煤礦用輕型化應急救援用潛水電泵的研制

宋占松

(安標國家礦用產品安全標志中心， 北京 100013)

0 引言

目前國內的煤礦用應急救援用潛水電泵的質量和體積比較大，適應性不強,可靠性和配套性也較差。為進一步降低其質量和體積，提高可靠性和可移動性，提升礦井水災應急救援排水能力,有必要研制輕型化應急救援用潛水電泵。

1 國內外生產技術比較

我國煤礦用潛水電泵早年主要為引進前蘇聯的產品。經過近年來的發展，現在我國擁有5～70 m潛水電泵的生產企業12家，生產規模和產品的規格型號均已超過了大部分國外公司。但我國泵的制造工藝及材料與德國、瑞典等先進國家的相比還存在一定的差距，尤其是在可靠性與使用壽命上，在國際上只能算中等水平[1]。由國外較為有代表性的安德里茨集團德國里茨公司生產的救援排水潛水電泵與國內參數作比較,見表1。

表1 國內外技術參數比較

由表1可知,與國外同類產品相比，國內潛水電泵行業技術明顯落后，處于國外20世紀80～90年代的水平，不能適應當前礦山排水應急救援的需要[2]。德國里茨公司泵的管路部分起導流及懸吊泵工作部分和電動機的作用,管路部分由逆止閥、揚水管、泵座等零件組成。

2 目前存在的問題

應急救援用潛水電泵屬機電一體化大型裝備，從參數計算(如電磁、水力、壽命等)、結構設計、材料選擇，到制造工藝技術專業化要求都比較高，特別是潛水電動機技術和機泵配合技術，需要長期的技術研究和經驗積累，同時還需真機實際試驗才能保證其安全可靠性。而我國潛水電泵生產企業除少數幾家具備一定的研發能力，普遍技術研發能力差，造成產品質量參差不齊。市場無序競爭也不利于產品水平的提高。目前主要存在以下問題。

1) 現有的排水救援裝備笨重、使用壽命短，缺少耐磨性好、承壓性能強的軸瓦材料。主要表現在一些產品的技術性能過低或不全；一些潛水電泵吸入口過濾網罩面積過小，經常發生堵塞，影響排水效果；一些潛水電泵設計的介質適應能力過低，只能適應固體顆粒體積分數4%以下甚至更低的水質，造成磨損過快；一些潛水電泵適應水質的pH值范圍較窄，在酸性水源中，耐酸材料磨損很快，需要經常更換設備；一些產品在電機功率匹配上不合理，經常超載而燒毀電動機。

2) 排水設備成套性、適應性差。泵、電動機、管路、電控、閥、電纜一體化的配套能力較差，不同廠家的水泵、管路及相關部件的性能、特點有差別，容易出現不匹配的問題，對排水環境適應性也不同，缺乏成套性，影響排水作業效率，甚至影響排水作業順利進行。在有些煤礦救援中，就出現臨時尋找且長距離調集備用耐高壓柔性排水管、合適的備用水泵和排水管路、管路接頭等設備和配件，安裝費時費力，多次出現水泵損毀情況，較長時間達不到理想的排水能力，降低了救援效率并增加了救援消耗[3]。

3) 現有產品在輕型化方面還有很大的差距。在井下運輸非常困難，嚴重影響救援的進度。

因此,水泵的輕型化是提高煤炭產能的關鍵因素。

3 輕型化應急救援用潛水電泵的研究分析

3.1 水泵輕型化分析

目前應急救援用潛水電泵的特點包括揚程高、流量大、配置電動機功率大、體積大、質量大，而且潛水深度深，電動機承壓大，氣密性要求高。由于使用環境對潛水泵提出了更高的要求，故對材料選型、鑄造和加工工藝也提出了更高的要求，零部件的大型化、電壓等級提高、潛水深度提高、水壓力增加對檢測設備、檢驗條件提出了更高的要求。

由水泵的理論可知：流量比例定律Q1/Q2=n1/n2；揚程比例定律H1/H2=(n1/n2)2；水泵的功率P∝Q×H。由此可推出：P1/P2=(n1/n2)3；式中：Q為流量;n為轉速;H為揚程。

在水泵尺寸不變的情況下，水泵的輸出功率與轉速成3次方正比關系。在功率不變的情況下，轉速提高，可大大減小水泵的體積。

3.2 電動機輕型化分析

根據電動機的理論，主要尺寸、功率、轉速有如下關系：

P=CA×D2×Lef×n

(1)

式中:CA為常數;n為轉速;D2×Lef為電動機體積。

在功率一定的情況下，轉速升高，電動機的體積減小。故設計電動機轉速可提高，從而進一步減小電動機的體積，最終使電動機的質量進一步減小。

4 輕型化潛水電泵的研制

經反復研究論證實踐，研制出流量300 m3/h、揚程50 m,流量300 m3/h、揚程200 m，流量100 m3/h、揚程100 m共3種規格的礦用輕型快速搶險潛水電泵樣機各1臺。樣機滿足以下要求：

1) 耐酸堿度3

2) 混濁度>10%，連續工作時間不低于200 h。

3) 體積質量較同功率泵的降低不低于30%。

4) 整機長度<4 m。

5) 具有防堵塞清洗裝置。

6) 主機配有可移動裝置。

7) 允許潛沒深度不小于70 m。

樣機的外形如圖1。樣機的技術參數見表2。

(a) 電泵BQ300-200-280(660/1 140)

(b) 電泵BQ300-50-75(380/660)

(c) 電泵BQ100-100-55(380/660)

表2 樣機技術參數

5 效果分析

電動機減重情況對比如表3所示。通過對比分析可以看出，輕型應急救援用潛水電泵的減重最高達到40%左右。產品經過專業檢測中心的檢驗合格。

表3 電動機減重情況對比

6 結論

通過研究潛水電泵的現狀及潛水電泵的輕型化分析，研制了煤礦用輕型化應急救援用潛水電泵。通過對比分析可知,輕型化潛水電泵的設計是成功的，對煤礦井下透水事故的救援起到重要作用。