臥式螺旋卸料沉降離心機關(guān)鍵位置的減磨研究
技術(shù)支持
臥式螺旋卸料沉降離心機（以下簡稱“離心機”），具有分離效果好、全封閉運行對環(huán)境影響小、不需要沖洗且可以連續(xù)運行、系統(tǒng)簡單、占地面積小等無可比擬的特點，主要應(yīng)用于固液分離與礦的分級工藝中，廣泛應(yīng)用于污水處理、化工、采礦、醫(yī)藥等領(lǐng)域。在礦漿脫水、隧道盾構(gòu)泥漿的處理中，因料漿中含有堅硬的石子、泥沙，且有時呈酸性或堿性，對抗磨損提出較高要求。本研究主要介紹離心機關(guān)鍵位置的減磨優(yōu)化設(shè)計。對關(guān)鍵位置的優(yōu)化，可降低離心機的維修率，提高其可靠性和使用壽命，從而推動行業(yè)的發(fā)展。因此，對離心機關(guān)鍵位置的研究，具有一定的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。
磨損對各類機械的影響較大。磨損可使間隙加大，可能增加機械的振動、沖擊和疲勞，進而加劇磨損，導(dǎo)致機械喪失工作能力。即使不破壞，磨損也會使機械性能降低，造成工作效率降低。
磨損還是機械壽命縮短的主要因素。國外對500種典型零件的報廢統(tǒng)計結(jié)果表明，因磨損造成的壽命縮短約占80%。磨損不僅是機械零部件的一種失效形式，也是引起其他后來失效的原因。據(jù)統(tǒng)計，80%的離心機失效由磨損導(dǎo)致，且均發(fā)生在關(guān)鍵位置。
1 離心機的組成與原理
離心機主要由差速器、螺旋、轉(zhuǎn)鼓、機罩、機座、主電機、副電機等組成。漿料混合液經(jīng)進料管進入螺旋卸料器，經(jīng)螺旋卸料器進入轉(zhuǎn)鼓；在轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，密度大的固相顆粒快速沉積到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓作相對運動的螺旋葉片則連續(xù)將沉積到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固料刮下并推出排渣口；分離后的上層清液經(jīng)液層調(diào)節(jié)板開口從排液口流出轉(zhuǎn)鼓。螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的相對運動由差轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。差速器的外殼與轉(zhuǎn)鼓相連接，輸出軸與螺旋相連接，輸入軸與副電機相連接。主電機帶動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的同時，也帶動差速器外殼的旋轉(zhuǎn)，差速器的輸入軸在副電機的控制下，驅(qū)動行星輪帶動差速器的輸出軸旋轉(zhuǎn)，輸出軸通過花鍵帶動螺旋旋轉(zhuǎn)，形成一定比例扭矩的差轉(zhuǎn)速傳遞給螺旋，實現(xiàn)離心機對物料的連續(xù)分離。
2 生產(chǎn)工況與結(jié)構(gòu)參數(shù)
離心機用于選礦行業(yè)或盾構(gòu)泥漿等含砂量大的工況時，磨損是主要失效形式。在銅礦漿的選銅工藝段，即選鉬結(jié)束后的精尾礦處理，因為在選鉬的過程中加入了銅礦物抑制劑（其作用是讓銅沉下去，讓鉬浮上來），所以給后期的選銅帶來了很多干擾。從工藝分析可知，離心機可用于選礦和洗礦工藝中，用于洗礦環(huán)節(jié)時，渣相粒徑約為100目（不銹鋼篩），調(diào)試參數(shù)如下：液層高度為195mm，轉(zhuǎn)速為1200r/min，主機電流為75.4A，差轉(zhuǎn)速為18r/min，扭矩為39N·m。進料質(zhì)量分數(shù)為25.4%，進料流量為26m3/h，處理后渣含水率為23.9%，清液含固率為2.8%，詳細數(shù)據(jù)如下：
進料質(zhì)量分數(shù)（%） | 處理量（m3/h） | 液層（mm） | 轉(zhuǎn)速（r/min） | 差轉(zhuǎn)速（r/min） | 主機電流（A） | 扭矩（N·m） | 渣含固率（%） | 液含固率（%） |
25.2 | 36 | 203 | 1000 | 15.0 | 73.5 | 28 | 75.0 | 4.2 |
22.1 | 36 | 203 | 1200 | 17.6 | 78.5 | 34 | 79.1 | 4.3 |
25.4 | 36 | 195 | 1000 | 16.0 | 74.0 | 36 | 75.0 | 5.0 |
25.3 | 36 | 195 | 1200 | 18.0 | 78.0 | 39 | 75.7 | 3.6 |
25.4 | 26 | 195 | 1200 | 18.0 | 74.4 | 39 | 76.1 | 2.8 |
23.0 | 26 | 195 | 1300 | 19.5 | 76.0 | 39 | 75.5 | 2.8 |
22.0 | 26 | 195 | 1400 | 20.0 | 78.6 | 42 | 76.1 | 2.3 |
試驗及試用數(shù)據(jù)均表明該機達到設(shè)計要求，但使用半年后，離心機出現(xiàn)了振幅增大、分離效果不穩(wěn)定的情況，直接影響了正常使用。拆機檢查后發(fā)現(xiàn)，螺旋體的卸料器磨損較嚴重，為保證穩(wěn)定運行，迫切需要對其進行改進。螺旋卸料器非直接工作面出口附近是發(fā)生沖蝕磨損較為嚴重的區(qū)域，螺旋葉片也產(chǎn)生了不同程度的磨損，是導(dǎo)致失效的主要原因。
3 離心機的減磨分析與優(yōu)化
固相在離心力和差轉(zhuǎn)速的推動下，沿著錐度處出渣口被甩出離心機，隨著二者的相對運動，勢必產(chǎn)生磨損，合適的離心機結(jié)構(gòu)對于離心機的耐磨保護至關(guān)重要。從固相在離心機內(nèi)的分布可以看出，離心機易磨損的位置，一是螺旋卸料器出口處，二是螺旋錐段推料處，這兩處均發(fā)生相對運動。
螺旋體是離心機的關(guān)鍵部件，離心機的可靠性和使用壽命主要由其決定。為了增強螺旋體的耐磨性和耐蝕性，在設(shè)計生產(chǎn)過程中，充分研究了材質(zhì)以及材質(zhì)表面的處理，包括碳化鎢噴涂、鑲硬質(zhì)合金等方式。
開展螺旋體關(guān)鍵位置的技術(shù)研究，滿足不同領(lǐng)域的需要，具有重大現(xiàn)實意義和社會經(jīng)濟效益。為離心機設(shè)計一個好“胃”，可為多個領(lǐng)域的發(fā)展提供良好的基礎(chǔ)材料和技術(shù)支撐。
為了增強螺旋葉片的耐磨性，離心機設(shè)計過程中，對離心機葉片的選材進行研究（由單純的葉片到碳化鎢噴涂），選用硬質(zhì)合金片，以降低整機維修率，提高設(shè)備可靠性和使用壽命。螺旋體的磨損使得脫水區(qū)壓力減小，分離效果降低，必須及時更換。
針對該項目進行了合金元素調(diào)整，優(yōu)化后的硬質(zhì)合金片達到預(yù)期。
對螺旋體關(guān)鍵位置進行保護的材料選擇，既保證其滿足抗腐蝕要求，又有足夠的材料強度滿足螺旋體高速旋轉(zhuǎn)的要求。此外，對螺旋卸料器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，實現(xiàn)降低磨損的目的。
3.1 螺旋卸料器的結(jié)構(gòu)與減磨改進
漿料通過進料管后，由螺旋體的卸料器進入轉(zhuǎn)鼓，漿料內(nèi)的顆粒與卸料器出口間的相對運動伴隨著磨損的產(chǎn)生，卸料器通常設(shè)計成“八卦形”，螺旋卸料器的出料圓弧面采用鑲合金瓦或燒結(jié)碳化鎢的方式進行保護，滿足日常使用。而對于礦漿和含砂量較大的泥漿，實際效果不理想，出口圓弧面易產(chǎn)生嚴重磨損，影響轉(zhuǎn)子的平衡，從而影響正常生產(chǎn)。
為了判斷漿料在卸料器內(nèi)的流線情況，建立了螺旋卸料器的結(jié)構(gòu)模型，采用有限元軟件ANSYS進行了模擬。根據(jù)以上分析，計算結(jié)果與實際運行工況完全相符，驗證了數(shù)值模型的正確性及結(jié)果的可靠性。
從螺旋卸料器的出口處可以明顯看出，流體在卸料器內(nèi)碰撞、摩擦，其受到流向約束，進入卸料器的瞬時會有部分顆粒被甩入轉(zhuǎn)鼓，部分顆粒在卸料器內(nèi)回轉(zhuǎn)，顆粒對內(nèi)壁的反作用力體現(xiàn)為內(nèi)壁的磨損。
由此得出，“八卦”形狀的卸料器的通道與旋轉(zhuǎn)作用下流體的自然流線不一致，強制流體保持流道運動，此過程伴隨磨損的產(chǎn)生。
為避免直接磨損，采用將硬度較高的合金嵌入到卸料器內(nèi)、增加出口截面積、減小停留時間等方式，對出口進行保護，并去掉了圓弧部分容易產(chǎn)生剪切力的區(qū)域，該種改造方式方便、快捷。
改造后的離心機在實際使用中僅延長了1個月的壽命，說明該種結(jié)構(gòu)仍不理想。所以，通過提高材料硬度的方式進行保護不能夠解決問題。
3.2 卸料器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
考慮到結(jié)構(gòu)剛性，出料口不宜過大或過多，經(jīng)過對比研究，將卸料器沿螺旋線開分配口。分配口形狀采用圓形，便于對出口鑲嵌合金進行保護，沿螺旋線開口也保證了對轉(zhuǎn)子的剛性影響小。另外，還需要考慮漿料在卸料器內(nèi)部的磨損。
為驗證模擬分析的合理性，試制了樣機進行驗證，對各出口采用了可更換的硬質(zhì)合金進行保護。實際使用情況證明該方法可大幅延長離心機的使用壽命。
4 結(jié)語
用于銅礦漿行業(yè)的臥式螺旋卸料沉降離心機分離效果較好，但需解決磨損問題。通過離散模型，對含砂量較大和礦漿領(lǐng)域易出現(xiàn)沖刷磨損的工況進行了數(shù)值模擬，找到了沖刷磨損誘因，并驗證了模擬的合理性。
對易產(chǎn)生磨損的位置和減磨措施進行了探討，詳細介紹了適用于該行業(yè)或易磨損行業(yè)螺旋卸料器的優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，完成了樣機試制，試用結(jié)果表明達到設(shè)計要求。本研究為螺旋卸料器的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，對離心機在類似行業(yè)的應(yīng)用具有重要借鑒意義。
