矿井排水设备选型设计毕业设计

华北科技学院毕业设计(论文)目 录摘要 ............................................................................ 1 1 绪 论.......................................................................... 2 1.1 矿水来源及涌水量 ........................................................ 2 1.2 离心式水泵的分类 ........................................................ 2 2 设计必备的原始资料和设计任务 .................................................. 4 2.1 设计的原始资料 .......................................................... 4 2.2 设计任务 ................................................................ 4 3 排水设备选型计算 .............................................................. 5 1.1 设计依据 ................................................................ 5 3.2 排水设备方案 ............................................................ 5 3.2.1 泵应具有的排水能力................................................. 5 3.2.2 工作，备用，检修水泵工作能力....................................... 5 3.2.3 估算水泵必须的扬程................................................. 6 3.2.4 排水设备初选 .................................................... 6 3.2.5 水泵的台数......................................................... 7 3.3 选择水管 ............................................................... 10 3.3.1 排水管选择计算.................................................... 10 3.3.2 管壁厚度的计算.................................................... 10 3.3.3 吸水管的确定...................................................... 12 3.3.4 估算管子的长度.................................................... 13 3.4 确定工况 ............................................................... 14 3.4.1 计算管路特性...................................................... 14 3.4.2 管路阻力系数...................................................... 16 3.4.3 确定工况.......................................................... 17 3.4.4 校验排水时间...................................................... 18

矿山排水设备选型设计3.5 计算水泵装置效率........................................................ 19 3.6 选择电动机和配电设备.................................................... 20 3.8 基本投资——设备购置.................................................... 21 3.9 基本投资—安装工程...................................................... 22 3.9.1 计算折旧费 ........................................................ 23 3.9.2 年工资费 .......................................................... 24 3.9.3 维修费 ............................................................ 26 4 确定泵房、水仓和管子道尺寸并绘制泵房布置图.................................... 29 4.1 估算泵房尺寸............................................................ 29 4.2 基础尺寸................................................................ 29 4.3 泵房尺寸................................................................ 30 4.3.1 泵房宽度 .......................................................... 30 4.3.2 泵房长度 .......................................................... 30 4.3.3 泵房高度 .......................................................... 31 4.4 水仓、水房及吸水井的尺寸................................................ 32 4.4.1 水仓尺寸 .......................................................... 32 4.5 吸水井尺寸.............................................................. 32 4.5.1 分水沟及水仓接口高度 .............................................. 33 4.6.1 横向尺寸 .......................................................... 34 4.6.2 立管尺寸 .......................................................... 35 4.7 起重梁.................................................................. 35 4.8 管子道和管子间.......................................................... 35 5 离心泵结构和特点 ............................................................. 36 5.1 概述.................................................................... 36 5.2 离心泵的工作原理、分类、型号及结构...................................... 36 5.2.1 离心泵的装置及工作原理 ............................................ 36 5.2.2 离心泵的工作原理 .................................................. 37 5.3 离心泵的气蚀............................................................ 37

华北科技学院毕业设计(论文)5.4 离心泵的分类 ........................................................... 37 5.4.1 单级双吸离心泵.................................................... 38 5.4.2 按叶轮数目分...................................................... 38 5.4.3 按离心泵扬程分.................................................... 39 5.4.4 按泵的用途和输送液体性质分类...................................... 39 5.5 离心泵型号及结构 ....................................................... 39 5.5.1 离心泵的型号...................................................... 39 5.5.2 单级单吸离心泵的特点.............................................. 40 5.6 离心泵的主要零部件 ..................................................... 40 5.6.1 叶轮.............................................................. 40 5.6.2 泵轴.............................................................. 41 5.6.3 轴套.............................................................. 41 5.6.4 轴承.............................................................. 42 总 结 .......................................................................... 43 参考文献 ....................................................................... 44 致 谢 .......................................................................... 45

华北科技学院毕业设计(论文)矿山排水设备选型设计摘要 本课题的主要内容是矿山排水设备的选型设计及压水室形状对水泵性能的影响。在 此课题的设计过程中，主要运用分析、比较等方法，根据矿井安全生产的政 策，法规， 应用历史设计经验，结合煤炭行业发展现状，以安全可靠为根本，以投入少、运行费用 低为原则的设计指导思想来进行综合设计的。 本课题来源与工程实际，因此在设计的过程中，通过多种渠道掌握给排水行业最新 信息，初步选择排水方案并对设备选型，进行相关计算，确定设备工况，然后通过 校 验水泵的吸水高度、 排水时间， 以及对各方案水泵装置效率的比较， 排除不合理的方案， 最后再对方案进行经济核算以确定方案的合理性。 有关压水室的专题方面的讨论，进一步优化了水泵的整体结构设计。关键词：排水系统；水泵；工况点第 1 页 共 45 页

矿山排水设备选型设计1绪 论1.1 矿水来源及涌水量在矿井建设和生产过程中，涌入矿井的水流称为矿水。矿井水的来源分为地面水和 地下水，地面水是江、河、湖、溪、池塘的存水及雨水、融雪和山洪等。 矿水可以用单位时间涌入矿井内的体积来度量，称为绝对涌水量。一般用“q”表 示，其单位为 m3/h。涌水量的大小与该矿区的地理位置、地形、水文地质及气候等条件 有关；同一矿井在一年四季中涌水量也是不同的，如春季融雪或雨季里涌水量大些，其 他季节则变化不大，因此前者称最大涌水量，而后者称为正常涌水量。 为了对比不同矿井涌水量的大小， 通常还采用同一时期内， 相对于单位煤炭产量 （以 吨计）的涌水量作为比较参数，称它为相对涌水量，或称为含水系数。若以 K 表示相对 涌水量，则K 24q / t式中 q——绝对涌水量； T——同期内煤炭日产量。(1-1)排水设备主要包括：水泵、配套电机、管路、泵房、管子道、水仓及电控设备等。1.2 离心式水泵的分类1. 按叶轮数目分 (1) 单级水泵 泵轴上有仅装有一个叶 (2) 多级水泵 泵国上装有几个叶轮 2. 按水泵吸水方式 (1) 单吸水泵 3. 按泵壳的结构分 (1) 螺壳式水泵 4. 按泵轴的位置分 (1) 卧式水泵 (2) 立式水泵 (2) 分段式水泵 (3) 中开式水泵 (2) 双吸水泵1.3 设计的指导思想第 2 页 共 45 页

华北科技学院毕业设计(论文)排水设备的选择要以选出的排水设备在整个矿井服务期限中都可以按有关规定的 要求排除矿井涌水为原则。排水系统的选择、设备的选型，以选出的整个系统在整个矿 井服务期限内均能按有关规定的要求排除矿井涌水为原则，尽可能做到安全可靠，投资 少，运行费用低，自动化程度高，维护方便。 为了改善煤矿生产条件，提高设备运行的安全性、稳定性，设计过程中还要注重科 技发展新成果的合理应用。第 3 页 共 45 页

矿山排水设备选型设计2 设计必备的原始资料和设计任务2.1 设计的原始资料(1) 竖井开拓，井口标高 ＋58.00m ，水平标高 －260.00m ； (2) 正常涌水量 6.20m3/min ，最大涌水量 9.27m3/min ； (3) 正常涌水期按 300 天，最大涌水期按 65 天 ； (4) 矿水中性，矿水密度 1020kg/m3 ； (5) 服务年限 30 年； (6) 矿年产量 105 万吨。2.2 设计任务(1) 确定合理的排水系统； (3) 绘制水泵房布置图； (2) 选择排水设备； (4) 设计说明书；(5) 论述专题：泵的结构及特点。第 4 页 共 45 页

华北科技学院毕业设计(论文)3 排水设备选型计算1.1 设计依据设计原始资料： 某矿井，年产量 105 万吨，竖井开拓，井口标高+58.00m，水平标高-260.00m，正 常涌水量 6.20m3/min，最大涌水量 9.27m3/min，矿水中性，矿水密度 1020kg/m3，正常 涌水期按 300 天，最大涌水期按 65 天计算，服务年限为 30 年。3.2 排水设备方案3.2.1 泵应具有的排水能力 依据《矿井安全规程》 ，水泵应具备以下排水能力： 正常涌水量 :q z 6.2m 3 / min 372m 3 / hQ 1.2q 446.4 m 3 / h最大涌水量 :qmax 9.27 m 3 / min 556.2m 3 / hQB 1.2q z 446.4m 3 /h3.2.2 工作，备用，检修水泵工作能力QB max 1.2qmax备用水泵的工作能力：' QB 0.7 1.2qZ 312m 3 /h' QB QB max QB 221.09m3/h(3-1)' 312 m 3 /h 取二者较大值： QB检修泵组的工作能力：" QB 0.25 Q B 111.65m 3 /h式中 q z ——正常用水量，m3/h ；qmax ——最大用水量，m3/h ；QB ——工作水泵的排水能力，m /h ；3第 5 页 共 45 页

矿山排水设备选型设计QB max ——工作水泵组合备用水泵组的总工作能力，m /h ；3 3 QB ——工作水泵和备用水泵的排水能力，m /h ；QB ——检修水泵的排水能力，m3/h ；3.2.3 估算水泵必须的扬程H B H g / g HP HX l g 353m(3-2)式中 H g ——排水高度， H g H p H x l m ；H p ——泵排水高度暂取井筒高度 m ；H x ——吸水高度，取 H x 5 m ；l ——管子高出精通的深度，取 l 1 m ； g ——管路效率，对于竖井取 0.9 ~ 0.95 ；对于斜井，当倾角 30 时，取 g 0.83 ~ 0.8 ； 当 20 ~ 30 时 ， 取 g 0.8 ~ 0.77 ； 当 20 时 ， 取 g 0.77 ~ 0.74 （一般取较大者为宜） 。3.2.4 排水设备初选 根据以上参数，参照《泵产品样本》可初步确定该矿井所需水泵的型号为：表 3-1 扬程 H 型号 流量 Q (m /h) (m） （m）3单级扬程 H i单级零扬程级数H i 0 （m）71i HB HiD280-65280397.5656D300-6530039065746参照《泵产品样本》可知 D280-65×5,D300-65×5 的参数如表 3-2 所示。第 6 页 共 45 页

华北科技学院毕业设计(论文) 表 3-2 D280-65×5、D300-65×5 的参数 流量 扬程 转速 轴功率 配带电动机 效率必需 轮名 汽蚀 义直型号QHnPa功率 型号η泵重 余量 径m /H3mr/minkWkW%mmD280-65×5280397.51480430450Y400L-470．4 3.3530552D300-65×53003901480419440Y355L-4764352000以上两种泵的性能曲线如图 4－1 所示：3.2.5 水泵的台数 当 q 50 m /h 时，而且一台水泵能满足排水要求时，取水泵台数=2；3当 q 50 m3/h 时，需要设置三台水泵时，先按求出水泵能力；表 3-3 工作水泵 QB 排水量 (m / h)3备用水泵 Q B 372.48 检修水泵 QB 111.65 446.4第 7 页 共 45 页

矿山排水设备选型设计 以上 QB ， Q B 和 QB 分别为工作，备用和检修水泵的能力，则所需水泵的台数为；n QB Qmn ， QB Qmn ， QB Qm（3-3）式中 n ， n 及 n 分别为工作，备用和检修水泵台数。 Qm ——水泵的额定流量。 水泵总台数= n + n + n =5表 3-4 D280-65×5 D300－65×5n QB Qm QB Qm22n 22 QB n Qm水泵的总台数 n n n 1155a) 注意：当工作水泵超过 4 台时，应适当增加检修水泵，同一泵房内最好选用同 一型号和规格的水泵。 b) 其管路系统布置如图图 3-2a 第 8 页 共 45 页

华北科技学院毕业设计(论文)1) 图 3-2（a）是三台泵两趟管路的布置方式。一台水泵工作时，可通过其中任一 趟管路排水，另一趟管路备用；两台水泵同时工作时，可分别通过一趟管路排水。图 3-2 四台水泵管路布置方式（b）2）图 3-2(b)是四台泵三趟管路的布置方式，正常涌水时期两台泵工作，可通过其 中任意两趟管路分别排水，另一趟管路备用，最大涌水时期三台泵工作可各用一趟管路 排水。五台水泵管路布置方式第 9 页 共 45 页

矿山排水设备选型设计五台水泵三趟管路的布置方式，正常涌水时期两台泵工作，可通过其中任意两趟管 路分别排水，另一趟管备用；最大涌水期四台泵工作，三趟管路排水，泵在并联管路上 工作。 根据上述规定，对于此设计中的 D280-65 6 ，5 台水泵，敷设 3 趟管路，其管路系 统布置如上图所示；对于 D300-65 6 ，5 台水泵，敷设 3 趟管路，管路系统布置图如上 图所示。3.3 选择水管3.3.1 排水管选择计算 管径计算根据《矿井安全规程》相关规定，管径常按经济流速 Vp 1.5 ~ 2.2 m/s 计 算； 根据公式 排水管管径 d p 0.0188Qm Vp计算可得：表 3-5型 号D280-65×5D300－65×5额定流量 Qm (m /h)3280300d p 0.0188Qm Vp(m )0.257~0.2120.266~0.22式中 d p ——排水管计算内径，m。 3.3.2 管壁厚度的计算 0.5d p (Rz 0.4 p 1) C Rz 1.3 p（3-4）式中 d p —— 管径， cm ；p ——水管工作压力， p 0.11Hg ， kgf cm 2 ；第 10 页 共 45 页

华北科技学院毕业设计(论文)Rz — —许用应力，kg f / cm 2。铸铁管Rz 200 　kg f / cm 2；焊接钢管Rz 　　　　 600 　kg f / cm 2；无缝钢管Rz 800 ~ 1000 　kg f / cm 2。 C — —附加厚度，对于铸铁管C 0.7 ~ 0.9 　cm；焊接管C 0.2 　cm；无缝 　　　钢管C 0.1 ~ 0.2 　cm。方案一 自标准 GB/T 8163-2008 查得外径为 245mm 的无缝钢管管壁厚度中有 8、10、12、14、16、18mm 等等。取壁厚δ ＝8mm 试算，此时 d p 245 2 8 229 mm ，所需壁厚： 0.5d p (Rz 0.4 p 1) C Rz 1.3 p求得壁厚为 8mm 可以满足要求，排水管采用 方案二 自标准 GB/T 8163-2008 查得外径为 273mm 的无缝钢管管壁厚度中有 8、 9、 10、 12、 14、16、18mm 等等。取壁厚δ ＝8mm 试算，此时 d p 273 2 8 257 mm ，所需壁厚： 0.5d p (Rz 0.4 p 1) C Rz 1.3 p求得壁厚为 9mm 可以满足要求，排水管采用 方案三 自标准 GB/T 8163-2008 查得外径为 299mm 的无缝钢管管壁厚度中有 8、9、10、12、14、16、18mm 等等。取壁厚δ ＝8mm 试算，此时 d p 299 2 8 283 mm ，所需 壁厚： 0.5d p (Rz 0.4 p 1) C Rz 1.3 p求得壁厚为 9mm 可以满足要求，排水管采用 方案四 自标准 GB/T 8163-2008 查得外径为 325mm 的无缝钢管管壁厚度中有 8、10、12、第 11 页 共 45 页

矿山排水设备选型设计14、16、18mm 等等。取壁厚δ ＝8mm 试算，此时 d p 325 2 8 309 mm，所需壁厚： 0.5d p (Rz 0.4 p 1) C Rz 1.3 p求得壁厚为 10mm 可以满足要求，排水管采用 综上可得，各水泵的排水管规格如下表 3-6 D280-65×5 型号 方案一 排水管规格 φ 245×8 （mm） φ 273×9 φ 299×9 φ 325×10 方案二 方案三 方案四 D300－65×53.3.3 吸水管的确定 根据《矿井安全规程》第 2－138 条,管径常按经济流速 Vx=0.8～1.5m/s 计算；d x 0.0188计算可得表 3-7 型 号 额定流量 Qm (m /h)3Qe Vx(3-5)D280-65×5 280D300－65×5 300d x 0.0188查手册根据 GB/TQm Vx(m)0.352~0.2570.364~0.2668163-2008 可得壁厚与排水计算一样；表 3-8型号 方案一 吸水管规格（mm）D280-65×5 方案二 φ 299×9D300－65×5 方案三 φ 299×9 方案四 φ 325×10φ 273×8第 12 页 共 45 页

华北科技学院毕业设计(论文)无缝钢管 （GB/T 8163-200） （mm）表 3-9 外径 32 38 42 45 50 54 57 60 63.5 68 70 73 壁厚 2.5～8.0 2.5～8.0 2.5～10.0 2.5～10.0 2.5～10.0 3.0～11.0 3.0～13.0 3.0～14.0 3.0～14.0 3.0～16.0 3.0～16.0 3.0～19.0 外径 76 83 89 95 102 108 114 121 127 133 140 146 壁厚 3.0～19.0 3.5～24.0 3.5～24.0 3.5～24.0 3.5～28.0 3.5～28.0 4.0～28.0 4.0～32.0 4.0～32.0 4.0～32.0 4.5～36.0 4.5～36.0 外径 152 159 168 180 194 203 219 245 273 299 325 351 壁厚 4.5～36.0 4.5～36.0 5.0～45.0 5.0～45.0 5.0～45.0 6.0～50.0 6.0～50.0 7.0～50.0 7.0～50.0 8.0～75.0 8.0～75.0 8.0～75.0 外径 377 402 426 459 465 480 500 530 550 560 600 630 壁厚 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～75.0 9.0～25.0 9.0～25.0 9.0～25.0 9.0～25.0 9.0～25.03.3.4 估算管子的长度 水泵管路布置图排水管道长度可估算为：Lp (H p 7.5) L1 L2 L3 380.5m取 L p 380 m ； 式中 L1 ——水流经泵房内排水管的长度，一般取 L1 =20～30m ；第 13 页 共 45 页

矿山排水设备选型设计L2 ——管子道中的管子长度，一般取 L2 =20～30m ；L3 ——井口出水管长度，一般取 L3 =15～20m 。吸水管长度 L x 8 m 。3.4 确定工况3.4.1 计算管路特性 若考虑管路内壁结垢管径缩小阻力加大，则可利用公式H ' H g K R T Q 2由原始数据资料可知 H g 324m，取 K=1.7,排水管长Lp (H p 7.5) L1 L2 L3 380.5m吸、排水管的局部阻力系数，如下图表 3-10 中所示。 1.吸，排水管沿程阻力系数分别为： 1.74 21g表 3-10 管件局式中 ——管子内经； 2（4-6） ——绝对粗糙度去 0.15 cm 。部阻力系数 名 称 简 图 局 部 阻 力 系 数 ξx/d 闸板阀 ξ1/8，1/4，3/8，1/2，5/8，3/4，7/8，197.8，17，5.52，2.06，0.81， 0.26，0.07，0.01 止回阀 ξ70，60，55，50，45，401.7，3.2，4.6，6.6，9.5，14第 14 页 共 45 页

华北科技学院毕业设计(论文) 续表 3-10Ds75，100，150，200，250，300，350，400 底阀（带 滤网） ξ 8.5，7.6，6，5.2，4.4，3.7，3.4，3.1 mm渐缩管0.1α 扩大管 ξ7 　，　 10 ~ 15 　，　 20 ~ 30 　，　 45 ~ 55 0.2 ， 0.5 ， 0.6~0.7 ， 0.8~0.9r/R90 弯头ξ0.1　 ， 0.2　 ， 0.3　 ， 0.4　 ， 0.5　 ， 0.6　 ， 0.7　 ， 0.8　 ， 0.90.131 ， 0.138 ， 0.158 ， 0.206 ， 0.294 ， 0.440 ， 0.661 ， 0.974 ， 1.408 弯头 90 90 90 — 90 弯头阻力系数直流　　 ＝0.7三通汇流　　 ＝3 分流　　 ＝1.5 转弯　　 ＝1.5对于 D280-65 水泵 （1）选用φ 245×8 为排水管时： p 0.033选用φ 273×8 为吸水管时：第 15 页 共 45 页

矿山排水设备选型设计 x 0.0318（2）选用φ 273×9 为排水管时： p 0.03018选用φ 299×9 为吸水管时 x 0.0308对于 D300-65 水泵 （1）选用φ 299×9 为排水管时： p 0.0308选用φ 299×9 为吸水管时： x 0.0308（2）选用φ 325×10 为排水管时： p 0.0302选用φ 325×10 为吸水管时： x 0.0302式中 p ——排水管路沿程阻力系数； x ——吸水管路沿程阻力系数。3.4.2 管路阻力系数 管路阻力系数 RT 可用下式计算：RT 8 g2( xLp p 1 x Lx p 5 ) 5 4 4 dx dp dp dx（3-7）将上述这些已知数，带入上式公式： 对于 D280-65 水泵 （1）选用φ 245×8 为排水管，φ 273×8 为吸水管时： R=1.67 10-4第 16 页 共 45 页

华北科技学院毕业设计(论文)（2）选用φ 273×9 为排水管，φ 299×9 为吸水管时： R=7.212 10-5 对于 D300-65 水泵 （1）选用φ 299×9 为排水管，φ 299×9 为吸水管时： R=1.16 10-4 （2)选用φ 325×10 为排水管,φ 325×10 为吸水管时: R=6.2 10-5 则管路特性方程依次为：H1 323 2.84 10 4 Q 2 H 2 323 1.23 10 4 Q 2H 3 323 1.97 10 4 Q 2H 4 323 1.054 10 4 Q 23.4.3 确定工况 由以上方程就可以在水泵性能区线图上绘出管路特性曲线。参照水泵的流量范围， 选取几个流量值，分别计算排水所需扬程。 对于 D280-65 水泵在选取管φ 245×8 做为排水管时,表 3-11 Q，m /h H1, m H1/6 m30 323 54100 326.84 54.5200 335.35 56250 342.88 57.15300 348.56 58350 357.79 60在选取管φ 273×8 做为排水管时有：表 3-12 Q，m /h H2, m H2 /6 m30 323 54100 324.05 54.01200 324.1 54.025250 324.125 54.03300 324.15 54.033350 324.18 54.05第 17 页 共 45 页

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