Исследование гидроабразивного воздействия цементного шлама на работу шламовых насосов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СЕМИНАР 20

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

© А.А. Кузубов, А.А. Погонин, М.С. Островский, 2001

УДК 622. 766.46

А.А. Кузубов, А.А. Погонин, М.С. Островский

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОАБРАЗИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЦЕМЕНТНОГО ШЛАМА НА РАБОТУ ШЛАМОВЫХ НАСОСОВ

П

ри перекачке шлама внутри шламового насоса происходит комплекс гидродинамических процессов, которые непосредственно оказывают влияние на его работу. Наиболее опасный из этих процессов - гидроабразивное воздействие шламового потока на рабочие органы насоса, которое приводит к их механическому износу. Это происходит из-за наличия в шламе взвешенных твердых частиц и возникновения внутри шламового потока явления кавитации.

Кавитация может возникнуть под воздействием совокупного влияния определенных факторов, и как следствие при достижении в насосе специфических условий. Например, после случайных возмущений, которые могут быть вызваны различными причинами: изменением напряжения в электросети, что приводит к изменению частоты вращения рабочего колеса; изменением гидростатической составляющей потерь давления: изменением расхода и т.п. Как известно кавитация - это образование пузырьков газа в шламовом потоке при снижении гидростатического давления и схлопыва-ние этих пузырьков внутри потока в зоне, где гидростатическое давление повышается, т.е. там, где скорость потока достигает максимальных значений. В месте схлопывания пузырька возникает резкое увеличение давления (до сотен атмосфер). Если в этот момент пузырек находился, напри-

мер, на поверхности рабочего колеса, то удар приходится на эту поверхность, что вызывает эрозию материала. Поверхность металла носит выщербленный характер.

Высокая скорость относительного движения шлама в пазухах, образуемых диском рабочего колеса и корпусом насоса, может вызвать образование кавитационных зон на наружной поверхности диска и внутренних поверхностях корпуса. К числу других элементов проточной части шламовых насосов, где возможно возникновение местных зон кавитации следует отнести конструктивные щели и зазоры между вращающимися и неподвижными деталями шламового насоса; внутреннюю поверхность всасывающего патрубка, прилегающего непосредственно к рабочему колесу и др. Местные зоны кавитации и локальные разрушения могут иметь место из-за неровностей поверхности, к которым могут быть отнесены: разгрузочные отверстия; конструктивные швы и стыки; царапины; неровности, образовавшиеся от неточной обработки поверхности.

Увеличение шероховатости поверхностей, вызванное кавитационно-абразивным изнашиванием, приводит к повышению гидравлических потерь на трение, а разрушение входных и выходных кромок лопастей рабочего колеса вызывает отклонение линий тока шлама от расчетных значений. Все это в сумме приводит к уменьшению гидравлической составляющей КПД. Износ стенок корпуса и

торцевых кромок лопастей рабочего колеса вследствие щелевой кавитации вызывает увеличение протечек, что, увеличивая объемные потери, так же приводит к уменьшению КПД.

Вследствие абразивно-

кавитационного износа шламового насоса увеличиваются и механические потери. Вследствие увеличения зазоров изменяется характер течения шламового потока между корпусом и колесом насоса, что может стать причиной значительных потерь на дисковое трение. Кроме того, неизбежная неравномерность износа рабочего колеса может вызвать нарушения баланса, что приводит к разрушению подшипников, износу вала и интенсивным вибрациям, снижающим механический КПД насоса.

Анализ результатов исследования гидро-абразивного износа шламового насоса 6ФШ-7А, проведенного на Белгородском цементном заводе, показали, что ухудшение рабочих характеристик насоса вследствие износа рабочих органов происходит не сразу и с изменяющейся по времени интенсивностью. Во многих случаях период эксплуатации непосредственно после капитального ремонта характеризуется постепенным улучшением характеристик насоса и, как следствие этого, отмечено небольшое увеличение КПД. Характеристики ухудшаются лишь спустя некоторое время работы насоса.

Это объясняется тем, что шероховатые поверхности элементов проточной части насоса подвергаются воздействию абразивных частиц и пузырьков газа, шлифуются и сглаживаются. В результате этого уменьшаются потери на трение, что улучшает характеристики насоса. Кроме того, абразивные частички постепенно делают более пологими профили лопастей рабочего колеса, а профиль, полученный расчетным путем, может не полностью соответствовать данным гидравлическим условиям. Поток шлама со взвесями придает межлопастному клапану форму, которая уменьшает сопротивление при движении.

Потом наступает определенный период стабилизации рабочих характеристик насоса. В этот момент времени ухудшения характеристик не происходит. Объясняется это тем, что изнашивание появляется в основном на участках, прилегающих к выходным кромкам лопастей рабочего колеса, где скорость шламового потока наибольшая. Абразивные частички и пузырьки газа, сглаживая входные кромки лопастей, вызывают вначале лишь постепенное их подтачивание. Это не может существенно влиять на изменение потерь в рабочем колесе, т.к. профиль лопасти еще не нарушен.

Далее наступает постепенное ухудшение рабочих характеристик насоса: происходит падение напора, мощности, подачи и в результате этого уменьшается КПД. Это происходит из-за активного износа лопастей рабочего колеса, что приводит к нарушению его геометрии по всей обтекаемой потоком поверхности, наиболее интенсивно с рабочей стороны колеса, а особенно сильно у входных и выходных кромок лопастей. Кроме этого к этому моменту уже ощутимо изнашиваются стенки корпуса насоса. Так же происходит попадание твердых частиц в уплотнительный узел вала насоса, что вызывает быстрый износ его элементов. Разрушение уплотнения, помимо увеличения объ-

емных потерь, в ряде случаев может вызвать попадание твердых частиц в подшипники, что является совершенно недопустимым.

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что при совокупном влиянии кавитационного и абразивного процессов, имеющих место внутри шламового насоса при перекачке шлама, происходит разрушение практически всех обтекаемых потоком поверхностей. Наиболее подверженными гидроабразивному износу элементами шламового насоса являются: рабочее колесо, корпус и защитная втулка вала.

В результате износа рабочих органов происходит увеличение всех видов потерь (падение напора, мощности, подачи) и, как следствие этого, уменьшаются отдельные составляющие КПД. Элементом, определяющим длительность межремонтного периода эксплуатации шламового насоса является рабочее колесо, а в некоторых случаях защитная втулка вала. Хотя случается, что скорость гидроабразивного разрушения корпуса насоса превышает интенсивность изнашивания рабочего колеса, но это не является определяющим фактором, поскольку корпус насоса имеет значительно большие размеры и массу и, кроме того, его частичный износ в меньшей степени

сказывается на характеристиках насоса.

Процесс гидроабразивного изнашивания рабочих органов шламовых насосов является довольно опасным явлением. Если не заниматься его прогнозированием и контролем, в худшем случае, это может привести к разрушению всего механизма насоса. Материалов, имеющих абсолютную устойчивость против абразивного и кавитационного разрушения, не существует, поэтому работа шламовых насосов в кавитационном режиме не допустима.

Возможные пути решения проблемы повышения износостойкости и эксплуатационной надежности шламовых насосов заключаются:

• в повышении износостойкости рабочих органов насоса, наиболее подверженных гидроабразивному износу (изготовле-ние этих деталей из более износостойких материалов, напылении или наплавлении твердых сплавов на изнашиваемые поверхности этих деталей);

• в применении новых конструктивных решений и изменении конструкции насоса, которые позволят сделать работу шламового насоса более устойчивой, а шламовый поток более ламинарным.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Поляков В.В., Скворцов Л.С.. Насосы и вентилято- Машиностроение, 1986.

ры. - М.: Стройиздат, 1990. - 336 с. 3. Супрун В.К. Абразивный износ грунтовых насосов и

2. Животовский Л.С. и др. техническая механика борьба с ним. - М.: Машиностроение, 1972. гидросмесей и грунтовые насосы. - М.:

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------------------------------------------------

,____________________________________________________________________________________________________________________6)

Гп

Кузубов Андрей Алексеевич — аспирант Белгородской технологической академии строительных материалов.

Погонин Анатолий Алексеевич — кандидат технических наук, профессор Белгородской технологической академии строительных материалов.

Островский Михаил Сергеевич — доктор технических наук, профессор Московского государственного горного университета.