李日鵬

（山煤集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500）

引言

礦井排水系統(tǒng)是煤礦井下重要的機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)，主要用于將煤礦井下的積水排出巷道，確保煤礦井下綜采作業(yè)的安全性。作為礦井排水系統(tǒng)的核心，離心泵通過高速的旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為水流的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)排水作業(yè)。因其結(jié)構(gòu)特性，離心泵在高速工作中存在著空化振動(dòng)和噪聲問題，嚴(yán)重影響了礦井排水系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性和排水效率[1]。對以上異常進(jìn)行優(yōu)化的主要方案是通過進(jìn)行水力優(yōu)化來降低空化振動(dòng)和噪聲，但目前為止對水力優(yōu)化方案的研究尚處在較淺的階段，無法有效投入應(yīng)用，在研究過程中人們發(fā)現(xiàn)離心泵的葉片包角與水泵工作時(shí)的振動(dòng)和噪聲具有一定的關(guān)系，因此本文以某型離心式排水泵為對象，以試驗(yàn)驗(yàn)證為基礎(chǔ)，對不同葉片包角情況下水泵工作時(shí)的振動(dòng)、噪聲進(jìn)行研究，為提升礦井排水系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)設(shè)置

本文主要是對離心泵工作時(shí)的振動(dòng)和噪聲情況進(jìn)行監(jiān)測，因此建立了工程流體機(jī)械性能測試試驗(yàn)平臺，該試驗(yàn)平臺可用于模擬離心泵在不同工況下工作的試驗(yàn)性能狀態(tài)。在該試驗(yàn)系統(tǒng)中用于模擬單級離心泵，其工作時(shí)的額定流量為50m3/h，其揚(yáng)程為35m，工作時(shí)的額定轉(zhuǎn)速約為2 700 r/min，其葉片包角為115°，葉輪進(jìn)口位置的直徑是70mm，出口位置的直徑約為170mm，為了充分驗(yàn)證離心泵葉片包角對離心泵的空化誘導(dǎo)振動(dòng)噪聲的影響，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)保證泵體的其他幾何參數(shù)不變，試驗(yàn)狀態(tài)一致，分別對包角為110°、115°、120°、125°情況下葉輪的工作狀態(tài)進(jìn)行研究，試驗(yàn)葉輪結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 離心泵葉輪結(jié)構(gòu)三維模型

試驗(yàn)時(shí)對測點(diǎn)位置的選擇直接關(guān)系到所測試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此在進(jìn)行試驗(yàn)傳感器設(shè)置時(shí)，經(jīng)過多次的驗(yàn)證，將其設(shè)置在進(jìn)出口法蘭、泵體相互垂直的位置及離心泵的腳上，其中位于泵腳位置的傳感器用于給離心泵整體的振動(dòng)信號提供意見參考基礎(chǔ)，各個(gè)傳感器的安裝位置如圖2所示。

圖2 各監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

水聽器采用平齊式的方式安裝在離心泵的側(cè)壁上，用于監(jiān)測離心泵內(nèi)流體流動(dòng)的噪聲，各個(gè)水聽器的測點(diǎn)布置在試驗(yàn)泵出口管路距離出口約4倍的直徑位置，在水聽器和出口閥門之間設(shè)置一層橡膠法蘭，用于消除閥門處的反射影響，同時(shí)為了降低離心泵工作時(shí)管路振動(dòng)對于噪聲和振動(dòng)監(jiān)測精度的影響，在離心泵的出口處增加橡膠管處，并且在離心泵的底座處設(shè)置彈性支腳[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

軸流泵在不同葉片包角情況下的空化性能曲線如下頁圖3所示。

圖3 不同包角下的空化性能曲線

由圖3可知，離心泵的葉片包角φ越大離心泵工作時(shí)的揚(yáng)程則越低，但離心泵在工作時(shí)的必須空化余量變化趨于復(fù)雜，分析為葉片包角增加時(shí)離心泵內(nèi)部的流體在流體的過程中更加平穩(wěn)，但當(dāng)包角增加到一定程度后會(huì)導(dǎo)致水力損失增加，因此當(dāng)離心泵葉片的包角φ=115°的情況下其具有最佳的空化性能。

在研究離心泵的振動(dòng)信號時(shí)，為了便于采集數(shù)據(jù)，可以采用傳感器接收到的振動(dòng)信號的均值方根來表示系統(tǒng)工作時(shí)振動(dòng)量的大小，可表示為[4]：

式中：T為振動(dòng)能量的大小；N為接收到的數(shù)據(jù)信號的個(gè)數(shù)；Xk為系統(tǒng)振動(dòng)信號的測量值。

不同葉片包角情況下各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)強(qiáng)度的大小和系統(tǒng)空化余量的對應(yīng)關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同包角下各測定的振動(dòng)強(qiáng)度變化曲線

由分析結(jié)果可知，在不同包角下各監(jiān)測點(diǎn)所測得的離心泵工作時(shí)的振動(dòng)變化規(guī)律均呈現(xiàn)了先逐漸降低，然后再基本維持不變，這充分說明了在工作中當(dāng)離心泵在空化之前，其振動(dòng)強(qiáng)度是基本穩(wěn)定的，當(dāng)發(fā)生空化后，空化余量越小，說明其工作時(shí)空泡破裂越多，振動(dòng)就越大。離心泵工作時(shí)的包角越小其工作時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度就越小，包角越大其工作時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度就越大。

3 葉片包角對離心泵工作噪聲的影響

在離心泵的額定工況下，分別對無空化工況、揚(yáng)程下降3%兩種工況下的噪聲特性進(jìn)行研究，所測得在兩種工況下的噪聲頻譜如圖5所示。

圖5 不同工況下噪聲頻譜

由分析可知，當(dāng)離心泵在無空化狀態(tài)下工作時(shí)，葉片包角越大，工作時(shí)的軸頻能量的最大值越小，當(dāng)葉片包角為110°時(shí)其峰值能量最大，當(dāng)離心泵處于揚(yáng)程下降3%工況時(shí)，工作時(shí)的軸頻能量則隨著葉片包角的增加先逐漸增大然后再降低，當(dāng)包角在125°情況下試驗(yàn)泵的能量峰值顯著增大，其在頻率為1 800～2 200 Hz的頻段內(nèi)，其噪聲受到系統(tǒng)空化影響最為顯著，能量的最大值隨著空化程度的加大而先變大后變小。

4 結(jié)論

1）離心泵的葉片包角越大離心泵工作時(shí)的揚(yáng)程則逐步降低，但離心泵在工作時(shí)的必須空化余量變化趨于復(fù)雜，當(dāng)離心泵的葉片的包角為115°的情況下其具有最佳的空化性能。

2）離心泵在工作中當(dāng)在空化之前，其振動(dòng)強(qiáng)度是基本穩(wěn)定的，當(dāng)發(fā)生空化后，空化余量越小，說明其工作時(shí)空泡破裂越多，振動(dòng)就越大。離心泵工作時(shí)的包角越小其工作時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度就越小，包角越大其工作時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度就越大。

3）當(dāng)包角在125°情況下試驗(yàn)泵的能量峰值顯著增大，其在頻率為1 800～2 200 Hz的頻段內(nèi)，其噪聲受到系統(tǒng)空化影響最為顯著，能量的最大值隨著空化程度的加大而先變大后變小。