - Z1.                                                                                             (1.13)

Отрицательная геометрическая высота всасывания называется подпором. В этом случае насос находится ниже уровня жидкости в приемном резервуаре.

Высота всасывания, учитывающая не только высоту расположения оси насоса над свободным уровнем жидкости в приемном резервуаре, но также гидравлические потери во всасывающем трубопроводе hc1  и скоростную энергию жидкости   называется вакуумметрической высотой всасывания:

Высота всасывания насоса ограничивается минимальным абсолютным давлением pmin, возникающим в потоке в области входа в колесо, которое должно быть больше давления pn насыщенного пара перекачиваемой жидкости: pmin > pn. В противном случае жидкость в местах возникновения минимума давлений вскипит и работа насоса нарушится.

Допустимая высота всасывания возрастает с увеличением давления на свободную поверхность жидкости. При открытом резервуаре это давление равно атмосферному ра. Атмосферное давление зависит от состояния атмосферы [1].

К эргономическим показателям насосов и установок относятся следующие:

-    внешняя утечка, т. е. расход жидкости, вытекающий из насоса в наружную среду (например, через сальники) при номинальном режиме и определенном (заданном) давлении на входе;

-     уровень звукового давления – общий уровень звукового давления в дБ при пороговом значении, измеренном на расстоянии 1 м от наружного контура насоса (установки) в заданных точках при номинальном режиме работы насоса (установки);

-   уровень вибрации - общий уровень вибрации в дБ по эффективному (среднеквадратическому) значению колебательной скорости или ускорения, измеренный на опорной поверхности насоса в направлении, перпендикулярном к ней, в точках, где вибрация максимальна. Для некоторых насосов применяют ряд специальных параметрических показателей – таких как допустимая продолжительность работы при нулевой подаче (при закрытой напорной задвижке) и т. п. При выборе показателей надежности (наработка на отказ, ресурс, вероятность безотказной работы и т. п.) необходимо установить эксплуатационные допуски на рабочие параметры, так как чем больше допуск, тем выше надежность насоса.

Многолетние наблюдения за среднестатистическими сроками службы основных деталей грунтовых насосов в условиях хвостовых хозяйств горно-обогатительных комбинатов Качканарского, Алмалыкского и Костомукшского в период с 2000 по 2007 г.г. в Табл.1.1 [2, 3, 4, 5].

Данные Табл.1.1 показывают, что самым напряженным узлом грунтовых насосов является рабочее колесо. Ресурс рабочих колес при различной эксплуатации грунтового насоса изменяется от 780 до 1320 ч непрерывной работы.

Таблица 1.1

Среднестатистические сроки службы деталей грунтовых насосов 20Гр-8Т по комбинатам

Наименование деталей		Сроки службы деталей, часов
Качканар			Алмалык	Костомукша
Рабочее колесо	780		1312	800
Корпус (спиральный отвод)	804		480	740
Передняя крышка	700		360	805
Задний бронедиск	610		580	595
Подшипники	600		470	650
Сальниковые уплотнения	400		380	450

Износ рабочих колес вызывает значительные вибрационные напряжение, передаваемые опорным узлам насосной установки – подшипникам, срок службы которых резко снижается.

Перемещая в процессе работы абразивную гидросмесь, детали насоса подвергаются интенсивному изнашиванию движущимися в потоке абразивными частицами. По характеру изнашивания все детали можно разбить на две группы. К первой группе относятся рабочее колесо и отвод, проточные каналы которых изнашиваются в наибольшей степени. При перекачивании гидросмесей с крупными твердыми включениями эти детали подвергаются также и ударным воздействиям [6].

Наиболее интенсивно изнашиваются лопасти рабочих колес на входе и выходе, внутренние поверхности дисков рабочих колес (Рисунок 1.2), поверхности отвода в зоне расчетного сечения, входа в диффузор, а также в зоне языка отвода. Всасывающий патрубок подвержен значительно меньшему изнашиванию.

Катастрофические размеры гидроабразивного разрушения рабочих колес насосов свидетельствуют о большой разрушающей способности потока воды, содержащего абразивные частицы [7]. При наличии в воде большого их количества, разрушенная поверхность металлической детали становится чешуйчатой (Рисунок 1.3, б), при малом количестве разрушение носит кавитационный характер (Рисунок 1.3, а).

На Рисунке 1.4 представлена топография изношенных участков рабочего колеса насоса типа ГрАТ после 610 ч эксплуатации. На меридиональном сечении колеса заштрихованы области износа рабочей стороны лопатки и тыльной стороны. Цифрами 1-4 выделены сечения лопатки в направлении от входа в рабочее колесо к ведущему диску; I-III – сечения лопатки в направлении от входа гидросмеси в межлопаточный канал к выходу из колеса.

Таким образом наибольший износ при работе на гравийной пульпе наблюдается в начале и конце лопасти и несколько меньший – задней стенки. Средняя же часть лопасти остается почти неизношенной. Это указывает на то, что частицы в момент соударения скользит по касательной и износ носит характер истирания. На задней стенке колеса появляются дугообразные борозды, свидетельствующие о том, что частицы в момент соударения скользят по касательной и износ носит характер истирания.

На Рисунке 1.5 показан характер износа рабочего колеса насоса. Задний диск подвергается наибольшему изнашиванию, чем передний. Штриховыми линиями обозначены контуры проточного канала нового, а сплошными – изношенного колеса. Нижняя половина колеса соответствует перекачке – 180, а верхняя – 990 т гравия. Во втором случае количество перекаченного грунта принимали с учетом реставрации заднего диска колеса.

Интенсивность изнашивания лопастей рабочего колеса зависит от ряда факторов, основными из которых является гранулометрический состав твердых частиц смеси. Лопасти рабочих колес грунтовых насосов имеют большую толщину. Так как их входные кромки скруглены, обтекание лопастей можно рассматривать как обтекание круглого цилиндра; чем крупнее частицы, движущиеся в потоке смеси, обтекающем цилиндр, тем большее их количество попадает на его поверхность.

Существенное влияние на скорость изнашивания входной кромки лопасти оказывает характер поворота потока смеси при входе в рабочее колесо. Под влиянием центростремительного ускорения, возникающего при повороте потока, твердые частицы в смеси перераспределяются. В сечениях потока на повороте их концентрация становится неравномерной и увеличивается в направлении наружной стенки канала.

Из-за повышенной концентрации твердых частиц у поверхности ведущего диска наблюдается максимальный износ входной кромки в месте еѐ сопряжения с этим диском (Рисунок 1.6). Следует иметь ввиду, что вблизи поверхности стенки ведущего диска образуется пограничный слой с малыми скоростями течения потока. Поэтому зона максимального износа входных кромок лопастей оказывается несколько отодвинутой от стенки заднего диска.

Поверхность лицевой стороны лопасти и еѐ выходная кромка могут изнашиваться только теми твердыми частицами, которые движутся вместе с жидкостью или смещаются от линии тока жидкости в направлении лицевой стороны лопасти. Поэтому интенсивность характера движения твердых частиц в межлопастном канале рабочего колеса [6].

В межлопастном канале рабочего колеса происходит непрерывное перераспределение твердых частиц от входа к выходу, с увеличением их количества в направлении от тыльной к лицевой стороне рядом стоящей лопасти, поэтому концентрация частиц у лицевой поверхности лопасти возрастает непрерывно от входной кромки к выходной. Этим и объясняется увеличение износа лицевой стороны лопасти от входной кромки к выходной.

 

Ко второй группе относятся детали, изнашивающиеся в результате перетока гидросмеси из полости с большим давлением в полость с меньшим давлением: бронедиски (Рисунок 1.7), наружные диски колес, детали уплотнений как со стороны всасывания, так и узел сальникового уплотнения. Износ этих деталей по сравнению с деталями первой группы возрастает при транспортировании гидросмесей с мелкими твердыми включениями [8].

Рабочие органы насосов изнашиваются за счет контакта твердых частиц, движущихся в жидкости, со стенками каналов проточной части насоса. В рабочем колесе происходит разделение частиц по крупности. Более крупные частицы, траектории которых круче линий токов жидкости, вообще на рабочую поверхность лопастей не попадают. Лопасть обтекается только потоком с взвешенными в нем твердыми частицами малых размеров [9].

Список литературы

1.     Животовский Л.С., Смойловская Л.А. Техническая механика гидросмесей и грунтовые насосы. – Москва: Машиностроение, 1986. – 224 с.

2.     Заверткин П.С. Повышение ресурса работы грунтовых насосов снижением интенсивности гидроабразивного изнашивания их элементов в системах гидротранспорта хвостов обогащения : дис. … канд. техн. наук : 05.05.06 – Санкт-Петербург, 2009. – 231 с.

3.     Смирнов Н.И., Смирнов Н.Н. Прочность и износостойкость насосов (расчет, испытания, технология.//Материалы VIII Всероссийской технической конференции «Производство и эксплуатация УЭЦН». – Альметьевск, 2000. – С. 1- 13.

4.     Золотарь А.И., Самойлович Д.С. Повышение долговечности рабочих колес грунтовых насосов// Трение и износ. – 1984. – Т.5, – №5, С. 92-99.

5.     Золотарь А.И., Самойлович Д.С., Величко А.А. Экспериментальное изучение износа рабочего колеса грунтового насоса// Трение и износ. – 1981. – №1. – С. 103-111.

6.     Лем В.П. Анализ изнашивания поверхностей рабочих деталей грунтовых насосов //Международная научно-практическая конференция. Архитектура и строительство в новом тысячелетии. – Алматы, 2008. – С. 227-231.

7.     Поветкин В.В., Лем В.П. Гидроабразивный износ грунтовых и песковых насосов //Вестник КазНТУ. – Алматы, 2008. - №6(69). – С.51-54.

8.     Лем В.П., Кабулов А.А. Износ бронедиска грунтового насоса и способ увеличения срока службы бронедиска //Международная конференция. Форсированное индустриально-инновационное развитие в металлургии. – Алматы: КазНТУ, 2010. – С. 182-184.

9.     Донченко А.С., Донченко В.А. Справочник механика рудообогатительной фабрики. – М.: Недра, 1975. – 559 с.