泥浆输送设备 螺旋输送机可以输送泥浆状态的东西吗
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在非金属矿产加工生产中,物料的湿法细磨、分级、压滤脱水等许多地方都要用泥浆输送设备。对于各种不同的用途,泥浆输送设备有离心式和容积式两种。前者如叶轮式泥浆泵、砂泵;后者如往复式隔膜泵、螺杆泵等。
一、离心式泥浆泵
(一)离心式泥浆泵的工作原理
离心式泥浆泵又名砂泵,其结构与离心式水泵相似,如图6-7所示。
图6-7 离心式泥浆泵
1-联轴器;2-主轴;3-轴承座;4-轴承;5-填料压盖;6-轴套;7-水封填料箱;8-平衡盘;9-后衬套;10-叶轮;11-前衬套;12-前壳体;13-后壳体;14-机座
在泥浆泵的壳体内有一个叶轮10,被安装在直接与电动机轴相联或为传动装置带动的旋转主轴上。叶轮上有数片均匀分布的形状特殊的叶片,在叶片间形成了泥浆的通道。泵壳为螺旋形蜗壳。泥浆进口管安于壳体的轴心处,泥浆出口管装在壳体的切线方向上。
当叶轮随主轴高速旋转时,壳体内泥浆受叶片的推动,跟随旋转,产生了很大的离心力,这种离心力所具有的压强,即为叶轮处泥浆的动压头。当泥浆流到壳体出口处时,流道扩大流速降低,于是部分动压头转化为静压头,当此压头高于泵外系统的压头时,泥浆就被排出泵外。
随着泵内泥浆的排出,叶轮中部逐渐降为负压,于是机外的泥浆被吸入,砂泵就是这样把泥浆不断地吸入和排出,进行着输送工作。
由离心泵的工作原理可见,泵的压头是随着叶轮直径和转速的增加而增大的,但受到泵用材料强度、制造精度、耗用功率等方面的影响,离心泵叶轮直径不宜过大,转速不宜过高,因此,离心式泥浆泵的压力不能很高,单级泵的压力,一般不超过0.2MPa。
(二)主要结构部件和特点
1.叶轮
叶轮10是直接作用于泥浆的部件,要求它有足够的强度和耐磨性。它选用耐磨材料制造,如灰口铸铁、高硅铸铁、镍铬铸铁、铸钢、钛合金、天然橡胶和合成橡胶等。一般采用开式和半开式叶轮,为加强叶片的刚性和强度,也可采用闭式叶轮。叶轮内的流道宽大平滑,叶片短厚而片少(2~4片)。
在叶轮前后盖板上还制有径向或旋转方向凸出的付叶片,用于防止固体颗粒进入轴封装置。
在叶轮的后盖板上应开4~6个小孔,使叶轮后方与吸入口处的压力尽量一致,以达到平衡轴向力的目的。这种开平衡孔办法简单易行,但会引起泥浆回流,泵送效率降低,同时仍有10%~25%的轴向力得不到平衡。采用安装盘8的办法,可进一步平衡轴向力。
2.壳体
离心式泥浆泵的壳体,内部曲线平滑,流道宽大,壳体内密封环(图6-7中密封环已与前衬套整体制造)与叶轮进口处外缘的间隙较大。一般把壳体做成剖分式结构,即分成前壳体12和后壳体13,以便于清洗和处理阻塞事故。装配时,壳体的中心线与叶轮旋转中心线重合。在壳体内表面,还分别衬有前壳护板衬套11和后壳护板衬套9,这些橡胶质的护板衬套有较好的耐磨性,容易更换,对壳体起保护作用。
壳体内环形通道截面的变化较小,外形近似圆盘形,泵送的效率较低。
为了保证泥浆泵在整个使用期间不因部件的磨损而降低送浆效率,可装设叶轮与壳体间隙的调整机构。
为了在泵的使用过程中及时清除堵塞物,应在壳体的适当位置开设检修孔。在剖分式壳体上采用摇臂连接方式,有利于快速装拆。
3.主轴与轴承
主轴使用碳素钢等材料制成,有足够刚性和强度。如在它的轴封部位上加装耐磨材料制成的轴套,则可提高其使用寿命。主轴一端通过法兰式挠性联轴器1与电机转轴相联,主轴的另一端装着叶轮10。整个主轴用轴承4安装在泥浆泵的机座14上。
因为离心泵工作时有轴向力存在,所以安装主轴的轴承应选用止推滚动轴承。如果轴向力不大或泵的功率较少,也可以选用径向滚动轴承或巴氏合金衬里的滑动轴承。
4.轴封装置
在旋转主轴与固定壳体的交接处,必须有轴封装置,它对泵的使用情况和泵送效率有很大的影响,多数采用简单的压盖填料箱轴封装置。带水封环的填料箱结构效果较好。
填料箱安装在壳体上,或与壳体整体制造。填料又称盘根,是一种用浸透润滑油脂的棉麻纤维或合成纤维制成的软填料,或是在纤维中加入软金属的半金属填料,或在纤维中混入石墨、石棉等制成填料。轴封的严密性用松紧填料压盖的方法来保证。压盖常用青铜等耐磨材料制成。在水封环中注入干净的水,使填料箱得到经常的冲洗,这样即使有固体颗粒进入填料箱,也会被及时排出,以延长填料寿命,避免主轴表面的磨损。
(三)离心式泥浆泵的使用
1.这种泵是依靠叶轮带动泥浆旋转,使其产生离心力来工作的,泥浆在离心力作用下所产生的压力为
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式中 ρ——泥浆密度(g/cm3);
ω——泥浆旋转角速度(rad);
r——泥浆旋转半径(m)。
可见,离心力所产生的压力与该流体的密度成正比。如果泥浆中含有较多空气,那末泵送这种泥浆时所产生的压力就很小,甚至难以送出去,这就是“气缚”现象。所以在开泵以前,泵内和吸入管内必须充满泥浆,排除空气。也可将泵体置于受吸液面之下,让泥浆自己流入泵内,免去了“灌泵”操作。
2.保证有良好的轴封,防止空气漏入泵体,调紧填料压盖可加强轴封的严密性。但调得过紧,会因填料与主轴摩擦阻力急剧增大而使主轴无法转动。
3.安装吸入管时应尽量少用弯管和接头,以免影响吸入高度,管道接口处要严密无缝,不能漏气,可用肥皂水作泄漏试验。吸入管上不能产生有留气体的“气袋”。
4.根据离心泵的特性曲线,泥浆输送量可用出浆管道上的阀门进行调节。
5.离心式泥浆泵是一种高速转动的机械,主轴可以与电机轴直联,但须注意两轴对中整个设备应在同一基础,不与其它基础相连,以免发生共振。
6.配管(吸入管,输浆管)应有其它构件支撑,避免壳体荷载过重。
(四)主要性能
现在我国此类泵产品有PN型泥浆泵,用来输送最大浓度按重量计不超过50%~60%浓度的泥浆或含砂浆;PS型砂泵,输送含固体物质按重量计不超过65%的含砂量或污浊液体。它们的规格、性能见表6-7、表6-8,性能曲线见图6-8、图6-9。
二、往复隔膜式泥浆泵
往复隔膜泥浆泵简称隔膜泵。
普通结构的隔膜泵能输出压力为0.8~1.2MPa的流体,在非金属矿产加工生产中常用隔膜泵为压滤机供浆。一般泵送的压力越高,过滤效率越高,榨取的泥料含水率越低。我国能制造输送压力为2MPa以上的隔膜泵。
(一)隔膜泵的结构
表6-7 PN型泥浆泵规格性能(摘)
注:1、2、3、4为出口径毫米数被25除所得整数值;P为杂质泵;N为泥浆泵。
表6-8 PS型砂泵性能(摘)
注:
图6-8 2PN型泥浆泵性能曲线图
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按缸体数目不同,隔膜泵有单缸泵、双缸泵和多缸泵。双缸泵比单缸泵的生产能力大,输浆的速度和压力较均匀,因此,电机的负荷也较均匀。多缸泵的性能则更好,如相位差为120。的三缸泵,其瞬间最小流量约为平均流量的87%,瞬时最大流量为平均流量的106%。但多缸泵结构比较复杂,造价较高。目前使用最广泛的是双缸隔膜泵,它的结构如图6-10所示。
双缸泵实质上是由二个单缸泵组合的,把二个泵送系统对称地安装在机架两侧,共用电动机、机械传动机构、进浆管道和出料管道。所以只要剖析其中一个泵送系统就可以了。
它的结构部件主要有机架、机械传动系统、柱塞和柱塞缸、隔膜和隔膜室、阀门和阀门室、空气室、压力调节器等。
1.机架
它是安装和支承机械传动系统和泥浆输送系统的构件,用铸铁或铸钢整体铸造而成,在其装配面上需经机械加工。也可用钢板焊接而成或用装配式结构。机架的形状有立式喇叭状(图6-10)和立式四棱柱状两种。通过地脚螺丝安装在混凝土基础上,要求机架的制造在保证有足够的刚性和强度前提下,减轻重量,节约材料,缩小外形尺寸。
图6-10 双缸隔膜泵
1-曲柄;2-连杆;3-柱塞;4-压盖;5-填料;6-管道;7-柱塞缸;8-隔膜室;9-隔膜;10-进浆阀;11-阀门室;12-出浆阀;13-管道;14-空气室;15-出浆管;16-电动机;17、18-螺栓;19-贮油筒;20-保险阀;21-输油阀
2.机械传动系统
隔膜泵的送液作用,首先是由于泵体上柱塞3往复运动而获得。根据机械运动原理,柱塞在曲柄连杆机构带动下作往复运动时,往复的频率,或者说曲柄轴的转速是受到一定限制的。为不使这种往复运动产生过大的惯性冲击力,在负荷较大的情况下,通常要求曲柄轴的转速小于60r/min。所以隔膜泵的传动系统,在传递动力的同时还必须有一定的减速比。
隔膜泵上的机械传动系统有减速器传动和皮带传动两种形式。图6-10所示为减速器传动。电动机与减速器都安装在泵体的机架上。电动机16的主轴与减速器输入轴相联。减速器的输出轴上安装着曲柄1,当曲柄旋转时,连杆2和柱塞3作上下往复运动。这种形式使整个设备结构紧凑,外形美观;皮带传动机构,是电动机经二级皮带轮传动使曲柄旋转的机构,挠性皮带对设备有一定的保险作用,直径与重量较大的皮带轮有飞轮作用,使电机负荷比较均匀,且具有加工比较容易等优点。其缺点是设备笨重,外形尺寸和占地面积较大。
3.柱塞和柱塞缸
圆柱形的柱塞3是一条钢柱(铸铁空心件),它可以在柱塞缸7内作上下往复运动,柱塞与柱塞缸的接触表面,按配合要求作了很好的精加工。为加强它们之间配合紧密度,在柱塞缸的上部安装有压盖填料箱式密封装置,调节紧固螺柱,可使压盖4压紧填料5,增加缸内密封性。柱塞缸下部稍有扩大,内贮液压油,一侧有孔径管道6与压力调节器的贮油筒19底部相通,另一侧有孔与隔膜室8的右半室相通。
4.隔膜和隔膜室
隔膜室8中的隔膜9是这种往复式泥浆泵的特有部件。隔膜通常是一块厚10~25mm的圆形橡皮。有很好的强度和柔软性,耐热、耐油。选用Ⅰ-1组低硬度耐油橡胶比较适宜,它的拉断力不小于8MPa,拉断伸长率不小于350%,拉断永久变形不大于30%。隔膜把隔膜室分成左右两室,右室径孔板通柱塞缸,左室径孔板通阀门室11。所以,隔膜把机械活动部分与泥浆输送部分隔离开来,使隔膜泵具有耐磨、使用寿命长、容易清洗、不易堵塞等优点。
5.阀门和阀门室
在阀门室11中有进浆阀10和出浆阀12。进浆阀下方与进浆管道相连;出浆阀上方与出浆管道13及空气室14相连,对阀门的要求是:①阀的流通面积较大,对液流的阻力较小;②阀的闭启灵活自如。关闭时,阀体与阀座之间的接触严密无泄漏,开启时,阀体离阀座的距离适当,容易复位;③阀体本身重量恰当,当依靠其自重落在阀座上时,冲击力小。同时,不会轻易离位,阀门闭合良好;④阀的强度、刚性耐磨性好,在承受相当大压力时,不会变形和破坏。在受泥浆多次冲击后,仍能保持原形;⑤进浆阀和出浆阀可以互换。
目前常用的有球形阀和平板阀两种,它们都是单向阀。依靠液压向上顶开,依靠自重落下复位。有些泵在阀座上方的阀门室里,装有挡盖,用以限制阀体离座的距离。为检修、安装、清洗的方便,阀门室上开有检修孔,平时用盖板封闭着。
6.空气室
空气室是一个圆球形(或圆柱形等)的中空壳体,内部充填着一定压力(一般为大气压)的空气。空气室底部与阀门室和出浆管相通,空气室顶部装有指示输浆压力的压力表。
由于柱塞在整个冲程中的往复运动是变速运动,所以隔膜泵送浆的瞬时压力与流量会随着时间有相应的起伏变化。这种不均匀的脉动输液情况,说明液体在通过泵体和配管时有加速度存在。由加速度所产生的阻抗,会增加泵用电机的消耗功率,并引起液流冲击,加剧管道磨损,缩短设备使用寿命,还使泵体和配管产生振动,发生噪音。为了缓和这种脉动情况,采取了一些措施,如将单缸泵改为双缸泵或多缸泵,安装弹簧式缓冲装置等,设置空气室则是一种最简单而有效的办法。
在泵的排出冲程、出浆管道中压力增大时,封闭在空气室中的空气被压缩,吸收部分压力能,贮存部分液体,使管道内的压力和流量不会上升得太高;在管道中压力逐步降低时,被压缩的气体膨胀,释放出压力能。贮存的液体补充到管道的液流中,使出浆管道内的压力和流量不会迅速减少。所以,空气室好似电路中的滤波器一样,对管道中的液流起到了缓冲脉动作用。
由于泵的脉动输液情况,使压力表指针时常摆动较大,影响压力表使用寿命。为了保护压力表,可安装压力表开关,只在读示压力时才将开关打开。压力表与空气室的连接管最好选用螺旋管,以免操作不慎时泥浆直接喷入表中,影响精度。
7.压力调节器
压力调节器由贮油筒19(图6-10)、保险阀20和输油阀21等组成。贮油筒内装满与柱塞缸中同样的液压油,它的底部经管道6与柱塞缸7相通。保险阀20被压力弹簧压在阀座上,压力大小可由螺旋18调节。输油阀被拉力弹簧拉紧在阀座上,拉力大小由螺旋17调节。
隔膜泵的压力调节过程是这样进行的:当柱塞3向上运动时,柱塞缸内压力降低,形成负压,在外界大气压与缸内压力差值大到足以克服拉力弹簧的拉力时,输油阀21便向下打开,贮油筒内的油液经管道6流入柱塞缸,于是缸内压力不再下降;当柱塞3向下运动时,缸内压力增加,形成正压,当正压值大到足以克服压力弹簧的压力时,保险阀20便被顶开,缸中的油液经管道6排向贮油筒,柱塞缸内压力不再增加。而柱塞缸内的压力是通过隔膜传递给阀门室中泥浆的,缸内压力大小反映了隔膜泵输液压力的大小。所以,只要调节压力弹簧的压力,就可控制泵送泥浆的压力。
由上述情况可见,压力调节器既有调压、保险作用,又有输油、补油作用。
拉力弹簧的正常拉力值按下述步骤调节:
先让柱塞处于冲程的中间位置,在柱塞缸及与缸相通的隔膜室右半部、管道和贮油筒中充满油液,关闭保险阀和输油阀。然后开动电机使柱塞向上运动,并调节输油阀上拉力弹簧的拉力,使柱塞向上运动到极限位置时,输油阀正好仍未打开。这样在以后运转中,若因泄漏等情况造成缸内油量减少而出现更大负压时,输油阀就会打开,向缸中补油,避免缸内压力过低,使隔膜向油缸一侧过分的弯曲变形。
压力弹簧的正常压力应以隔膜泵输液的额定最高压力为标准,或以输液系统所需最高压力为标准进行调节。
隔膜泵的实际输液压力是随负载的阻力而变化的,负载(例如压滤机)的阻力越大,它的输液压力也越大。在理论上,可以提供无限大的压力,可是实际上要受隔膜材料、泵体结构和泵用功率等多种因素的限制。所以,应把压力弹簧的压力调节到柱塞排液冲程时出浆管道压力(有压力表显示)达到规定数值时,柱塞缸内的液压油正好冲开保险阀、排向贮油筒。这样就可防止泵体因出现压力过高而损坏的情况,同时也保证输送的泥浆能达到一定的压力要求。
(二)隔膜泵工作原理
电动机经过机械传动曲柄连杆机构,使柱塞上下往复运动。在柱塞上升时,柱塞缸容积增大,产生部分真空,缸内压力下降,当缸内压力降低至小于阀门室11中的压力时,隔膜9向柱塞缸一侧弯曲变形,这时,阀门室容积逐渐增大,室内压力也随之降低,当出现较大负值时,泥浆在外界大气压作用下经过进浆管道,冲开进浆阀10,进入阀门室。当柱塞下压时,缸内容积减少,压力渐增,并通过油液传递给隔膜,当缸内压力大于阀门室中压力时,隔膜向阀门室一侧弯曲变形,充满在阀门室里的泥浆受到隔膜的推力,压住了单向进浆阀10,当推力大于出浆管道中压力时,泥浆冲开单向出浆阀12,进入输浆管道,排到其它系统去。
只要柱塞不断地上下往复运动,就使泥浆被隔膜泵不停地吸入和输出。
三、隔膜泵的设计计算
(一)生产能力
隔膜泵的生产能力是指泵送液体或泥浆的流量,可按下式计算:
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式中 m——泵缸数目;
Q——单位时间的体积流量(m3/h);
A——柱塞断面积(m2),
d——柱塞直径(m);
s——柱塞冲程(m);等于曲柄长度的一倍;
n——曲柄轴回转速度(r/min);
ηr——隔膜泵容积系数,ηr=0.65~0.85。
隔膜泵容积系数的意义是实际排出量与理论排出量的比值。产生(1-ηr)的原因是:①因进浆阀没有完全关闭严密而引起的常时泄漏;②因出浆阀没有完全关闭严密而引起的常时泄漏;③由于进浆阀关闭的迟后,在柱塞排液冲程时,阀门室中的泥浆向进浆管倒流;④由于出浆阀关闭的迟后,在柱塞吸液冲程时,出浆管道中泥浆向阀门室倒流;⑤由于液体(或泥浆)的压缩性而使排液量减少,当用气流搅拌的泥浆被泵送时,由于泥浆中含有较多的空气,这种情况就较为严重;⑥管道及泵体连接处密封不良,造成液体向外部泄漏或空气向泵送系统侵入;⑦隔膜泵的设计、制造质量较差。
(二)功率
隔膜泵的功率主要消耗在泵送泥浆方面,其次消耗在机械传动的摩擦方面,可按下式计算:
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式中 N——功率消耗(kW);
Q——生产能力(m3/h);
p——输浆压力(MPa);
η——机械传动总效率,η=0.65~0.8。
配用电机的功率较式(6-3)的计算值大20%~30%,再按标准选型。
(三)空气室的容积和壁厚
一般来说,空气室容积大一些,缓冲作用就强一些。但过大了,使设备体型庞大,而且也是不必要的。空气室适宜容积可按下式确定:
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式中 V——空气室容积(m3);
i——隔膜泵排量变化率,其意义是瞬时最大排量与平均排量的差值和平均排量的比值,单缸为0.55;双缸为0.11;三缸为0.012;
A—柱塞的横断面积(m2);
s——柱塞冲程(m);
k——许用脉动变化率,其意义是脉动压力振幅与泵的输液平均压力之比。随工作性质的要求选取。一般取k=0.01~0.05。如对压滤机供浆时,对脉动要求不高,可取k=0.05。
空气室的壁厚可根据薄壁容器强度公式计算:
非金属矿产加工机械设备
式中δ——空气室壁厚(mm);
p——空气室承受的最高压力,按隔膜泵额定最高压力确定(MPa);
D——空气室内径,按空气室适宜容积确定(mm);
σ——制造空气室材料的许用应力,
C——考虑泥浆对空气室内壁的磨损、腐蚀等因素的放大尺寸,取C=2~6mm。
当用铸造法制造时,要求壁厚δ>6mm。
(四)曲柄连杆机构的设计
隔膜泵柱塞的往复运动,通常由电机经减速机构和曲柄连杆机构的传动来实现。
曲柄连杆机构的设计按下述步骤进行:
1.根据所选用电机型号和减速传动的速比,确定曲柄轴的转速n,并要求n<60r/min。
2.根据隔膜泵的缸数m、柱塞直径d和所需的生产能力Q,确定曲柄长度a(m)。
3.确定连杆长度b。
四、隔膜泵的使用
1.开机前先要检查各运动部件是否有故障,润滑情况是否良好,泵体与配管连接处是否有漏气现象。
2.在柱塞缸和贮油筒中应加满液压油。按输浆压力要求和正确的方法调节好压力调节器中弹簧的弹力。
3.检查阀门情况,并把泥浆灌入阀门室,以利及时送浆。
4.若在出浆管道上装有截止阀,在开机前必须将它打开。为避免产生操作不慎而造成的问题,可在出浆管道上安装安全阀。当管内压力过高时,安全阀自动打开,管内压力不再上升。
5.隔膜泵是一种往复泵,当柱塞往复次数n、冲程s一定时,泵的流量Q就一定。要想改变Q,就应改变n或s,在实际使用时要做到这一点会使泵的结构复杂化。所以,通常调节流量的方法是在出浆管道上安装旁路支管。切忌用出浆管道阀门来调节,否则将造成事故。
6.隔膜泵具有自吸能力,为了防止因泵停止工作时,进浆管内的泥浆自行沉降而发生堵住进浆管底阀,造成第二次起动困难的情况,允许不装底阀。
五、隔膜泵与砂泵的比较
隔膜泵与砂泵的比较如表6-9所列。
表6-9 隔膜泵与砂泵的比较
隔膜泵的技术性能列于表6-10。
表6-10 国产隔膜泵规格和技术性能
六、螺杆泵
螺杆泵又名莫诺泵,适用于输送泥浆悬浮液。按螺杆数不同,有单杆、双杆、三杆等多种结构形式。图6-11为单杆螺杆泵的结构。
螺杆泵的主要结构部件是带有双头螺纹内腔的定子1和带有单头螺纹表面的转子2。定子的螺距为转子螺距的1/2。
在由耐磨橡胶制成的定子内表面与转子外面之间形成了弯曲的孔腔7。当转子转动时,孔腔的形状不断地变化,使泥浆由进浆口A吸入,在转子挤压下,从出浆口B输出。
图6-11 螺杆泵结构图
1-定子;2-转子;3-机体;4-销子;5-连接杆;6-空心转轴;7-孔腔
泵的空心转轴6与电动机直接相连。轴孔中间有一根连接杆5。连接杆的一端以活动铰链结构连接在转轴上,另一端用销子4和活动铰链结构与转子2的一端相接。当电机带动空心转轴旋转时,通过连接杆的传动,使转子2旋转。转速为1500~3000r/min。
这种泵的结构轻巧,外形小,送浆平稳,适应性强,可以与压滤机、喷雾干燥器、注浆成型生产线等配套使用,效果良好。按泵规格型号不同,单杆泵的生产能力为10~500L/min;输浆压力为0.14~1MPa,螺杆愈长,压力愈高。
国产单杆螺杆泵技术性能列于表6-11。
表6-11 部分螺杆泵技术性能
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