彭大華，張 宙

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

絞吸式挖泥船運用電機驅動絞刀裝置，對土層進行切削，與水混合形成泥漿后，再通過吸泥泵將泥漿吸入并輸送到規(guī)定的拋泥區(qū)。絞吸式挖泥船用途廣泛，可以在江河湖海中作業(yè)，用以清淤、航道挖掘、吹填造地。在特殊情況下，絞吸式挖泥船安裝上大功率絞刀設備后，不需爆破即可挖掘玄武巖和石灰石等巖石地層。

本項目電機為“自航絞吸式挖泥船水下泥泵電軸系統(tǒng)”的配套電機，共3臺，其中2臺拖動鉸刀，1臺拖動吸泥泵。電機功率為4 000 kW，為目前國內最大的挖泥船配套電機。挖泥船工作時先把橋架放入水中，然后起動吸泥泵和鉸刀，如圖1所示，再移動橋架到河床底部開始挖掘和吸泥工作。由于鉸刀電機選型時考慮挖掘巖石地層，在水中起動時負載阻力矩很小，相對來說吸泥泵電機起動所帶的負載要大些，起動結束時阻力矩約為0.6MN(MN為電機額定轉矩)，因此本文以吸泥泵電機作為對象進行起動分析。

圖1 鉸刀驅動示意圖

電機要求能在搖擺22.5°，縱傾0～45°(最大達70°)工況下長期穩(wěn)定運行，在設計時需考慮電機在傾斜工作時各部件強度及軸承的受力情況。整個電軸系統(tǒng)如圖2所示，考慮了1號機、2號機單機運行或并聯(lián)運行，同時也考慮了3號機發(fā)電系統(tǒng)出故障改由2號機發(fā)電系統(tǒng)供電驅動吸泥泵繼續(xù)工作的狀況。

圖2 系統(tǒng)布置圖

1 電機電磁方案分析

挖泥船電機不同于普通電機，挖泥船電動機由船上的4 300 kW 6 P 6 300 V無刷勵磁同步發(fā)電機TFW4300-6H供電，發(fā)電機由柴油機驅動發(fā)電，具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。由于異步電機起動電流較大，直接起動時對同步發(fā)電機形成巨大的沖擊，導致端電壓大幅下降，同時異步電動機的起動轉矩與電壓平方成正比，導致電動機的起動轉矩非常低，所以在電磁設計時要考慮盡量減小起動電流，同時增加起動轉矩，以確保電機能夠正常起動。在電機設計時考慮了3種方案，如表2所示。

表1 規(guī)格參數(shù)表

表2 方案對比

通過對比方案3，雖然有較大的起動轉矩和較小的起動電流，由于采用了高電阻率的轉子導電排，使得電機效率有所下降。在額定運行時，較方案1損耗增加了43 kW，不僅使電動機發(fā)熱增加了，同時發(fā)電機的容量也增加了。從船電系統(tǒng)經(jīng)濟性考慮，方案1才是優(yōu)選。為了確認方案1的可行性，我們對該系統(tǒng)起動進行仿真分析，仿真時同步發(fā)電機穩(wěn)定在80%的額定轉速，勵磁調節(jié)器給定機端電壓整定值為85%的額定電壓，希望通過對發(fā)電機的強勵來滿足起動要求，強勵倍數(shù)限值設定為額定勵磁電壓的2.3倍(約空載勵磁電壓的4.78倍)。起動過程中(見圖3)由于異步電機起動容量較大，同步發(fā)電機機端電壓一直未達到整定值(約為55%UN)，此時勵磁電壓一直處于強勵限值。異步電機從同步電機加勵磁后約6.0s完成帶載起動，在起動完成后機端電壓達到整定值。仿真結果表明方案1通過同步發(fā)電機的強勵能夠起動吸泥泵電動機。

圖3 電機起動仿真曲線

2 電機定子結構設計

為滿足最大傾斜70°的使用工況，在定子機座設計時，需對關鍵受力部位進行加強。工作時傾斜角度較大，整個轉子重量軸向分量由軸伸端端蓋和機座前壁來承受，所以軸伸端端蓋內側增加12根支撐筋，定子鐵心部分兩機壁之間加一道中壁，增強整個定子的剛性。機座定位止口參考立式電機結構放在驅動側，定子鐵心壓裝后與機座進行焊接固定，確保電機縱傾在0～70°工況下定子鐵心與機座不發(fā)生相對位移。

為了校核定子在0～70°傾斜工況下的變形情況，利用ANSYS軟件對傾斜工況進行仿真分析。仿真分析主要考慮額定轉矩工況下定子和端蓋的強度和剛度。考慮的主要載荷有轉子重力、單邊磁拉力和額定轉矩。經(jīng)過仿真分析，得到定子和端蓋的變形分布如圖4所示。

額定轉矩工況時，定子和端蓋的最大等效應力和最大變形匯總如表3所示。

圖4 70°和45°傾斜工況的定子和端蓋的變形分布圖

圖5 70°和45°傾斜工況的驅動端端蓋的變形分布圖

參數(shù)70°傾角55°傾角45°傾角0°傾角定子和端蓋的最大等效應力/MPa45.044 42.814 41.243 23.368 定子和端蓋的最大變形/mm0.273780.240770.209650.017443驅動端端蓋的最大變形/mm0.273780.240770.209650.014813非驅動端端蓋的最大變形/mm0.0684150.0584170.0494790.017443

可見，在0～70°傾斜過程中，定子和端蓋的最大等效應力都很小，完全滿足強度要求。對整個定子來說，驅動端的端蓋變形量最大，最大變形值為0.273 78 mm，小于0.5 mm規(guī)范要求，因此定子和端蓋的剛度能滿足傾斜挖泥的工況要求。

3 軸承設計

考慮到電機隨著挖泥深度的變化，傾斜的角度也相應變化，要滿足最大傾斜70°使用工況，滾動軸承的設計是個關鍵，需特殊設計才可滿足正常運行。起初設計的軸承結構為驅動端布置兩個面對面安裝的角接觸滾動軸承，但考慮到角接觸軸承承載能力相對較小，經(jīng)計算無法滿足50 000 h的壽命要求，最后驅動端改成三軸承結構形式，如圖6所示。兩個角接觸軸承面對面布置位于驅動端，軸承外圈與軸承套不接觸， 主要起到軸向定位和承受軸向負荷的作用，軸承兩側加以彈簧預緊。圓柱滾子軸承布置于角接觸軸承后面，主要承受徑向力(轉子和聯(lián)軸器重量徑向分量、單邊磁拉力)，受力點位于端蓋上。甩油盤設計在圓柱軸承和角接觸軸承中間，便于潤滑油脂在軸承之間分布均勻。電機非驅動端無需承受軸向力，采用普通的圓柱滾子軸承就能滿足要求。

圖6 軸伸端軸承結構圖

4 試驗驗證

1) 電機最終性能試驗值與設計值比較接近，具體數(shù)值如表4所示。

表4 試驗值與設計值比較

2) 工廠試驗電機在傾斜45°時，軸承溫度驅動端63 ℃，非驅動端48 ℃，電機振動0.9 mm/s，達到國家振動標準GB 10068中B級要求。

3) 系統(tǒng)起動：電機經(jīng)過聯(lián)調試驗，鉸刀和吸泥泵電機均能正常起動。

5 結語

該挖泥船電機設計時充分考慮了船用電軸系統(tǒng)和縱傾0～70°工況，對電機起動進行多方案對比，并采用有限元方法對電機傾斜工況進行仿真分析，得出最優(yōu)的設計方案，最終試驗結果符合預期，各項性能達到用戶的要求。