CN111102237A - 一种耐磨叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨叶轮，包括前盖板、后盖板以及叶片、叶轮轴柄、前盖板骨架、后盖板骨架以及穿过叶片的叶片骨架；所述前盖板骨架、后盖板骨架和叶片骨架分别设置在橡胶材质的前盖板、后盖板以及叶片的内部；所述前盖板的外侧设有和前盖板粘接成一体的第一衬板，所述后盖板的外侧设有和后盖板粘接成一体的第二衬板。本发明提供的一种耐磨叶轮，其结构巧妙，相比现有技术的耐磨叶轮，具有寿命长、可靠性高、使用范围广、性价比高的优点。

Description

一种耐磨叶轮

技术领域

本发明涉及回转动力泵设备领域，尤其涉及一种耐磨叶轮。

背景技术

在选矿和冶炼等行业，经常要用离心泵输送一些有磨蚀性的固液两相流，这时常选用耐磨泵。叶轮是耐磨泵中重要的部件，在一些条件恶劣的工况下，叶轮的磨损十分严重，为提高叶轮的寿命，常采用耐磨材料制造叶轮。最常见的材料有耐磨合金，如Cr26、Cr15Mo3、Cr27等，还有采用橡胶制造叶轮的，这两种耐磨叶轮已问世100年左右并得到了广泛应用。这两种材料制造的叶轮各有其优缺点，耐磨合金的优点是应用范围广，可以在高扬程(一般指扬程40米以上)和有大颗粒(一般是指粒度在1-10mm的颗粒)的工况下应用，其缺点是抗汽蚀性能差，不能在有腐蚀性的介质中应用；橡胶叶轮的优点是可以在有大颗粒的工况下应用，耐腐蚀、耐汽蚀性能好，制造成本较低，但不能应用在高扬程工况和矿石坚硬且有棱角的工况。陶瓷材料有极好的耐磨性、耐腐性和抗汽蚀性能，可以应用在高扬程工况，因此很早就有人研究将陶瓷材料应用于耐磨叶轮的制造；但由于陶瓷材料有抗冲击性差、工艺困难、成本较高、可靠性较差等方面的缺点，陶瓷叶轮在耐磨泵的应用进展极其缓慢。随着技术的进步，虽已有部分陶瓷叶轮应用在耐磨泵领域，但陶瓷叶轮耐冲击性差、可靠性差、成本高的缺点并未得到根本解决，这大大限制了其应用。

综上所述，现有技术的耐磨叶轮不论是采用耐磨合金材质、橡胶材质还是陶瓷材质，均存在寿命、可靠性或成本等方面的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，提供一种结构巧妙，结构巧妙，相比现有技术的耐磨叶轮，具有寿命长、可靠性高、使用范围广、性价比高的优点。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种耐磨叶轮，包括位于叶轮吸入口侧的前盖板、位于驱动侧的后盖板以及位于前盖板和后盖板之间的叶片，所述前盖板、后盖板以及叶片均为橡胶材质，还包括叶轮轴柄、前盖板骨架、后盖板骨架以及穿过叶片将前盖板骨架和后盖板骨架连接在一起的叶片骨架；所述前盖板骨架、后盖板骨架和叶片骨架分别设置在前盖板、后盖板以及叶片内部；所述前盖板的外侧设有和前盖板粘接成一体的第一衬板，所述后盖板的外侧设有和后盖板粘接成一体的第二衬板。

作为本发明的更进一步改进，所述第一衬板和第二衬板的制作材料皆为陶瓷；所述叶轮轴柄、前盖板骨架、后盖板骨架以及叶片骨架的制作材料为金属。

作为本发明的更进一步改进，所述第一衬板和第二衬板上设有表面经过粗糙处理的粘接面。

作为本发明的更进一步改进，所述叶片的工作面上设有和叶片粘接成一体的叶片衬板，所述叶片衬板轴向延伸至前盖板或后盖板两者中至少一个内。

作为本发明的更进一步改进，所述叶片衬板的制作材料为陶瓷。

作为本发明的更进一步改进，所述叶片衬板上设有表面经过粗糙处理的粘接面。

作为本发明的更进一步改进，所述第一衬板的外侧设有第一副叶片。

作为本发明的更进一步改进，所述第二衬板的外侧设有第二副叶片。

作为本发明的更进一步改进，所述第一衬板或第二衬板两者中至少一个为多块扇形陶瓷片拼合而成的环形。

作为本发明的更进一步改进，所述第一衬板与前盖板之间或第二衬板与后盖板之间，设置有浸渍树脂的纤维布。

有益效果

与现有技术相比，本发明的一种耐磨叶轮的优点为：

1、在叶轮的前盖板的外侧设置陶瓷材质的第一衬板或在后盖板的外侧设置陶瓷材质的第二衬板，这种结构有以下两种好的效果：

其一是陶瓷材质较橡胶材质有好得多的抗划伤能力和耐高速冲刷能力，可以防止叶轮两侧出现快速磨损而失效或效率显著下降，因而可以提高叶轮的寿命和效率，特别是在高扬程工况运行时尤为明显；

其二是第一衬板和第二衬板是粘接在橡胶材质上的，叶轮工作时，作用在第一衬板和第二衬板的冲击能量可以被橡胶吸收，因而可以大大降低陶瓷破裂的概率，同时由于橡胶和陶瓷材质之间有良好的粘接性能，采用适宜的粘接剂可以将第一衬板或第二衬板可靠地粘接在橡胶材质上，即使第一衬板或第二衬板因冲击出现破裂或裂纹，也难以从叶轮上发生脱落，叶轮仍可长时间继续使用，因此这种叶轮相对全陶瓷材质的叶轮抗冲击性能好得多，其可靠性也相对提高，事实证明，此前对本发明可靠性的担心是完全多余的，在使用中并没有发生第一衬板或第二衬板整体脱落的情况；

2、叶轮包括金属材质的叶轮轴柄、前盖板骨架、后盖板骨架、穿过叶片将前盖板骨架和后盖板骨架连接在一起的叶片骨架，这种结构可以保证叶轮的强度，防止因橡胶材质强度不足而变形损坏；前盖板骨架被前盖板上的橡胶材质包覆，后盖板骨架被后盖板上的橡胶材质包覆，叶片骨架被叶片上的橡胶材质包覆，可以防止骨架被流体冲刷磨损；

3、叶片的工作面相对叶轮流道的其它部位，运行时受颗粒划伤磨损的作用更强，且冲击的速度更大，如果颗粒坚硬且有棱角，叶片工作面会急速磨损，在叶片的工作面设置陶瓷材质的叶片衬板，可以提高这些工况下叶片的寿命从而延长叶轮的寿命，由于叶片衬板和叶片中的橡胶材质被粘接成一个整体，橡胶可以吸收叶片受到冲击的能量，因此可以大大提高叶片衬板的抗冲击能力，将叶片衬板向轴向延伸至前盖板或后盖板两者中至少一个的橡胶材质内，不但可以提高叶片安放的可靠性，还可以防止叶片衬板出现破裂时发生脱落；

4、本发明提供的叶轮，由于在局部磨损严重的部位设置了陶瓷衬板，相对橡胶叶轮的制造成本有较大上升，但其成本较陶瓷叶轮要低不少，但其部分性能已接近或达到陶瓷叶轮，因而本发明提供的叶轮较橡胶叶轮或陶瓷叶轮有更高的性价比；

5、橡胶材质的副叶片是最易被磨损的部位，副叶片磨损后会导致泵的效率下降或密封性能下降，在第一衬板或第二衬板上设置副叶片，不但可以大幅提高叶轮的寿命，还可以提高叶轮整个寿命周期内的效率或保持较好的密封效果；

6、对于大型叶轮，第一衬板、第二衬板的外形尺寸较大，不但制造的难度较大，使用和安装过程也易发生破裂，，将第一衬板或第二衬板由多块扇形陶瓷片拼合而成，使得陶瓷片不但易于加工，也不易发生破裂；

7、陶瓷和橡胶之间采用粘接剂，可以将二者可靠的粘接，在陶瓷片的接合面上作提高粗糙度的粗糙处理，可以进一步提高粘接的可靠性；

8、在第一衬板与前盖板之间或第二衬板与后盖板之间，设置有浸渍有树脂的纤维布，纤维布的材质或为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或高分子聚乙烯纤维等，这种结构的优点是：陶瓷材质的第一衬板或第二衬板与这类有很高强度和韧性的纤维材料复合后，可以提高第一衬板或第二衬板的机械强度，同时，还可以提高粘接的可靠性；

9、本发明提供的耐磨叶轮，相比现有技术的耐磨叶轮，具有寿命长、可应用于颗粒坚硬且有棱角的工况，可适用于更高的扬程；相对现有技术的陶瓷叶轮，有更高的可靠性和耐冲击性能，同时还具有更高的性价比。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的剖视图；

图2为本发明实施例1中骨架的立体图；

图3为本发明实施例1中第一衬板的立体图；

图4为本发明实施例1中第二衬板的立体图；

图5为本发明实施例2的剖视图；

图6为本发明实施例2中第一衬板的立体图；

图7为冲击角的示意图；

图8是叶轮出口的速度矢量图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例。

长期以来，本领域技术人虽然都知道橡胶有成本低、耐冲击性能好、耐划伤性能较差的特点，但并没有对橡胶叶轮磨损失效的方式和原因进行深入的研究和分析，总结橡胶叶轮磨损的规律，本发明在对橡胶叶轮的磨损规律进行分析和研究后，找到了橡胶叶轮在不同部位的磨损速度差异很大的主要原因，即颗粒冲击角度α和冲击速度v的不同,如图7是颗粒冲击材料的冲击角度α的示意图，α的角度在0-90°之间，当α角度较小时，颗粒对材料的磨损主要体现为划伤磨损，当α角度较大时，颗粒对材料的磨损主要体现为冲击磨损；图8是叶轮出口的介质速度矢量图，其中u为叶轮出口处的线速度，w为介质流出叶轮时相对叶轮的速度，v为介质相对泵体的速度，为提高过流件的寿命和叶轮的通过性，耐磨叶轮的流道较一般较清水泵叶轮的流道要明显加宽，因此耐磨叶轮在正常工况时，叶轮出处的线速度u是明显高于介质流出叶轮的速度w的，也就是说，介质中颗粒冲击叶轮两侧的速度是普遍高于颗粒冲击流道的速度的；另一方面，由于耐磨叶轮的两侧和泵体之间的间隙较小，一般在1-10mm之间，介质中的颗粒被限制在叶轮两侧和泵体之间狭窄的空间内高速流动，可以想象其冲击叶轮两侧的角度α会普遍小于颗粒冲击叶轮流道的角度；这两个原因叠加在一起，导致叶轮在前后盖板处的磨损速度明显高于叶轮流道的磨损速度。我们的研究还表明，橡胶材质和陶瓷材对于摩擦损伤和冲击损伤的抵抗能力差异是很大的，当颗粒以较小的冲击角度α划割硬度很大的陶瓷材料时，陶瓷材料会将颗粒弹开，因而划割作用对陶瓷材料的损伤较小；当颗粒以较小的冲击角度α划割柔软的的橡胶材料时，橡胶材料难以将颗粒弹开，因此橡胶材料的划伤程度较陶瓷材料要严重，特别是当颗粒硬度较高且有棱角进，叶轮两侧的外表面，由于颗粒冲击角较小，线速较高，橡胶更易被划伤，而在流道内，特别是流道两侧和叶片的非工作面，由于流道较宽，冲击角也较大，橡胶表面被划伤而磨损的速度较叶轮两侧要慢得多。当叶轮的线速度达到30m/s以后，介质中颗粒对橡胶材质的磨损速度会急速增加,有些研究者称这个线速度为橡胶材质的临界速度，这个临界速度决定了橡胶叶轮的扬程超过40米以后寿命会急剧下降，但陶瓷材质的临界速度要高得多，部分陶瓷的临界速度可以达到50m/s左右，因此陶瓷叶轮可以实现的扬程可达到100m左右，其原因主要就是陶瓷材料相对橡胶材料有好得多的抗划伤性能和更高的临界速度。

如上所述，众所周知，橡胶和陶瓷是两种性能截然不同的耐磨材料，前者是常见耐磨材料中弹性最好、耐冲击、极柔软的材料，而后者是常见耐磨材料中硬度仅次于金刚石、弹性极极差、不耐冲击的材料，这使得本领域技术人员难以同时对两种材料的磨损机理进行研究，更不易想到将两种性能截然相反的材料通过特定的方式复合成高速旋转的耐磨叶轮会在可靠性、使用范围和性价比方面有较大提升，本发明突破了本领域技术人员的偏见，将两种性能截然不同的耐磨材料选择特定的方式组合成复合叶轮，从而使叶轮的可靠性、使用范围、性价比方面有显著提高。

实施例1

如图1-4所示，一种耐磨叶轮，包括位于叶轮吸入口侧的前盖板105和位于驱动侧的后盖板106，位于前盖板105和后盖板106之间的叶片108，还包括金属材质的叶轮轴柄107、前盖板骨架103、后盖板骨架104、穿过叶片108将前盖板骨架103和后盖板骨104架连接在一起的叶片骨架102。前盖板骨架103、后盖板骨架104和叶片骨架102分别设置在前盖板105、后盖板106以及叶片108内部；在前盖板105的外侧设置有和前盖板105上的橡胶材质粘接成一体的陶瓷材质的第一衬板109，在后盖板106的外侧设置有和后盖板106上的橡胶材质粘接成一体的陶瓷材质的第二衬板110。

第一衬板109和第二衬板110的材质为反应烧结碳化硅，第一衬板109和第二衬板110被粘接剂分别粘接在前盖板105和后盖板106上，粘接剂可采用环氧树脂胶水。

在第一衬板109的外侧设置有第一副叶片1091，在第二衬板110的外侧设置有第二副叶片1101。

如图2所示，前盖板骨架103和后盖板骨架104和叶片骨架102通过焊接成为一个整体，在橡胶硫化前放入模具中。

本实施例适用于0-40m的中低扬程，颗粒的中径粒度在0.01mm-0.1mm的工况。

实施例2

如图5-图6所示，一种耐磨叶轮，包括位于叶轮吸入口侧的前盖板105和位于驱动侧的后盖板106，位于前盖板105和后盖板106之间的叶片108，还包括金属材质的叶轮轴柄107、前盖板骨架103、后盖板骨架104、穿过叶片108将前盖板骨架103和后盖板骨104架连接在一起的叶片骨架102。前盖板骨架103、后盖板骨架104和叶片骨架102分别设置在前盖板105、后盖板106以及叶片108内部；在前盖板105的外侧设置有和前盖板105上的橡胶材质粘接成一体的陶瓷材质的第一衬板109，在后盖板106的外侧设置有和后盖板106上的橡胶材质粘接成一体的陶瓷材质的第二衬板110。

第一衬板109和第二衬板110的材质为反应烧结碳化硅，第一衬板109和前盖板105之间还设置有碳纤维布112或者在第二衬板110和后盖板106之间设置有碳纤维布112。碳纤维布112浸渍有环氧树脂，被粘接剂分别粘接在前盖板105和后盖板106上；同时，在叶片108的工作面上设置有和叶片108上橡胶材质粘接成一体的氧化铝陶瓷材质的叶片衬板111。在本实施例中，如图5所示，将叶片衬板111向轴向延伸至前盖板105或后盖板106两者中的橡胶材质内，不但可以提高叶片108安放的可靠性，还可以防止叶片衬板111出现破裂时发生脱落。制造时叶片衬板111在橡胶硫化前定位在模具上，以保证叶片衬板111在硫化后可靠的被固定。

本实施例的叶轮直径为630mm，外形尺寸较大。为改善陶瓷件的工艺性，如图6所示，第一衬板109和第二衬板110两者中至少一个均由多块扇形陶瓷板拼合而成。本实施例中，如图6所示，第一衬板109是由多块扇形陶瓷板拼合而成的。

本实施例适用于颗粒中径粒度在0.1mm-1mm左右的有粗颗粒、硬度较高(矿石硬度系数f12以上)、颗粒有棱角、扬程40-60m较高的工况，本实施例在成本增加不多的情况下，可以明显提高泵的扬程，增加产品的适用范围，提升产品的性价比。

为对比本发明的耐磨叶轮和现有技术叶轮的特点，在某选矿厂的球磨机排矿的渣浆泵上作了对比试验，该泵位的工况条件如下：流量380m3/h，扬程25m，浓度41％，中径粒度0.7mm，最大粒度5-15mm，矿石硬度f14-16,为较硬矿石，矿石在磨矿后棱角较多；为保证试验的可比性，同一台泵上分别安装本发明实施例2的耐磨叶轮、天然橡胶叶轮、SiC陶瓷叶轮先后进行试验，试验结果如下：

从上表可以看出，本发明的叶轮相比现有技术的橡胶叶轮，寿命从431小时提高至1037小时，提高幅度达141％，单位时间叶轮的备件运行成本从4.74元下降至3.13元，下降幅度达32％；相比陶瓷叶轮虽寿命仅为后者的84％，但其单位时间运行成本从5.84元下降至3.13元，下降幅度达46.4％，成本优势十分明显，性价比突出。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (10)

1.一种耐磨叶轮，包括位于叶轮吸入口侧的前盖板(105)、位于驱动侧的后盖板(106)以及位于前盖板(105)和后盖板(106)之间的叶片(108)，所述前盖板(105)、后盖板(106)以及叶片(108)均为橡胶材质，其特征在于，还包括叶轮轴柄(107)、前盖板骨架(103)、后盖板骨架(104)以及穿过叶片(108)将前盖板骨架(103)和后盖板骨架(104)连接在一起的叶片骨架(102)；所述前盖板骨架(103)、后盖板骨架(104)和叶片骨架(102)分别设置在前盖板(105)、后盖板(106)以及叶片(108)内部；所述前盖板(105)的外侧设有和前盖板(105)粘接成一体的第一衬板(109)，所述后盖板(106)的外侧设有和后盖板(106)粘接成一体的第二衬板(110)。

2.根据权利要求1所述的一种耐磨叶轮，其特征在于：所述第一衬板(109)和第二衬板(110)的制作材料皆为陶瓷；所述叶轮轴柄(107)、前盖板骨架(103)、后盖板骨架(104)以及叶片骨架(102)的制作材料为金属。

3.根据权利要求1所述的一种耐磨叶轮，其特征在于：所述第一衬板(109)和第二衬板(110)上设有表面经过粗糙处理的粘接面。

4.根据权利要求1所述的一种耐磨叶轮，其特征在于：所述叶片(108)的工作面上设有和叶片(108)粘接成一体的叶片衬板(111)，所述叶片衬板(111)轴向延伸至前盖板(105)或后盖板(106)两者中至少一个内。

5.根据权利要求4所述的一种耐磨叶轮，其特征在于：所述叶片衬板(108)的制作材料为陶瓷。

6.根据权利要求4或5所述的一种耐磨叶轮，其特征在于：所述叶片衬板(108)上设有表面经过粗糙处理的粘接面。

7.根据权利要求1或4所述的一种耐磨叶轮，其特征在于：所述第一衬板(109)的外侧设有第一副叶片(1091)。

8.根据权利要求1或4所述的一种耐磨叶轮，其特征在于：所述第二衬板(110)的外侧设有第二副叶片(1101)。

9.根据权利要求1或4所述的一种耐磨叶轮，其特征在于：所述第一衬板(109)或第二衬板(110)两者中至少一个为多块扇形陶瓷片拼合而成的环形。

10.根据权利要求1或4所述的一种耐磨叶轮，其特征在于：所述第一衬板第一衬板(109)与前盖板(105)之间或第二衬板(110)与后盖板(106)之间，设置有浸渍树脂的纤维布(112)。

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