ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС С ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫМИ ЭЛАСТОМЕРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ (ВАРИАНТЫ)
CENTRIFUGAL PUMP WITH PRESTRESSED ELASTOMER ELEMENTS OF FLOW PART (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании пульповых центробежных насосов, предназначенных для перекачки рудных пульп на горно-обогатительных комбинатах.
Одной из проблем пульповых центробежных насосов является быстрый износ элементов (Изделия, из которых сложен насос, в технической литературе называют деталями, а наиболее крупные из них, например рабочее колесо, корпус насоса и др. - элементами насоса. В данном случае рассматриваются наиболее крупные детали насоса: рабочее колесо, бронедиск, футеровка насоса и др., для которых более характерно принятое нами название - элементы насоса) насоса, контактирующих в проточной части с движущейся пульпой, насыщенной абразивными зернами различных горных пород. Быстрому износу подвергаются также поверхности в узком пространстве между стенкой крышки насоса и вращающимся рабочим колесом в связи с рециркуляцией пульпы.
Известны центробежные насосы, в которых с целью предотвращения износа металлических поверхностей применяют покрытие их слоем полиуретанового эластомера.
Наиболее близким к изобретению является центробежный насос с предварительно напряженными эластомерными элементами проточной части, содержащий улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри конструктивными элементами из полиуретанового эластомера, полиуретановые рабочее колесо и передний бронедиск, стальные приводной вал с системой уплотнения, подшипники вала (Кондрашов Л.И. Обзор современных пульповых насосов. Москва, Горная техника, 2005).
Однако ресурс полиуретановых элементов проточной части насоса остается недостаточным, учитывая, что с износом полиуретана изменяется сечение пульпового канала и ухудшаются гидротехнические параметры насоса, а частая замена полиуретановых футеровок связана со значительными материальными затратами.
Известно повышение прочности и долговечности термопластовых полимеров путем их обработки сжатием в твердом состоянии (объемная и листовая штамповка, прокатка. См. Физико-химические основы переработки полимеров в изделия для машин и оборудования. Тамбов, ТГТУ, 2005).
В основе явления повышения прочности термопластов лежит изменение их внутреннего строения, происходящее при пластической деформации под действием высоких давлений. Недостатками этого способа являются необходимость создавать сложные формы, способные передавать высокое давление на принятые конфигурации изделий, и частичное снижение прочностных свойств в изделиях при снятии с них нагрузок.
Сведения об эффективности этого способа для полиуретанов отсутствуют. Исследования авторов данного изобретения показали, что прочностные свойства полиуретанов повышаются при сравнительно небольших постоянных давлениях, создающих упругие и высокоэластичные деформации полотна полиуретана и поддерживающих его в напряженном состоянии. Величины необходимого для этого давления на нолиуретаны разных марок составляют 0,5-5 мПа.
Задача изобретения - повышение износостойкости элементов насоса, изготовленных из полиуретана, и, соответственно, увеличение межремонтного срока эксплуатации насоса при сохранении постоянства его гидротехнических параметров.
Технический результат достигается за счет того, что в центробежном насосе с предварительно напряженными эластомерными элементами проточной части, содержащем улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри конструктивными элементами из полиуретанового эластомера, подиуретановые рабочее колесо и передний бронедиск, стальные приводной вал с системой уплотнения, подшипники вала, согласно изобретению по первому варианту в центральную часть полиуретанового полотна элемента футеровки корпуса со стороны привода с целью деформации полотна и создания в нем напряжения сжатия встроена концентрически с центральным отверстием в полотне кольцевая пружина сжатия в сжатом состоянии (далее сжатая кольцевая пружина), изготовленная из закаленной рессорно-пружинной стали и развивающая давление на полиуретан 0,5-5 мПа, а для радиального перемещения буртика, опоясывающего центральное отверстие в полиуретановом полотне элемента футеровки, в поверхности заднего диска рабочего колеса насоса предусмотрено углубление в виде кольцевой прямоугольной канавки, в которую входит буртик.
При этом в центральную часть полиуретанового полотна футеровки корпуса могут быть встроены концентрически с центральным отверстием в полотне 2-4 сжатые кольцевые пружины.
В полиуретановое полотно элемента футеровки корпуса, по его периферии, может быть встроено концентрически с кольцевыми пружинами кольцо, изготовленное из стального проката (далее упорное кольцо).
В полиуретановое полотно переднего бронедиска могут быть встроены 1-3 сжатые кольцевые пружины, расположенные концентрически в центральной части бронедиска, развивающие давление сжатия полиуретана 0,5-5 мПа, и одно стальное упорное кольцо, расположенное на периферии полотна бронедиска концентрически с кольцевыми пружинами.
В полиуретановое полотно каждого из дисков рабочего колеса в центральной его части концентрически с центральными отверстиями в дисках могут быть встроены по 1-3 сжатых кольцевые пружины, развивающих по 0,5-5 мПа давления сжатия полиуретана, и по одному упорному кольцу, расположенному в периферической части полотна каждого диска.
Технический результат достигается также тем, что в центробежном насосе, содержащем улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри конструктивными элементами из полиуретанового эластомера, полиуретановые рабочее колесо и передний бронедиск, стальные приводной вал с системой уплотнения, подшипники вала, согласно изобретению по второму варианту в полиуретановое полотно элемента футеровки корпуса со стороны привода встроено по периферии 1-4 кольцевые пружины растяжения в растянутом состоянии (далее разжатые кольцевые пружины), развивающие давление сжатия полиуретана 0,5-5 мПа.
При этом в центральной части полиуретанового полотна элемента футеровки корпуса со стороны привода может быть встроено концентрически с кольцевыми пружинами стальное упорное кольцо.
Технический результат достигается также тем, что в центробежном насосе, содержащем улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полиуретанового эластомера, полиуретановое рабочее колесо, стальные приводной вал с системой уплотнения, подшипники вала, согласно изобретению по третьему варианту в полиуретановое полотно элемента футеровки крышки насоса встроены концентрически с центральным отверстием в полотне по периферии разжатая кольцевая пружина и в центральной части - упорное кольцо.
Технический результат достигается также тем, что в центробежном насосе, содержащем улиткообразные корпус и крышку, футерованные внутри элементами из полимеров, полимерное рабочее колесо, стальные приводной вал с системой уплотнения, подшипники вала, согласно изобретению по четвертому варианту полотна элементов футеровки корпуса и крышки состоят из соединенных между собой посредством склеивания или термической сварки двух слоев полимеров, обладающих различными по величине коэффициентами линейного теплового расширения в пределах 50-500%, при этом слой, например, из полиуретанового эластомера, обращенный к внутренней полости насоса, обладает меньшим коэффициентом линейного теплового расширения, чем приклеенный или приваренный к нему слой из другого эластомера или термопласта.
Таким образом, в устройство насоса внесены новые конструктивные элементы: кольцевые пружины, создающие постоянное напряжение в наиболее изнашиваемых полиуретановых элементах насоса, благодаря которому повышается их прочность и износостойкость.
Для образования так называемого предварительно напряженного полиуретана в его полотне созданы постоянные напряжения, вызывающие упругие или высокоэластичные деформации полиуретана.
Как показали проведенные авторами данного изобретения испытания, прочность и износостойкость нолиуретана, находящегося в постоянно сжатом состоянии, начинают значительно повышаться уже при его деформации на 2-3%, при снятии нагрузки достигнутые показатели прочности снижаются.
Особенностью упрочняющего полиуретан сочетания: стальная пружина полиурегановое полотно является то, что энергия пружины передается полиуретану на его упругую или высокоэластичную деформацию и сопутствующее упрочнение, которое срабатывает при абразивных воздействиях на полиуретан. По мере износа полиуретана и утончения его полотна автоматически увеличивается деформация полиуретана пружиной и напряжение в нем, что способствует повышению срока службы элементов насоса. Так как элементы насоса, изготовляемые из полиуретана, имеют округлую форму, то для достижения равномерного распределения давления в полотне полиуретана наиболее эффективна кольцевая форма пружины.
В предлагаемой конструкции насоса впервые применено сжатие полиуретанового полотна элементов насоса кольцевыми пружинами. В полиуретановое полотно каждого из элементов встроено от 1 до 2-4-х сжатых или разжатых внешними усилиями кольцевых пружин самостоятельно или в сочетании с замкнутыми стальными кольцами, названными нами «упорными кольцами» в связи с их функциями препятствовать распространению деформации полиуретана за пределы этих колец.
Сжатые кольцевые пружины, внутреннее напряжение которых направлено на разжатие дуг кольца, помещены в центральную часть полиуретановых полотен, а разжатые, работающие на сжатие, - по периферии.
Наиболее эффективно сочетание встроенных в полотно полиуретана кольцевых пружин с упорными кольцами, которые располагаются концентрически со сжатыми кольцевыми пружинами по периферии, а при разжатых - в центральной части полиуретановых полотен. В обоих случаях при разжатии или сжатии кольцевых пружин происходит сжатие и деформация полиуретанового полотна в плоскости между кольцевой пружиной и упорным кольцом. Стальное упорное кольцо, препятствуя распространению деформации за пределы кольца, сохраняет тем самым внешние формы и размеры напрягаемого полотна.
Усиление сжимающего воздействия на полиуретан достигается увеличением количества концентрически устанавливаемых кольцевых сжатых или разжатых пружин при одном упорном кольце или его заменой на сжатую или разжатую пружину противоположного остальным пружинам действия.
На фиг.1 изображен общий вид центробежного насоса предлагаемой конструкции.
На фиг.2 - фронтальный вид предварительно напряженного элемента футеровки корпуса насоса.
На фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.
На фиг.4 - общий вид внутренней кольцевой пружины в разжатом состоянии.
На фиг.5 - то же, в сжатом состоянии.
На фиг.6 - скрепленные концы сжатой кольцевой пружины.
На фиг.7 - фронтальный вид разреза предварительно напряженного элемента футеровки корпуса насоса с внешней разжатой кольцевой пружиной.
На фиг.8 - разрез А-А на фиг.7.
На фиг.9 - общий вид внешней кольцевой пружины.
На фиг.10 - то же, в рабочем состоянии.
На фиг.11 - фронтальный вид предварительно напряженного элемента футеровки корпуса с расположением внутренней сжатой кольцевой пружины и внешнего упорного кольца при их сочетании в одном полиуретановом полотне.
На фиг.12 - разрез А-А на фиг.11.
На фиг.13 - расположение сжатых кольцевых пружин при увеличении их количества до 2-х.
На фиг.14 - то же, при увеличении их количества до 3-х.
На фиг.15 - расположение кольцевой сжатой пружины и упорного кольца в бронедиске.
На фиг.16 - разрез А-А на фиг.15.
На фиг.17 - центральный разрез предварительно напряженных полиуретановых элементов насоса.
На фиг.18 - разрез А-А на фиг.17.
На фиг.19 - разрез модификации предлагаемого центробежного насоса.
На фиг.20 - фронтальный вид предварительно напряженного элемента футеровки крышки.
На фиг.21 - разрез А-А на фиг.20.
На фиг.22 - элемент футеровки корпуса насоса из двух слоев полимеров, склеенных или сваренных между собой.
На фиг.23 - разрез А-А на фиг.22.
На фиг.1 приведен общий вид центробежного насоса предлагаемой конструкции. Насос состоит из корпуса 1, крышки 2, предварительно напряженной полиуретановой футеровки 3 корпуса 1, переднего бронедиска 4 из предварительно напряженного полиуретана, внутренних сжатых кольцевых пружин 5, 6 соответственно футеровки корпуса 1 и переднего бронедиска 4, внешних упорных колец 7, 8 соответственно футеровки 3 корпуса 1 и переднего бронедиска 4, рабочего колеса 9 с дисками из предварительно напряженного полиуретана, буртика 10, опоясывающего центральное отверстие 19 (фиг.1, 2) полотна футеровки 3 корпуса 1, кольцевой прямоугольной канавки 11 в поверхности диска рабочего колеса 9, внутренних сжатых кольцевых пружин 12 в дисках рабочего колеса 9, упорных стальных колец 13 в дисках рабочего колеса 9, системы уплотнения 14 приводного вала 16, станины 15, подшипников 17 приводного вала 16, всасывающего пульпу патрубка 18.
Пульпа поступает через всасывающий патрубок 18 в проточную часть насоса, где разгоняется лопатками рабочего колеса 9 и подается в выходное отверстие насоса. Предварительно напряженный полиуретан в проточной части обеспечивает благодаря своей высокой износостойкости постоянство параметров движения пульпы.
На фиг.2 и 3 приведены фронтальный вид и разрез предварительно напряженного элемента футеровки 3 корпуса 1 насоса, на которых показано расположение в полотне элемента непосредственно у центрального его отверстия 19 внутренней сжатой кольцевой пружины 5, работающей на разжатие, сжимая при этом полиуретан за пределами кольца пружины 5.
1
1
4
3
Сжатая кольцевая пружина 5 представляет собой изготовленное из проката из рессорно-пружинной стали разомкнутое на /-/ кольцо, замкнутое внешними усилиями до стыка концов.
Общий вид внутренней кольцевой пружины 5 в разжатом и сжатом состояниях приведен на фиг.4-6, где на фиг.4 изображено изготовленное из проката из пружинно-рессорной стали разомкнутое пружинное кольцо, на фиг.5 - разомкнутое пружинное кольцо, приведенное внешними усилиями в сжатое состояние, при котором концы внешними усилиями сводятся до контакта между собой - фиг.6 и скрепляются тонким стержнем 21, продеваемым сквозь отверстия 22 в прутке 20 пружины 5.
При изготовлении предварительно напряженного полиуретанового элемента сжатое пружинное кольцо помещается в форму и заливается расплавленным полиуретаном. После прохождения всех фаз формирования полиуретанового изделия и его охлаждения из отверстий 22 удаляется стержень 21, кольцевая сжатая пружина 5 приводится в состояние разжатия, сжимая полиуретановое полотно за своими пределами.
На фиг.7, 8 приведены фронтальный вид и разрез предварительно напряженного элемента футеровки 3 корпуса 1 насоса, на котором показано расположение внешней разжатой кольцевой пружины 23, работающей на сжатие полотна полиуретана, расположенного внутри кольца пружины 23.
Внешняя разжатая кольцевая пружина 23 представляет собой изготовленное из проката из рессорно-пружинной стали кольцо, разжатое внешними усилиями на заданный угол. Общий вид вешней кольцевой пружины 23 приведен на фиг.9, 10. Показана изготовленная кольцевая пружина 23 в сжатом состоянии - фиг.9 и приведенная в рабочее состояние - фиг.10, при котором концы ее внешними усилиями на определенный угол разведены, а в промежуток между ними вставлены две гнутые пластины 24 с отверстиями, в которые вставлены стержни 25, удерживающие кольцевую пружину 23 в разжатом состоянии.
Сжатие полиуретанового полотна разжатой кольцевой пружиной 23 осуществляется в плоскости ограниченного ею круга после удаления стержней 25 из отверстий пластин 24. Встраивание разжатой кольцевой пружины 23 в полиуретановое полотно изделия аналогично встраиванию сжатой кольцевой пружины 5.
На фиг.11, 12 приведен фронтальный вид и разрез предварительно напряженного элемента футеровки 3 корпуса 1, на которых показано расположение внутренней сжатой кольцевой пружины 5 и внешнего упорного кольца 7 при их сочетании в одном полиуретановом полотне.
Заданная величина напряжения сжатия полиуретана достигается за счет выбора соответствующего профиля проката и марки рессорно-пружинной стали при изготовлении кольцевых пружин 5 или количества устанавливаемых пружин 5, располагая их концентрически между центральным отверстием 19 и упорным кольцом 7.
На фиг.13 показано концентрическое расположение сжатых кольцевых пружин 5 при увеличении их количества до 2-х, аналогично располагаются кольцевые пружины при их увеличении до 3х-4х (фиг.14).
Подобным образом располагаются кольцевая сжатая пружина 6 и упорное кольцо 8 в бронедиске 4 (фиг.15, 16).
В другом случае усиление сжимающего воздействия на полиуретан достигается за счет того, что устанавливаются вместо упорных колец внутри и на периферии кольцевые пружины: сжатые в центре, разжатые на периферии.
На фиг.17 приведен центральный разрез предварительно напряженных полиуретановых элементов насоса: футеровки 3 и рабочего колеса 9. На фиг.18 - вертикальное сечение А-А футеровки 3 корпуса 1 насоса. Показано расположение внутренних сжатых кольцевых пружин 12 и внешних упорных колец 13 в полиуретановых дисках рабочего колеса 9, буртика 10, опоясывающего центральное отверстие в элементе футеровки 3 корпуса 1 насоса и входящего в кольцевую прямоугольную канавку 11 на поверхности заднего диска рабочего колеса 9. Канавка 11 выполняет следующие функции. При разжатии внутренней кольцевой пружины 12, сопровождающемся расширением центрального отверстия в полиуретановом полотне 19 (фиг.2), выступающий над полотном буртик 10 перемещается поперек канавки 11, не препятствуя разжатию этой пружины 12. В то же время буртик 10, входящий в канавку 11 диска, уменьшает рециркуляцию пульпы между задним диском рабочего колеса 9 и элементом предварительно напряженной полиуретановой футеровки 3 насоса.
На фиг.19 приведен разрез модификации предлагаемого центробежного насоса, в котором вместо бронедиска применена футеровка 26 крышки 2 насоса из напряженного полиуретана. Насос состоит из корпуса 1, крышки 2, предварительно напряженной футеровки 3 корпуса 1, с внутренней сжатой кольцевой пружиной 5 и внешним упорным кольцом 7, футеровки 26 крышки 2 с внешней разжатой кольцевой пружиной 27 и упорным кольцом 28, рабочего колеса 9 с дисками из предварительно напряженного полиуретана, буртика 10, опоясывающего центральное отверстие в полотне футеровки 3 корпуса 1, кольцевой прямоугольной канавки 11 в поверхности диска рабочего колеса 9, внутренних сжатых кольцевых пружин 12 в дисках рабочего колеса 9, упорных стальных колец 13 в дисках рабочего колеса 9, системы уплотнения 14 приводного вала 16, станины 15, подшипников 17 приводного вала 16, всасывающего пульпу патрубка 18.
На фиг.20 и 21 приведены фронтальный вид и разрез предварительно напряженного элемента футеровки 26 крышки 2, на которых показано концентрическое расположение в нем разжатой пружины 27 и упорного кольца 28.
Дополнительные разжатые кольцевые пружины располагаются между упорным кольцом 28 и разжатой пружиной 27 концентрически с ними.
В качестве иного варианта механизма создания постоянного напряжения в полотне полиуретана предлагается склеивание или термическая сварка слоя полиуретана со слоем полимера, обладающим отличным от полиуретана коэффициентом линейного теплового расширения.
При прочном соединении слоев в нагретом состоянии и их последующем охлаждении в слое, обладающем меньшим коэффициентом линейного теплового расширения, возникает напряжение сжатия за счет большей усадки слоя с большим коэффициентом расширения при равной у обоих слоев температуре охлаждения.
На фиг.22 показан элемент футеровки 3 корпуса 1 насоса из двух слоев 29, 30 полимеров, склеенных или сваренных между собой. Внутренний слой 29 образован полиуретановым эластомером с меньшим коэффициентом линейного теплового расширения, внешний слой 30 из полиуретана, обладающего большим коэффициентом линейного теплового расширения. Аналогично строение двухслойного элемента футеровки 26 крышки 2 насоса. Сжатие и напряжение полиуретанового слоя достигается при следующей технологии изготовления двухслойного элемента футеровки 3: в первую очередь в форму заливается, образуя внешний слой 30, полиуретан с большим коэффициентом расширения и обрабатывается согласно принятой технологии до конечного охлаждения. Затем сверху заливается, образуя внутренний слой 29, полиуретан с меньшим коэффициентом расширения, при этом разогревается и расширяется внешний охлажденный слой полиуретана. При последующем охлаждении двухслойного элемента футеровки 3 происходит сжатие внутреннего полиуретанового слоя 29 за счет большей усадки внешнего слоя 30.
Эффект сжатия повышается при сочетании при изготовлении двухслойных полимерных элементов насоса полиуретановых эластомеров, коэффициент линейного теплового расширения которых не превышает 60-70 ед. с другими полимерами типа фторопласта (коэффициент расширения 280 ед.), полиэтилена (200 ед.).
Промышленная полезность данного изобретения заключается в повышении срока межремонтной службы насоса при снижении колеблемости гидродинамических параметров перекачиваемой пульпы, зависящей от темпов износа элементов проточной части насоса и частоты их замены.