孫梅

[摘? ? 要 ]采煤機在采煤作業(yè)過程中，面臨著自身性能不足、損耗過大、發(fā)熱較高、散熱不足等問題，再加之井下作業(yè)環(huán)境空間封閉、空氣中混合爆炸氣體、潮濕等易爆復(fù)雜問題，需對隔爆型三相異步電動機進行優(yōu)化設(shè)計。針對上述問題，對電動機的電磁部分以及結(jié)構(gòu)部分進行優(yōu)化。通過理論實踐、樣機測試，確保在此優(yōu)化方案下，性能良好，提高采煤產(chǎn)出率，避免爆炸等安全事故，使用廣泛應(yīng)用于綜合機械煤礦井下采集，為相關(guān)企業(yè)提供解決思路。

[關(guān)鍵詞]隔爆型采煤機;三相異步電動機;采煤隔爆;優(yōu)化設(shè)計

[中圖分類號]TD724[文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）08–00–03

Optimization Design of Flameproof Three Phase Asynchronous Motor

Sun Mei

[Abstract]In the process of coal mining， shearer is faced with the problems of insufficient performance， excessive loss， high heating and insufficient heat dissipation. In addition， the underground working environment is closed， mixed explosive gas in the air， humidity and other explosive complex problems， so it is necessary to optimize the design of flameproof three-phase asynchronous motor. In view of the above problems， the electromagnetic part and structure part of the motor are optimized. Through theoretical practice and prototype test， it is ensured that under the optimized scheme， the performance is good， the coal mining output rate is improved， and the safety accidents such as explosion are avoided. It is widely used in underground collection of comprehensive mechanical coal mine， providing solutions for related enterprises.

[Keywords]Flameproof shearer; three phase asynchronous motor; coal mining flameproof; optimization design

在傳統(tǒng)采煤環(huán)境中，井下的開采空間有限，施工環(huán)境相對潮濕、封閉，使得采煤機工作時面臨的情景更加復(fù)雜，普通采煤用電動機在工作，常常因為發(fā)熱及散熱不充分，引發(fā)一系列安全問題以及工具損耗過快等現(xiàn)象[1]。因此，針對內(nèi)外部的困擾，優(yōu)化設(shè)計采煤用的隔爆型三相異步電動機，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，由于和電控箱一體安裝，在完整殼體周圍安裝三相異步電動機、連接箱體以及電控箱體。一體化的設(shè)計避免了因潮濕等情況引發(fā)的安全問題，同時考慮到作業(yè)空間有限，設(shè)計的機身體積，使得電動機有足夠的強度承受爆炸等極端情況?？偠灾瑑?yōu)化設(shè)計后的電動機加大采煤產(chǎn)出率高，體積適中方便井下作業(yè)，廣泛應(yīng)用于綜合機械化開采使用。

1 隔爆型三相異步電動機使用環(huán)境及優(yōu)化思路

在傳統(tǒng)采煤機工作環(huán)境時，作業(yè)環(huán)境較差，在井下通常是在比較窄小、濕度較高的空間中作業(yè)，開采環(huán)境條件惡劣。采煤機工作時聚熱而不易散熱，空氣濕度較大，積水較多，再加之在井下作業(yè)，空氣中含有大量的瓦斯、煤氣等混合氣體，當氣體濃度達到一定程度，非常容易發(fā)生爆炸事故。

對于其所處的環(huán)境，在設(shè)計制造采煤用的電動機的時候，應(yīng)從以下幾點解決：首先電機在長時間的作業(yè)下，會有發(fā)熱問題，應(yīng)當防止機身高溫損害零件，并且提高散熱效率，其次若發(fā)生爆炸，電動機的外殼必須堅硬，防爆性能好、防護等級高，即使發(fā)生爆炸這樣的極端環(huán)境下，依舊能夠抵抗沖擊，防止外殼炸裂飛濺從而引起事故的二次傷害。

針對以上問題，現(xiàn)在采取的隔爆型三相異步電動機是對普通電動機的優(yōu)化設(shè)計，主要包括以下角度：對電磁的優(yōu)化、對電機材料、制造結(jié)構(gòu)、以及冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化。從這4個方面進行改良后，能夠達到的理想效果是：首先是能夠提高電機的工作效率，能耗減少的同時增加電機本身的過載能力，減少了磨損的同時延長使用時間，更重要的是加強了冷卻效果，在井下作業(yè)時，既能夠優(yōu)化性能提高礦井生產(chǎn)效率，同時提高了安全系數(shù)。同時，需要提出的是，電機結(jié)構(gòu)應(yīng)當按照用戶的需求，定制以適應(yīng)具體要求，圖1展示了YBKD7.5-4 7.5 kW 34V 5～140 Hz電機外形，此圖為優(yōu)化后的電機圖實例，具體優(yōu)化思路如下。

2 電磁部分優(yōu)化設(shè)計

在電動機優(yōu)化設(shè)計過程中，很重要的一個環(huán)節(jié)就是對電磁部分的優(yōu)化。電動機正常投入使用，其各項性能指標需滿足生產(chǎn)要求，并且在作業(yè)過程中有較強的適應(yīng)性，建立在電磁性能指標優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上[2]。電磁部分的設(shè)計優(yōu)化中的計算部分，利用了哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的異步電動機計算程序軟件;另外在分析電磁場的暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)，主要使用的電磁計算機軟件是美國開發(fā)的ANSOFT。

依據(jù)電磁設(shè)計原理，選取了以下參數(shù)：通風(fēng)道的數(shù)量、槽型、槽配合零件、電磁鐵心長、節(jié)距以及沖片材質(zhì)的確定等等。再配合以上參數(shù)設(shè)計時能夠保證電動機的轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、電流倍數(shù)、效率、功率因數(shù)等達到標準。此外，還需要在標準基礎(chǔ)上保留空余，這樣，電動機即使在比較復(fù)雜且極端的臨界條件依然可以正常運行作業(yè)。

此外，對電動機的指標性能做了優(yōu)化設(shè)計，使其既能夠符合安裝尺寸標準，又能高于相關(guān)的行業(yè)標準。首先，從上文中提到的外部高溫環(huán)境作業(yè)問題出發(fā)，計算機結(jié)合其發(fā)熱、散熱的特點，模擬分析溫度場，模擬結(jié)果又能夠指導(dǎo)電動機熱源分布以及散熱情況的優(yōu)化設(shè)計改進，能夠在不消耗過多材料與時間下避免高溫危險的出現(xiàn)。

理論上，根據(jù)電動機功率的大小，以1000 kW為分界線，定子鐵線圈采用不同的繞組方式：1000 kW以下，采用散繞組方式;超過1000 kW采用成型繞組、模壓下線的方式;需要注意的是，有的電動機功率超過200 kW在1000 kW以下、電壓等級為1140 V的電動機，采用的方式為模壓下線、成型繞組的方式。但在實際操作的過程中，需考慮的方面為：①由于電動機體積大小繞組的長短受到了影響，需解決接線困難、不宜進行檢修等人工操作。②考慮其絕緣性能，在進行繞組前，線圈需采用VPI浸漬處理，繞組的絕緣等級應(yīng)為H級，這樣在防潮、絕緣性能的加持下，線圈繞組會更加安全。③確定材質(zhì)，特別是使用過程中的轉(zhuǎn)子槽形、端環(huán)以及導(dǎo)條，依據(jù)電動機的功率不同，采用的轉(zhuǎn)子材質(zhì)也不同：功率小于100 kW，采用鑄鋁轉(zhuǎn)子;大于100 kW時，則采用雙鼠籠銅條轉(zhuǎn)子。銅條轉(zhuǎn)子的主要材質(zhì)為內(nèi)部采用紫銅、外部采用錳黃銅，端環(huán)使用純銅鍛件加工，確保軸與轉(zhuǎn)子沖片間的間隙距離為0.03～0.10 mm。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 基座結(jié)構(gòu)

電動機在井下作業(yè)時，自身的功率較大，發(fā)熱情況比較嚴重，加之井下作業(yè)環(huán)境封閉不易散熱。先前的冷卻系統(tǒng)采用的是空氣冷卻結(jié)構(gòu)，在急速的升溫下散熱效能并不好，增加了電動機的能耗和損壞同時也增加了爆炸的風(fēng)險[3]。為延長使用壽命且更安全，可對原先傳統(tǒng)的冷卻結(jié)構(gòu)改變——將空氣冷卻結(jié)構(gòu)置換為水冷卻結(jié)構(gòu)。具體操作為將冷卻水注入基座的底部，冷卻水在基座中不斷循環(huán)使得電動機降溫散熱，電動機內(nèi)部始終維持在安全溫度之下。而水冷卻系統(tǒng)中存在水體流出等安全隱患，可以通過內(nèi)外雙層水套解決。機身的結(jié)構(gòu)為強度比較大且不易變形的鋼板，因此冷卻系統(tǒng)相對比較安全。具體如圖2部分設(shè)計，基座的底部兩端部分配備了防爆呼吸排水閥，單向結(jié)構(gòu)且緊固螺栓電機外殼外側(cè)與端蓋均布的六搭子得以可靠聯(lián)接，雙層水套中，內(nèi)層水套采取軸流式，冷卻水道被均分為12等，在對應(yīng)位置處增設(shè)開孔，內(nèi)外水套之間留有空隙，盈余空間在0.41 mm，多道工序的保護下，即使是發(fā)生水套過熱膨脹，也不會使堅硬耐磨的外套變形膨脹，只會在孔隙處擋水條塞焊，冷卻系統(tǒng)強度得以保障，提高安全性、延長使用壽命。

3.2 端蓋結(jié)構(gòu)

為進一步提高冷卻效果，對端蓋結(jié)構(gòu)也進行了優(yōu)化設(shè)計——采用水冷卻鋼板焊接結(jié)構(gòu)（圖2）。冷卻效果進一步提升，散熱性能好，延長了其他零部件，如滾動軸承的使用壽命，間接減少了更換與維修。另外，在安全方面，使用的是嚴格設(shè)計后的橡膠型密封圈，保證了端蓋進水口與基座之間的密封效果。

3.3 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)極其重要，在電動及運行過程中，軸承結(jié)構(gòu)的斷裂或者問題必然引發(fā)機器的故障及危險。對此部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要從軸的強度以及剛性方面改進。隔爆型三相異步電動機使用的材質(zhì)為40CrNiMo的花軸鍵，硬度比較高，特別是經(jīng)過淬火加工后，HRC為45以上。該類花鍵軸強度高、韌性好，更是領(lǐng)先于其他合金鋼的淬透性能以及抗熱性能。為進一步加固，在轉(zhuǎn)軸的兩端骨架油封處鑲嵌淬火后硬度（HRC）達到45以上的軸套，這樣電動機就能穩(wěn)定運行且符合機械強度標準。

3.4 軸承結(jié)構(gòu)

軸承結(jié)構(gòu)主要問題是電動機使用時間過長，軸承會在不斷的摩擦中不可避免地有一定程度的損壞。在優(yōu)化設(shè)計的過程中可以采用圓柱滾子軸承，除了結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化，使用的材質(zhì)也要進一步優(yōu)化，嚴格把控其優(yōu)質(zhì)質(zhì)量，這樣可以在使用壽命以及使用效率上獲得平衡，滿足使用需求。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

參照設(shè)計方案對傳統(tǒng)電動機進行改造后，對改造完成后的樣機進行跟蹤實驗并對各參數(shù)進行記錄分析。從分析結(jié)果上看：優(yōu)化改良過后的電動機節(jié)能高效，堵轉(zhuǎn)電流小、轉(zhuǎn)矩高，使得電動機在工作時能負荷強度增大，解決了電動機的發(fā)熱問題，另一方面水冷卻系統(tǒng)的使用，散熱性能明顯提高。不僅從源頭上解決電動機發(fā)熱及散熱不良的問題，增強其防護強度，同時能夠在一定程度上延緩機器的損耗以及延長使用壽命，投入采煤生產(chǎn)后，生產(chǎn)效率大大提高。

5 結(jié)束語

上述優(yōu)化設(shè)計方案是切實可行的，并且在實際效果中展示了采煤用隔爆型三相異步電動車性能確實得到了提升如表1，通過在工作頻率10～140 Hz方面的測試，可知，優(yōu)化后的電動機可以正常使用，同時解決了在下井作業(yè)時的問題，解決了發(fā)熱散熱問題，加固了機械強度以及防爆防護程度，使得電動機的運轉(zhuǎn)達到基本要求，另外能用更少的能源消耗提升工作效率，從安全性、實用性方面獲得雙優(yōu)化改進成功。

參考文獻

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