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。 多级离心泵磨损部位及磨损过程 ◆ 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。 ◆ 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。 ◆ 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。 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，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。 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。 ◆ 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： 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。 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。 ◆ 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）。 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。 ◆ 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。 ◆ 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，由煤科总院上海分院调研后提出，使得排沙潜水泵在设计之初就按着这一有价值的课题攻关，以其独特的结构，在第一台产品诞生时就实现了。 在煤矿正以现代化、机械化装备自己的今天，人们已开始设想排水自动化。需求“清水仓”的水泵，需求沿顶板掘进、在巷道低凹处自动排水的水泵，需求在爆炸危险环境使用的大型排沙潜水泵，等等，呼声越来越高。因此，“多级排沙水泵”的研究已受到广泛关注。自从排沙潜水泵问世以来，许多设计单位、大中型煤矿纷纷配合研究，大胆尝试，为这一新生事物作出了贡献。（上海庆武排沙水泵研究所 王庆武）
