刘爱军1工程师刘德顺1,2教授周知进1高级工程师
矿井风机叶轮是风机的主要部件,而叶片又是叶轮的核心。由于在许多场合风机运行过程中存在固体颗粒的渗入,有些甚至长期工作在高浓度固粒的环境中,且它们以极高的速度运动并与风机叶片表面碰撞、摩擦,致使叶片磨损,从而导致叶片的变形和洞穿,极大地恶化了风机的流动特性。这样不仅影响了风机的性能,缩短风机的寿命,降低生产效率,加大能耗和设备的投资,而且会引发矿井安全的重大事故。1998年鸡西矿务局小恒山煤矿安装在东风井的两台轴流式通风机叶轮叶片严重磨损,生产受损严重,每次检修费用高达5万元。由此可见,研究矿井风机叶片抗磨机理与技术具有非常重要的意义。
1影响叶片磨损的主要因素
影响叶片磨损的因素很多,有叶片本身的原因,也有叶片运行流场的原因,下面主要就磨粒特性、磨粒浓度、材料性能、叶片结构、风机转速分别进行论述。1.1磨粒特性的影响
磨粒粒度的影响一方面是磨粒尺寸效应,另一方面是脆性材料磨损特性变化。研究表明,一般磨粒尺寸在20~200Lm时,材料磨损率随磨损尺寸的增大而上升,但磨粒尺寸增加到某一临界值DC时材料磨损率几乎不变或变化很缓慢,这一现象被称为/尺寸效应0。磨粒的硬度对磨损的影响更为突出。当试验用磨粒尺寸为125~150Lm,磨粒冲击速度为130m/s,材料各含11%Cr的钢。1.2风机叶片的材料
材料的硬度对耐磨性有重要的影响。但是,仅用硬度来评价耐磨性是不够的。耐磨性不仅取决于材料的硬度,还取决于材料的化学成份及显微组织。通过对22种工业纯金属、合金及不同温度下回火后有不同硬度的40Cr钢,经过冷作硬化后,进行磨损试验,可得出以下结论
1)在硬磨料磨损条件下,高的载荷或高的摩擦速度下,淬火低温回火钢的硬度比退火状态的硬度可以成倍提高,但是其对应的耐磨性却只提高了10%~30%。
2)不同含碳量的淬火钢有不同的曲线,说明同一硬度下的不同材料有不同的耐磨性。Sundara-jan等指出,退火状态的纯金属硬度与冲蚀率呈良好的线性关系,而冷加工、细晶强化、固溶强化等不能提高单晶金属材料的抗冲蚀能力,马氏体硬化、沉淀强化、弥散强化等方法
对多相合金冲蚀率的影响无明显规律。1.3风机转速的影响
通风机的转速直接决定磨粒对叶片材料的冲击速度。材料发生冲蚀磨损时存在一个冲击速度的门槛值,低于这个数值不产生冲蚀磨损,只发生弹性变形。磨粒的速度对材料的冲蚀率产生影响,主要是因为冲蚀磨损量与磨粒的动能有关。转速越高,尘粒对叶片撞击能量就越大,磨损也越严重。根据试验得出,风机叶片的磨损量与转动速度的平方及输送气体中尘粒含量成正比。
一般情况设计选择时应考虑风机转速与风机出力(流量)、叶片直径与压头等参数。在确保风机压头、出力的前提下,应适当地选择低转速、大叶片风机,以减少对风机叶片的磨损速度,延长使用寿命。据资料介绍,某风机将转速由980r/min改为730r/min(为保证出力,相应地将叶片直径由1800mm增大到2230mm),其运行寿命由70天延长到166天,达2倍以上。
2叶片抗磨防护技术2.1提高叶片的耐磨性
叶片的磨损与叶片所用材料和结构都有关系,同时叶片的磨损主要是局部磨损。通过提高叶片自身的耐磨性,或使叶片磨损趋于均匀,可以达到延长叶片的使用寿命。主要从叶片材料和结构两个方面着手,采取以下几种常用的措施。
一般风机厂家使用堆焊的效果，在风机的迎风面堆焊一层耐磨层，根据风机工作的温度、粉尘度、粉尘颗粒大小、粉尘的硬度不同而不同。
①一般在高效后向机翼型叶片上附加低锰钢制成的叶片衬板，在叶片进口防磨圆钢两侧增设防磨板；在特殊工况下运行的风机采用后向板形叶片代替机翼型空心叶片。
②在叶片头部正反两面50~70mm宽度、全部堆焊北京固本耐磨焊丝KB450，直径为1.6mm，使用二氧气体气保焊，堆焊3~5mm厚度耐磨层，以增加此部位的抗冲刷磨损。
③在叶片进口高度1/2~2/3处开始堆焊单弧圆心角为60°的人字形波纹，宽度在10~15mm、高度在3~4mm的耐磨条，抵抗多方位烟尘介质的冲刷，增强叶片的耐磨性。
2.2改善叶片(流场)结构
合理设计叶片型线,或通过在叶轮后盖板加导流锥来改变叶片流道型线[34]。可以增加颗粒的径向速度,减小颗粒入口冲角,从而减少颗粒偏离气流的程度,减少碰壁次数。这样就可减轻叶片磨损,提高叶片的使用寿命。
叶片的磨损率与其自身的安装角和气流的流入角有密切的关系。对于硬度较低的塑性材
料,磨损量最大发生在撞击角为15b~30b之间,所以当叶片的压力面是圆弧形的时候,总是存在与尘粒成最不利的撞击角部位,使这部位的切削能力加强,形成磨损最严重的地方。而对于较窄的直板叶片离心风机,只要合理设计叶片安装角,磨损则相对较轻。
2.3选配流场辅助装置
利用风机气垫防磨的原理来改造风机的进气箱,从而改变叶片表面附近的气流条件。基本方法是在进气风筒的中心安装一个圆柱形的腔体或管道,使进气箱入口的气-固两相混合流中的大部分固体颗粒由进气箱四周进入风机叶轮,而较纯净的气流则由圆柱腔内进入风机叶轮。这样,在进气箱的出口(即离心风机叶轮的入口)处颗粒的浓度分布就变成了四周高中间低的状况。而由圆柱腔内进入叶轮的那部分较纯净的气流沿其固有的流线流动,有可能在叶片表面形成一层类似于气垫作用的气体层。这层气体层就起到阻隔颗粒与风机叶片相互碰撞的作用。
实际应用中,可以明显减轻风机叶片的磨损,提高风机效率。前置防磨叶栅或增加导向叶片，风机磨损部位很不均匀,原因是气流中固体粒子分布不均匀,浓度大的地方磨损严重,浓度小的地方磨损较轻。前置防磨叶栅或增加导向叶片都是从气体动力学的角度考虑,设法控制粒子使其均匀分布,从而降低磨损的方法。参考文献
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