礦用潛水電泵高壓電機設(shè)計

邢建賓，邢棟

(1 雙龍集團上海防爆電機鹽城有限公司，江蘇鹽城224000;2 河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定071000)

0 引言

礦用潛水電泵一般是一種以電動機為原動機的離心式水泵，近年來礦用潛水電泵的流量和揚程在不斷增加，因此，配套的電動機功率也隨著增大。隨著功率的增大，采用低壓電動機就顯得不經(jīng)濟。三相高壓電動機驅(qū)動的潛水電泵，這類電泵流量大、揚程高。與普通高壓三相異步電動機相比該類電動機具有如下特點:(1)電泵的結(jié)構(gòu)型式為泵置于電動機下部的下泵型，電動機為干式結(jié)構(gòu)，電機外殼置身于電泵的水道內(nèi)，對外殼的強度和密封性能要求高;(2)電機外殼防護等級IPX8;電機處于水下5m 深度應(yīng)正常工作，對電機的密封要求較高;(3)電機為隔爆型，防爆標(biāo)志為ExdbⅠ，適用于煤礦采掘面排水;(4)電機IMV1立式結(jié)構(gòu)，電機軸與水泵軸為一體化設(shè)計，對軸的強度、剛性等有更高要求;(5)對于單吸泵在運行中水泵常常有較大軸向力，電機軸承負(fù)荷高;(6)電機的冷卻方式為IC6AIW8，與一般高壓電機的冷卻方式稍有差異。

鑒于上述特點，僅僅按普通三相異步電動機的設(shè)計規(guī)范去設(shè)計這類高壓電機顯然是不夠的，本文以礦用排沙泵BQS100-300/2-400/N 所配套的YBQG450-4p 400kW 6kV 電機為例進行論述。

1 礦用潛水電泵高壓電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于BQS100-300/2-400/N 礦用潛水排沙電泵的結(jié)構(gòu)型式為泵置于電動機下部的下泵型，電動機為干式結(jié)構(gòu)，泵為葉輪-導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，見圖1。

由圖1 可見電機在正常工作狀態(tài)時從水泵流出的水從電機外殼外部通道通過，電機與水泵的轉(zhuǎn)軸為同軸結(jié)構(gòu)且“軸伸”很長，這都給電機結(jié)構(gòu)的設(shè)計帶來了課題。

圖1 BQS100-300/2-400/N 結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 電機的外殼設(shè)計

電機外殼以外是水泵輸出水流的通道，電機外殼承受較大的壓力，就BQS100-300/2-400/N 礦用潛水排沙電泵而言，該泵的揚程為300m，水柱對電機外殼的壓力約為

即水柱對電機外殼的壓力約為3MPa，根據(jù)礦用水泵技術(shù)條件要求，在水泵制造中需要對隔爆零件進行1.5 倍揚程壓力的水壓試驗，也即電機外殼最大需要承受的壓力為

電機外殼防護等級IPX8，外殼還要承受巨大的水流壓力，在選用殼體密封元件時應(yīng)注意密封件的耐壓值應(yīng)大于P1(MPa)，軸貫通部分選用機械密封時也應(yīng)滿足此要求。

電機為隔爆型，防爆標(biāo)志為ExdbⅠ，適用于煤礦采掘面排水。電機的外殼需采用鋼板或鑄鋼材質(zhì)，機殼與端蓋連接處的螺栓選用時要考慮數(shù)量及強度。

1.2 電機的軸系統(tǒng)設(shè)計

由于泵軸與電機軸為同一根軸，一般情況下水泵部分不設(shè)置軸的軸向定位軸承，所以電機軸承需要承受泵全部的徑向和軸向負(fù)荷(見圖3)。圖1 所示的水泵為雙吸式水泵，由于兩級葉輪軸向?qū)ΨQ安裝則電機除承受轉(zhuǎn)子(含鑄鋁轉(zhuǎn)子、軸、內(nèi)風(fēng)扇、平衡環(huán)、葉輪等)的重量以外基本不存在軸向力，但如果水泵部分為單吸泵和級數(shù)不對稱的雙吸泵時電機則需承受來自水泵部分的軸向力。尤其對于單吸泵來說，有些設(shè)計方案中搭載了用于平衡軸向力的平衡盤或平衡鼓等水力平衡系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)在清水泵中應(yīng)用是可以起到平衡軸向力作用的，但在礦井下的水質(zhì)則遠不如清水那么潔凈，由于礦井下的水含有不超過2%的固體顆粒(JB/T 6762 的規(guī)定)，這些固體顆粒會堵塞平衡系統(tǒng)的通道從而使平衡作用大幅下降。因此在電機軸系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意區(qū)分水泵部分設(shè)計的結(jié)構(gòu)特征，對于雙吸泵的電機軸系統(tǒng)僅需考慮轉(zhuǎn)子重量對軸承的影響，對于單吸泵除轉(zhuǎn)子重量外還要考慮水泵的主軸向力。

1.2.1 電機軸承系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1.1 電機軸承計算

BQS100-300/2-400/N 礦用潛水排沙電泵采用典型的閉式葉輪如圖2 所示。

圖2 葉輪

泵葉輪的總軸向力可按下式計算

式中，A—軸向力(N);ρ—流體的密度(kg/m3);g—重力加速度(m/s2);H1—泵單級揚程(m);d1—葉輪輪轂直徑(m);d2—葉輪密封環(huán)直徑(m);i—泵級數(shù);k—系數(shù)，0.6 ～0.8，按泵的比轉(zhuǎn)數(shù)選取。

若轉(zhuǎn)子質(zhì)量為w(含鑄鋁轉(zhuǎn)子、軸、內(nèi)風(fēng)扇、平衡環(huán)、葉輪等，kg)，則電機軸承所承受的總軸向力為

式中，L10h—基本額定壽命(h)，C—軸承的基本動額定負(fù)載(N)，P—軸承當(dāng)量動負(fù)荷(N)，p—壽命指數(shù)，對于球軸承p=3、對于滾子軸承p=10/3。

在選定軸承時可按普通高壓電機選用軸承的經(jīng)驗預(yù)選不同的軸承，根據(jù)電機的額定轉(zhuǎn)速和式(6)所得基本額定壽命從預(yù)選方案中可以選擇合適的軸承，對于此類高壓電機的軸承來說，其設(shè)計壽命應(yīng)遠大于JB/T 6762—2004《礦用隔爆型潛污水電泵》規(guī)定的2 000h 的要求。

1.2.1.2 電機軸的強度計算

最小軸徑按下式計算

式中，P—額定功率(kW);n—電機額定轉(zhuǎn)速(r/min)

對于大流量、高揚程的重要水泵還應(yīng)對軸的疲勞強度等進行校驗。

1.2.1.3 電機軸的剛性校核

泵的軸與電機為同一軸，水泵部分的軸(相當(dāng)于電機的“軸伸”)處于懸臂狀態(tài)，而且對于多級泵來說該懸臂部分很長，所以必須對軸的剛性進行校驗。軸的剛性包括撓度和臨界轉(zhuǎn)速，在軸上存在有電機軸承支反力F1、F2、單邊磁拉力Fr、電機轉(zhuǎn)矩M0、葉輪轉(zhuǎn)矩M1～i(1 ～i 為葉輪的級數(shù))等負(fù)載，如圖3 所示。

圖3 IMV1 時軸受力示意圖

對于蝸殼離心泵軸的負(fù)載時要考慮蝸殼對葉輪的徑向反力。電泵臥式或傾斜使用時還應(yīng)考慮轉(zhuǎn)子重量、葉輪重量、軸重量、轉(zhuǎn)子和葉輪殘余不平衡質(zhì)量引起的離心力對軸的剛性的影響。對于軸的撓度和臨界轉(zhuǎn)速的計算方法與普通電機相同，要求“軸的總撓度應(yīng)不大于電機氣隙長度的10%，一次臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)大于額定轉(zhuǎn)速的130%或小于額定轉(zhuǎn)速的70%”。對于葉輪—導(dǎo)葉間隙比較小的水泵(注:意即該間隙和電機定轉(zhuǎn)子氣隙長度相比較小)，軸的總撓度還應(yīng)不大于該間隙的10%。

經(jīng)過上述計算后可確定軸的水泵部分的尺寸(也即電機的“軸伸”)，如這些尺寸與電機的機內(nèi)部分軸的尺寸(如軸承位直徑、定轉(zhuǎn)子氣隙長度)相沖突，則需要對機內(nèi)部分軸和軸承的尺寸或氣隙長度進行調(diào)整，重新進行上述計算過程，直至滿足所有技術(shù)要求為止。必要時應(yīng)對調(diào)整氣隙長度后的電機重新進行電磁計算。對于軸的剛性不能滿足上述規(guī)定的還應(yīng)對水泵部分的葉輪-導(dǎo)葉間隙做適當(dāng)調(diào)整，直至符合規(guī)定為止。經(jīng)過以上反復(fù)系統(tǒng)設(shè)計可提高整個電泵的可靠性。

1.3 電機的溫控與接線盒設(shè)計

由于電泵在水下工作，電機為濕熱型，應(yīng)具有防潮、防霧、防鹽霧功能。電機的接線盒分為電源接線盒和溫控接線盒，應(yīng)按ExdbⅠ設(shè)計成隔爆型，防護等級IPX8。接線盒應(yīng)充分考慮氣密性，保證電機處于水下5m 深度應(yīng)能正常工作。

電機為濕熱型，應(yīng)在定子繞組上加裝加熱帶，以便電泵停機時對定子繞組加熱，繞組表面溫度高于機內(nèi)環(huán)境溫度，使繞組不至于受潮而結(jié)露，從而影響繞組的絕緣電阻和壽命。

電機外殼防護等級IPX8，不允許有水份進入電機內(nèi)部。在做好電機外殼的密封處理以外還應(yīng)在電機內(nèi)部應(yīng)設(shè)置外殼泄漏檢測裝置和濕度保護裝置，使電機內(nèi)部最高相對濕度為90%，以保證電機內(nèi)部泄漏后報警裝置可以及時報警，減少事故損失。

電機為F 級絕緣，溫升按B 級考核。為保證電機的安全運行，繞組應(yīng)加裝溫度傳感器或熱敏開關(guān)，軸承裝置應(yīng)設(shè)置溫度傳感器以便對電機運行時的工作溫度實時監(jiān)控。繞組加熱、測溫和軸承測溫的引出線應(yīng)由獨立的溫控接線盒引出。

2 礦用潛水電泵高壓電機的電磁設(shè)計

礦用潛水電泵高壓電機的電磁設(shè)計與變通高壓電機電磁設(shè)計相同，值得注意的是在電磁負(fù)荷的選擇上要低一些。

3 結(jié)語

本文通過礦用潛水電泵隔爆型高壓電機受力狀況復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，提出了設(shè)計時不但要考慮電機的隔爆性能，滿足礦用設(shè)備的ExdbⅠ隔爆等級標(biāo)準(zhǔn)，還要充分考慮電機的外殼和軸系統(tǒng)的受力和密封情況，達到防護等級IPX8，同時考慮電機電磁設(shè)計的滿足水泵的工作要求，溫升不超過B 級考核標(biāo)準(zhǔn)。礦用潛水電泵隔爆型高壓電機的設(shè)計在很大程度上依賴于水泵部分提供的尺寸、受力狀況等，電機設(shè)計者應(yīng)充分利用這些外部數(shù)據(jù)才可以設(shè)計出性能優(yōu)良的產(chǎn)品。

［1］ 湘潭電機廠.交流電機設(shè)計手冊.長沙:湖南人民出版社，1978.

［2］ 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊.北京:宇航出版社，1995.9.［3］ 崔劍，楊萬青.防爆防腐電動機修理.北京:機械工業(yè)出版社，2010.5.

［4］ B、A.雅科文柯.防爆異步電動機.北京:煤炭工業(yè)出版社，1983.

［5］ 錢偉長.電機設(shè)計強度計算的理論基礎(chǔ).合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

［6］ JB/T 6762—2004.礦用隔爆型潛污水電泵.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［7］ JB/T 10869—2008.中大型高、低電壓潛水泵電動機(機座號315 ～710).北京:機械工業(yè)出版社，2008.